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F-35减重回顾:攻克3000磅

文章来源:中国航空工业新闻网   发布时间:2019-11-15 08:20:36   点击量:0

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WAIV曲线。

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优化技术。

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STOVL计划实现重量与历史平均值的比较。

2004年4月,一场重大危机打断了洛马公司F-35战斗机项目进程——处于全尺寸工程发展与制造阶段的短距起飞/垂直降落(Short Take-off and Vertical Landing,STOVL)型(即F-35B)的重量已超出预计近3000磅(1360千克)。空重每增加1千克就意味着该机垂直降落时的最大允许载荷减少1千克,超重1.36吨将严重影响该机的带弹垂直降落能力,这是军方无法接受的。如果不能迅速解决超重问题,整个F-35B项目可能会功亏一篑。

SWAT重量攻关团队

洛马公司德克萨斯州沃斯堡工厂立即成立了一支由550名工程师组成的团队进行重量攻关,即“STOVL重量攻关团队”(STOVL Weight Attack Team,SWAT)。整个团队由大约12名负责人指导,每人负责自己的专业领域(机身、任务系统、发动机等),阿特·谢里丹被任命为领导人。SWAT团队主要围绕六个目标开展工作:

降低零燃油重量——评估发现,F-35B减重或推力性能改善2800磅(1270千克)左右才能修复垂直着陆带回载荷(Vertical Landing Bring Back,VLBB)性能。这需要对机身组件(如舱壁、承剪腹板、纵梁、支架、蒙皮和检修口盖)、机载系统组件(如起落架、飞行控制、热管理系统、燃油)和任务系统组件(如航空电子机架、板卡、火控和挂载)进行重量优化。

千方百计减重——合并减重/威胁数据库,加强重量奖励计划,审查所有以前的权衡决策。任何减重的创意,无论大小都值得考虑。

降低所需燃油重量——通过优化阻力和气动性能来减少执行任务所需燃油,这样可以减轻飞机起飞重量,从而获得两个关键性能指标:较短的甲板短距起飞(Short Take Off,STO)和滑跃短距起飞距离。

提高性能——优化短距起飞技术,优化垂直着陆控制余量,提高安装推力。

挑战需求——清理内部需求、基本规则和假设。优先考虑和量化联合合同规范(JCS)的影响。维护关键性能指标(KPP)并量化与基本规则和假设相关的影响。

消除重量增长——减轻重量威胁,并将增长控制为零。成本作为独立变量(CAIV)是一种通用的设计工具,有助于确定单个项目相对于其成本的相对价值。CAIV曲线通常能显示哪些项目影响最小,收益最大。SWAT团队将CAIV概念用于重量,通过创建重量作为独立变量(WAIV)曲线,明确指出哪些权衡研究项目具有最大的减重潜力而影响最小。最佳的WAIV项目被确定后,将指定小组快速实施。

SWAT团队快速行动以恢复信心,同时要符合F-35项目的关键路径计划表,并保持项目的四大支柱(经济可承受性、保障性、生存力、杀伤力),还要确保遵循严格的变更管理过程。

SWAT团队对潜在的减重权衡研究进行了分类和排序,进行了包括客户在内的全面跨团队协调。同时,SWAT团队建立了两级决策委员会:SWAT技术协调会(TCM)和综合委员会(Multi-Board)。TCM负责协调技术细节;综合委员会则由多个单一委员会合并而来,对工程变更、合同事务和商业问题负总体决策责任,一次就能决定是否采纳工程师提出的减重建议,从而促使SWAT团队以更快的速度进行攻关。

结构减重

机体结构减重是考虑得最多的方面。通过500多个项目的研究与实施,减重约2100磅(852.5千克)。研究范围包含从紧固件更改到主传力路径更改,减重范围从1磅到100磅(0.45千克~45千克)以上都有。前机身改进包括蒙皮、紧固件、起落架附件以及F-35B、F-1油箱变更;中机身改进包括优化上蒙皮和油箱盖、油箱地板、升力风扇门驱动机构、龙骨梁以及武器舱门铰链配件;机翼改进包括更换上翼蒙皮、底座、舱壁、吊舱材料、紧固件和发动机滑轨;后机身改进包括纵梁、垂尾附件和F-5油箱;尾翼则优化了垂尾、平尾,并取消了垂尾中的通气油箱;全机则通过配件接头改进、控制面尺寸改进获得减重效果。

在减重过程中,F-35主要采用了拓扑、形状和尺寸优化等三种技术,如图所示。方框a)代表拓扑优化,确定传力路径,并沿着这些传力路径配置结构,目的是确定给定空间域内有限体积结构材料的最佳排列方式,以最大化某些性能指标(如刚度)。方框b)代表形状优化,通过调整边界定义、改变几何形状来改善某些性能指标。方框c)代表尺寸优化,通过调整有限元属性卡上的输入值,改进重量性能指标。其中,主要使用厚度值作为设计变量,并通过基于梯度的算法减重。

F-35在零件级(如舱门铰链)、组件级(如舱门)、部件级(如发动机舱段)都应用了上述优化技术,并在整机级进行了配件接头、控制面尺寸的优化,从而使结构减重取得了显著成效。

系统减重

机载系统。与机载系统有关的权衡研究超过80项,减重约490磅(222千克)。这些研究包括技术升级、材料修订、设计优化以及边际分析。

飞行控制驱动的改进包括改变前缘襟翼驱动器,驱动器的储液器和阀门,以及电磁干扰过滤器。电力系统的优化包括改变起动机/发电机、28V电池、电源面板、逆变器和配电单元。功率和热管理系统的改进主要是闭环系统结构和组件优化。起落架减重包括优化STOVL型前起落架和主起落架以及材料变更。液压和其他设施驱动的改进包括改变升力风扇进气道门驱动、地面维护泵、液压蓄能器、武器舱门驱动以及材料。其他机载系统的改进包括对燃油系统油管、探头、阀门和泵的改进,以及线路优化。

任务系统。与任务系统相关的权衡研究有40多个,大约减重100磅(45千克)。这些研究包括架构改进、安装升级、技术升级、材料变更和设计成熟。

传感器、处理器和通用组件的改进包括对机架、天线和对抗措施安装的重新封装。飞行员系统的改进包括优化座舱盖、座舱盖驱动器和弹射座椅。火力控制和改进包括对发射架的更改,以及为STOVL型发射架增加独特的适配器。

推进系统。增加推力、提高性能的效果与减重相同。与推进系统有关的改进包含多个方面:对STOVL排气系统的改进减轻了重量,同时减小了后机身阻力。对辅助进气道入口驱动系统进行重新封装,并对流道型面几何形状进行微调,使气流平滑,提高了压力恢复。主发动机进气喉道面积增加了5%,在增加质量流量和改善进气道/发动机兼容性的同时,也使气流更加平滑。

最主要的推进系统改进是滚转控制喷口。SWAT计划之前的短距起飞设计是使滚转控制喷口在起飞滑跑阶段持续喷射。改进措施则是在起飞初期关闭滚转控制喷口,通过主喷嘴增强轴向推力,从而允许飞机在滑跑早期建立起飞速度。在随后的起飞滑跑中,滚转控制喷口打开,在飞机离开甲板前提供滚转推力。这些推进系统的改进组合使悬停推力增加了大约700磅(317.5千克),并且因为减少了阻力和改善了巡航阶段燃油消耗,甲板短距起飞距离减少了约100英尺(30.48米),飞行半径扩大了约26英里(41.8千米)。

减重效果

仅仅在6个月内,超过600项设计更改被采用,减轻了大约2700磅(1225千克:结构2100磅、机载系统490磅、任务系统100磅),其中745磅(338千克)与基本规则修订有关,另外推力增加了700磅(317.5千克)。很明显,SWAT计划带回了坚实的技术设计基础,成功恢复了大家对F-35 STOVL型的信心,并为CTOL和CV型带来了显著的性能提升。

此外,需要认识到各型之间的相互依赖性和通用性。在F-35项目优先级上,CTOL先于STOVL,然后是CV型。SWAT计划实施后发生了转变,STOVL先于CTOL,最后是CV型。这一决定对整个项目的成功至关重要。通过将STOVL型放在首位,最困难的问题得以立即解决,在某些情况下还会发现一些处于等待中的未知问题。顺序改变使STOVL型得以更快地优化设计,并且由于通用性和相似性,减重成果也被应用于CTOL和CV型上,使两者都成功减轻了约1300磅(590千克)。洛马高度评价了这次减重大作战,宣称SWAT的努力力挽F-35项目于狂澜。

重量管理

比减重更有挑战性的是,随着项目的推进,如何使重量保持下降。历史表明,所有飞机在项目布局和详细设计阶段都会增加重量,重量增长曲线达到8%或更多并不少见。基于大量历史数据,美国海军坚信重量增长曲线不太可能低于6%。然而,SWAT之后,F-35项目又实施了非常成功的重量管理计划,不仅实现了3%的重量增长曲线,而且在系统研制与演示验证阶段增长了200磅(91千克,任务系统设备从目标重量重新划分到空重的结果)的情况下也做到了这一点。

实现成功的重量管理的一个关键点是建立质量属性数据库。质量数据是有效的重量管理系统的基础,F-35项目利用质量属性数据库作为权衡研究结果的知识库(repository)。有了这些数据,通过平衡单位飞离成本、执行时间和其他因素等进行重量分析,从而快速有效地制定权衡后的管理决策。在完成首架生产型飞机时,飞机实际重量与数据库通过约40000条记录得出的估值之间的差异仅为0.16%。因此,洛马公司的质量属性数据库被认为是当前最好、最健壮的。

另一个关键点是实施重量奖励计划(WIP)。在其实施的四年中,洛马公司、诺格公司、BAE系统公司和其他合同公司的员工提交了12140份意见,共审查了1148项意见,批准了855项。个人提出的减重方案从几盎司到超过70磅不等。员工们因方案被采纳而获得奖金奖励,供应商也同样通过合同受到激励。

此外,与客户合作也至关重要。对设计更改的联合评估通常涉及到其他领域的妥协。政府/承包商每周召开联合会议对影响因素进行评估,决定批准或不批准。政府与行业团队都专注于减重,共同灌输信心,并齐心协力取得成功。