以需求為牽引的航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法研究及應(yīng)用

■ 劉海年 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)力所 柳鑫 / 中國(guó)人民解放軍93128部隊(duì)

發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和使用過(guò)程中會(huì)暴露大量的故障和問題，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用安全，明確發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制需求以及研發(fā)活動(dòng)的完整性和符合性，是提升發(fā)動(dòng)機(jī)研制質(zhì)量的有效方法。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制通常采用“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)驗(yàn)證—修改設(shè)計(jì)—再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的串行研制模式[1]。我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制初期，由于技術(shù)認(rèn)知和研制能力有限，在研發(fā)體系不完備的條件下開始了型號(hào)研制，產(chǎn)品研制過(guò)程中存在需求內(nèi)容、設(shè)計(jì)活動(dòng)和驗(yàn)證活動(dòng)不完整，需求符合性不確定等問題。伴隨“兩機(jī)”專項(xiàng)工作的落地實(shí)施，航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)能力得到持續(xù)提升，產(chǎn)品研發(fā)流程持續(xù)完善，支撐流程活動(dòng)運(yùn)行的流程文件（規(guī)范、指導(dǎo)書、檢查單和模板）持續(xù)豐富。通過(guò)以需求為牽引的航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法，應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)體系建設(shè)的最新成果，全面審視以往型號(hào)研發(fā)過(guò)程的完整性和符合性，分析產(chǎn)品研制過(guò)程中的型號(hào)問題，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)和專項(xiàng)攻關(guān)，可以全面提升產(chǎn)品研制質(zhì)量。

現(xiàn)狀分析

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，歐美航空企業(yè)先后引入了全生命周期管理理念，建立了基于系統(tǒng)工程方法和集成產(chǎn)品開發(fā)理念的產(chǎn)品研發(fā)體系，顯著提升了產(chǎn)品研制質(zhì)量和研制效率。例如，空客公司提出基于需求的工程，并借助于IBM DOORS RMF需求管理平臺(tái)，在A380/A350等飛機(jī)研制中進(jìn)行應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了基于需求的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，在減少研制后期的缺陷、減少額外費(fèi)用、提高客戶滿意度方面取得了良好的效果[2]；GE公司建立了完整的產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程體系，強(qiáng)調(diào)需求驅(qū)動(dòng)，基于產(chǎn)品需求開展設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]；羅羅公司依據(jù)INCOSE系統(tǒng)工程手冊(cè)制定了系統(tǒng)工程能力框架，產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中以需求為牽引實(shí)現(xiàn)了從航空動(dòng)力系統(tǒng)到子系統(tǒng)再到部件的需求定義、分解和驗(yàn)證[4]。

2010年，國(guó)內(nèi)航空工業(yè)開始推進(jìn)基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品正向研發(fā)工作，逐步建立了飛機(jī)需求分析、功能分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)等正向設(shè)計(jì)方法[5-6]，并在型號(hào)研制中得到應(yīng)用。“十三五”期間，中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司大力推進(jìn)運(yùn)營(yíng)管理體系（AEOS）建設(shè)，旨在打造全集團(tuán)統(tǒng)一的高效產(chǎn)品研發(fā)體系。在實(shí)踐過(guò)程中，通過(guò)引入系統(tǒng)工程方法和集成產(chǎn)品開發(fā)理念，建立了完整的研發(fā)體系架構(gòu)，完成了產(chǎn)品研發(fā)主流程、基礎(chǔ)支撐流程和職能支撐流程建設(shè)[7]，推進(jìn)了集成產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)（IPT）和信息技術(shù)（IT）系統(tǒng)建設(shè)，集團(tuán)內(nèi)部各研究院所也開展了發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)所需的規(guī)范、指導(dǎo)書、檢查單和模板等流程文件建設(shè)，并嘗試在重點(diǎn)型號(hào)中推進(jìn)需求管理[8]，航空發(fā)動(dòng)機(jī)自主研發(fā)能力得到顯著提升，為復(fù)查以往型號(hào)研制中存在的型號(hào)問題奠定了基礎(chǔ)。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法

航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法主要依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各層級(jí)研發(fā)對(duì)象的需求清單，分析需求和技術(shù)活動(dòng)的完整性和符合性，識(shí)別型號(hào)存在的問題，通過(guò)型號(hào)設(shè)計(jì)改進(jìn)提升產(chǎn)品研制質(zhì)量。首先，基于各研發(fā)對(duì)象的通用需求清單和發(fā)動(dòng)機(jī)研制需求（型號(hào)規(guī)范、技術(shù)要求等），梳理形成各研發(fā)對(duì)象的型號(hào)需求清單；其次，依據(jù)產(chǎn)品研發(fā)流程，梳理需求實(shí)現(xiàn)所需開展的設(shè)計(jì)活動(dòng)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)和實(shí)物驗(yàn)證活動(dòng)，形成型號(hào)的技術(shù)活動(dòng)清單；再次，復(fù)查型號(hào)研發(fā)過(guò)程中的技術(shù)活動(dòng)的完成情況并進(jìn)行完整性分析；最后，依據(jù)型號(hào)的設(shè)計(jì)結(jié)果和驗(yàn)證結(jié)果，分析需求的符合性，形成型號(hào)問題清單，支撐型號(hào)的設(shè)計(jì)改進(jìn)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析工作流程如圖1所示。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析工作流程

構(gòu)建型號(hào)需求清單

首先，需要構(gòu)建研發(fā)對(duì)象通用需求清單。需求定義的完整性直接影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)和驗(yàn)證活動(dòng)的完整性，最終決定了產(chǎn)品交付是否滿足用戶要求。為了保證盡可能地捕獲完整的需求，通過(guò)總結(jié)型號(hào)的研制經(jīng)驗(yàn)、整理外文標(biāo)準(zhǔn)和資料、對(duì)外合作經(jīng)驗(yàn)、解讀發(fā)動(dòng)機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)和軍標(biāo)要求等方式對(duì)需求內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)和提煉，從發(fā)動(dòng)機(jī)功能、性能、結(jié)構(gòu)完整性、可靠性、安全性和保障性等22個(gè)方面形成發(fā)動(dòng)機(jī)各研發(fā)對(duì)象的通用需求清單，各研發(fā)對(duì)象通用需求清單中需求項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各研發(fā)對(duì)象通用需求項(xiàng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

其次，構(gòu)建研發(fā)對(duì)象型號(hào)需求清單。依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)各研發(fā)對(duì)象通用需求清單，結(jié)合型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制特點(diǎn)，分析通用需求清單的適用性，針對(duì)不適用的通用需求內(nèi)容說(shuō)明不適用的原因；同時(shí)，依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)規(guī)范和發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)對(duì)部件系統(tǒng)的技術(shù)要求，明確各通用需求項(xiàng)的技術(shù)指標(biāo)和具體要求，形成型號(hào)需求清單。

型號(hào)需求完整性分析

需求完整性分析主要基于通用需求清單適用性分析的結(jié)果，針對(duì)型號(hào)研制要求中缺失的需求內(nèi)容，結(jié)合型號(hào)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證結(jié)果，開展需求符合性分析，針對(duì)不符合的需求內(nèi)容分析型號(hào)存在的問題。

型號(hào)技術(shù)活動(dòng)梳理

型號(hào)技術(shù)活動(dòng)梳理基于各研發(fā)對(duì)象的型號(hào)需求清單，建立需求和產(chǎn)品研發(fā)流程中技術(shù)活動(dòng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確需求實(shí)現(xiàn)所需開展的設(shè)計(jì)活動(dòng)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證活動(dòng)。其中，設(shè)計(jì)活動(dòng)主要是實(shí)現(xiàn)需求本身需要開展的計(jì)算分析活動(dòng)；設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)主要是通過(guò)計(jì)算、仿真分析和類比的方式驗(yàn)證需求的符合性；實(shí)物驗(yàn)證主要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、裝配驗(yàn)證、檢測(cè)和產(chǎn)品使用等方式確認(rèn)驗(yàn)證需求的符合性。

技術(shù)活動(dòng)梳理過(guò)程中要綜合考慮設(shè)計(jì)活動(dòng)是否足夠支撐由需求到方案的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，基于需求梳理的設(shè)計(jì)驗(yàn)證活動(dòng)是否能夠有效支撐對(duì)需求的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，基于需求梳理的實(shí)物驗(yàn)證活動(dòng)是否體現(xiàn)了從零件到部件再到整機(jī)的不同層級(jí)驗(yàn)證方式。

型號(hào)技術(shù)活動(dòng)完整性分析

型號(hào)技術(shù)活動(dòng)完整性分析主要基于型號(hào)技術(shù)活動(dòng)的梳理清單，逐項(xiàng)分析需求實(shí)現(xiàn)所需完成的技術(shù)活動(dòng)是否開展，針對(duì)已經(jīng)開展的技術(shù)活動(dòng)，需要提供技術(shù)活動(dòng)開展的證明文件，分析技術(shù)活動(dòng)的符合性分析結(jié)果；針對(duì)沒有開展的技術(shù)活動(dòng)說(shuō)明可能存在的問題。

型號(hào)技術(shù)活動(dòng)符合性分析

首先，要明確技術(shù)活動(dòng)的技術(shù)要點(diǎn)。技術(shù)要點(diǎn)是完成技術(shù)活動(dòng)所需掌握的重要、關(guān)鍵的方法和準(zhǔn)則，是否按照方法要求和準(zhǔn)則開展技術(shù)活動(dòng)是判斷技術(shù)活動(dòng)實(shí)施符合性的依據(jù)。依據(jù)技術(shù)活動(dòng)的規(guī)范或指導(dǎo)書，從設(shè)計(jì)方法/準(zhǔn)則、計(jì)算模型準(zhǔn)確性、試驗(yàn)件狀態(tài)準(zhǔn)確性、試驗(yàn)?zāi)M條件準(zhǔn)確性等方面提煉總結(jié)技術(shù)要點(diǎn)，才能有效保證技術(shù)活動(dòng)的符合性，為開展技術(shù)活動(dòng)的符合性分析提供支撐。

然后，依據(jù)技術(shù)活動(dòng)對(duì)應(yīng)技術(shù)要點(diǎn)的梳理結(jié)果，針對(duì)已經(jīng)開展的技術(shù)活動(dòng)分析是否滿足規(guī)范要求，是否考慮了全部的技術(shù)要點(diǎn)，判斷技術(shù)活動(dòng)的符合性，在DOORS軟件中完成技術(shù)活動(dòng)符合性分析，針對(duì)技術(shù)活動(dòng)符合性分析結(jié)果為不符合的技術(shù)活動(dòng)分析存在的問題和風(fēng)險(xiǎn)。

型號(hào)需求符合性分析

需要形成需求的驗(yàn)證準(zhǔn)則，需求的驗(yàn)證準(zhǔn)則是證明需求滿足的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中必須遵循該驗(yàn)證原則確保需求的符合性，主要包括設(shè)計(jì)驗(yàn)證準(zhǔn)則和實(shí)物驗(yàn)證準(zhǔn)則，明確各項(xiàng)需求對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證準(zhǔn)則，為評(píng)估需求的符合性提供有效支撐。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、試驗(yàn)規(guī)范，逐項(xiàng)分析并確定型號(hào)研制需求的設(shè)計(jì)驗(yàn)證準(zhǔn)則和實(shí)物驗(yàn)證準(zhǔn)則。

以發(fā)動(dòng)機(jī)零件的高周疲勞壽命需求為例，該項(xiàng)需求的設(shè)計(jì)驗(yàn)證準(zhǔn)則為“依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)規(guī)范，采用有限元的靜頻和動(dòng)頻計(jì)算方法以及線彈性應(yīng)力分析方法計(jì)算組件的振動(dòng)特性，避免發(fā)生常用停留轉(zhuǎn)速下的組件低階共振”。實(shí)物驗(yàn)證準(zhǔn)則為“常溫或加溫條件下構(gòu)件振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，確保構(gòu)件具有可靠的疲勞強(qiáng)度”。以此為例，逐條完成發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)需求的驗(yàn)證準(zhǔn)則，為開展需求的符合性分析奠定基礎(chǔ)。

需求符合性主要對(duì)照型號(hào)需求清單，基于型號(hào)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證結(jié)果，證明對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證準(zhǔn)則和實(shí)物驗(yàn)證準(zhǔn)則的滿足情況，說(shuō)明各研發(fā)對(duì)象需求的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證的符合性結(jié)果，并針對(duì)設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果或?qū)嵨矧?yàn)證結(jié)果不符合的需求內(nèi)容，說(shuō)明可能存在的問題，提出處理意見。

型號(hào)問題清單編制

基于型號(hào)需求和技術(shù)活動(dòng)符合性分析結(jié)果，針對(duì)需求的不符合項(xiàng)和技術(shù)活動(dòng)的不符合項(xiàng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)功能、性能、可靠性、使用安全和維護(hù)保障等方面明確型號(hào)研制中存在的問題，分析問題可能產(chǎn)生的影響，明確后續(xù)的改進(jìn)措施，完成型號(hào)問題清單編制。

應(yīng)用效果

為了對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)已經(jīng)交付使用的發(fā)動(dòng)機(jī)開展了型號(hào)問題分析工作。按照發(fā)動(dòng)機(jī)全層級(jí)的研發(fā)對(duì)象，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)單位完成了涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、全部部件/系統(tǒng)和典型零組件的24個(gè)研發(fā)對(duì)象的型號(hào)問題分析；需求完整性和符合性分析方面，形成全層級(jí)研發(fā)對(duì)象型號(hào)需求清單2800余項(xiàng)，識(shí)別需求缺失項(xiàng)217項(xiàng)，需求不符合項(xiàng)80余項(xiàng)；技術(shù)活動(dòng)完整性和符合性方面，識(shí)別技術(shù)活動(dòng)缺失項(xiàng)280項(xiàng)，技術(shù)活動(dòng)不符合項(xiàng)95項(xiàng)；針對(duì)需求和技術(shù)活動(dòng)不符合項(xiàng)進(jìn)行型號(hào)問題分析，識(shí)別145項(xiàng)型號(hào)問題，明確了型號(hào)問題的改進(jìn)措施，為支撐型號(hào)設(shè)計(jì)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

需求完整性和符合性分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)全層級(jí)各研發(fā)對(duì)象需求完整性和符合性分析結(jié)果如圖3所示，在需求完整性方面，部件系統(tǒng)層主要缺少進(jìn)氣機(jī)匣焊接應(yīng)力控制要求、風(fēng)扇可調(diào)葉片超調(diào)和響應(yīng)時(shí)間等需求；零組件層主要缺少軸承不對(duì)中、錯(cuò)度等需求。在需求符合性分析方面，整機(jī)層面主要存在可靠性指標(biāo)、推力響應(yīng)速度指標(biāo)等不符合需求；部件系統(tǒng)層存在控制系統(tǒng)控制精度指標(biāo)不符合需求；零組件層主要存在葉片壽命指標(biāo)不滿足要求等。

圖3 需求完整性和符合性分析結(jié)果

技術(shù)活動(dòng)完整性和符合性分析結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)各研發(fā)對(duì)象技術(shù)活動(dòng)完整性和符合性分析結(jié)果如圖4所示，在技術(shù)活動(dòng)完整性方面，整機(jī)層主要缺少整機(jī)熱分析、整機(jī)安全性設(shè)計(jì)等技術(shù)活動(dòng)；部件系統(tǒng)層缺少運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析和耐久性驗(yàn)證等技術(shù)活動(dòng)；零件層面主要缺少軸承承載能力評(píng)估及驗(yàn)證、軸承腔溫度場(chǎng)分析等。在技術(shù)活動(dòng)符合性分析方面，整機(jī)層面主要存在接通、切斷加力性能計(jì)算等技術(shù)活動(dòng)不符合；部件系統(tǒng)層主要存在故障模式影響及危害性分析（FMECA）等技術(shù)活動(dòng)不符合；零組件層主要是極限載荷條件下壽命點(diǎn)評(píng)估等技術(shù)活動(dòng)不符合。

圖4 技術(shù)活動(dòng)完整性和符合性分析結(jié)果

型號(hào)問題分析結(jié)果

分析發(fā)動(dòng)機(jī)需求和技術(shù)活動(dòng)的不符合性，累計(jì)識(shí)別型號(hào)問題145項(xiàng)，如圖5所示，整機(jī)層主要存在推力瞬變過(guò)程推力響應(yīng)慢、可靠性低等問題；部件系統(tǒng)層主要存在進(jìn)氣機(jī)匣焊縫裂紋、渦輪部件掉塊、燒蝕等問題；零組件層主要存在葉片壽命不足等問題。型號(hào)問題的分析結(jié)果與發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試車和外場(chǎng)使用過(guò)程中暴露問題基本一致，驗(yàn)證了本文提出的型號(hào)問題分析方法的有效性。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題統(tǒng)計(jì)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

建立以需求為牽引的航空發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)問題分析方法，一方面能夠加強(qiáng)研發(fā)人員對(duì)產(chǎn)品研發(fā)需求的關(guān)注，有利于提升產(chǎn)品研制需求的完整性；另一方面基于產(chǎn)品研制需求開展型號(hào)研發(fā)，有利于提升型號(hào)研發(fā)活動(dòng)的完整性，最終為提供滿足用戶需求的高質(zhì)量航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品提供有力支撐。