基于4754A及設(shè)計保證要求的發(fā)動機研發(fā)適航需求管理

蔡彬 湯勇

摘要：在民用飛機及發(fā)動機研發(fā)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，以美國汽車工程師協(xié)會（SAE）頒布的SAE ARP 4754A《Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems》最為權(quán)威，標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)產(chǎn)品的研制過程。隨著CCAR-21R4版的發(fā)布，建立設(shè)計保證系統(tǒng)是大型航空發(fā)動機研發(fā)企業(yè)開展產(chǎn)品適航取證的必經(jīng)之路。本文通過分別梳理4754A和設(shè)計保證系統(tǒng)要求，并結(jié)合大型航空發(fā)動機研發(fā)的實際情況，提出了適用于大型航空發(fā)動機研發(fā)過程適航需求管理模型，可作為企業(yè)體系建設(shè)的參考。

關(guān)鍵詞：4754A 設(shè)計保證系統(tǒng) 大型航空發(fā)動機。

中圖分類號：v233 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）03 （A）-0000-00

1 SAEARP 4754A

1.1 SAE ARP 4754A概述

4754A遵循的是系統(tǒng)工程理論和方法，所提出的開發(fā)過程，就是典型的“V”模型，包括至上而下的需求定義與分配、至下而上的系統(tǒng)實施與集成，以及需求確認(rèn)、需求驗證過程等。對發(fā)動機研制有很多的借鑒價值。

1.2 SAE ARP 4754A的主要思想

4754A 的主體內(nèi)容分別是策劃過程、系統(tǒng)的正向研發(fā)技術(shù)過程、系統(tǒng)研發(fā)的綜合過程，4754A 的主體思想在于：需求自頂向下逐漸進(jìn)行分解分配和定義，再自底向上逐級進(jìn)行驗證；所有活動都以策劃為基礎(chǔ)，先制定策劃，再實施策劃，謀定而后動。

2 設(shè)計保證系統(tǒng)DAS要求

2.1 設(shè)計保證系統(tǒng)定義

《型號合格審定程序》（AP-21-03）對設(shè)計保證的定義為：有能力在設(shè)計中充分考慮適航及環(huán)保要求；有能力驗證對這些要求的符合性；有能力向局方演示這種符合性。

設(shè)計保證系統(tǒng)是指為實現(xiàn)設(shè)計保證所需要的組織機構(gòu)、職責(zé)、程序和資源。

2.2 設(shè)計保證系統(tǒng)法規(guī)要求

2017年5月24日，《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》（CCAR-21R4）正式換版發(fā)布。法規(guī)明確提出了設(shè)計保證系統(tǒng)的建設(shè)要求。大型航空發(fā)動機產(chǎn)品如需取得型號合格證，順利獲得市場準(zhǔn)入，前提是必須建立起滿足法規(guī)要求的設(shè)計保證系統(tǒng)。

3 基于4754A的大型航空發(fā)動機研發(fā)過程的適航需求管理

大型航空發(fā)動機研發(fā)過程中涉及的適航需求是《航空發(fā)動機適航規(guī)定》（CCAR-33部）等適航法規(guī)要求中適用的適航技術(shù)條款。本文主要圍繞以上適航需求在大型航空發(fā)動機研發(fā)過程中的管理過程。4754A對需求的管理主要體現(xiàn)在需求的定義、驗證和確認(rèn)過程。

3.1 適航需求的定義

適航需求是大型航空發(fā)動機研制活動的牽引之一。發(fā)動機研制周期的頂層過程包括識別發(fā)動機適航條款級需求，并分解形成整機功能及其相關(guān)適航需求，進(jìn)一步分解形成系統(tǒng)/部件級適航需求，這個識別、并分解需求的過程即是需求定義的過程。它是建立系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)。架構(gòu)的選擇確立了實施該架構(gòu)所需的衍生需求。在需求識別和分配過程的每個階段，都需要確定現(xiàn)有需求和新的衍生需求。系統(tǒng)實施過程中所做的選擇和遇到的問題是衍生需求的主要來源，且可能產(chǎn)生新的系統(tǒng)安全性需求。詳細(xì)的設(shè)計活動總是產(chǎn)生新的需求或?qū)ΜF(xiàn)有的需求進(jìn)行更改。

3.2 適航需求的驗證與確認(rèn)

需求的驗證與確認(rèn)的主要目的是為了保證需求的一致性，是確保需求的正確性和完整性的過程，保證上層需求與下層需求，需求與審計、需求與測試、需求與最終的工作產(chǎn)品之間的一致性，使產(chǎn)品符合利益攸關(guān)者的需要。對適航需求的驗證與確認(rèn)是為了滿足適航法規(guī)提出的對民用航空產(chǎn)品的安全性的要求。

驗證與確認(rèn)通常是貫穿整個研制周期的階段性過程。在每個階段，驗證和確認(rèn)活動使得需求的完整性和正確性的置信度不斷提高。經(jīng)驗表明，重視需求的定義與確認(rèn)過可以在研制周期的早期識別錯誤和遺漏，并且減少隨之帶來的重新設(shè)計和系統(tǒng)無法滿足需求的風(fēng)險。當(dāng)利用上一層級的系統(tǒng)運行結(jié)果作為確認(rèn)過程的一部分時，該活動可以同時用于驗證和確認(rèn)。

4 基于設(shè)計保證系統(tǒng)的大型航空發(fā)動機研發(fā)過程的體系要求

4.1 設(shè)計保證系統(tǒng)三大職能

CCAR-21部明確設(shè)計保證系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠確保民用航空產(chǎn)品和零部件的設(shè)計或者設(shè)計更改符合適用的適航規(guī)章和環(huán)境保護(hù)要求；獨立地監(jiān)督對設(shè)計保證手冊規(guī)定的程序的符合性和充分性；確保設(shè)計機構(gòu)向局方提交符合性聲明和相關(guān)文件之前，獨立地核查符合性聲明的有效性和文件的符合性的功能等要求。

設(shè)計保證系統(tǒng)的運行是圍繞設(shè)計職能、適航職能和獨立監(jiān)督職能等三大職能展開，并通過企業(yè)的資源、職責(zé)、組織機構(gòu)和程序等幾方面落實。

設(shè)計職能主要活動。設(shè)計職能應(yīng)進(jìn)行型號設(shè)計或型號設(shè)計更改，實施所有試驗，記錄并保存所有型號設(shè)計資料以及符合性驗證資料。設(shè)計職能相關(guān)活動主要包含，設(shè)計、分析和試驗活動；設(shè)計評審活動、構(gòu)型管理活動等；任務(wù)分配和計劃管理；質(zhì)量控制活動等。

適航職能主要活動。適航職能應(yīng)開展包括核查符合性驗證資料在內(nèi)的，覆蓋其設(shè)計全壽命的所有有關(guān)適航方面的活動。適航職能相關(guān)活動主要包含，梳理項目研制適航條款需求，確認(rèn)適航需求落實；核查并確保型號設(shè)計和設(shè)計更改滿足適航規(guī)章和環(huán)境保護(hù)要求。

獨立監(jiān)督職能主要活動。獨立監(jiān)督職能的職責(zé)是監(jiān)督設(shè)計保證系統(tǒng)中《設(shè)計保證手冊》及其相關(guān)的工作程序的符合性和充分性，以及其執(zhí)行情況。

4.2 設(shè)計保證系統(tǒng)三大職能的落實

根據(jù)CCAR21部、AP-21-03等適航規(guī)章，對大型航空發(fā)動機研發(fā)企業(yè)設(shè)計保證系統(tǒng)有如下主要要求：

支持建立設(shè)計職能：按SAE ARP4754A要求開展設(shè)計活動，確保設(shè)計與驗證活動的獨立開展，配備相應(yīng)的設(shè)計人員以及項目管理、質(zhì)量管理人員等。

支持建立適航職能：設(shè)立適航工程師，識別并形成適航需求，并跟蹤適航需求在發(fā)動機研發(fā)過程中的落實。設(shè)立適航符合性核查工程師，建立具有獨立的設(shè)計符合性核查功能，核查申請人內(nèi)部生成的型號資料，確保型號設(shè)計和設(shè)計更改滿足適航規(guī)章和環(huán)境保護(hù)要求。

支持建立獨立監(jiān)督職能：配備符合資質(zhì)的適航管理人員，開展適航體系建設(shè)，并監(jiān)督體系運行情況。

基于以上人員設(shè)置，按以下概要過程開展工作：由適航工程師對適航需求進(jìn)行定義；由設(shè)計師系統(tǒng)開展獨立的設(shè)計與驗證活動；由適航符合性核查工程師開展獨立的內(nèi)部核查；最終提交局方確認(rèn)。同時，在此過程中通過質(zhì)量、構(gòu)型、項目管理等管控工作確保項目按質(zhì)完成。

5 大型航空發(fā)動機研發(fā)過程適航需求管理模型

基于上述SAE ARP 4754A對研發(fā)過程中需求管理要求，并結(jié)合設(shè)計保證系統(tǒng)建設(shè)的要求，對大型航空發(fā)動機研發(fā)過程中的適航需求管理如下：對適航條款需求開展定義，與驗證工作，并通過適航符合性核查完成內(nèi)部確認(rèn)，最終提交局方確認(rèn)。

5.1 適航條款需求定義

由條款級適航工程人員，梳理并形成條款級適航研制需求。由專業(yè)級適航工程人員，開展適航需求的分析分解與傳遞，確保適航條款要求落入發(fā)動機研制總要求中，分解細(xì)化形成設(shè)計需求，并分配至發(fā)動機各系統(tǒng)部件的設(shè)計技術(shù)要求中。同時各級適航工程人員對相應(yīng)層級適航條款需求開展管理，直至需求的關(guān)閉。

此過程中的需求管理：定義發(fā)動機級功能、功能需求、功能界面及假設(shè)；將發(fā)動機級功能分配給各系統(tǒng)；定義系統(tǒng)需求，包括假設(shè)和系統(tǒng)界面；定義并合理解釋系統(tǒng)衍生需求（包括安全性相關(guān)的衍生需求）；定義系統(tǒng)架構(gòu)；將系統(tǒng)級需求分配到要素；開展從要素、系統(tǒng)到發(fā)動機整機的集成。

產(chǎn)出物：含有適航要求的研制總要求、各級設(shè)計技術(shù)要求；條款級、發(fā)動機整機及系統(tǒng)/部件級適航要求納入相應(yīng)設(shè)計技術(shù)要求的符合性說明。

5.2 適航條款的驗證

由設(shè)計師系統(tǒng)人員，在發(fā)動機型號設(shè)計中貫徹適航條款要求，并對適航需求開展獨立的符合性驗證工作（設(shè)計與驗證人員相互獨立），形成設(shè)計/驗證過程中的相應(yīng)型號資料（含型號設(shè)計資料及符合性驗證資料）。

驗證過程中的需求管理：確保試驗或驗證程序的正確性；能驗證預(yù)期的功能和非預(yù)期功能對安全性影響的置信度；確保產(chǎn)品的實施過程符合整機、系統(tǒng)需求；驗證安全性求；編制驗證符合性證明；識別評估設(shè)計的不足之處及其對安全性影響。

確認(rèn)過程中的需求管理：對整機、系統(tǒng)、要素需求的完整性及正確性進(jìn)行評估；對假設(shè)的正確性及有效性進(jìn)行評估；對衍生需求的正確性及有效性進(jìn)行評估；確保需求的可追溯性；提供確認(rèn)符合性的證明材料。

產(chǎn)出物：發(fā)動機整機及系統(tǒng)/部件級符合性設(shè)計資料；發(fā)動機整機及系統(tǒng)/部件級符合性驗證資料；符合性綜述報告。（注：符合性設(shè)計資料及驗證資料統(tǒng)稱型號設(shè)計資料。）

5.3 適航需求的確認(rèn)

適航符合性核查。按照設(shè)計保證系統(tǒng)符合性核查工作要求，相關(guān)工作在局方檢查前，需開展適航符合性核查，確保其充分符合適航規(guī)章和環(huán)境保護(hù)要求。符合性核查由符合性核查工程師執(zhí)行。適航符合性核查工程師不能參加其自身參與的特定設(shè)計的符合性核查活動。

產(chǎn)出物：對上述交付物的符合性核查信息。

局方確認(rèn)。向?qū)彾ǚ教峤幌鄳?yīng)材料，以證明對大型航空發(fā)動機相關(guān)適航技術(shù)法規(guī)要求的符合性。

產(chǎn)出物：局方審核信息。

其他活動。按照設(shè)計保證系統(tǒng)三大職能的要求，通過設(shè)計職能中的質(zhì)量管控、構(gòu)型控制、項目管理、供應(yīng)商管理等活動工作確保項目按質(zhì)完成。同時通過獨立監(jiān)督職能開展設(shè)計保證系統(tǒng)程序的運行符合性的審核，確保設(shè)計保證系統(tǒng)的良好運行。

產(chǎn)出物：供應(yīng)商管理要求，以及基于要求形成的供應(yīng)商清單、供應(yīng)商資格認(rèn)證材料、供應(yīng)商評估結(jié)論等；項目管控要求，以及基于要求形成的項目計劃、合同等；構(gòu)型管理要求，以及基于要求形成的構(gòu)型控制信息等；質(zhì)量管理要求，以及基于要求形成的首件檢驗、不合格品、產(chǎn)品驗收信息等；獨立監(jiān)督要求，以及基于要求形成的體系運行檢查記錄等。

上述過程形成大型航空發(fā)動機研發(fā)過程適航需求管理模型，見下圖所示：

6 結(jié)語

伴隨著大型航空發(fā)動機及其系統(tǒng)的復(fù)雜程度的提高，除了硬件的失效會引發(fā)發(fā)動機整機、系統(tǒng)、軟硬件的失效繼而影響系統(tǒng)安全性外，各層級的研發(fā)差錯也會導(dǎo)致發(fā)動機整機、系統(tǒng)、軟硬件的失效。對于此類研發(fā)差錯，很難用量化的概率去衡量和要求。所以在大型航空發(fā)動機及系統(tǒng)的研制過程中，有必要充分貫徹4754A 的需求，減小由于研發(fā)差錯而造成的安全性事件概率。本文同時研究并明確了大型航空發(fā)動機企業(yè)必須建設(shè)設(shè)計保證系統(tǒng)的法規(guī)要求，通過設(shè)計保證系統(tǒng)的三大職能的梳理，形成了需開展的相應(yīng)活動和及其內(nèi)涵?；谏鲜鰞煞矫嬉?，結(jié)合大型航空發(fā)動機研發(fā)過程適航需求的特點，形成大型航空發(fā)動機研發(fā)過程適航需求管理模型，可供相應(yīng)單位作為體系建設(shè)的參考。

參考文獻(xiàn)

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[4] SAE ARP 4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems