基于跨組織IPT的民用飛機發(fā)動機一體化工作模式研究

■ 曾濤 / 中國航發(fā)商發(fā) 李婧 / 中國商飛上海飛機設(shè)計研究院

為了進一步提高性能、降低風(fēng)險，通過飛發(fā)一體化的工作模式開展飛發(fā)聯(lián)合設(shè)計工作已經(jīng)成為必然的趨勢?；陲w發(fā)一體化工作的特點，由飛機和發(fā)動機雙方研發(fā)人員共同組成的跨組織集成項目團隊（IPT）工作模式是保障飛發(fā)一體化工作順利開展的有效手段。

飛機與發(fā)動機之間的集成，并非簡單的安裝關(guān)系，而是需要充分考慮飛發(fā)氣動匹配、機械安裝、功能定義、系統(tǒng)接口等因素的強耦合關(guān)系。但飛機和發(fā)動機又是兩個相對獨立的復(fù)雜系統(tǒng)，因此必須通過大量的設(shè)計和驗證工作才能實現(xiàn)飛機和發(fā)動機的良好集成匹配。飛發(fā)集成方案對飛機的安全性和經(jīng)濟性有著決定性的影響，如何實現(xiàn)飛機與發(fā)動機之間的最優(yōu)化匹配，是飛機和發(fā)動機工程師需共同解決的問題。

民用航空發(fā)動機研制一般過程

飛發(fā)一體化

飛發(fā)之間的集成設(shè)計是飛機和發(fā)動機設(shè)計的天然組成部分。飛機和發(fā)動機分別作為獨立的復(fù)雜系統(tǒng)，同時又存在強耦合關(guān)系。在早期的設(shè)計中，飛機和發(fā)動機的研制相對獨立，由此也衍生出兩種典型的工作模式，即為飛機設(shè)計合適的發(fā)動機和圍繞發(fā)動機設(shè)計合適的飛機。

為了實現(xiàn)飛發(fā)匹配，傳統(tǒng)設(shè)計中一般是將飛機和發(fā)動機解耦，飛發(fā)需求通過指標(biāo)分解至發(fā)動機制造商。發(fā)動機制造商根據(jù)飛機需求獨立完成發(fā)動機的研制，而后將發(fā)動機交付給飛機制造商進行飛發(fā)集成。這種設(shè)計方法使得飛機和發(fā)動機制造商可以分別專注于自己的領(lǐng)域，但也使得設(shè)計匹配無法進行充分迭代和溝通，導(dǎo)致飛機和發(fā)動機集成后不能充分挖掘飛機和發(fā)動機的潛力，在一定程度上削弱了整個飛機系統(tǒng)的性能甚至是安全性。

隨著航空產(chǎn)品的發(fā)展，飛機和發(fā)動機之間的互相影響和融合進一步加深。飛發(fā)聯(lián)合設(shè)計將對發(fā)動機的尺寸、質(zhì)量、性能、接口等產(chǎn)生直接影響，發(fā)動機的構(gòu)型在和飛機制造商完成聯(lián)合定義之后才能最終確定。而只有當(dāng)發(fā)動機的設(shè)計構(gòu)型確定后，才能完成發(fā)動機的CCAR-33部取證。換言之，飛發(fā)聯(lián)合定義工作不僅僅是為了實現(xiàn)發(fā)動機到飛機的安裝，同時也是發(fā)動機確定最終構(gòu)型開展CCAR-33部適航取證的前置條件之一。

飛行試驗臺上的LEAP-1C推進系統(tǒng)

由于飛機和發(fā)動機之間集成度的不斷提高，為了進一步提高性能、降低風(fēng)險，采用飛發(fā)一體化的工作模式開展飛發(fā)聯(lián)合設(shè)計工作已經(jīng)成為必然的趨勢。與傳統(tǒng)方法相比，飛發(fā)一體化是通過系統(tǒng)論的方法和全局的視野來將飛機和發(fā)動機的研制、使用過程視為一個整體，尋求飛發(fā)組合的全局最優(yōu)化。在C919項目中，CFM國際公司即提出了一體化推進系統(tǒng)的概念，希望將發(fā)動機、短艙和吊掛集成為一個大工作包與飛機開展聯(lián)合定義。

綜合以上過程，可將飛機和發(fā)動機之間的聯(lián)合研制工作劃分為3個逐步深化的層次。

第一層是飛發(fā)協(xié)調(diào)。飛發(fā)協(xié)調(diào)是指通過飛機和發(fā)動機間數(shù)據(jù)、方案、安裝、驗證需求等的充分溝通，實現(xiàn)飛機和發(fā)動機設(shè)計中對于另一方的充分考慮，飛機和發(fā)動機有著清晰的工作界面，各自的主要工作均在自己的工作域內(nèi)完成，飛機和發(fā)動機間的集成更多地體現(xiàn)在指標(biāo)、接口的匹配上。

第二層是飛發(fā)集成。飛發(fā)集成是指在綜合方案定義、系統(tǒng)構(gòu)架、功能構(gòu)架、項目進展等因素的前提下，以發(fā)動機和飛機共同的新產(chǎn)品引入過程為工作域，在設(shè)計方案、項目安排等方面進行充分迭代，發(fā)動機和飛機各自的主要工作仍是在自己工作域內(nèi)完成，但各自的方案和項目計劃均是迭代后的結(jié)果，發(fā)動機和飛機之間的集成體現(xiàn)在系統(tǒng)方案、系統(tǒng)構(gòu)架、項目匹配等各個方面?，F(xiàn)有的民用航空飛機研制，一般遵循此流程。

第三層是飛發(fā)一體化。在飛發(fā)集成的基礎(chǔ)上，業(yè)界進一步提出并實施了飛發(fā)一體化的概念和工作模式。飛發(fā)一體化，是指采用系統(tǒng)論的方法和全局的視野來實現(xiàn)飛機和發(fā)動機項目的一體化融合設(shè)計的理念。飛機和發(fā)動機之間通過持續(xù)的一體化迭代融合過程實現(xiàn)優(yōu)化匹配，在技術(shù)、項目的多重維度下實現(xiàn)飛機和發(fā)動機的優(yōu)化組合，以保證雙方的共贏。飛發(fā)一體化的工作域覆蓋飛機和發(fā)動機雙方從概念設(shè)計到客戶服務(wù)的全生命周期，目標(biāo)是充分挖掘飛機和發(fā)動機各自潛力，實現(xiàn)飛發(fā)間的全局化最優(yōu)解。對比傳統(tǒng)的飛發(fā)協(xié)調(diào)和飛發(fā)集成工作，飛發(fā)一體化具備的特點包括設(shè)計邊界的雙向延伸，設(shè)計定義和迭代的提前開展以及項目管理上的強融合。

IPT工作模式

飛發(fā)一體化意味著飛機制造商和發(fā)動機制造商要更緊密地聯(lián)合在一起開展研制工作，因此有必要引入新的工作模式以支持一體化工作的開展。目前，航空業(yè)廣泛采用了集成項目團隊（IPT）工作模式。波音公司在開發(fā)777時成立了238個IPT以完成整個飛機的開發(fā)任務(wù)。中國商用飛機有限責(zé)任公司（中國商飛）在C919項目的研制中也采用了IPT團隊的工作模式。

IPT是一個由少量的能力互補的人員組成的小組，所有成員被委托以共同的目的、行為目標(biāo)和工作方法，并相互負(fù)責(zé)。由于產(chǎn)品開發(fā)的復(fù)雜性和多樣性，不同的開發(fā)團隊有不同的組織模式，一般而言，IPT自身的組織結(jié)構(gòu)包括分形組織結(jié)構(gòu)和扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)兩種典型形式。

分形組織結(jié)構(gòu)

IPT 組織的最直觀結(jié)構(gòu)是根據(jù)產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（PBS）進行團隊的組建與分解，將多個IPT 組成一個多層次的階梯型組織結(jié)構(gòu)。在團隊內(nèi)部組織上，該框架是一個分形組織結(jié)構(gòu)。一層的團隊領(lǐng)導(dǎo)是上一層的團員。底層IPT 由相關(guān)各個專業(yè)的人員組成，上層IPT 的成員包括來自所對應(yīng)下層IPT 的領(lǐng)導(dǎo)和相應(yīng)的其他人員。在這種體系結(jié)構(gòu)中，上層IPT 具有領(lǐng)導(dǎo)和協(xié)調(diào)的作用，對底層進行初步設(shè)計和總體設(shè)計，定義底層IPT 涉及的零部件之間的接口關(guān)系。

飛機研發(fā)分形組織結(jié)構(gòu)示例

扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

扁平網(wǎng)絡(luò)模式將產(chǎn)品開發(fā)沿全生命周期和工作分解結(jié)構(gòu)進行徹底的分解，形成一個扁平網(wǎng)狀的IPT小組群。它的優(yōu)點是可以將IPT 團隊嵌入已有的組織框架結(jié)構(gòu)中，對企業(yè)的沖擊比較小，但由于IPT 之間沒有固定的關(guān)系，其協(xié)作效率將受到一定的影響。

以上兩種結(jié)構(gòu)模式各有優(yōu)缺點，對于新產(chǎn)品的開發(fā)和已成熟產(chǎn)品的改型，階梯形的分形組織結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點。當(dāng)企業(yè)原有組織框架結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)固時，使用扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能很快提高產(chǎn)品開發(fā)的效率，避免對原組織結(jié)構(gòu)進行調(diào)整所帶來的風(fēng)險和阻礙。在實際操作中，這兩種結(jié)構(gòu)模式單獨使用，也可以混合使用。對于大型復(fù)雜項目，在大的組織層級可采用扁平結(jié)構(gòu)，向下分解采用分形結(jié)構(gòu)。

飛機研發(fā)扁平網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例

飛發(fā)協(xié)同IPT組織構(gòu)架

飛發(fā)一體化的跨組織IPT應(yīng)用實踐

如前述，由于飛機和發(fā)動機各自在不同的工作域由不同的責(zé)任主體負(fù)責(zé)，原有的組織構(gòu)架已較難適應(yīng)飛發(fā)一體化工作的開展。為了開展國產(chǎn)動力裝置與國產(chǎn)大型客機間的飛發(fā)一體化工作，中國航發(fā)商發(fā)與中國商飛共同成立了跨組織的飛發(fā)協(xié)同設(shè)計IPT。

飛發(fā)協(xié)同設(shè)計IPT構(gòu)架

為了減少對雙方原有單位組織的影響，保證一體化研發(fā)工作的開展，飛發(fā)協(xié)同設(shè)計IPT采用扁平網(wǎng)絡(luò)IPT組織結(jié)構(gòu)形式。

一級IPT由中國航發(fā)商發(fā)與中國商飛的技術(shù)及項目管理人員共同組成。二級IPT 4個，分別為總體集成IPT、吊掛設(shè)計IPT、短艙設(shè)計IPT和控制集成及驗證IPT，每個二級IPT均由兩個單位的設(shè)計人員共同組成。

基于現(xiàn)階段飛發(fā)一體化設(shè)計需求，飛發(fā)協(xié)同IPT對工作進行了歸并和分配，二級IPT的技術(shù)責(zé)任設(shè)置如下：總體集成IPT負(fù)責(zé)飛發(fā)需求、性能、布局、四性、適航、噪聲和飛發(fā)接口設(shè)計定義；吊掛設(shè)計IPT負(fù)責(zé)吊掛結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置、靜強度、動強度設(shè)計定義；短艙設(shè)計IPT負(fù)責(zé)氣動、結(jié)構(gòu)、強度、載荷、系統(tǒng)（短艙防冰系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、滅火探測系統(tǒng)、反推作動系統(tǒng)等）設(shè)計定義；控制集成及驗證IPT負(fù)責(zé)發(fā)動機控制集成、飛發(fā)電氣集成、航電半物理仿真臺（mini-rig）設(shè)計。

為了實現(xiàn)飛發(fā)協(xié)同IPT與飛發(fā)方各自原有設(shè)計組織的協(xié)調(diào)工作，保證一體化工作的開展，飛發(fā)協(xié)同IPT與飛發(fā)原有設(shè)計組織的分工是：飛發(fā)協(xié)同IPT負(fù)責(zé)集成方案、接口設(shè)計和設(shè)計迭代控制，飛機和發(fā)動機原有組織機構(gòu)負(fù)責(zé)具體方案的實現(xiàn)。

飛發(fā)協(xié)同IPT負(fù)責(zé)一體化方案的集成設(shè)計和迭代，飛發(fā)協(xié)同IPT由飛發(fā)雙方的工程技術(shù)人員和項目管理人員參與，可以對飛發(fā)各自的需求和初始方案進行直接對接和快速迭代，挖掘飛發(fā)各自的潛力。一體化方案形成后，分發(fā)至飛機方和發(fā)動機方原有設(shè)計組織進行實現(xiàn)，實現(xiàn)過程中的問題和迭代實時反饋至協(xié)同IPT進行處理。換言之，飛發(fā)協(xié)同IPT并非取代原有的設(shè)計組織，而是通過對一體化方案及過程的控制實現(xiàn)飛發(fā)兩個不同設(shè)計組織間的有效融合。

飛發(fā)一體化實施情況

自2019年成立以來，依托國產(chǎn)民用噴氣發(fā)動機和國產(chǎn)民用飛機的聯(lián)合定義工作，飛發(fā)協(xié)同IPT開展了一體化計劃管控、一體化方案設(shè)計、飛發(fā)接口設(shè)計等工作，實現(xiàn)了飛發(fā)間的直接快速對接，有效地提高了飛發(fā)一體化設(shè)計效率。

一體化計劃由飛發(fā)IPT制訂覆蓋雙方的一體化集成計劃，而后將相關(guān)計劃拆分為兩份實施計劃，計劃的實施由飛發(fā)雙方各自完成，實施結(jié)果和調(diào)整需求反饋至飛發(fā)IPT進行統(tǒng)一調(diào)配和控制。

一體化方案設(shè)計以二級IPT為核心，依托飛發(fā)各自技術(shù)組織，開展了初步的飛發(fā)一體化氣動方案設(shè)計、飛發(fā)一體化安裝方案設(shè)計權(quán)衡、飛發(fā)一體化性能評估、飛發(fā)噪聲集成評估等一體化設(shè)計和評估工作，形成了初步的集成方案。

飛發(fā)之間的接口包括功能接口、機械接口和電氣接口3個主要類型。由飛發(fā)協(xié)同IPT負(fù)責(zé)飛發(fā)接口設(shè)計，對以上3種接口進行管控。其中，功能接口是對系統(tǒng)功能構(gòu)架、硬件分工、接口需求、接口參數(shù)、設(shè)計方案進行定義；機械接口是對系統(tǒng)間的機械安裝、尺寸特征進行定義；電氣接口是對系統(tǒng)間的電氣針腳、供電方案進行定義。通過飛發(fā)協(xié)同IPT，飛發(fā)間形成了一系列功能接口文件的初稿，并清理出了飛發(fā)接口的重大偏離項，為飛機方的相關(guān)方案更改評估和發(fā)動機方的相關(guān)方案設(shè)計提供了基礎(chǔ)。

通過飛發(fā)一體化IPT的運行有效提高了組織間的集成水平，項目研制獲得了如下收益：飛機需求的及時澄清和更新；飛機方設(shè)計和試驗試飛經(jīng)驗的實時共享和導(dǎo)入；飛發(fā)一體化方案的快速迭代；飛發(fā)接口偏離項的早期識別和評估。

跨組織飛發(fā)一體化IPT運行注意事項

飛發(fā)一體化IPT加快了飛發(fā)聯(lián)合定義的設(shè)計迭代過程，但由于是不同組織在不同設(shè)計領(lǐng)域聯(lián)合開展工作，須注意相關(guān)事項以保證工作的順利開展。結(jié)合飛發(fā)協(xié)同IPT的運行經(jīng)驗，總結(jié)相關(guān)注意事項如下。

一是設(shè)計語言的統(tǒng)一。不同設(shè)計組織在文件體系、設(shè)計流程、文件控制、術(shù)語、階段門設(shè)置等方面存在不同，容易導(dǎo)致設(shè)計和管理上的誤解，跨組織IPT應(yīng)注意通過設(shè)計接口和文件傳遞實現(xiàn)設(shè)計流程的融合，通過術(shù)語對照表等減少溝通上的誤解。

二是計劃管理。飛發(fā)間存在大量的設(shè)計迭代和數(shù)據(jù)交互工作，飛發(fā)一體化的工作必須基于合理的計劃開展。同時，由于大量具體設(shè)計和評估工作分別在飛發(fā)兩個組織內(nèi)開展，如何保證計劃如期開展，如何實現(xiàn)對計劃進展的控制，是飛發(fā)一體化IPT必須注意的問題。飛發(fā)一體化IPT應(yīng)實現(xiàn)計劃的統(tǒng)一管理以保證一體化工作的正常開展。

三是設(shè)計數(shù)據(jù)控制。飛發(fā)之間的設(shè)計迭代和數(shù)據(jù)交互將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)又包括了多種類型，如協(xié)調(diào)數(shù)模、氣動數(shù)模、有限元模型、性能數(shù)據(jù)等。如何對數(shù)據(jù)的有效性和狀態(tài)變更進行控制，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳遞和存儲是飛發(fā)一體化工作必須注意的問題。

四是組織構(gòu)架的動態(tài)管理。隨著飛發(fā)聯(lián)合定義項目的進展，飛發(fā)一體化的工作內(nèi)容和參與人員出現(xiàn)變化。例如，概念設(shè)計階段以設(shè)計人員為主，試飛驗證階段則需要有設(shè)計人員、試驗試飛人員、制造人員等的共同參與。飛發(fā)一體化的組織也應(yīng)實現(xiàn)隨工作內(nèi)容和項目階段的動態(tài)化管理。

結(jié)束語

采用跨組織的IPT工作模式是保障飛發(fā)一體化工作有效開展的重要手段?？缃M織IPT應(yīng)由飛發(fā)雙方共同組建，開展統(tǒng)一的技術(shù)和項目協(xié)同工作。初步實踐表明，通過飛發(fā)協(xié)同IPT可以實現(xiàn)飛發(fā)間的直接快速對接，有效提高設(shè)計效率。同時，跨組織的飛發(fā)一體化IPT也應(yīng)注意設(shè)計語言、計劃管理、設(shè)計數(shù)據(jù)和組織動態(tài)管理等問題，以保證飛發(fā)一體化工作的良好開展。