基于任務(wù)工程的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)一次成功體系的構(gòu)建

■ 劉曉松 王相平 何為 王常亮 / 中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制是一個(gè)技術(shù)要求極高、難度極大的系統(tǒng)工程，迫切需要采取非常舉措，加快研制步伐。因此，中國(guó)航發(fā)明確提出了在“十四五”初期實(shí)施“一次成功”工程的戰(zhàn)略。

對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的一次成功需要從設(shè)計(jì)、試制和試驗(yàn)等方面同時(shí)發(fā)力，而設(shè)計(jì)和試制是否到位，最終是通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)的。因此，試驗(yàn)成功內(nèi)涵不僅僅是某項(xiàng)試驗(yàn)順利完成，更重要的是在產(chǎn)品視角下的試驗(yàn)成功，即在試驗(yàn)對(duì)象設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足需求、制造結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)環(huán)境符合需求場(chǎng)景，試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)和子樣數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)并滿(mǎn)足分配需求的情況下，才能夠稱(chēng)之為“試驗(yàn)成功”。此外，從以往的型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，試驗(yàn)過(guò)程中暴露的質(zhì)量問(wèn)題也是制約研制進(jìn)度的重要因素，因此在試驗(yàn)階段推進(jìn)一次成功工程，是加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的有效手段。本文以任務(wù)工程方法為指導(dǎo)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)“端到端”全過(guò)程分析模型，并融入航天的系統(tǒng)預(yù)防的理念，提出航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)試驗(yàn)一次成功體系的構(gòu)建方法。

試驗(yàn)一次成功體系建設(shè)路徑

航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)一次成功體系本質(zhì)上是指導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，保證試驗(yàn)一次成功的一套文件體系。

因此，試驗(yàn)一次成功體系首先要解決的是如何完整地識(shí)別航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目，如果試驗(yàn)項(xiàng)目有遺漏，則必然導(dǎo)致文件體系構(gòu)建不完整，這是試驗(yàn)一次成功體系的前提。

其次，針對(duì)各試驗(yàn)項(xiàng)目，以試驗(yàn)一次成功為目標(biāo)構(gòu)建各試驗(yàn)全過(guò)程的分析模型，此時(shí)引入任務(wù)工程方法，以任務(wù)工程提供的任務(wù)方法構(gòu)建試驗(yàn)全過(guò)程分析模型，進(jìn)而建立試驗(yàn)項(xiàng)目一次成功的指導(dǎo)文件，同時(shí)將系統(tǒng)預(yù)防的技術(shù)方法、管理模式，以及文化理念融入文件，從技術(shù)和管理兩個(gè)方面提升試驗(yàn)成功率，這是試驗(yàn)一次成功體系構(gòu)建的關(guān)鍵。

最后，建立滿(mǎn)足試驗(yàn)驗(yàn)證需求的仿真平臺(tái)和驗(yàn)證平臺(tái)，這是試驗(yàn)一次成功體系構(gòu)建的保障。

試驗(yàn)一次成功的前提：定義試驗(yàn)項(xiàng)目清單

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)涉及多專(zhuān)業(yè)，各專(zhuān)業(yè)間關(guān)聯(lián)性大，并存在相互制約的情況，試驗(yàn)層級(jí)對(duì)象、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)環(huán)境千差萬(wàn)別。應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）技術(shù)，在模型環(huán)境中定義工作環(huán)境和設(shè)計(jì)指標(biāo)、分析功能活動(dòng)，建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)場(chǎng)景模型，基于場(chǎng)景模型完整地識(shí)別出航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的需求。同時(shí)，鑒于航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，基于穩(wěn)定的產(chǎn)品架構(gòu)分析發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和接口關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)需求的分解和傳遞，進(jìn)而分析試驗(yàn)內(nèi)容、明確驗(yàn)證需求，形成結(jié)構(gòu)化的試驗(yàn)項(xiàng)目清單，步驟如圖1所示。

試驗(yàn)一次成功的關(guān)鍵：構(gòu)建一次成功體系文件

針對(duì)各試驗(yàn)驗(yàn)證項(xiàng)目，承接需求和產(chǎn)品架構(gòu)的驗(yàn)證要求，以任務(wù)工程方法為指導(dǎo)，以各試驗(yàn)項(xiàng)目一次成功為頂事件，詳細(xì)定義各試驗(yàn)項(xiàng)目的“問(wèn)題—場(chǎng)景—度量—設(shè)計(jì)—分析—效能”過(guò)程，并融入成功樹(shù)、數(shù)據(jù)包絡(luò)等系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)方法，建立各試驗(yàn)項(xiàng)目的一次成功指導(dǎo)文件，全過(guò)程分析模型如圖2所示。

圖2 基于任務(wù)工程的試驗(yàn)項(xiàng)目分析模型

設(shè)計(jì)試制問(wèn)題分析

針對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證對(duì)象，以滿(mǎn)足需求為判定標(biāo)準(zhǔn)，全面審視試驗(yàn)對(duì)象的“需求—設(shè)計(jì)—試制”的全過(guò)程，分析查找前期問(wèn)題，制定規(guī)避措施。

“需求—設(shè)計(jì)”過(guò)程通常分析試驗(yàn)對(duì)象前期設(shè)計(jì)過(guò)程存在的問(wèn)題。例如，試驗(yàn)對(duì)象在全階段、全層級(jí)的設(shè)計(jì)任務(wù)是否都開(kāi)展了，有無(wú)遺漏活動(dòng)；設(shè)計(jì)結(jié)果是否符合分配給研發(fā)對(duì)象的需求；設(shè)計(jì)所用的關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級(jí)是否滿(mǎn)足要求；針對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程存在的問(wèn)題，制定并實(shí)施設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施等。通?？梢曰诋a(chǎn)品的需求驗(yàn)證矩陣開(kāi)展分析。

“設(shè)計(jì)—試制”過(guò)程通常分析試驗(yàn)對(duì)象試制中存在的問(wèn)題。例如，試驗(yàn)對(duì)象在全階段、全層級(jí)的試制任務(wù)是否都開(kāi)展了，概念階段是否分析了可制造性需求的合理性、制造策略的合理性，方案階段是否開(kāi)展了工藝總方案、工藝設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)階段是否對(duì)試驗(yàn)對(duì)象的工藝性進(jìn)行了審查，保證圖樣的可制造性；是否對(duì)試驗(yàn)對(duì)象生產(chǎn)過(guò)程及成品實(shí)物進(jìn)行了全面檢查，交付產(chǎn)品滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；開(kāi)展工藝、裝配過(guò)程對(duì)試驗(yàn)對(duì)象性能的影響；采用的制造關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級(jí)是否滿(mǎn)足要求；針對(duì)制造過(guò)程的問(wèn)題，制定并實(shí)施試制風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避措施等。

試驗(yàn)場(chǎng)景及能力分析

描述從試驗(yàn)需求到需求實(shí)現(xiàn)評(píng)估的“端到端”全過(guò)程和要求，確定所需的試驗(yàn)?zāi)芰σ?，分析試?yàn)環(huán)境并明確試驗(yàn)的假設(shè)條件，支撐各試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施部署。

一是“端到端”試驗(yàn)項(xiàng)目全過(guò)程描述。針對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目特點(diǎn)，建立試驗(yàn)項(xiàng)目的“端到端”全過(guò)程，通常包含試驗(yàn)需求、試驗(yàn)策劃、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、試驗(yàn)大綱、試驗(yàn)前評(píng)估、試驗(yàn)執(zhí)行、試驗(yàn)結(jié)果分析和需求實(shí)現(xiàn)評(píng)估等。需說(shuō)明的是，該過(guò)程主要描述的“端到端”試驗(yàn)全過(guò)程中管控要求，側(cè)重于各步驟實(shí)施要求，是從過(guò)程管控視角下建立的。

二是試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證環(huán)境分析。定義試驗(yàn)環(huán)境的劃分方式，定義試驗(yàn)環(huán)境的分類(lèi)及內(nèi)涵；針對(duì)各試驗(yàn)項(xiàng)目，確定驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)比真實(shí)環(huán)境，明確試驗(yàn)環(huán)境的假設(shè)條件和約束，分析試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)環(huán)境的差異以及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響。

三是試驗(yàn)?zāi)芰Ψ治??；谠囼?yàn)項(xiàng)目全過(guò)程，清晰界定各試驗(yàn)步驟執(zhí)行所需的能力需求，明確實(shí)施任務(wù)過(guò)程所需的能力要素和保障條件。重點(diǎn)分析：試驗(yàn)實(shí)施的技術(shù)、技術(shù)管理、項(xiàng)目管理能力；試驗(yàn)實(shí)施的組織能力；試驗(yàn)實(shí)施的信息技術(shù)能力；試驗(yàn)實(shí)施的設(shè)備能力；意外情況（風(fēng)險(xiǎn)、安全性問(wèn)題等）的應(yīng)對(duì)能力。針對(duì)試驗(yàn)?zāi)芰π枨?，結(jié)合企業(yè)當(dāng)前的試驗(yàn)?zāi)芰?，明確能力差距，并分析差距對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

試驗(yàn)度量指標(biāo)定義

建立各試驗(yàn)項(xiàng)目的成功標(biāo)準(zhǔn)和度量指標(biāo)，作為判定試驗(yàn)是否成功的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。度量指標(biāo)建設(shè)主要考慮以下3個(gè)方面。

一是試驗(yàn)系統(tǒng)效能度量指標(biāo)（MOE）定義。包括試驗(yàn)成功的標(biāo)準(zhǔn)度量，試驗(yàn)中希望獲得的功能、性能、通用質(zhì)量特性、作戰(zhàn)適用性等指標(biāo)和試驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等，還包括試驗(yàn)中的主要限制參數(shù)、監(jiān)控參數(shù)、測(cè)量的參數(shù)和項(xiàng)目等。

二是指標(biāo)量化。指標(biāo)必須是量化的，并包含容差要求，并應(yīng)明確門(mén)限值（或閾值）和目標(biāo)值，如某次試車(chē)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力的最低值（門(mén)限值、閾值）和期望值（目標(biāo)值）。需說(shuō)明的是，試驗(yàn)項(xiàng)目門(mén)限值的確定需要一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，通常需開(kāi)展試驗(yàn)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)的探邊摸底等。

三是關(guān)聯(lián)的MOE分析。要說(shuō)明相關(guān)度量指標(biāo)和上級(jí)需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系，確保對(duì)上級(jí)試驗(yàn)的可支撐性?？梢罁?jù)MBSE中的需求模型、架構(gòu)模型等進(jìn)行分析。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)與定義

詳細(xì)定義具體試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程，包括步驟、要求、實(shí)施方法、數(shù)據(jù)模型和相關(guān)基礎(chǔ)要素等，如圖3所示，保障試驗(yàn)項(xiàng)目高效有序地開(kāi)展，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足度量指標(biāo)要求。

圖3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和定義的要素

在試驗(yàn)任務(wù)設(shè)計(jì)與定義中，需融入成功樹(shù)方法等技術(shù)，以確保試驗(yàn)任務(wù)一次成功為頂事件，通過(guò)由上而下逐個(gè)地進(jìn)行一次成功因果邏輯分析，找出促使頂事件發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、影響因素和控制因素，找出制約一次成功的薄弱環(huán)節(jié)所在，對(duì)各薄弱環(huán)節(jié)采取有針對(duì)性的措施，形成試驗(yàn)一次成功模型。

針對(duì)各試驗(yàn)項(xiàng)目，構(gòu)建各場(chǎng)景的試驗(yàn)任務(wù)模型，規(guī)定試驗(yàn)?zāi)康摹⒃囼?yàn)對(duì)象、試驗(yàn)場(chǎng)景、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過(guò)程管控、通用基礎(chǔ)要素、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)交付件等相關(guān)內(nèi)容，用以“事前”詳細(xì)檢查試驗(yàn)前準(zhǔn)備情況，“事中”規(guī)定試驗(yàn)過(guò)程和要求，“事后”試驗(yàn)結(jié)果處理分析。

試驗(yàn)執(zhí)行分析

以試驗(yàn)度量指標(biāo)為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程的仿真分析等，判定其與度量指標(biāo)的可達(dá)性，通過(guò)試驗(yàn)方案的迭代調(diào)整，優(yōu)化形成試驗(yàn)方案，保證試驗(yàn)結(jié)果與度量指標(biāo)的符合性。迭代過(guò)程如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)分析與試驗(yàn)度量的迭代過(guò)程

系統(tǒng)預(yù)防理念的融入

系統(tǒng)預(yù)防理念的融入主要涉及系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)、系統(tǒng)預(yù)防管理和系統(tǒng)預(yù)防文化等方面。

一是融入系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)。系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)是通過(guò)任務(wù)工程理念的導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)任務(wù)工程的實(shí)施，保障在試驗(yàn)執(zhí)行前，設(shè)計(jì)和試制問(wèn)題得到全面的分析與解決、試驗(yàn)場(chǎng)景及能力定義清晰、試驗(yàn)度量指標(biāo)及邊界明確、試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程詳細(xì)準(zhǔn)確、試驗(yàn)方案合理，并將成功樹(shù)、數(shù)據(jù)包絡(luò)、探邊摸底和試驗(yàn)仿真等系統(tǒng)預(yù)防的技術(shù)融入試驗(yàn)全過(guò)程分析模型。

二是融入系統(tǒng)預(yù)防管理。針對(duì)單一試驗(yàn)項(xiàng)目，在試驗(yàn)項(xiàng)目的“試驗(yàn)設(shè)計(jì)與定義”中設(shè)置了過(guò)程管控要求，從試驗(yàn)策劃、試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、試驗(yàn)質(zhì)量控制、試驗(yàn)關(guān)鍵點(diǎn)評(píng)審等方面，增強(qiáng)單一試驗(yàn)的系統(tǒng)預(yù)防管理能力。同時(shí)，在產(chǎn)品層面，產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初需開(kāi)展產(chǎn)品的總體試驗(yàn)策劃，通常與產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)并行，對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)資源進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃并合理安排試驗(yàn)資源，確?？蒲性囼?yàn)全過(guò)程的質(zhì)量、安全和保密等管理到位，提升科研試驗(yàn)效能和管理水平。對(duì)重要項(xiàng)目試驗(yàn)和重要科研試驗(yàn)進(jìn)行重點(diǎn)管控和監(jiān)督，以此促進(jìn)各單位對(duì)其他科研試驗(yàn)的統(tǒng)籌推進(jìn)，確保試驗(yàn)總體目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

三是融入系統(tǒng)預(yù)防文化。對(duì)于系統(tǒng)預(yù)防文化一般不能直接融入試驗(yàn)指導(dǎo)文件中，通常是通過(guò)培訓(xùn)學(xué)習(xí)、評(píng)優(yōu)評(píng)先和特色活動(dòng)等方面的規(guī)章制度實(shí)現(xiàn)。但需說(shuō)明的是，這類(lèi)規(guī)章制度需要服務(wù)于試驗(yàn)文件體系，二者需相互協(xié)同。

試驗(yàn)一次成功文件架構(gòu)

綜合上述分析過(guò)程，構(gòu)建試驗(yàn)一次成功文件體系，試驗(yàn)一次成功文件體系大體包含4類(lèi)文件，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)一次成功文件架構(gòu)

一是指導(dǎo)試驗(yàn)具體操作的作業(yè)文件，包括結(jié)構(gòu)化試驗(yàn)項(xiàng)目清單、各試驗(yàn)項(xiàng)目一次成功指導(dǎo)書(shū)以及下層作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。該類(lèi)文件是試驗(yàn)一次成功體系的核心文件。

二是試驗(yàn)一次成功的通用的技術(shù)方法，如試驗(yàn)成功樹(shù)分析指導(dǎo)書(shū)、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析指導(dǎo)書(shū)等，體現(xiàn)的是系統(tǒng)預(yù)防基礎(chǔ)技術(shù)能力。主要用于指導(dǎo)各試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)展自身的成功樹(shù)分析、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析等，形成適用于具體試驗(yàn)項(xiàng)目的模型并融入第一類(lèi)文件中，提升各試驗(yàn)系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)能力。

三是試驗(yàn)過(guò)程管理文件，包括試驗(yàn)管理流程、產(chǎn)品試驗(yàn)策劃指導(dǎo)書(shū)、試驗(yàn)方案/試驗(yàn)大綱/試驗(yàn)結(jié)果分析報(bào)告等交付物模板和試驗(yàn)過(guò)程關(guān)鍵點(diǎn)檢查單等，體現(xiàn)的是系統(tǒng)預(yù)防管理能力，是對(duì)第一類(lèi)文件實(shí)施過(guò)程的管控要求。

四是系統(tǒng)預(yù)防文化的規(guī)章制度。

試驗(yàn)一次成功的保障：構(gòu)建仿真和驗(yàn)證平臺(tái)

驗(yàn)證大體上劃分為仿真驗(yàn)證和實(shí)物驗(yàn)證，試驗(yàn)一次成功文件的執(zhí)行離不開(kāi)試驗(yàn)仿真平臺(tái)、實(shí)物驗(yàn)證平臺(tái)的支撐。目前國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證所需的試驗(yàn)技術(shù)和試驗(yàn)設(shè)備，尤其是整機(jī)驗(yàn)證平臺(tái)（包括地面室內(nèi)試驗(yàn)、露天試驗(yàn)、高空臺(tái)試驗(yàn)和飛行臺(tái)試驗(yàn)等）與國(guó)際先進(jìn)水平還存在一定的差距。

因此，驗(yàn)證平臺(tái)的建設(shè)也是試驗(yàn)一次成功體系的重要建設(shè)內(nèi)容。從仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證需求出發(fā)，建立配套的仿真平臺(tái)、驗(yàn)證平臺(tái)（試驗(yàn)件、試驗(yàn)臺(tái)/器/設(shè)施），為產(chǎn)品各層級(jí)驗(yàn)證提供能力保障；同步厘清企業(yè)現(xiàn)有的試驗(yàn)資源，通過(guò)改造等建立先期驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，提升試驗(yàn)技術(shù)成熟度；摸底探邊，暴露風(fēng)險(xiǎn)，降低正式考核試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)束語(yǔ)

基于任務(wù)工程構(gòu)建航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)一次成功分析模型，能夠有效指導(dǎo)航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)任務(wù)的全過(guò)程分析，保障在試驗(yàn)前，影響試驗(yàn)的各方面因素得到全面識(shí)別，提升試驗(yàn)成功率；將系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)、系統(tǒng)預(yù)防管理、系統(tǒng)預(yù)防文化融入試驗(yàn)一次成功分析模型，強(qiáng)調(diào)在試驗(yàn)執(zhí)行前積極預(yù)防、試驗(yàn)執(zhí)行中過(guò)程的管控，從管理上進(jìn)一步提升試驗(yàn)成功率。