工業(yè)級無人航空器系統(tǒng)工程研究

張偉/珠海隆華直升機(jī)科技有限公司，廣東省 珠海市 519040

導(dǎo) 讀：為提高工業(yè)級無人航空器項目設(shè)計質(zhì)量和縮短研制周期，本文提出一種適用于工業(yè)級無人航空器的系統(tǒng)工程，通過定義目標(biāo)、設(shè)計輸入、工作流程、工作策劃、資源配置、風(fēng)險評估六個方面的活動，對工業(yè)級無人航空器系統(tǒng)工程進(jìn)行研究，在200kg級工業(yè)級無人直升機(jī)的某次定制項目中，進(jìn)行了系統(tǒng)工程的應(yīng)用驗(yàn)證，項目驗(yàn)證結(jié)果符合預(yù)期目標(biāo)，充分滿足客戶需求，證明了該工業(yè)級無人航空器系統(tǒng)工程的可行性，可為工業(yè)級各類型無人航空器的產(chǎn)品研發(fā)、定制項目提供借鑒和參考。

引言

作為航空工業(yè)的新興領(lǐng)域，工業(yè)級無人航空器具有任務(wù)多樣性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，通過加裝不同任務(wù)系統(tǒng)，可有效替代有人航空器，降低飛行員安全風(fēng)險。工業(yè)級無人航空器以動力系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)為核心，其整機(jī)復(fù)雜程度較高，其研發(fā)工作的側(cè)重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)更高的容錯能力和一致性要求。

有人航空器的開發(fā)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)一般為CCAR25或CCAR23，其核心目標(biāo)是保證整機(jī)安全性，并不關(guān)注功能、性能等指標(biāo)，開發(fā)流程常參考SAE ARP 4754A《民用飛機(jī)和系統(tǒng)開發(fā)指南》，包括八個過程和七大計劃，屬于復(fù)雜系統(tǒng)工程的范疇，該流程只針對于有人駕駛飛機(jī)，流程過于復(fù)雜，在無人航空器領(lǐng)域不具備普適性和推廣性。

從工程角度上看，當(dāng)前工業(yè)級無人航空器的主要研制目標(biāo)是滿足客戶定制化要求，且目前尚沒有適用于工業(yè)級無人航空器開發(fā)研制的系統(tǒng)工程，故而產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量和周期往往達(dá)不到項目預(yù)期目標(biāo)。

為了提高工業(yè)級無人航空器設(shè)計質(zhì)量、縮短項目周期，本文提出一種工業(yè)級無人航空器項目開發(fā)流程。

開發(fā)流程設(shè)計

本章從目標(biāo)制定、設(shè)計輸入、工作流程、工作策劃、資源配置、風(fēng)險評估六個方面對工業(yè)級無人航空器項目開發(fā)流程進(jìn)行研究。

目標(biāo)制定

明確提出項目開發(fā)所期望達(dá)到的目標(biāo)和原則，包括：

(1) 項目目標(biāo)：從需求層面列出項目預(yù)期達(dá)到的商業(yè)目標(biāo)、客戶需求等。

(2) 質(zhì)量目標(biāo)：從產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量層面列出項目預(yù)期達(dá)到的質(zhì)量要求、安全性指標(biāo)等。

(3) 原則：從產(chǎn)品開發(fā)思路層面列出項目在并行工程、技術(shù)預(yù)研管理、原型機(jī)快速迭代等方面的原則。

設(shè)計輸入

應(yīng)明確列出產(chǎn)品所必需滿足的要求，包括：

(1) 設(shè)計任務(wù)書要求。

(2) 法律法規(guī)要求。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

(4) 機(jī)械、電氣和通訊接口。

(5) 功能和性能要求。

(6) 類似產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)。

工作流程

對產(chǎn)品研制流程進(jìn)行設(shè)計，確保產(chǎn)品通過一系列開發(fā)活動能夠達(dá)到項目制定的目標(biāo)，包括：

(1) 需求管理流程：通過逐層開展飛機(jī)/系統(tǒng)/部件級的需求識別、需求確認(rèn)和需求驗(yàn)證，確保產(chǎn)品特性滿足設(shè)計要求和客戶使用要求。

(2) 構(gòu)型管理流程：確定構(gòu)型項，建立各構(gòu)型基線(功能基線、分配基線、產(chǎn)品基線) ，對其狀態(tài)和更改進(jìn)行控制，保證技術(shù)狀態(tài)可控性、可見性、唯一性、可追溯性。

(3) 安全性評估流程：確保產(chǎn)品具有較高的安全性和可靠性，通過安全性評估過程(FHA、PSSA 和 SSA)和分析方法(FTA、FMEA 和 CCA)，使產(chǎn)品滿足安全性目標(biāo)。

工作策劃

對工業(yè)級無人航空器研制階段進(jìn)行劃分，列出各階段時間、工作內(nèi)容、具體輸出，包括：

(1) 論證階段：按戰(zhàn)略和市場規(guī)劃，對項目進(jìn)行產(chǎn)品必要性和可行性充分論證。

(2) 概念設(shè)計階段：對立項報告確定的的設(shè)計要求，以項目聯(lián)合團(tuán)隊形式進(jìn)行概念設(shè)計工，對總體布置、性能指標(biāo)、技術(shù)要求進(jìn)行概念方案設(shè)計工作，確認(rèn)需求、功能、架構(gòu)，形成初步總體技術(shù)方案。

(3) 初步設(shè)計階段：通過項目聯(lián)合團(tuán)隊進(jìn)行初步設(shè)計工作，對各工作分解任務(wù)包進(jìn)行初步設(shè)計，開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，確定接口，搭建初步電子樣機(jī)設(shè)計，形成總體技術(shù)方案。

(4) 詳細(xì)設(shè)計階段：完成整機(jī)和工作任務(wù)包的詳細(xì)設(shè)計定義，完成各類設(shè)計規(guī)范、試驗(yàn)規(guī)范、工藝規(guī)范、材料規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)化要求，發(fā)布工程圖和技術(shù)文件，完成分系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn)。

(5) 試制與驗(yàn)證階段：完成試驗(yàn)機(jī)裝調(diào)、地面模擬試驗(yàn)、試飛，編制客戶資料(飛行手冊、維修手冊、技術(shù)說明書) ，凍結(jié)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)，交付首套產(chǎn)品。

(6) 運(yùn)行維護(hù)階段：按照一機(jī)多型的原則，滿足市場需求，加裝各類任務(wù)系統(tǒng)，持續(xù)取得訂單。完善產(chǎn)品生產(chǎn)模式、銷售模式、維保模式、服務(wù)模式，完成批產(chǎn)能力建設(shè)。

(7) 處置階段：對于結(jié)束服務(wù)或到達(dá)壽命末期的產(chǎn)品，應(yīng)制處置機(jī)制，及時退出市場。

以上7個階段，需要形成項目完整計劃，明確各階段輸出物，并對轉(zhuǎn)階段評審進(jìn)行控制。

資源配置

對產(chǎn)品研制所需各項資源進(jìn)行配置，包括：

(1) 人力資源：成立聯(lián)合研制團(tuán)隊，明確總師系統(tǒng)和各系統(tǒng)級負(fù)責(zé)人，明確成員審簽權(quán)限。

(2) 溝通機(jī)制：對于異地協(xié)同設(shè)計，需明確溝通的方法、頻次以及渠道。

(3) 軟硬件資源配置：對于開發(fā)過程中所需的軟件和硬件進(jìn)行規(guī)劃，提前采購。

(4) 試驗(yàn)設(shè)施：規(guī)劃開發(fā)過程中的試驗(yàn)設(shè)施，一般包括環(huán)境試驗(yàn)臺、旋翼塔、尾槳試驗(yàn)臺、整機(jī)模擬試飛臺等。

風(fēng)險評估

對產(chǎn)品研制常見風(fēng)險和難點(diǎn)進(jìn)行評估，并制定措施，例如：

(1) 摔機(jī)風(fēng)險高：措施為貫徹安全性分析流程和構(gòu)型管理流程，提早試制試飛，積累足夠運(yùn)行時間。

(2) 人員基礎(chǔ)薄弱：措施為返聘航空專家、引入技術(shù)骨干、加強(qiáng)專業(yè)培訓(xùn)。

(3) 研制周期緊張：措施為搭建協(xié)同設(shè)計平臺，貫徹并行工程，聯(lián)合設(shè)計團(tuán)隊集中辦公。

(4) 成品故障率高：措施為建立成品鑒定試驗(yàn)矩陣，引入完整環(huán)境要求、電磁兼容要求、壽命要求等，加強(qiáng)元器件和電路板的檢測和篩選。

(5) 未對風(fēng)險源充分識別：措施為制定常見風(fēng)險源清單，轉(zhuǎn)階段時逐一識別，加強(qiáng)評審組水平。

(6) 需求捕獲不夠準(zhǔn)確：措施為加強(qiáng)設(shè)計輸入評審，提早請客戶介入開發(fā)過程，并借鑒有人機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

驗(yàn)證結(jié)果

為充分驗(yàn)證本開發(fā)流程，以200Kg級工業(yè)級油電混動無人直升機(jī)的某次定制服務(wù)項目作為驗(yàn)證對象，進(jìn)行開發(fā)流程應(yīng)用，項目過程如下。

(1) 2018年某日，接到客戶緊急通知，盡快赴高海拔地區(qū)開展多機(jī)編隊飛行投送任務(wù)。

(2) T+1日，完成項目立項，成立項目聯(lián)合工作組，確立項目目標(biāo)和各業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人。

(3) T+3日，完成項目概念設(shè)計，確認(rèn)任務(wù)機(jī)基本構(gòu)型和性能指標(biāo)。

(4) T+10日，完成整機(jī)初步設(shè)計，確認(rèn)外置油箱改裝方案及試驗(yàn)件圖紙、確認(rèn)通信鏈路方案及試驗(yàn)件圖紙、初步風(fēng)險評估和試驗(yàn)試飛方案。

(5) T+14日，完成詳細(xì)設(shè)計，以及外置油箱系統(tǒng)整機(jī)地面模擬試驗(yàn)、通信鏈路振動試驗(yàn)、地面拉距測試、任務(wù)機(jī)正式投產(chǎn)，制定下階段風(fēng)險分析，制定通信鏈路預(yù)案。

(6) T+22日，完成試制驗(yàn)證階段，任務(wù)機(jī)裝配調(diào)試，完成自主起降試飛、接力功能試飛和空中拉距測試，根據(jù)測試結(jié)果，開展風(fēng)險分析，確認(rèn)采用通信鏈路預(yù)案，隨后整機(jī)打包、發(fā)運(yùn)。

(7) T+30日，完成運(yùn)行維護(hù)階段，任務(wù)機(jī)抵達(dá)目的地，申請空域，試飛隊完成復(fù)裝、復(fù)飛，完成編隊試飛任務(wù)。

(8) T+31日，完成處置階段，任務(wù)機(jī)打包、返回。

通過應(yīng)用本工業(yè)級油電混動無人直升機(jī)定制項目系統(tǒng)工程，歷時1個月成功完成本次編隊試飛任務(wù)，成為唯一合格的供應(yīng)商，達(dá)到較高的客戶滿意度。

與此同時，其它數(shù)個供應(yīng)商雖然接到研制任務(wù)任務(wù)的時間較長(6個月以上)，但最終無法滿足客戶指標(biāo)要求和質(zhì)量要求，本次正式試飛任務(wù)時均未到場。

表1 新流程對比

結(jié)論

通過本文研究得到以下結(jié)論：

(1) 本文提出一種適用于工業(yè)級無人航空器項目的系統(tǒng)工程，通過在200kg級油電混動無人直升機(jī)定制項目上的成功應(yīng)用驗(yàn)證了其可行性。

(2) 本系統(tǒng)工程可供工業(yè)級無人航空器新機(jī)研發(fā)、定制項目等借鑒，以及其它工業(yè)級無人航空器廠商參考，也可適當(dāng)裁剪或增補(bǔ)，以更好的滿足開發(fā)需要。 ■

(參考文獻(xiàn)：略。如有需要，請聯(lián)系編輯部)