美国LCAC维修热点及地勤式维护保障

张宗科 熊逸凡

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

美国全垫升气垫登陆艇（LCAC）从1984年12月开始装备，大幅拓展了可超越登陆的岸线范围，经沙漠风暴等实战考验，深受美海军重视，至2001年先后交付91艘［1］。在此基础上派生出了T-2000、LSF-II等，目前其升级换代船SSC的首制船LCAC 100正在进行海试，计划建造1艘试验船+72艘装备船，以逐步替代到寿的LCAC。LCAC作为横跨船舶与航空两个行业的高性能船，在研制中大量应用了航空技术，如空气螺旋桨、空气舵、400 Hz中频电制、小型燃机发电机和电传控制等，维修难度大，但海上使用环境恶劣导致维修工作量大，由于人员编制仅为5人，而系统设备相对复杂、航空设备技术含量高，因此参照航空采用地勤式维护保障模式，建立了强大的地面维护技术力量［2］。分属的两个船队ACU-4、ACU-5均设有专业维护人员、维护场地及设施等，在LCAC外出执行任务时，配备专业齐全的小分队随船保障。LCAC在35年的发展壮大中，筛选出当前维修热点Top10并重点攻关，实现技术递进提升，维修力量逐步成长完善，保障了SLEP以及系统设备的更新换代，实现了LCAC的高可用性与在航率。

1 LCAC维修模式架构与维修改进工作

1.1 JEFF A与JEFF B试验时的技术维护组成

从1978年开始JEFF A与JEFF B进行了大量的实船试验，在试验试航阶段由使用部队技术支持人员组成技术维护小组，人员构成见表1。试验初期，JEFF A出现垫升风机裂缝、导管裂缝、直角齿轮箱运转问题等，JEFF B则遇到艏部围裙手指吸附现象，排除故障后，运行正常，均达到设计指标。

1.2 LCAC首制船的可靠性增长试验

LCAC以JEFF B为母型船，同时融合了JEFF A的长处，首制船于1984年12月交付。在试验过程中暴露出大量问题，技术方面共29个：动力轴系扭振、主机齿轮箱、复合材料螺旋桨脱层、螺旋桨防护、艏部矢量喷管、报警及监控系统、燃机进气滤清、滑油冷却、液压系统、首尾跳板强度、腐蚀问题、围裙磨损撕裂、燃油箱振动龟裂和雨刮器等。之后经可靠性增长试验，对易损设备进行适应性改进，直到1986年才形成初始战斗力（IOC）。

1.3 LCAC两支艇队地勤式维护部门组织架构

LCAC在1991年海湾战争中发挥了重要作用，其后建造速度加快（见下页图1）。美国LCAC全垫升气垫船高速运行于水、气交界处，大量采用轻质航空设备，介于船舶与航空两个行业之间。LCAC的艇员配备为：艇长兼驾驶员、轮机长兼副驾驶员、导航员、装载长和甲板水手共计5人，人数相对较少，在返航停机时还必须用软管淡水冲洗每一寸艇体，故采用航空行业的地勤式维护保障模式，以减少艇员的工作量。

表1 美国JEFF A、JEFF B试验验证中技术维护人员组成

图1 美国LCAC交付时间（对应美国财年）

美国LCAC先后建造交付91艘，分属两个艇队，即ACU 4、ACU 5，并分别成立地勤式维护部门，有力保障LCAC的战备完好性（Combat Ready）。“No LCAC Support Without Ground Support”成为维护部门的口号，其组织架构简述如下。

1.3.1 ACU 4

ACU 4成立于1986年2月1日，基地位于美 国 的 Little Creek Amphibious Base， 在 Norfolk，Virginia，最多时拥有40艘LCAC。舷号依次为2、4、7、25、26、27、28、34、36、37、38、39、41、46、49、50、51、53、54、55、66、67、68、69、70、71、77、78、83、84、85、86、87、88、89。ACU 4所维护部门包含 R-0、R-1、R-2、R-3、R-4、R-5共五大分部，其下又分为不同的技术小组。其中R-0负责计划&评估、技术档案管理；R-1包含船体维护人员（HTs）69名，民间焊工7名；R-2包含63人；R-3包含电力维护人员38名；R-4负责电子设备维护；R-5为ACU 4的脊梁，自成体系安置于独立区域内，包含11名航空设备维护人员与3名海军工程营建筑技师。

1.3.2 ACU 5

ACU 5成立于1983年10月1日，基地位于美国的Marine Corps Base Camp Pendleton，在North San Diego County， California， 最 多 时 拥 有 40 艘LCAC。舷号依次为8、9、10、14、16、17、21、23、24、29、30、31、32、33、40、42、43、44、45、47、48、52、56、57、58、59、62、63、64、65、72、73、74、75、76、79、80、81、82、90。ACU 5所维护部门包含 R-1、R-2、R-3、R-4、R-6、R-7、R-8共七大分部，其下又分为不同的技术小组。其中R-1负责船体维修（Shop 26A）、机械设备维修（Shop 31A，含MR2、MR3、MRFN三个小组）、柔性围裙系统维修（Shop 57B）；R-2负责空气螺旋桨/垫升风机、液压、AC&R、燃气轮机维修，包含液压组（Shop 31F）、主机组（Shop 31T）、螺旋桨/垫升风机组（Shop 38A）、AC&R组（Shop 56B）；R-3包含电力维修组（Shop 51B），机械设备标定（Shop 96A-METCAL度量与标校）；R-4包含电子维修组 （C3N / C3I Systems， Shop 67A）；R-6 Division负责计划&评估；R-7负责无损检测、质保、防腐控制、木工（用细玻璃丝修复桨轴外罩与艏矢量喷管），其中防腐控制（Shop 64A/71B）同时负责导管、空气舵、整流支壁、艇上的其他结构，无损检测（Shop 93A，拥有57名持证焊工），质保办公室（Shop 93B，含摄影摄像师、受限空间项目管理）；R-8则由不当班的艇员及维护人员混编而成，负责LCAC外派时的维修。

1.4 参与设备更新换代及实船试验改进

维护人员参与了LCAC前期对空调、雨刮器、披挂式装甲防护、右舷观察窗、雷达、GPS、导管前缘除冰装置、人员输送专用模块PTM、外置油箱、低温环境试验、任务规划、配载系统、桨前导管防护罩（几次损坏而采取的措施）等进行改进对比研究，并根据实船使用情况将艏推器下方的进气稳压室由复合材料改为铝合金，艏推器形状改进并由铝合金改为复合材料。此外，配合承担大量的科研任务，如LCAC 66上的实尺度垫升风机性能测试/单台双出口风机独立为艏部矢量喷管供气/模拟高速低头埋首、高速回转、高速侧滑等航行安全试验/国外试验项目FCT（如深型围裙、复合材料导管/新型垫升风机和艏部矢量喷管等关键系统设备）。

1.5 参与LCAC延寿工程（SLEP）

LCAC设计寿命为20年，随着LCAC的逐渐到寿，美国海军提出延寿计划（SLEP），通过升级主机、采用深型围裙、整修船体浮箱、整修旋转机械和升级换代C4N，将LCAC服役寿命再延长10年。虽然由SLEP工程将部分艇的寿命由20年再延长10年，但随着部分LCAC减少使用（ROS）及拆解，现有76艘可用［7］。计划为（1+72）艘LCAC实施SLEP，具体进展见图2。

图2 LCAC SLEP计划进展

2 LCAC维修经典案例及可靠性增长模式

2.1 LCAC典型故障及其影响

LCAC在长期使用中，总结出主要故障及其对执行任务的影响（见下页表2）。

2.2 重要损耗件围裙系统改进

LCAC由八大系统组成，即船体平台（Hull）、围裙系统（Skirt） 、推进系统（Propulsion）、垫升系统（Lift）、控制系统（Craft Controls）、辅助系统（Auxiliary）、电力系统（Electrical）、通讯/导航系统（Communications/Navigation）。

表2 美国LCAC典型故障及其对任务的影响

柔性围裙系统的维护及更换费用约占LCAC运营费的29%，远超其他系统，甚至大于主机、螺旋桨及垫升系统的综合，每年约花费400～500万美元在围裙部件的材料费上。为降低围裙费用及维护工作量，采取多种改进措施，如将纵隔裙后部分段大囊下部由连续小囊改为相互独立的锥筒指，以增加其在波浪中的避让性，降低围裙磨损及减少维护工作量。围裙对外技术合作（FCT）的目标将围裙使用寿命至少提高50%，并探讨提高100%的可行性。通过对外技术合作，与英国Northern Rubber、意大Reeves、瑞典Trelleborg三家公司合作，虽然胶布材料成本价格增加1倍，但围裙寿命提高至原来的2倍。

整个研究分为3个阶段：阶段I基于现有材料开展试验室对比与制成手指样件装船实用；阶段II根据阶段I试验反馈，进行针对性改进，同样经试验室对比与制成手指样件装船实用；阶段III则优选围裙材料制成整套围裙，安装于训练艇作长期实用对比，并深入评估。

由于LCAC的运行条件非常难以在实验室中模拟，实船实用无法替代，但实船测试耗时费钱，且一定数量的实际运行条件难以达到。在延寿阶段则将侧部围裙改为套指型式，依靠套指内局部压力的升高来提供垫态横稳性恢复力矩，直接取消了容易损坏的纵向分隔围裙，同时减小了波浪中的围裙阻力。

2.3 轴系振动研究

动力轴系振动贯穿LCAC终生，振动源包括设备对中不好、不平衡、气流阻塞、详细设计不当导致设备或结构激振。2005年，为评估LCAC推进轴系不同组件中的某个振动对其余组件的影响，进行系统综合振动研究。评估对象不仅仅局限于垫升风机与螺旋桨系统，而是可能引起振动的每个组件，以确定组件所承受的独立冲击对自身轴段及其支撑基座的影响。为评估轴系振动以及各旋转部件自身不平衡的影响及其累积对整个轴系的影响，在NASTRAN中构建了有限元模型。Coastal Systems Station （CSS）与CDI Marine合作，充分利用LCAC运行过程中的实船测试数据修正振动模型，见图3。在NASTRAN（FEA）软件中研发的系统模型运行正常，较好地提供了振型及固有频率分析结果，并参照LCAC 66上的实艇试验测试结果进行参数修正。

图3 LCAC轴系综合振动有限元模型

2.4 维修热点Top10清单可靠性增长模式

1993年总结出的Top 10热点为：结构裂纹、液压管路（硬管/软管）、导管整流支臂内的单球结构（Monoball）、腐蚀、喷油嘴电磁线圈、雨刮器叶片/电机、液压模块运行逻辑、空调（LCAC C001～033）、艏部矢量喷管轴承、空气舵作动器以及后支撑轴承。

当这些Top 10问题辨识出来后，启动改进措施并持续跟踪直到该问题可从Top 10清单中移走。当监控到某部件相关的MTBF值呈下降趋势时，则采取下一步措施。正在监控的Top 10部件为：主机时序控制器、辅机弯曲叶片组件、后偏转齿轮箱密封件、艏部矢量喷管驱动电机、跳板绞索、小卤素灭火瓶、主机压气室压力传感器、空调（LCAC 34及后续艇） 、芯片探测器电源模块、辅机启动器与电机。

随着LCAC普及率增加与系统逐步成熟以及设计改进的深入，新问题逐渐浮出水面。CSS 可靠性与维修性R&M小组每季度与LCAC建造厂家开会，以评估可靠性统计数据并辨识出需解决的问题。总之，LCAC的R&M是一个持续监控与不断改进的过程，以最大限度保障艇的可用性。

3 实船舱段与系统设备维修热培训

3.1 专用维修工装及场地建设

LCAC船体浮箱底部包覆在柔性围裙之内，船底的着陆垫高度有限，当船静置于陆上时，不方便进入船体检查船底及围裙内部，LCAC研制了可移动式高支敦（约0.8 m高），利用专用运输车将LCAC移位置于4个高支敦上，即可方便检查（见下页图4）。为实施母船坞舱内的维修，研制了可移动式支敦（长×宽×高约为4.24 m×1.37 m×0.8 m），LCAC可自行开至支敦上。

图4 LCAC专用运输车（Big Foot Travel-Lift）及坞舱内用高支敦工装

ACU 4 分4个阶段完成了在海军两栖基地 Little Creek in Norfolk约120英亩（0.486 km2）的基地建设，ACU 5在Marine Corps Base （MCB） Camp Pendleton的基地等同样占地约 120英亩（0.486 km2），雇用海军人员、预备役、民间人员共720名。LCAC驻泊场地见图5。

图5 LCAC驻泊基地建设（左为ACU 4，右为ACU 5）

3.2 主机舱舱段维修培训

Kratos公司被Lockheed Martin （前身为UNITECH）选中支撑其与Naval Air Systems Command （NAVAIR）的两项关于LCAC的合同，即LCAC SLEP的维修指导培训课程 （MTS），LCAC主机舱由Kratos负责［3］。Kratos建造拆除替换 （R&R） 培训装置（TD），包含ETF40B 燃气轮机、推进传动轴系、辅机动力模块、供油系统（见下页图6），该设计、研发、制造的硬件设施可进行以下R&R培训（见下页表3）。

此外，Life Cycle Engineering （LCE）为LCAC主机维修提供SEA Coaches系统，可对维护人员进行培训并提供在线指导。［5］

3.3 螺旋桨与风机维护的叶片动平衡培训

艇队维护部门引进航空技术专家，实现了桨叶的自主维护等。2014年12月15日，维护人员利用专用工装在两栖船坞运输舰USS San Diego （LPD 22） 内成功更换LCAC 31右舷直径3.58 m的4叶可变距螺旋桨（见下页图7）。

LCAC的3.58 m直径螺旋桨与1.6 m直径垫升风机需要定期平衡维护，以减少振动延长艇部件寿命。与ACES Systems公司合作，开展人员培训并利用ATBAS软件进行螺旋桨、垫升风机等高速旋转叶片的动平衡与配重。

表3 美国LCAC主机舱段可进行的培训项目

图6 LCAC主机舱实尺度模型及主机更护维修模拟

图7 螺旋桨桨叶整体更换

ATABS振动分析组件最初由Dynamic Instruments Corp开发，后被ACES Systems收购，以辅助海军燃气轮机系统技术人员解决该难题。年轻海员最开始由海军自己培训，负责燃气轮机、主推进系统（含齿轮箱、轴、可变距螺旋桨）、指定的辅助设备与推进控制系统的操作运行、维修与执行初级、中继级维护。ACES Systems支持小组每年为位于Virginia的 ACU-4与位于California的ACU-5的维护人员提供平衡与振动分析培训，以帮助维护人员保持维修能力与自信心。3天的培训课程包括教室指导如何使用ATABS分析仪，船上指导如何安装振动传感器、使用ATABS组件采集振动数据，如何在螺旋桨与垫升风机上安装建议的配重块。

2018年1月，The Naval Surface Warfare Center Panama City Division （NSWC PCD）与 GE航空系统的LLC DBA Dowty Propellers Americas公司签定了一份周期为12个月，针对LCAC螺旋桨组件与附件的维修流程与产品改进评估的在线工程师咨询与技术支撑服务，以及升级LCAC螺旋桨与支撑系统的技术建议，包含后续4年另外合同的优先权。

4 LCAC三级维修策略及任务能力预测

LCAC型艇维修规划（LCAC Class Maintenance Plan，LCMP）制定的维修策略包含预防性维修与配置维修，规定了艇全寿命周期内的维修策略、流程、责任与所需资源［6］。LCAC维修策略基于渐进式维修概念，起源于减少操作人员需求的船舶设计理念，并修改以反映LCAC维修的特殊要求。LCAC维修程序与美国海军转变到基于条件维修（CBM）即依赖诊断系统与其他机械状态分析（MCA）来确定维修需求的趋势一致。LCAC维修策略基于拆除/替换故障设备的方式，以缩短维修时间、维持艇高可用性，并由换件修理的最低人员配置需求来执行。当LCAC外派执行任务时，由艇员与特遣维护小组完成该项工作，换下的故障设备运回ACU维修部门作评估与修复。部件修复并经测试处于可用状态后，或返艇安装，或交维修部门的各对应维修中心保管，或交至实时复用评估机构（RRAM）。当外派维修任务扩大到超出特遣维修小组的能力之外时，可向外派地区的中继级维修组织寻求帮助。当LCAC处于非外派部署状态时，ACU维修部门执行超出艇员与特遣维护小组（包括预防维修系统）能力之外的维修任务。ACU维修能力规划用于完成外派之前/后阶段的勘验、腐蚀检查与维修、深入维修需求，以及以前延期的维修工作。超出ACU能力之外的维修则转至军械站。

为便于定量统计分析，LCAC执行任务能力分为3类，即：全任务能力（FMC）、部分任务能力（PMC）、无任务能力（NMC）［4］。其中 FMC 又细分为2种：FMC1可马上执行任务，FMC2在72 h内经紧急修复具备执行任务能力。NMC又细分为4种：NMC1缺少零部件，FMC2需要维修，FMC3超出ACU的维修能力，FMC4规划维修需求超出当地能力（如达到军械站水平）。

LCAC定期（规划）维修应等同于常规的中继级或舰队级维修。考虑到LCAC外派活动时间可长达6个月或更久，应有足够的LCAC随时可用以支撑4个远征打击群（ESGs），其余艇应满足训练、分配的其他任务、两栖母舰适配验证、救灾以及各类其他任务。文献统计的部分LCAC的设备故障及修复时间见表4，基于数学模型预测的ACU-5的40艘LCAC中当日可用艘数与实际记录值的比较见下页图8。

表4 ACU 5部分LCAC的典型设备故障发生及修复日期统计

图8 分别基于状态优先、主要系统优先的预测当日可用LCAC数量与实际统计值的比较

5 SSC全寿命周期（费用）设计理念

SSC设计寿命由LCAC的20年提升为30年，充分借鉴LCAC在长期使用中暴露出来的25大类主要问题，在设计中预先考虑全寿命周期内的维护需求与费用，采用可靠性分析专用软件（ICAS& CBM）优化系统设备无需维护的周期，如大量采用复合材料以克服原铝合金材料的腐蚀性问题、从航空的400 Hz中频电制改为船用60 Hz普通电制、考虑设备维修的空间可达性提高维修效率，大量利用最新技术，从而降低全寿命周期费用（见图 9）。

图9 SSC在设计过程中充分考虑各系统设备的R&M

SSC采用基于子群（set-based design，SBD）的方法设计，各设备厂商提前介入设计，并对关键系统开展预先研究，安装到实验艇LCAC-66作实船使用验证。设计之初就以R&M、全寿命周期费用控制为目标，基于ICAS、CBM理念，采用三维模拟维修操作空间及便捷性，选用成熟货架产品设备。如主机维修可由简易辅助轨道平拉出舱修理，各设备通过简化接口即插即用，便于整体换件修理。为减少母舰维修人员及备件携带，SSC主机最终选用与母舰上搭载的V-22鱼鹰直升机的AE107燃机为同一核心机的船用型MT 7燃机，舍弃了LCAC长期沿用的TF系列船用燃机。SSC右舷的人员设备舱改为二层以改善观察员的工作条件，同时使左右两舷的上层建筑基本对称，消除高速航行时原风致阻力的左右不对称，便于直航操作与回转，降低操纵难度。

美国海军在2012年7月6日与Textron公司签订了LCAC升级换代产品——Ship to Shore Connector（SSC） Craft的详细设计与建造合同，SSC首制艇（舷号LCAC-100）于2018年4月10日开始水上试验，计划于2020年形成初始战斗力（IOC）。ACU-4组织2套艇上人员（5人×2）参加SSC首制船（LCAC 100）的航行试验。用SSC逐渐替代到寿的LCAC规划时间表见图10。

图10 SSC替代到寿的LCAC SLEP时间表

美国现有带坞舱的母舰装载LCAC（SSC）的能力参见表5，母舰装备规划参见图11。由文献分析可知，ACU 5所拥有的最多40艘LCAC中，平均日常可用仅为16艘左右。可见72艘SSC装备艇（每个艇队各36艘）需比LCAC维持更高的单艘可用性。

表5 美国不同类型带坞舱母舰装载LCAC的能力

图11 美国带坞舱可携带LCAC/SSC的母舰装备规划

6 结 语

美国气垫登陆艇LCAC登陆方式介于常规登陆艇与直升机之间，横跨船舶与航空两个行业，大量采用航空技术与设备，技术集成度高、维修难度大，且艇员编制仅为5人。因此LCAC采用地勤式维护保障模式。借鉴日常积累的数据，采用统计分析方法，不定期排序出当前Top10维修热点，并集中力量加以重点解决，依次递进，实现各系统设备的螺旋式提升，进而提高全船的可靠性。此外，通过对外技术援助来验证关键技术进阶（国外验证项目），如垫升风机、导管空气螺旋桨、艏部矢量喷管、柔性围裙等；以及在自有试验艇LCAC 66上进行实船试验验证（垫升风机性能测试、艏推器与双出口风机直接结合性能测试、侧部双囊套指围裙，准备在SSC上应用的单囊套指围裙的静垫升、稳性与航行性能验证，以及低头埋首、高速回转、高速侧滑等安全航行边界性能探索等）。从工程技术进阶上保证LCAC的综合性能进一步提升。美国LCAC先后建造近百艘，利用科技进步及基于可靠性的分析手段，通过地勤式维护保障模式，持续对其作不断的技术改进，保障了高在航率。针对重要问题，成立专门技术委员会，协调用户、设计所、建造厂三方，对问题进行长期跟踪分析，直至问题解决或有实质改善。LCAC提出的维修热点递进模式，维持强大的技术力量使所有维护保障前移，尽可能现场化的特点，值得学习与借鉴。