摘要

戰(zhàn)機及其配裝的發(fā)動機在戰(zhàn)場執(zhí)行任務時，不可避免地會遭遇敵方防空武器的威脅，終端威脅對施加損傷起關鍵作用。針對發(fā)動機（飛機）在戰(zhàn)場執(zhí)行攻擊任務時可能遭遇的不同類型威脅，重點對終端威脅作用機理和威脅模式開展分析。從終端威脅產物殺傷機理（威脅機理）出發(fā)，描述了穿透物、破片、燃燒物質、爆炸沖擊波、高能激光和生化制劑等常見終端威脅產物的輸出特性。在此基礎上，對航空發(fā)動機典型7大部件遭受的威脅模式開展分析，給出了相關威脅模式可能給各大部件帶來的損傷模式。上述威脅分析結果可供發(fā)動機及部件易損性分析時借鑒，也可供發(fā)動機生存力或易損性設計參考。

關鍵詞

終端威脅；威脅模式；損傷模式；生存力；易損性；航空發(fā)動機

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引言

航空發(fā)動機是飛機的關鍵和易損系統(tǒng)，對戰(zhàn)機整體生存力水平有著重要影響，在某些方面甚至起著支配作用。隨著現(xiàn)代航空發(fā)動機的轉速、燃氣溫度和壓力日益提高，其作戰(zhàn)生存力問題越發(fā)突出，尤其是易損性問題。在戰(zhàn)場執(zhí)行任務時，戰(zhàn)機會不可避免地遭遇敵方防空武器的威脅。因此，研究發(fā)動機的威脅作用機理和威脅模式，對評估其損傷程度并指導其生存力設計具有重要意義。

美國早在20世紀70年代就建立了飛機生存力聯(lián)合機構（Joint Aircraft Survivability Program Office，JASPO）；在20世紀70～80年代到2018年，先后完成了F-4、A-7和AH-1等多型飛機的實彈毀傷試驗、F/A-18E/F飛機機翼油箱爆炸（水錘效應）試驗、以及F-22和F-35飛機的整機及部件毀傷試驗。中國關于飛機生存力研究起步較晚，僅從敏感性和易損性方面對生存力進行分析。李壽安等[6]提出了影響飛機生存力的基本要素，基于各因素對生存力的影響重要程度給出了評估飛機生存力的權重系數(shù)法和綜合評估法，并最終給出了飛機生存力/壽命周期費用綜合權衡方法；楊哲等[7]針對實際作戰(zhàn)中飛機主要受敵方導彈破片的威脅，提出了一種導彈破片威脅下的飛機易損性分析方法；李金瑞等[8]通過計算分析，給出降低飛機易損性措施的建議，同時提出所存在問題的修改建議。目前在飛機生存力/易損性研究中，只是給出飛機所受威脅下殺傷概率的一些粗略評估方法和評估結果，還沒有對發(fā)動機所受威脅作用機理和威脅模式的詳細描述。

本文對飛機及發(fā)動機作戰(zhàn)任務進行分析，介紹了航空發(fā)動機所面臨的威脅模式，結合作戰(zhàn)任務確定終端威脅作用機理和威脅模式，初步給出了相關威脅模式對各大部件可能產生的損傷模式。

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飛機作戰(zhàn)任務及面臨威脅

飛機作戰(zhàn)任務是指作戰(zhàn)力量為達成預定作戰(zhàn)目標而擔負的任務。根據作戰(zhàn)類型、作戰(zhàn)樣式、作戰(zhàn)地位和作用、任務范圍、任務方向和作戰(zhàn)對象等因素的差異，作戰(zhàn)任務也會發(fā)生相應變化。軍用飛機主要用于執(zhí)行一種或多種任務，如與其它飛機格斗、轟炸敵方地面目標或者向戰(zhàn)場運輸貨物。

在戰(zhàn)場執(zhí)行攻擊任務時，發(fā)動機（飛機）會遭遇不同類型的威脅。根據威脅效果不同，可以將其分類為非終端威脅和終端威脅2類。非終端威脅是指用于支持終端威脅元素的電子或光學系統(tǒng)，主要用于檢測、預警、目標識別、目標跟蹤、電子反對抗、火力與指揮控制、導彈制導和通信系統(tǒng)組成，目的是為終端威脅元素提供目標位置、隨度和飛行方向等信息；終端威脅是指對空中目標起毀傷作用的軍械物品，包括發(fā)射平臺、發(fā)射設備，以及安裝戰(zhàn)斗部和相關損傷元素的威脅傳播物。發(fā)動機面臨的終端威脅通常是槍、炮、導彈，高功率激光和生化等武器。

由于非終端威脅本身并不具備施加損傷的能力，而終端威脅能夠對空中目標造成損傷，影響發(fā)動機作戰(zhàn)任務的完成。因此，本文重點對終端威脅作用機理和威脅模式開展分析。終端威脅包括發(fā)射平臺、發(fā)射設備，以及安裝戰(zhàn)斗部和相關損傷機理的威脅傳播物。對于航空發(fā)動機，通常可分為槍炮（彈丸）、戰(zhàn)斗部、高能激光武器和生化武器4類，終端威脅元素如圖1所示。

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終端產物對發(fā)動機的作用機理

終端產物是指威脅類型對目標毀傷的最終毀傷元素。研究造成目標毀傷的特征是分析飛機發(fā)動機系統(tǒng)/部件戰(zhàn)損形式的重要基礎。從終端威脅產物殺傷機理（威脅機理）出發(fā)，對終端威脅產物的常見輸出特性進行描述。常見終端威脅產物包括穿透物、破片、燃燒物質、爆炸沖擊波、高能激光和生化制劑等。

2.1金屬穿透物和碎片

金屬穿透物可以是穿甲彈彈芯、離散桿、連續(xù)桿、聚能射流、高爆戰(zhàn)斗部爆炸形成的大塊碎片。金屬穿透物和碎片的主要損傷過程包括撞擊和穿透固體和液壓沖擊導致的水錘效應。

穿透物對目標的撞擊以及穿透被稱為彈道沖擊，這種現(xiàn)象與撞擊和穿透一起構成了終點彈道學（或穿透力學）的一部分。固體的彈道沖擊的2個主要損傷過程分別是撞擊和穿透，具體撞擊過程如圖2所示。

穿透損傷過程是指穿透物完全穿透、形成穿孔或刺穿目標的情況。特定穿透物以一定的速度和角度

2.2燃燒物質

燃燒物質包括射彈或導彈戰(zhàn)斗部中填充的化學試劑和易燃金屬材料，目的是提高燃料和易燃蒸汽聚集空間內發(fā)生燃燒的可能性。輕武器射彈的燃燒物質位于彈芯的頭部，靠與目標接觸點燃；高爆戰(zhàn)斗部中的燃燒物質在戰(zhàn)斗部被引爆并炸離時點燃，以火花形式出現(xiàn)的次級燃燒物質能夠通過金屬碎片撞擊飛機金屬蒙皮產生。與燃燒物質相關的損傷過程是以起火或爆炸形式存在的燃燒。

（1）滑油燃燒。燃燒可能發(fā)生在發(fā)動機附件滑油箱滑油泄漏位置，由滑油系統(tǒng)受撞擊而引起火險的可能性是比較小的。然而，如果滑油箱供油管漏油并被點燃，全部滑油箱滑油都可能被點燃。

（2）火舌效應。當燃燒室和加力燃燒室機匣受到打擊并穿孔時，會造成不同面積大小的孔洞，穿孔的燃燒室會冒出熾熱的火舌。燃燒室是發(fā)動機中溫度和壓力均最高的部件，噴出的火舌溫度較高，同時長度較長，容易對圍繞在機匣上的附件造成損傷。

2.3爆炸沖擊波

高爆彈藥戰(zhàn)斗部爆炸產生沖擊對目標造成的壓力負載稱為爆炸沖擊波負載，是與爆炸沖擊波有關的損傷過程，是動壓負載和超壓負載的綜合效應。對于大多數(shù)在目標外部引爆的戰(zhàn)斗部來說，爆炸沖擊波是次級損傷機理。除近距爆炸外，爆炸沖擊波一般都是最后到達目標的損傷機理，它會疊加或增強其它損傷機理導致的損傷。當壓力負載足以顯著損傷發(fā)動機時，其它擊中目標的損傷機理可能已經對目標實現(xiàn)了殺傷。

金屬穿透物撞擊鋁制目標同樣能產生沖擊波。

打擊速度為1000m/s時，能夠在撞擊背面產生細碎的鋁顆?；蚱?，并迅速氧化，以光和熱的形式輻射能量，這種現(xiàn)象被稱為蒸發(fā)效應。若氧化發(fā)生在相對較小的封閉區(qū)域內，就會迅速加熱這一區(qū)域的空氣，對周圍壁板和內部構件產生沖擊波負載。高密集度的傳播物幾乎同時打擊某一鋁質目標會產生大量的鋁粉顆粒，這些粒子幾乎同時氧化，產生的積累效應能引起非常高的內部超壓。

2.4高能激光

激光武器的特點是能量集中、傳輸速度快、命中精度高、轉移火力快、抗電磁干擾強、并且能多次重復使用，但作戰(zhàn)效費比高。激光武器主要由產生光源的激光器和具有跟蹤、瞄準和發(fā)射作用的光束定向器組成。當激光武器作用于發(fā)動機時，其破壞機理是熱破壞、力學破壞和輻射破壞。

2.5生化制劑

生化制劑即生物戰(zhàn)劑和化學制劑，通過施放裝置作用于發(fā)動機，引起發(fā)動機不同形式的損傷。

（1）壓氣機的損傷。當生化制劑為液體時，液體吸入對渦軸發(fā)動機或渦噴發(fā)動機的壓氣機或對渦扇發(fā)動機高壓壓氣機的影響是壓氣機機匣相對于轉子會瞬間激冷和收縮，當吸入流被加溫并蒸發(fā)汽化時，由于激冷使機匣的溫度明顯降低。機匣相對于轉子的收縮導致葉尖摩擦并伴隨著局部加熱。因此，在設計選材時，應考慮涂層和葉尖間隙等方面。

（2）燃燒室的損傷。當生化制劑進入發(fā)動機燃燒室或加力燃燒室時，引起燃油污染，造成不穩(wěn)定（湍流）燃燒，改變火焰特性，使得燃油效率降低，從而使發(fā)動機耗油率提高，也可能使發(fā)動機推力減小甚至停車。

（3）渦輪的損傷。當生化制劑含有礦物質和金屬型顆粒時，可能會附著于葉片，形成沉積物，造成渦輪葉片不平衡。

（4）發(fā)動機附件的損傷。發(fā)動機附件中的電子設備在生化制劑作用失效（如短路）時，會影響附件功能。

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終端產物對發(fā)動機的威脅模式

目前，軍用飛機尤其是戰(zhàn)斗機的發(fā)動機以渦扇發(fā)動機為主。典型的渦扇發(fā)動機包括風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪機、后燃燒室、噴管和燃油、潤滑油控制裝置。

3.1風扇和和壓氣機

渦扇發(fā)動機的風扇和壓氣機對于整臺發(fā)動機來說具有較大的面積，對威脅機理的沖擊較敏感。

（1）風扇和壓氣機筒體穿孔或變形。引起風扇和壓氣機筒體穿孔或變形的原因是穿透物或碎片穿過筒體，可能引起筒體變形或凹陷、或破壞風扇和壓氣機輪盤或葉片。破壞的輪盤或葉片可能以100m/s以上的速度穿出筒體，撞擊或穿透飛機附近部件，引起1個級聯(lián)損傷。

（2）吸入燃油。靠近進氣道的燃油油箱壁被穿透或者液壓沖擊損傷引起破裂，燃油隨之進入發(fā)動機進氣道。由擊中而產生的碎片以及接近熔化的高能彈片產生的顆粒也常被吸入。吸入燃油后通常會引起壓氣機喘振、嚴重失速，在進氣道和尾噴管內產生不穩(wěn)定燃燒和或者發(fā)動機熄火。

（3）異物損傷。異物損傷由異物引起的，異物包含金屬穿透物、碎片、來自飛機損傷部件的斷片，這些異物進入發(fā)動機進氣道，會損傷風扇和壓氣機葉片。這可能使得發(fā)動機失效或葉片拋出穿過發(fā)動機筒體，導致附近其它部件損傷。

3.2燃燒室

燃燒室是發(fā)動機核心部件之一?，F(xiàn)代發(fā)動機燃燒室機匣易燒穿或擊穿，穿孔后會泄漏過多的燃氣和噴射熱氣流。由于燃氣泄漏，驅動渦輪的能量減少，發(fā)動機可能會發(fā)生故障和明顯的推力損失。對于1個給定尺寸的穿孔，發(fā)動機增壓比越大，燃氣泄漏越多。因此，小口徑彈丸或碎片從很大傾角打擊造成的小穿孔也能引起處于高壓的發(fā)動機故障和破壞性熱氣流噴射。如果擊中高壓燃油歧管和噴油管，會立即引起動力損失和失火。

3.3渦輪

渦輪段是組成發(fā)動機目標面積之中較小的部件之一，回流式燃燒室為渦輪提供了一定遮擋。對渦輪打擊會引起葉片損壞，接著導致高能碎片釋放，機械干擾和卡滯，使渦輪機械失去平衡并遭受二次破壞（如由過度振動導致發(fā)動機安裝失效）。

3.4噴管和加力燃燒室

在發(fā)動機渦輪后的排氣裝置中，增加加力燃燒室可增大發(fā)動機推力，同時也提高了易損性。穿透物和碎片穿透、進入尾噴管可導致噴嘴燃油管路和作動機構損傷，并導致燃油泄漏。如果飛機被擊中時，推力增大裝置正在運行，還可能引起二次起火。對于有燃油動力推力定航器的飛機，推力矢量控制管道和作動機構的穿透可能引起燃油泄漏和二次起火。如果這種殺傷模式導致飛行不可控，那么也可以歸入飛行控制系統(tǒng)。

3.5滑油和附件傳動系統(tǒng)

發(fā)動機潤滑系統(tǒng)包括滑油箱、油濾、供油泵、回油泵、管道、噴嘴和散熱器。附件傳動系統(tǒng)包括齒輪傳動裝置及機匣、起動機、泵和發(fā)電機等。所有潤滑管路和部件都易擊穿，穿孔后會引起滑油損失，造成軸承失效。對于威脅性較小的沖擊會導致附件傳動機匣因滑油泄漏或傳動裝置卡滯，從而發(fā)生故障。雖然滑油相對于燃油的著火危險較小，但并不能完全排除滑油著火的可能性。

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總結

（1）根據航空發(fā)動機作戰(zhàn)任務，獲得非終端威脅和終端威脅的類型、種類、威脅模式，可為生存力分析提供威脅輸入。

（2）從終端威脅產物殺傷機理（威脅機理）出發(fā)，根據終端威脅產物不同，對穿透物、破片、燃燒物質、爆炸沖擊波、高能激光和生化制劑等常見終端威脅產物輸出特性進行分析，進而對航空發(fā)動機7大部件遭受威脅模式開展分析，初步給出了相關威脅模式可能對各大部件產生的損傷模式。

上述威脅分析結果可供不同類型發(fā)動機及同類型發(fā)動機每一部件的易損性分析時借鑒，也可供飛機生存力或易損性設計參考。