航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用

劉慶東，史妍妍，崔 洋，劉曉松

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng)110015）

0 引言

傳動(dòng)系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要子系統(tǒng)，其主要功能是帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)附件及飛機(jī)附件工作，一旦失效將對(duì)整機(jī)的安全性和可靠性造成重要影響，甚至可能導(dǎo)致戰(zhàn)斗機(jī)的動(dòng)力喪失[1]。然而，受到長(zhǎng)期測(cè)繪仿制工作模式的影響，承研單位對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)研制的相關(guān)技術(shù)研究不足，發(fā)動(dòng)機(jī)研制及列裝后仍不斷發(fā)生傳動(dòng)系統(tǒng)故障[2-5]，成為型號(hào)研制“拖、降、漲”的重要因素之一。

在技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)中，通常先根據(jù)重要性和新穎性識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)元素，再針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)元素按成熟度評(píng)價(jià)細(xì)則TRL1～9開(kāi)展評(píng)價(jià)工作[6]。然而，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式單一，往往由于新穎性不足而未被型號(hào)列為關(guān)鍵技術(shù)元素，為后續(xù)故障的發(fā)生埋下了隱患。

本文提出基于傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS，制定各項(xiàng)技術(shù)的TRL1～9專用評(píng)價(jià)細(xì)則，并根據(jù)專用細(xì)則全面開(kāi)展技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工作的流程和方法。該項(xiàng)工作對(duì)控制傳動(dòng)系統(tǒng)研制過(guò)程中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義，也為承研單位制定技術(shù)能力提升計(jì)劃奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 全生命周期的技術(shù)成熟度等級(jí)要求

1.1 技術(shù)成熟度的等級(jí)定義

技術(shù)成熟度等級(jí)TRL，是指從掌握技術(shù)原理到技術(shù)在工程上成功應(yīng)用的過(guò)程中，對(duì)技術(shù)滿足項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)的度量，可以量化描述傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，從而對(duì)研制項(xiàng)目的科學(xué)管理和決策起到重要的參考作用[7-11]。

參照美國(guó)國(guó)防采辦局關(guān)于技術(shù)成熟度的分級(jí)，并結(jié)合中國(guó)武器裝備研制特點(diǎn)與實(shí)際，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟度標(biāo)準(zhǔn)定義為9級(jí)[12]，每級(jí)都建立了相應(yīng)的評(píng)價(jià)細(xì)則。

1.2 研制階段對(duì)技術(shù)成熟度的等級(jí)要求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)研制階段劃分為論證、方案、工程研制、設(shè)計(jì)定型、生產(chǎn)定型、批量生產(chǎn)、使用保障7個(gè)階段。在發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中，主要包含A、B、C 3個(gè)主要里程碑（即型號(hào)立項(xiàng)評(píng)審、方案評(píng)審、設(shè)計(jì)定型評(píng)審）以及3個(gè)主要決策點(diǎn)（即裝備研制決策、原型機(jī)研制決策、大批量生產(chǎn)決策）。各里程碑、決策點(diǎn)評(píng)審點(diǎn)對(duì)技術(shù)成熟度等級(jí)要求如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段對(duì)技術(shù)成熟度的等級(jí)要求

主要要求包括:

（1）在立項(xiàng)評(píng)審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級(jí)至少達(dá)到3級(jí)，才可轉(zhuǎn)入方案階段；

（2）在方案評(píng)審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級(jí)至少達(dá)到5級(jí)，才可轉(zhuǎn)入工程研制階段；

（3）在工程驗(yàn)證機(jī)向原型機(jī)轉(zhuǎn)段前，要求全部技術(shù)的成熟度等級(jí)至少達(dá)到6級(jí)，才可轉(zhuǎn)入工程研制階段；

（4）在設(shè)計(jì)定型評(píng)審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級(jí)至少達(dá)到8級(jí)，才可轉(zhuǎn)入生產(chǎn)定型階段。

2 傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評(píng)估流程

基于航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度評(píng)估的通用流程，簡(jiǎn)化關(guān)鍵技術(shù)元素識(shí)別等步驟，建立全面評(píng)估傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度的流程，如圖2所示。主要步驟包括:

（1）基于該型號(hào)傳動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（Product Breakdown Structure,PBS），建立傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)；

（2）基于技術(shù)載體架構(gòu)，全面梳理出每個(gè)PBS單元承載的技術(shù)，建立傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS；

（3）對(duì)于TBS中的n個(gè)技術(shù)單元，根據(jù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)TRL1～9通用細(xì)則，建立該項(xiàng)技術(shù)的TRL1～9技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)專用細(xì)則；

（4）根據(jù)該型號(hào)所處的研制階段及其技術(shù)成熟度等級(jí)要求N（如圖1所示），確定首輪評(píng)價(jià)采用第N等級(jí)的評(píng)價(jià)細(xì)則；

（5）按第N等級(jí)細(xì)則要求，開(kāi)展該項(xiàng)技術(shù)的首輪技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，一旦滿足則初步判定該技術(shù)單元的成熟度等級(jí)為N；否則，將按下一級(jí)細(xì)則要求，重新進(jìn)行技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，直至評(píng)價(jià)結(jié)果滿足細(xì)則要求，最終確定該項(xiàng)技術(shù)的成熟度等級(jí)；

（6）對(duì)于TBS中的n個(gè)技術(shù)單元，按照（5）逐一判定其技術(shù)成熟度等級(jí)，并針對(duì)不滿足研制階段技術(shù)成熟度等級(jí)要求的技術(shù)單元，分別建立該技術(shù)單元的技術(shù)成熟度提升計(jì)劃；

（7）綜合考慮TBS中n個(gè)技術(shù)單元的評(píng)估結(jié)果，及各技術(shù)單元之間的相互影響，編制《傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)報(bào)告》，對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，并制定傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度提升計(jì)劃。

傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)的核心，是確定不滿足該研制階段技術(shù)成熟度等級(jí)要求的技術(shù)，從而采取針對(duì)性措施提高其成熟度、降低故障發(fā)生的概率。因此，對(duì)于滿足第N等級(jí)細(xì)則要求的技術(shù)，暫不開(kāi)展第N+1等級(jí)的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)工作隨下一階段研制工作開(kāi)展。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)估流程

3 傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評(píng)估方法

3.1 技術(shù)載體架構(gòu)的建立

傳動(dòng)系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

典型傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)如圖4所示。與傳動(dòng)系統(tǒng)的PBS層級(jí)結(jié)構(gòu)一致，共分為3級(jí):

（1）0級(jí)，為傳動(dòng)系統(tǒng)級(jí)；

（2）1級(jí)，為傳動(dòng)部件級(jí)，主要包括中央傳動(dòng)、發(fā)附機(jī)匣、飛附機(jī)匣3個(gè)部件，此外增設(shè)“傳動(dòng)系統(tǒng)總體”，用于承載3個(gè)部件之間的匹配技術(shù)；

（3）2級(jí)，為零組件級(jí)，其中的每個(gè)PBS單元由共同實(shí)現(xiàn)某一功能的實(shí)體結(jié)構(gòu)組合而成，此外，每個(gè)部件增設(shè)1個(gè)“總體”單元，用于承載該部件內(nèi)部各PBS單元之間的匹配技術(shù)。

圖3 典型傳動(dòng)系統(tǒng)

圖4 典型傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)

3.2 技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS的建立

基于該型號(hào)傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)，全面梳理出每個(gè)PBS單元承載的技術(shù)，建立傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS。梳理中應(yīng)考慮該技術(shù)的驗(yàn)證載體，并將該技術(shù)與其驗(yàn)證載體相關(guān)聯(lián)，如“齒輪傳動(dòng)鏈布局設(shè)計(jì)技術(shù)”只有在發(fā)附機(jī)匣整體狀態(tài)下才能得到驗(yàn)證，因此將其掛在“發(fā)附機(jī)匣總體”單元之下，如圖5所示。

圖5 發(fā)附機(jī)匣總體的TBS

3.3 專用評(píng)價(jià)細(xì)則的制定

傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)專用細(xì)則，是針對(duì)具體技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)通用細(xì)則的解讀，其制定原則主要有2項(xiàng):

（1）應(yīng)保持專用細(xì)則與發(fā)動(dòng)機(jī)通用細(xì)則的內(nèi)涵一致，且專用細(xì)則的內(nèi)容包含但不限于通用細(xì)則的內(nèi)容[13]；

（2）某一等級(jí)的專用細(xì)則，應(yīng)充分考慮該研制階段的工作任務(wù)和考核內(nèi)容，保證該技術(shù)單元能夠得到相應(yīng)等級(jí)的充分考核。

3.4 細(xì)則滿足情況的判定

對(duì)于某項(xiàng)技術(shù)單元，各級(jí)專用細(xì)則編制完成后，逐條對(duì)應(yīng)其內(nèi)容，對(duì)細(xì)則滿足情況進(jìn)行判定，并將細(xì)則條目全部滿足的最高1級(jí)作為該項(xiàng)技術(shù)單元的成熟度等級(jí)[14-15]。

傳動(dòng)系統(tǒng)的全部技術(shù)單元，都完成成熟度等級(jí)評(píng)價(jià)后，應(yīng)編制《傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)估報(bào)告》。分析各項(xiàng)技術(shù)單元的成熟度等級(jí)，及其與該研制階段的成熟度等級(jí)要求之間的差距，并制定相應(yīng)的技術(shù)成熟度提升計(jì)劃，降低由技術(shù)成熟度低而導(dǎo)致的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

4 應(yīng)用實(shí)例

以處于設(shè)計(jì)定型階段的某型號(hào)傳動(dòng)系統(tǒng)為例，選取中央傳動(dòng)錐齒輪為技術(shù)載體，建立“中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)”的專用評(píng)價(jià)細(xì)則（TRL1～9）。

在判定過(guò)程中，首先按該研制階段的TRL7專用細(xì)則（見(jiàn)表1）進(jìn)行滿足情況的判定，結(jié)果有2項(xiàng)細(xì)則未滿足（見(jiàn)表2），表明該項(xiàng)技術(shù)尚未達(dá)到TRL7；因此，再次選用TRL6專用細(xì)則（見(jiàn)表3）進(jìn)行判定，結(jié)果全部細(xì)則均滿足（見(jiàn)表4），因此判定該項(xiàng)技術(shù)的成熟度為TRL6。限于篇幅，表1~4中僅示出部分細(xì)則。

對(duì)比表3、5中的專用細(xì)則“滿足情況分析”可見(jiàn)，“中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)”若要達(dá)到TRL7，應(yīng)通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)技術(shù)改進(jìn)，確保其滿足共振狀態(tài)下的動(dòng)應(yīng)力測(cè)試、最低滑油清潔度下的磨損試驗(yàn)2項(xiàng)細(xì)則要求（見(jiàn)表3）。此外，也表明“中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)”對(duì)正常使用環(huán)境有全面的考慮，但是對(duì)于使用中的超常和異常條件考慮不足，還需要開(kāi)展相關(guān)的魯棒性設(shè)計(jì)。

表1 中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)的評(píng)價(jià)細(xì)則（TRL7）

表2 TRL7細(xì)則滿足情況判定

表3 中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)的評(píng)價(jià)細(xì)則（TRL6）

表4 TRL6細(xì)則滿足情況判定

上述內(nèi)容將納入“中央傳動(dòng)錐齒輪設(shè)計(jì)技術(shù)”的成熟度提升計(jì)劃之中。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）針對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)故障頻發(fā)的研制現(xiàn)狀，提出了基于傳動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS，制定各項(xiàng)技術(shù)的TRL1～9專用評(píng)價(jià)細(xì)則，并根據(jù)專用評(píng)價(jià)細(xì)則制定全面開(kāi)展技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工作的流程和方法。

（2）技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)細(xì)則的建立是傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工作的核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)通用細(xì)則的解讀，且通過(guò)對(duì)細(xì)則滿足情況的判定，明確了該項(xiàng)技術(shù)的成熟度提升方向。

（3）通過(guò)分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)各里程碑、決策點(diǎn)的技術(shù)成熟度等級(jí)要求，持續(xù)開(kāi)展傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)工作，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果制定相應(yīng)的成熟度提升計(jì)劃，可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。