基于系統(tǒng)工程的航空發(fā)動機研發(fā)技術(shù)過程及裁剪方法研究

韓秋冰 張德志 中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所

航空發(fā)動機研發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，我國航空發(fā)動機研發(fā)經(jīng)歷了引進仿制和修理、部分自主設(shè)計和擁有自主知識產(chǎn)權(quán)等階段，實現(xiàn)了重大跨越。但由于缺乏科學(xué)合理的正向研發(fā)技術(shù)流程，在產(chǎn)品研制中仍存在需求內(nèi)容、設(shè)計活動和驗證活動不完整，需求符合性不清晰等問題。本文基于系統(tǒng)工程理論研究了航空發(fā)動機正向設(shè)計技術(shù)流程及其適應(yīng)于武器裝備研制的裁剪方法。

一、系統(tǒng)工程技術(shù)過程

國內(nèi)外對系統(tǒng)工程技術(shù)過程的定義略有差異：《武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求》（GJB 8113-2013）

中將產(chǎn)品的研發(fā)技術(shù)流程劃分為需求分析、技術(shù)要求分析、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、單元實施、產(chǎn)品集成、驗證、移交和確認8 個部分；美國國家航空航天局（NASA）《系統(tǒng)工程手冊》中將技術(shù)流程分為系統(tǒng)設(shè)計流程和產(chǎn)品實現(xiàn)流程，系統(tǒng)設(shè)計流程包括利益攸關(guān)者期望開發(fā)、技術(shù)需求開發(fā)、邏輯分解、設(shè)計方案開發(fā)，產(chǎn)品實現(xiàn)流程包括產(chǎn)品方案實施、產(chǎn)品集成、產(chǎn)品驗證、產(chǎn)品確認和產(chǎn)品交付。國際系統(tǒng)工程協(xié)會（INCOSE）的劃分方式與以上兩種不同，且仍在不斷優(yōu)化完善。

盡管各國對系統(tǒng)工程技術(shù)過程的定義不同，但均遵循了“V”模型，即從需求出發(fā)，基于需求逐層進行功能邏輯分解，并轉(zhuǎn)化為不同層級研發(fā)對象的設(shè)計方案，一直分解到可制造、可購買或可重用的底層產(chǎn)品，隨后自底向上地集成產(chǎn)品、驗證和確認產(chǎn)品，最終交付滿足不同層級需求和客戶需求的產(chǎn)品。

二、基于系統(tǒng)工程的航空發(fā)動機正向研發(fā)技術(shù)流程

航空發(fā)動機產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)主要包含整機、部件/子系統(tǒng)和零組件。根據(jù)系統(tǒng)工程理論，發(fā)動機研發(fā)過程就是根據(jù)其產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)從整機到部件/子系統(tǒng)再到零組件的自上而下的設(shè)計過程，由零組件到部件/子系統(tǒng)再到整機的自下而上的集成驗證過程。在航空發(fā)動機技術(shù)流程建設(shè)時，考慮到其行業(yè)習(xí)慣和特點，將GJB 8113-2013 中的8 個技術(shù)流程整合劃分為可行性分析、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)與裝配、試驗與驗證6 個過程，整機、部件/子系統(tǒng)和零組件需按這6 個過程的定義開展相應(yīng)子流程的梳理，梳理過程中應(yīng)建立各層級研發(fā)對象的通用需求清單，確保需求項的完整，根據(jù)通用需求清單詳細分析針對各需求開展的設(shè)計、分析、仿真和試驗驗證活動并納入技術(shù)流程。

可行性分析分為需求分析和技術(shù)要求分析，主要步驟包括獲取上層提出的需求（對于整機建議通過場景分析識別潛在利益攸關(guān)者需求），并保證其完整性，然后分析所有需求，對于不可實現(xiàn)的需求向上反饋，最終雙方就需求達成一致意見，然后制定需求驗證矩陣。通過需求分析，利用已有的工程經(jīng)驗或數(shù)據(jù)庫，初步分析需求的可行性，并結(jié)合分析結(jié)果進行工作策劃。

方案設(shè)計是體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的一部分，根據(jù)可行性分析的結(jié)果開展研發(fā)對象方案設(shè)計，經(jīng)過必要的多方案設(shè)計，權(quán)衡擇優(yōu)，確定設(shè)計方案。方案設(shè)計過程中通常需要識別出研發(fā)對象的主要組成單元并定義這些組成單元的主要特征，其他組成單元和其他定義工作在開展技術(shù)設(shè)計時完成。主要工作內(nèi)容包括多方案設(shè)計、選定最佳方案，選定的方案能夠針對用戶的關(guān)注點并滿足相應(yīng)的需求。方案設(shè)計的交付物包括對研發(fā)對象的描述（建立模型，從功能、性能、接口、非功能需求等不同的視角對研發(fā)對象進行描述）、初步的接口定義（包括研發(fā)對象各組成單元之間、組成單元與研發(fā)對象外部的邏輯接口和物理接口）、各研發(fā)對象組成單元的初步技術(shù)指標(biāo)、方案設(shè)計說明文件。

技術(shù)設(shè)計借助選定的方案進一步分解、分配技術(shù)要求，同時派生出新的技術(shù)要求，最后確定承接所有技術(shù)要求的研發(fā)對象組成單元，明確研發(fā)對象的內(nèi)部及外部接口要求，形成最終方案，并向各組成單元提出設(shè)計要求。技術(shù)設(shè)計的含義是產(chǎn)生全部的描述研發(fā)對象本身和其組成的數(shù)據(jù)和信息。技術(shù)設(shè)計的交付物包括對技術(shù)設(shè)計的描述（如對研發(fā)對象全部組成單元的識別和定義、對組成單元的特征進行描述），接口定義，各組成單元的技術(shù)指標(biāo)，需求的分配記錄文件，對后續(xù)詳細設(shè)計、生產(chǎn)與裝配、試驗與驗證等工作的規(guī)劃，技術(shù)設(shè)計說明文件（對設(shè)計結(jié)果選取或組成單元選取的說明）。

詳細設(shè)計應(yīng)準確地反映研發(fā)對象的設(shè)計結(jié)果，并能夠指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)、裝配、試驗等。詳細設(shè)計的定義是為能夠制造滿足需求且符合技術(shù)設(shè)計結(jié)果的研發(fā)對象而需完成的工作。詳細設(shè)計的交付物包括對使能系統(tǒng)的需求、詳細的圖紙和技術(shù)條件、操作指導(dǎo)書和維修手冊、更新后的方案設(shè)計/技術(shù)設(shè)計文件。

生產(chǎn)與裝配過程依據(jù)詳細設(shè)計輸出的圖紙文件完成研發(fā)對象的生產(chǎn)，經(jīng)過產(chǎn)品檢驗后對研發(fā)對象進行組裝。

試驗與驗證過程對分配到該研發(fā)對象的需求進行相關(guān)試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果進行設(shè)計評估，最后交付內(nèi)外部客戶供其檢驗或確認。

系統(tǒng)工程“雙V”模型（見圖1）描述了航空發(fā)動機整機、部件/子系統(tǒng)和零組件各層間理論的串行研發(fā)過程。在型號研制中，考慮到航空發(fā)動機產(chǎn)品的特殊性（技術(shù)難度大、研制周期長等）和專業(yè)分工，設(shè)計工作很少按照串行模式開展，而是局部采用了必要的并行方式，如整機在完成部分方案設(shè)計后將需求傳遞給部件/子系統(tǒng)，部件/子系統(tǒng)隨即能夠具備初步的條件并開展其設(shè)計工作。這樣并行的好處是通過設(shè)計過程中整機、部件/子系統(tǒng)的不斷協(xié)調(diào)迭代彌補了專業(yè)分工不同產(chǎn)生的局限性，有利于快速、準確地確定技術(shù)方案。但并行研發(fā)模式在某些情況也會帶來工作反復(fù)、周期延長的問題，例如，整機在方案設(shè)計時由于開展的設(shè)計工作有限，僅能將部分需求傳遞給部件/子系統(tǒng)，部件/子系統(tǒng)隨即開展設(shè)計工作，而整機在進行技術(shù)設(shè)計過程可能會發(fā)現(xiàn)前期傳遞給部件/子系統(tǒng)的指標(biāo)有些并不合適或新增一些指標(biāo)，無論是指標(biāo)的調(diào)整還是新增指標(biāo)，都存在導(dǎo)致部件/子系統(tǒng)方案推倒重來的風(fēng)險。

圖1 航空發(fā)動機研發(fā)過程示意圖

三、航空發(fā)動機研發(fā)技術(shù)流程的裁剪

航空發(fā)動機研發(fā)技術(shù)流程反映了其技術(shù)演進過程，不因階段劃分方法的不同而改變。一般情況下，武器裝備各研制階段中會涉及多個技術(shù)流程的工作內(nèi)容。例如，在方案階段開展技術(shù)驗證機的演示驗證需要經(jīng)過可行性分析、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)與裝配、試驗與驗證的過程，在工程研制階段的工程驗證機和原型機演示驗證同樣分別需要完成這6個過程的工作，區(qū)別在于技術(shù)驗證機、工程驗證機、原型機研發(fā)的需求及其設(shè)計、驗證活動不完全相同，在具體型號和項目研發(fā)時是需要對 “大而全”的技術(shù)流程進行裁剪使用，裁剪時應(yīng)按照各研制階段輸入、輸出和轉(zhuǎn)段標(biāo)準要求，形成航空發(fā)動機不同研制階段的技術(shù)流程。技術(shù)流程裁剪流程如圖2 所示。

圖2 技術(shù)流程裁剪流程圖

確定研制階段。不同研制階段均需對技術(shù)流程進行裁剪，首先根據(jù)研制工作總體安排確定該型號所屬的研制階段。國內(nèi)一般將武器裝備全壽命周期劃分為論證階段、方案階段、工程研制階段、設(shè)計定型階段、生產(chǎn)定型階段、批量生產(chǎn)階段和使用保障階段，如圖3 所示，并定義了各個階段的工作目標(biāo)和工作內(nèi)容，通過技術(shù)驗證機、工程驗證機、原型機等的設(shè)計、制造、演示、試驗，不斷提升武器裝備系統(tǒng)研發(fā)的技術(shù)成熟度，逐步演進出最終滿足用戶需求的系統(tǒng)，其主要目的是分段控制項目在技術(shù)、費用和周期等方面的風(fēng)險。裝備研發(fā)工作主要集中在前5 個階段。

圖3 航空發(fā)動機全壽命周期研制階段劃分

一是論證階段，主要開展軍事需求和研制必要性分析，綜合分析技術(shù)能力和研制生產(chǎn)條件，開展作戰(zhàn)使用和全壽命周期費用研究，開展多方案和發(fā)動機研制立項的綜合論證。二是方案階段，主要根據(jù)批準的發(fā)動機主要作戰(zhàn)使用性能，制定發(fā)動機設(shè)計方案，提出完整、可行的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)和科研、定型等大型試驗方案，完成研制總要求的綜合論證。三是工程研制階段，主要完成整機、部件/子系統(tǒng)和零組件的詳細設(shè)計，驗證發(fā)動機整機、部件/子系統(tǒng)和零組件能否達到指標(biāo)的要求，驗證制造工藝能否保障發(fā)動機的生產(chǎn)。四是設(shè)計定型階段，主要完成發(fā)動機的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)和作戰(zhàn)使用性能的試驗考核，確認其是否達到研制總要求的規(guī)定。五是生產(chǎn)定型階段，主要是完善生產(chǎn)條件建設(shè)并進行小批量試生產(chǎn)，組織部隊試用，對裝備的質(zhì)量穩(wěn)定性和批量生產(chǎn)條件進行全面考核。

開展可行性分析工作?？尚行苑治龉ぷ髦饕康氖亲R別利益攸關(guān)者需求并將其轉(zhuǎn)化為各層級研發(fā)對象需求。該過程主要在論證階段和方案階段開展，在后續(xù)各階段主要涉及局部需求的變更和調(diào)整。

根據(jù)研制階段確定研發(fā)活動。根據(jù)GJB 8113-2013，技術(shù)流程的可行性分析、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)與裝配、試驗與驗證是在各階段循環(huán)應(yīng)用，如圖4 所示。型號團隊?wèi)?yīng)根據(jù)各階段工作要求確定該研制階段涉及的技術(shù)流程。

圖4 技術(shù)流程在發(fā)動機全壽命周期內(nèi)循環(huán)應(yīng)用示意

根據(jù)需求確定技術(shù)活動。型號團隊需根據(jù)研發(fā)對象的需求來對其設(shè)計、設(shè)計驗證和實物驗證活動進行裁剪，排除或新增相應(yīng)的技術(shù)活動。理論上，對于每項需求均應(yīng)有相應(yīng)的設(shè)計活動、設(shè)計驗證活動和實物驗證活動體現(xiàn)在技術(shù)流程中。對于設(shè)計活動，某一個需求可能會在一個或多個設(shè)計活動中被考慮到，某一個設(shè)計活動中也可能會考慮到多項需求；對于驗證活動也是如此，某一個需求可能會在一個或多個驗證活動中被驗證到，某一個驗證活動中也可能會驗證多項需求。需要強調(diào)的是驗證活動不僅是對實物進行驗證的檢測/檢驗、裝配活動、試驗活動和檢測活動等實物驗證活動，還包括在設(shè)計過程中對設(shè)計結(jié)果是否滿足需求進行驗證的理論分析、計算校核/仿真分析、虛擬裝配等設(shè)計驗證活動。

根據(jù)其他要求確定技術(shù)活動。由于項目復(fù)雜程度不同，利益攸關(guān)者和組織對各項目不同階段的要求不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)其具體的要求對技術(shù)活動進行裁剪。

接口協(xié)調(diào)。為了避免裁剪后的技術(shù)流程中涉及不同專業(yè)之間的接口關(guān)系不匹配的問題，對于專業(yè)間的接口應(yīng)進行詳細的梳理，相關(guān)專業(yè)應(yīng)對提出的接口信息進行確認，最終形成一致意見。

完整性檢查。完整性檢查工作從以下幾方面開展：裁剪后的技術(shù)流程中的技術(shù)活動是否包括了該研發(fā)對象研發(fā)所需的所有專業(yè)的技術(shù)活動；裁剪后的技術(shù)流程中的技術(shù)活動的輸入、輸出關(guān)系是否銜接一致；試驗驗證活動是否對需求進行了實物驗證，是否包含了國軍標(biāo)等相應(yīng)標(biāo)準要求的各類試驗、試飛等；技術(shù)過程輸出的交付物是否滿足該階段工作要求。

權(quán)衡評估。根據(jù)上述裁剪結(jié)果估算項目的研發(fā)周期、費用，將估算的研發(fā)周期和費用與項目要求進行對比分析，如必要可對技術(shù)流程進行進一步的裁剪，但應(yīng)做好風(fēng)險的評價和應(yīng)對策略。

評審。型號團隊?wèi)?yīng)組織專家對研發(fā)技術(shù)流程的裁剪結(jié)果進行評審，給出評審結(jié)論，明確該型號研發(fā)應(yīng)遵循的技術(shù)流程。評審團隊?wèi)?yīng)重點關(guān)注需求及其確定的技術(shù)活動是否完整，活動間的接口是否協(xié)調(diào)，裁剪后的技術(shù)流程是否滿足項目研發(fā)周期、費用等要求。

四、結(jié)束語

經(jīng)過近5 年的不斷建設(shè)和應(yīng)用，研究所已完成了整機、進氣機匣、壓氣機、中介機匣、燃燒室、渦輪、噴管和典型零組件等技術(shù)流程建設(shè)，并在多個型號研制中發(fā)揮了重要作用。這些流程不僅能夠加強研制過程中研制需求、設(shè)計活動和驗證活動的完整性，而且能提高產(chǎn)品研制質(zhì)量，有助于流程建設(shè)人員系統(tǒng)分析執(zhí)行各技術(shù)活動的能力現(xiàn)狀，查找能力缺失和不足，加快能力建設(shè)的步伐。