IHPTET計劃的先進項目管理方法

王巍巍，郭 琦，黃順洲

(中國燃氣渦輪研究院，四川 成都 610500)

1 引言

IHPTET計劃是美國國家級航空燃氣渦輪發動機預研計劃，于1988年正式開始至2005年結束，是迄今為止美國最為成功的預研計劃。在該計劃開展的18年期間取得了豐碩的科研成果。IHPTET計劃之所以能夠取得成功，與該計劃實施過程中采用科學有效的項目管理方法GOTChA具有密不可分的關系[1]。

2 GOTChA的概念

GOTChA 由目的(Goals)、目標(Objectives)、技術挑戰(Technical Challenges)和方法(Approaches)構成[1]。目的，即頂層技術目標，指最終想要得到的結果，即計劃要達到的技術水平，這種技術水平與現有技術水平相比有很大的改進，并且這種改進能夠量化，通過改進給系統帶來的效益與貢獻也可以衡量。目標，指計劃中研究的具體部件和系統要達到的技術水平，這種技術水平與現有技術水平相比有很大的改進，這種改進也能夠量化，通過改進給系統帶來的效益與貢獻也可以衡量。技術挑戰指特定的科學/技術難點，需要新的知識或技術來攻克，以達到既定的技術目標。方法，是指解決技術難點所必需的先進的科學技術方法。

GOTChA項目管理方法要嚴格遵守計劃目的。目的要明確，目標要清晰。目標一旦確定絕不輕易更改，實在有困難，可以延期，但最終要達到的目的決不動搖。GOTChA方法的難點在于準確制定出技術目標，并根據這些目標推斷出可能會遇到的技術挑戰，通過各種途徑和方法來應對技術挑戰，克服技術障礙，達到最終目的。圖1以軍用小涵道比渦扇發動機為例來說明GOTChA方法的流程[2～4]。GOTChA方法首先要明確目的，對于小涵道比軍用渦扇發動機而言，關鍵的參數是推重比、耗油率、成本等，所以在GOTChA流程中，先要列出這些關鍵參數，并給出最終目的。例如，要提高多少或者改進多大，都要有量化指標。接下來列出對這些關鍵參數有重大影響和為這些關鍵參數進一步提高有貢獻的部件及系統，對它們提出具體的技術指標。然后確定出為了達到這些技術指標可能遇到的挑戰，給出應對方法。為了解決技術難題，可能有很多種方法，眾多方法綜合比較，最后找出對達到最終想要的結果和既定技術指標有最大貢獻的方法。這里的最大貢獻，是指子系統的技術指標，既能達到既定水平，同時對實現計劃目標又有舉足輕重的作用，對其他部件的負面影響最小。

3 GOTChA的制定準則

GOTChA方法的關鍵是要給出計劃的最終目的，是否正確給出直接關系到整個計劃管理的成敗。在整個計劃管理過程中，目的一定要清晰明確。如何合理給出這種長達18年或者持續時間更長的計劃的最終目的，是GOTChA方法非常重要的環節。IHPTET計劃這樣制定最終目的：首先，把即將要開展的計劃與前期已開展的眾多計劃銜接起來，以前期開展的那些計劃取得的成果和建立的技術儲備為依據；第二，根據當前的技術現狀，以已經掌握并可使用的技術的水平為基礎；第三，在前期通過驗證的先進技術基礎上，再考慮未來的發展空間，并同時要具有突破性進展來確定計劃目標。下面以IHPTET最終要達到的目的——推重比提高100%的制定為例，來說明GOTChA方法中目的制定準則。

在IHPTET之前，美國開展了多個預研計劃，其中包括ATEGG、APSI、JTDE等。IHPTET計劃在上世紀80年代初醞釀時，充分考慮了上述計劃中軍用發動機的技術發展重點。在確定IHPTET最終目的時，管理層借鑒了上述計劃已經取得的成果，把最終目的建立在前面計劃的基礎上，同時重點強調革命性的技術突破。IHPTET把大幅提高推重比列為最終目的，與以前計劃中把技術發展重點放在改善耐久性上有了新的突破。IHPTET計劃的最終目的是推重比提高100%，是在推重比8的發動機YF119/YF120基礎上提高100%[5，6]。為什么會選擇推重比8這個量級作為計劃最終目的的參考基礎呢。從YF119發動機的研制進程不難看出，在1985年IHPTET計劃開始制定時，該發動機已經進行了全面的技術驗證，完成了地面試驗，也就是說在提出推重比目標時，美國已經掌握了達到推重比8所需要的關鍵技術，盡管當時真正的推重比8這個量級還沒有完全達到，但是在可以預知的未來肯定能夠達到。這個最終目的，即通常所說的頂層技術目標的確定也正是IHPTET計劃中所采用的GOTChA方法進行項目管理的第一步。在確定最終目的這個環節，該方法體系表現出了對基礎目標選擇的高度重視，選擇一個很快就能達到的目標為基礎，也就是人們常說的“夠得著”的指標為基礎，這樣才能制定出“跳一跳”就能達到的目標。GOTChA方法最關鍵的也正是這個目的的確定。

圖1 GOTChA項目管理方法的技術路線流程圖Fig.1 Technical route diagram for GOTChA

最終目的確定后，GOTChA方法的第二步就是把最終目的分成幾個目標，每個目標都將為最終目的做出一定的貢獻。IHPTET計劃的目標分為三個階段來實現，下面以第3階段的目標為例來說明GOTChA目標的確定。對于渦噴/渦扇發動機而言，以計劃的第3階段目標為基礎，再分別按部件(壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管)和系統(機械系統和控制系統)來具體分解每個部件和系統為達到總目標所能奉獻的比例，落實到每個部件和系統具體的技術指標要求。例如，針對壓氣機而言，為實現第3階段目標，首先要求其效率提高5%、壓氣機出口溫度提高152℃、重量減少50%、級負荷增加50%、引氣量減少60%、制造、維修成本分別降低55%和65%。對于控制系統和機械系統而言，也需要為達到該階段目標做出相應的貢獻，需要控制系統的重量降低50%，機械系統的重量降低 20%，等等[7，8]。

GOTChA方法的第三步是確定出為達到具體目標所面臨的技術挑戰。下面仍以IHPTET計劃第3階段為例來說明。在前兩個流程結束后，GOTChA方法就要提出要應對的技術挑戰，如：燃燒室要實現第3階段目標，必須面臨的技術挑戰就包括要縮短燃燒室長度、改善出口溫度分布均勻性等；高壓渦輪面臨的技術挑戰包括如何在提高渦輪前燃氣溫度的情況下減少冷卻空氣量，提高級做功量的同時要降低高負荷帶來的損失等。在GOTChA方法的第三步，要把每個部件和系統可能面臨的技術挑戰都詳細地列舉出來。

GOTChA方法的第四步，就是針對前一個流程中確定出的技術難點和所面臨的挑戰給出解決方法。解決技術難點和應對技術挑戰的方法有很多，如：燃燒室需要采用先進的火焰筒技術、陶瓷基復合材料火焰筒、燃油分級結構設計、燃燒室和渦輪耦合氣動設計等；高壓渦輪要采用先進材料(如陶瓷基復合材料和熱障涂層)、整體鑄造技術、三維非定常流體力學設計軟件、刷式封嚴和指尖密封等。

目的、技術目標、技術挑戰和方法都一一確定后，GOTChA的流程就形成了一個閉環，接下來就按照該方法的每一個流程來實施。IHPTET計劃之所以能夠取得很多成果，與GOTChA方法的實施有著不可分割的關系。正是借助于該方法一環扣一環的技術目標分解與分階段、分步驟的實施，使得IHPTET成為目前最成功的預研計劃。

4 GOTChA方法在IHPTET計劃中的具體應用

IHPTET計劃各階段和各部件都按照GOTChA流程進行管理。首先把IHPTET計劃的頂層技術目標分配給各階段，再按照各階段的要求分解到各部件，確定出要得到的技術指標、為達到這些技術指標可能遇到的技術挑戰，技術挑戰確定了要實現IHPTET計劃技術目標必須突破的技術障礙，解決問題的方法確定了眾多技術途徑和先進技術手段，旨在掃除達到該計劃既定技術目標時遇到的技術障礙。

在GOTChA流程中，能夠清晰地確定出高壓部件、低壓部件、機械系統、工藝和材料等為實現計劃總目標所做的貢獻。各個子系統為總目標所做的奉獻和為此付出的努力在這個管理流程中都清晰可見。圖2給出了高壓渦輪部件為IHPTET計劃總目標奮斗的歷程[8]。

從圖2中不難看出，渦輪作為該計劃子系統所做的貢獻。為了能夠使系統達到第2階段推重比提高60%的目標，渦輪本身需要實現級負荷提高30%、效率提高30%、質量減少30%等若干個具體的子目標，才能為頂層技術目標做出應有的貢獻。為達到這些技術指標要面臨前所未有的挑戰，如在損失不增加的條件下很難再提高級負荷等，為了應對挑戰必須運用各種可能的方法以達到最終目的。

GOTChA在IHPTET計劃中應用時，不僅能夠把系統頂層技術目標分解給子系統，而且能把子系統的目標分給具體的零件或者具體的設計途徑上。還以渦輪為例，為實現系統目標，不僅渦輪部件本身要實現若干技術目標，應對很多挑戰和采取合適的方法，而且渦輪部件的具體零件(如葉片和盤)也都要為這個頂層技術目標做出奉獻。這些奉獻可以從結構設計、強度設計、氣動設計、工藝與材料設計等幾個方面來衡量。圖3給出渦輪葉片的強度設計為頂層目標所做貢獻的GOTChA流程圖[9]。

由圖3可見，GOTChA方法不僅適用于大部件，零件與系統同樣適用。單個部件可以通過該項目管理方法梳理，單項新技術攻關同樣可以采用這樣的流程管理。如，針對燃燒室火焰筒采用的陶瓷基復合材料，在新材料研發時，首先要明確研發該材料的目的，開發該材料的目的是為頂層技術目標，即推重比翻一番做出貢獻，相應地要提出技術目標——T4提高482℃，為完成這個技術指標面臨的技術挑戰，即陶瓷基復合材料能夠承受的壓力和溫度，最后給出解決問題的方法，就是研發出能夠耐受1315℃的復合材料。

圖2 IHPTET計劃中渦輪部件的GOTChA流程管理Fig.2 Turbine component GOTChA management in the IHPTET program

圖3 GOTChA項目管理方法中子系統的技術流程圖Fig.3 Technical flow chart for the sub-system of GOTChA project management

在IHPTET計劃中，從整個系統(即發動機)到與整個系統相關的所有子系統(即零部件和子系統)都采用GOTChA方法進行管理。由于采用了這種科學有效的管理方法，使得IHPTET計劃中每個階段的目標都非常明確，為實現目標要走的技術路線非常清楚，能夠為各個階段目標做出貢獻的部件和系統也清晰明了，它們要實現的具體技術目標、面對的挑戰和克服困難的方法都一目了然，從而使這個龐大的計劃管理變得透明化，簡單化。

5 GOTChA項目管理方法的啟示

5.1 確定一個基準發動機

在開展一項大型預研計劃過程中，為了能準確確定計劃的最終目的(即頂層技術目標)、制定分階段目標和分配各階段關鍵技術指標以及組織實施等問題，可以借鑒IHPTET計劃中的GOTChA方法。在頂層技術目標確定時，可以參考GOTChA中目的的確定流程，確定一個基準發動機，為預研計劃頂層技術目標的確定建立一個比較的平臺。如，頂層技術目標是在某型航空發動機——確切地說是在某年的某型發動機技術基礎之上提高多少比例。不僅頂層技術目標如此，子系統(如高、低壓部件等)都應以頂層目標的參照基準為參照對象，制定最終目的。如果沒有一個參照對象，即沒有一個比較基礎，很難制定出具體的技術目標。參照對象，即頂級技術目標的參照基礎，在該基礎上通過采用先進設計技術和新材料與新工藝，確定出未來5～10年或者10～20年可以實現的最終目的。主系統(發動機)和子系統(部件)等的參照基礎應相同，這樣主系統與子系統技術的提高比例都可以量化、衡量。

確定基準發動機的前提條件可以參考已經掌握的技術、正在驗證的技術以及材料和工藝的攻關情況。而頂層技術目標的確定要在充分考慮基準發動機的基礎上，根據技術發展現狀、未來的發展趨勢以及材料與工藝的發展空間和潛力來最終制定。

5.2 以頂層目標為中心

在GOTChA流程中，頂層技術目標確定后，要確定分系統的目標。所有分系統的目標都要以頂層技術目標為中心，緊密圍繞最終目的確定出分系統的指標。分系統的子目標是對頂層技術目標的具體分解，具體落實到部件與系統中。每個部件與系統要達到的目標都是以為最終的頂層技術目標貢獻多少來衡量。

分系統目標的確定方法與頂層技術目標的確定方法相同，同樣是根據現有技術的發展水平、已經掌握的工藝材料水平制定。目標分解給具體的部件和系統后，再進一步明確出關鍵技術，為攻克這些關鍵技術可能會遇到哪些技術挑戰，為了應對這些技術挑戰，達到最終目的，需要解決哪些關鍵問題。這樣一來，就形成了一個完整而清晰的技術路線圖，而這個路線圖正是GOTChA流程的精華。在項目管理中，如果能夠按照這樣的思路來制定頂層技術目標和分目標，整個計劃的技術發展脈絡就非常清晰，每個階段要解決的問題和要進行的技術攻關也被梳理得非常清楚。

5.3 自上而下的項目管理流程

GOTChA流程自上而下，層次分明。采用該管理方法使得整個計劃目標變得非常完整、清晰，特別有利于管理。首先從頂層設計講，通過GOTChA流程，使系統頂層技術目標、與頂層技術目標實現有關的分系統、分系統為頂層技術目標貢獻的比例、分系統為頂層技術目標做貢獻時要面臨的技術挑戰、為迎接挑戰采取的方法等，都變得清晰可見，整個項目管理從上至下，每一個環節都變得可以量化和評估。

[1]The Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program[R].ISABE 97-7175，1997.

[2]FY87 Technical Objective Document[R].AD-A 166659，1986.

[3]The Challenge of IHPTET[R].ISABE 93-7001，1993.

[4]Richman M S，Kenyon J A.High Speed and Hypersonic Science and Technology[R].AIAA 2005-4099，2005.

[5]Messersmith N，Castro J H.Future High Mach Propulsion[R].AIAA 2003-2613，2003.

[6]郭 琦，王巍巍.IHPTET計劃跟蹤分析總結報告[R].四川 成都：中國燃氣渦輪研究院情報室，2009.

[7]王巍巍.IHPTET技術成果和應用[R].四川 成都：中國燃氣渦輪研究院情報室，2009.

[8]Sehra A K.NASA-DoD-DoE Alliance on Propulsion and Ground-Based Power Systems[R].2000.

[9]Eisert F，O’Brien T，Owen K. Design Tools and Engine Simulation[R].2000.