美國海軍F-18飛機中的“使用任務環境法”

王光蘆，李大鵬，馬英

（中國航空技術研究所，北京 100028）

20世紀80年代，美國海軍武器系統和設備可靠性面臨巨大的壓力。艦載飛機低可靠性水平嚴重地削減了作戰效能，與此同時保障費不斷增加。其主要原因之一是由于當時的設計和試驗要求不足以充分代表飛機、設備在實際使用中所經受的環境。導致實際使用環境誘發的故障模式在設計階段未曾考慮，在驗證階段試驗中也未曾發現，從而使這些武器系統和設備的可靠性水平較低，使艦隊實際使用環境中執行任務能力很差。按照合同要求，美國海軍F-18飛機成熟期的平均故障間隔飛行時間（MFHBF）為5 h，而當時A-7E飛機MFHBF為1.2 h，F-4J飛機MFHBF僅為0.6 h。要達到如此高的可靠性要求，美國海軍（NAVY）認為應在采辦周期的初期階段就重視可靠性工作，把飛機性能、可靠性、壽命周期費用三者同時予以考慮，并在研制過程中采用新的設計和試驗方法，把可靠性設計到武器系統中，并通過足夠的試驗來驗證和評估可靠性設計[1]。因此，F-18承包商麥克唐納航空公司（MCAIR）提出了使用任務環境法（OME），即由真實任務剖面推導出預期作戰環境條件，并把該環境條件作為系統設計和試驗要求的基線。實踐表明這種OME 方法明顯提高了F-18 飛機可靠性和戰備完好性水平，同時使壽命周期費用（LCC）顯著降低。

1 使用任務環境（OME）法

F-18 飛機OME 由飛機和子系統在其使用壽命期內將要遇到的所有環境事件組成。包括典型訓練剖面、作戰任務剖面、飛行包線中臨界飛行條件，超過飛機正常操作極限的瞬態偏移，地面搬運和貯存環境等。OME是確定飛行載荷、振動、溫度、高度、濕度、噪聲、鹽霧和砂塵設計及試驗要求的基礎。這些要求包含在NAVY/MCAIR 的主要規范以及承包商給分承包商的設備購買規范中。

1.1 F-18使用任務剖面

要獲得比以往艦載機更高的可靠性，F-18 研制中重點強調要取得真實的使用任務剖面，然后根據這些任務剖面來定義環境要求，最后根據環境要求來設計、考核系統。圖1是F-18中OME方法的基本流程。實施OME要求承包商和海軍進行廣泛、全面的協調，其中第1步是確定F-18任務剖面，任務剖面代表了海軍飛機戰斗（VF）、海軍飛機攻擊（VA）、海面戰斗/攻擊（VMFA）編隊等剖面。選擇關鍵的戰斗和攻擊剖面以滿足最初確定的作戰要求，即主要任務是戰斗護航和攻擊（截擊）。

圖1 F-18中OME基本流程Fig.1 The basic process of OME for F-18

任務剖面是對各種作戰、值班周期、環境以及其它要素（艦隊部署系統中預期的操作說明）的詳細技術描述。任務剖面包括速度、高度、掛載武器、機動條件，它代表了飛機在其壽命周期將要執行的任務模式。這些信息對承包商的系統設計和試驗而言是非常重要的。它提供了系統和設備可靠性和性能檢測基線。因沒有軍用標準方法來設計任務剖面，軍用采購規范不能提供任務剖面，承包商也沒能力去設計任務剖面。以往艦載飛機沒有根據真實的任務剖面來進行設計和考核，致使其使用可靠性水平較低。

海軍戰斗和攻擊的典型任務如下：1）戰斗護航；2）攻擊空中巡邏；3）甲板彈射截擊；4）空中格斗訓練；5）空中攔截；6）近距空中支援；7）低空導航/攻擊；8）水面搜索；9）空中轉場；10）儀表飛行。根據作戰需求確定關鍵攻擊任務，根據飛行中隊調查結果、相似飛機訓練大綱要求、飛行員經驗數據來確定訓練任務。同時也需確定每個任務的執行頻率、飛行/停放比率、戰斗/訓練比率等，這3個參數主要依據以往經驗和F-18 的作戰使命確定。每個任務最多可包含15 個階段（爬升、巡航、攻擊、空中加油、下降等）。計算出每個階段的任務參數，例如馬赫數、高度、距離、油量和時間。美國海軍航空兵系統指揮部提供了這些任務參數的基礎數據。

為確定F-18的設計和試驗條件，要求一個任務剖面包含所有作戰狀態。表1為F-18飛機的合成任務剖面，該剖面是通過對多個任務剖面中作戰參數和使用頻率的加權計算得出。把該合成任務剖面時間轉換成飛機使用壽命期內的6 000飛行小時，并增加與飛行任務對應的地面使用活動時間，其結果見表2。盡管F-18飛機在大部分時間內都是根據合成任務剖面中的參數進行飛行的，但也需覆蓋合成任務剖面以外的狀態。因此，選擇了一些臨界設計狀態（飛行包線）。飛行任務剖面、飛行包線、地面使用構成了F-18的使用任務剖面。

1.2 F-18使用任務環境

確定F-18的使用任務剖面之后，其對應環境也基本確定，盡管預期使用環境包括多種環境因素，其中有幾個環境因素是導致設備故障的主要原因，包括：1）飛行載荷（通常用加速度表示）；2）振動、沖擊和噪聲；3）溫度、高度和濕度；4）鹽霧、砂塵。有關研究表明溫度、振動和濕度是誘發飛機設備故障的主要環境因素，圖2 為航空電子設備環境因素誘發的故障情況分布圖。由圖2 可知86%的故障是由于溫度、振動和濕度所導致。因此，在F-18 的OME 中重點采用了這3 種環境應力。其它環境因素，盡管對現場故障的影響比較小，但也很重要，在OME 中也對它們進行了考慮。

表1 海軍F-18合成任務剖面Table 1 Composite mission profile of navy's F-18

圖2 環境誘發的故障分布Fig.2 Distribution of failure for different environment

1.2.1 飛行載荷環境

合成任務中最大的機動部分是空中戰斗機動階段（ACM）。ACM的持續時間是3.34 min（整個戰斗階段是8.11 min），雖然時間僅為整個任務時間3%，但在該階段經受的環境極值非常嚴酷。用F-15的實際飛行載荷來預計F-18的正常載荷環境（如圖3所示），圖3表明在ACM階段中有2.5%的時間段內，F-18將經受超過其設計極限載荷系數（7.5 g's）的應力。

圖3 ACM載荷系數分布Fig.3 Distribution of load coefficient for ACM

表2 海軍F-18飛機各階段時間Table 2 Phase time of navy's F-18

1.2.2 溫度環境

影響飛機設備溫度環境外部因素主要有艙內溫度、飛行高度和馬赫數，影響飛機設備溫度環境內部因素主要有設備發熱量和飛機給設備的冷氣供應量。對F-18 設備溫度環境的外部因素研究主要包括：1）陸基和海洋使用區域氣候；2）海平面及空中溫度分布標準；3）任務階段環境條件，例如馬赫數、高度、頻率以及時間；4）極端的瞬態機動及其快速溫度、壓力和濕度變化。結合影響飛機設備溫度的內部因素的研究結果，把F-18 飛機分成11 個溫度區域，并確定了每個溫度區域設備的設計和試驗要求。

1.2.3 振動環境

振動對設備可靠性有很大影響。F-18 的振動設計規范是根據其它飛機（包括YF-17樣機）的飛行實測振動數據及其任務剖面對應的預期環境而制定的。按照圖4 對F-18 飛機設備的振動量級進行劃分。在制定振動規范中主要考慮了關鍵的飛行階段（彈射起飛和著陸、低空大馬赫數飛行、空中格斗機動和炮擊）以及一些正常的飛行條件。

圖4 F-18飛機設備振動劃分Fig.4 Vibration zone for F-18 device

1.2.4 地面環境

F-18 壽命周期內飛行時間少于4%。其它時間都是在陸基或甲板上貯存、運輸和維修。這些階段（約占96%的時間）的環境在F-18的系統設計中都有考慮。地面非工作環境主要包括海水飛濺、雨水、非核動力艦的排氣、其它飛機排出的廢氣、電磁干擾和空中污染物；地面工作環境包括加油、掛載武器、檢查和維修等。這些都在設備設計要求中加以考慮。

2 F-18完整性試驗大綱

F-18 完整性試驗大綱在初期階段用于指導確定設計要求，在后期階段用于驗證設備是否是按照已定的要求進行生產。隨著飛機集成水平的提高和環境復雜性的不斷增加，該大綱確定了試驗的合理順序，并要求將試驗結果反饋給研制者以生產出具有高可靠性水平的設備。試驗分為3 種類型，即研制試驗、驗證試驗和驗收試驗。研制階段目標是對關鍵任務環境的設計評估。包括性能試驗、環境試驗、基于試驗分析改進（TAAF）的可靠性增長（包括閉環故障報告）。驗證階段目標是在實驗室和實際飛行中驗證設計要求。該試驗中包括了50 個架次飛行，專用于可靠性水平驗證。驗收階段試驗主要用于設備批量生產，驗證生產工程和工藝是否固化，性能和可靠性水平是否滿足規定要求。

為滿足試驗進度和經費要求，采用加速試驗方法來壓縮實際的設計壽命時間，縮短試驗時間。對于某些任務關鍵設備（例如雷達）采用溫度、振動綜合環境進行試驗。設備規范中包括詳細的可靠性研制試驗要求，該要求可以根據F-18中OME對MIL-STD-7 81B以及有關規范中試驗環境進行剪裁，表3為典型電子設備OME中試驗技術條件剪裁簡況[2]。

表3 航空電子設備OME中試驗條件Table 3 Test condition of avionics equipment with OME method

3 OME對可靠性水平的影響

F-18 成功的關鍵要素之一是其可靠性明顯的高于當前艦載飛機F-4J 和A-7E。任務需求的越來越多變，為滿足性能提高的需求，武器系統也更加復雜。作為一個設計參數，為在研制階段可以驗證、在生產階段可以控制、在使用階段可作為一個使用特征參數，可靠性水平變得越來越難以確定和達到。在系統的壽命周期內采用周密的、有效的可靠性工程方法可以使這些困難最小化。OME方法根據真實任務剖面而得到的預期使用和環境條件為起點，來剪裁規范和試驗。設計參數以OME為基礎，并與高可靠性部件大綱和嚴格的試驗要求相結合，來確保獲得最高可靠性水平。F-18 可靠性水平的提高主要原因之一在于OME 設計和試驗都是經過承包商的評估。如圖 5 所示，采用 OME 法后，F-18 飛機可靠性水平明顯提高。

4 OME對壽命周期費用的影響

圖5 采用OME后的可靠性水平的增長Fig.5 Reliability growth after using OME method

武器系統的壽命周期費用（LCC）是該系統在整個壽命期內采辦費用和使用保障（O&S）費用的總和。典型武器系統O&S 費用約為LCC 的60%～75%。武器系統價格的增加以及國防預算的相對固定或減少，迫使美國國防部（DoD）在采購新系統時要考慮其總經費投入。由于O&S的要求是來源于該系統設備（可靠性、維修性和產品價格）的設計，購買一套新系統的同時也決定了接受該系統的維修保障費用。因此，在研制周期的早期階段考慮LCC 是非常重要的。一旦系統設計完成或系統裝備部隊，再去降低O&S費用，是極其困難的。

美國海軍在研制階段初期就對F-18 的O&S 費用進行了詳細的預計和分析，這為節約費用打下了基礎。達到可靠性和維修性目標保證值將使F-18的人力費用比A-7E 降低20%～30%。在明顯降低LCC的同時，也有助于減輕航空母艦上擁擠的工作和生活條件。那些達到項目里程碑目標和有關LCC要素的承包商獲得了最多1 500 萬美元的獎金。獲得獎勵的LCC要素包括：能驗證設計費用/LCC合理；子承包商或供應商都能有效控制LCC；有可接受的后勤保障分析；能降低維修飛機人員技術水平要求。

F-18 設備可靠性的提高是減少O&S 費用和LCC 的一個主要因素，F-18 中O&S與可靠性水平敏感模型如圖6 所示。如前所述，F-18 可靠性水平提高的一個關鍵因素是把預期的使用任務環境作為設計和試驗要求的基礎。F-18 項目辦公室需承擔OME設計和試驗所帶來的費用，因此，其根據項目的資金來權衡設計費用和LCC。F-18項目管理者在選擇設備進行OME設計和試驗的原則是：1）與任務成功率密切相關的設備；2）影響飛行安全的設備；3）采用了新技術的設備；4）費效比分析結果。如果某產品費效分析表明獲得的獎金將超過因選擇OME 而產生的額外費用，承包商也有可能在對該產品進行OME 試驗，美國海軍已對13 個產品進行OME 設計和試驗，即雷達、飛行控制電子部件、慣性導航系統、多功能顯示器、空調系統、輔助電源單元、輔助駕駛系統、駕駛員頭顯、動流量燃油泵、液壓容器部件、維修監視控制板、渦輪啟動控制閥、前部控制單元。這13 項產品因采用OME 設計和試驗額外增加的費用約為3 百萬美元，而節省的LCC 約為1.002 億美元，其回報率為30∶1。圖7為美國海軍采用了OME設計和試驗要求的部分設備及其節約的LCC。

圖6 O&S與可靠性水平敏感模型Fig.6 Sensitive model between O&S and reliability

圖7 OME設備及其LCC節省Fig.7 OME equipment and it’s LCC saving

5 結語

許多武器系統的現場可靠性水平遠低于其要求文件中的規定值和研制試驗中的驗證值，傳統的設計和試驗要求以及方法既不能有效地提高戰備完好率水平，也不能抑制LCC 的增長。在F-18 項目中，通過采用OME法，用真實任務剖面來確定飛機預期使用環境，并把該環境提供給系統和設備的設計者，在研制階段和驗證階段利用這些環境來考核評估產品是否達到規范和可靠性要求。更加真實的設計和試驗使F-18可靠性顯著提高，并提升飛機的作戰效能，降低了后期的使用和保障費用。

[1]DOUGLAS P，DUNBAR JR. A“New Look”in Reliability—F-18 Operational Mission Environment[J]. USA Defense systems management college，1977，60—61.

[2]海軍裝備部飛機辦公室，中國航空工業發展研究中心.國外艦載機使用保障[M].北京：航空工業出版社，2008：58—60.