航空發(fā)動機傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價方法的應(yīng)用

劉慶東，史妍妍，崔 洋，劉曉松

（中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015）

0 引言

傳動系統(tǒng)是航空發(fā)動機的重要子系統(tǒng)，其主要功能是帶動發(fā)動機附件及飛機附件工作，一旦失效將對整機的安全性和可靠性造成重要影響，甚至可能導致戰(zhàn)斗機的動力喪失[1]。然而，受到長期測繪仿制工作模式的影響，承研單位對傳動系統(tǒng)研制的相關(guān)技術(shù)研究不足，發(fā)動機研制及列裝后仍不斷發(fā)生傳動系統(tǒng)故障[2-5]，成為型號研制“拖、降、漲”的重要因素之一。

在技術(shù)成熟度評價中，通常先根據(jù)重要性和新穎性識別關(guān)鍵技術(shù)元素，再針對關(guān)鍵技術(shù)元素按成熟度評價細則TRL1～9開展評價工作[6]。然而，航空發(fā)動機的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式單一，往往由于新穎性不足而未被型號列為關(guān)鍵技術(shù)元素，為后續(xù)故障的發(fā)生埋下了隱患。

本文提出基于傳動系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS，制定各項技術(shù)的TRL1～9專用評價細則，并根據(jù)專用細則全面開展技術(shù)成熟度評價工作的流程和方法。該項工作對控制傳動系統(tǒng)研制過程中的技術(shù)風險具有重要意義，也為承研單位制定技術(shù)能力提升計劃奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 全生命周期的技術(shù)成熟度等級要求

1.1 技術(shù)成熟度的等級定義

技術(shù)成熟度等級TRL，是指從掌握技術(shù)原理到技術(shù)在工程上成功應(yīng)用的過程中，對技術(shù)滿足項目預(yù)期目標的度量，可以量化描述傳動系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)和技術(shù)風險，從而對研制項目的科學管理和決策起到重要的參考作用[7-11]。

參照美國國防采辦局關(guān)于技術(shù)成熟度的分級，并結(jié)合中國武器裝備研制特點與實際，航空發(fā)動機的技術(shù)成熟度標準定義為9級[12]，每級都建立了相應(yīng)的評價細則。

1.2 研制階段對技術(shù)成熟度的等級要求

航空發(fā)動機全生命周期內(nèi)研制階段劃分為論證、方案、工程研制、設(shè)計定型、生產(chǎn)定型、批量生產(chǎn)、使用保障7個階段。在發(fā)動機研制過程中，主要包含A、B、C 3個主要里程碑（即型號立項評審、方案評審、設(shè)計定型評審）以及3個主要決策點（即裝備研制決策、原型機研制決策、大批量生產(chǎn)決策）。各里程碑、決策點評審點對技術(shù)成熟度等級要求如圖1所示。

圖1 發(fā)動機研制階段對技術(shù)成熟度的等級要求

主要要求包括:

（1）在立項評審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級至少達到3級，才可轉(zhuǎn)入方案階段；

（2）在方案評審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級至少達到5級，才可轉(zhuǎn)入工程研制階段；

（3）在工程驗證機向原型機轉(zhuǎn)段前，要求全部技術(shù)的成熟度等級至少達到6級，才可轉(zhuǎn)入工程研制階段；

（4）在設(shè)計定型評審前，要求全部技術(shù)的成熟度等級至少達到8級，才可轉(zhuǎn)入生產(chǎn)定型階段。

2 傳動系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評估流程

基于航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評估的通用流程，簡化關(guān)鍵技術(shù)元素識別等步驟，建立全面評估傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度的流程，如圖2所示。主要步驟包括:

（1）基于該型號傳動系統(tǒng)的產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（Product Breakdown Structure,PBS），建立傳動系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)；

（2）基于技術(shù)載體架構(gòu)，全面梳理出每個PBS單元承載的技術(shù)，建立傳動系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS；

（3）對于TBS中的n個技術(shù)單元，根據(jù)航空發(fā)動機技術(shù)成熟度評價TRL1～9通用細則，建立該項技術(shù)的TRL1～9技術(shù)成熟度評價專用細則；

（4）根據(jù)該型號所處的研制階段及其技術(shù)成熟度等級要求N（如圖1所示），確定首輪評價采用第N等級的評價細則；

（5）按第N等級細則要求，開展該項技術(shù)的首輪技術(shù)成熟度評價，一旦滿足則初步判定該技術(shù)單元的成熟度等級為N；否則，將按下一級細則要求，重新進行技術(shù)成熟度評價，直至評價結(jié)果滿足細則要求，最終確定該項技術(shù)的成熟度等級；

（6）對于TBS中的n個技術(shù)單元，按照（5）逐一判定其技術(shù)成熟度等級，并針對不滿足研制階段技術(shù)成熟度等級要求的技術(shù)單元，分別建立該技術(shù)單元的技術(shù)成熟度提升計劃；

（7）綜合考慮TBS中n個技術(shù)單元的評估結(jié)果，及各技術(shù)單元之間的相互影響，編制《傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價報告》，對技術(shù)風險進行系統(tǒng)分析，并制定傳動系統(tǒng)的技術(shù)成熟度提升計劃。

傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價的核心，是確定不滿足該研制階段技術(shù)成熟度等級要求的技術(shù)，從而采取針對性措施提高其成熟度、降低故障發(fā)生的概率。因此，對于滿足第N等級細則要求的技術(shù)，暫不開展第N+1等級的技術(shù)成熟度評價，其評價工作隨下一階段研制工作開展。

圖2 傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估流程

3 傳動系統(tǒng)的技術(shù)成熟度評估方法

3.1 技術(shù)載體架構(gòu)的建立

傳動系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

典型傳動系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)如圖4所示。與傳動系統(tǒng)的PBS層級結(jié)構(gòu)一致，共分為3級:

（1）0級，為傳動系統(tǒng)級；

（2）1級，為傳動部件級，主要包括中央傳動、發(fā)附機匣、飛附機匣3個部件，此外增設(shè)“傳動系統(tǒng)總體”，用于承載3個部件之間的匹配技術(shù)；

（3）2級，為零組件級，其中的每個PBS單元由共同實現(xiàn)某一功能的實體結(jié)構(gòu)組合而成，此外，每個部件增設(shè)1個“總體”單元，用于承載該部件內(nèi)部各PBS單元之間的匹配技術(shù)。

圖3 典型傳動系統(tǒng)

圖4 典型傳動系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)

3.2 技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS的建立

基于該型號傳動系統(tǒng)的技術(shù)載體架構(gòu)，全面梳理出每個PBS單元承載的技術(shù)，建立傳動系統(tǒng)技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS。梳理中應(yīng)考慮該技術(shù)的驗證載體，并將該技術(shù)與其驗證載體相關(guān)聯(lián)，如“齒輪傳動鏈布局設(shè)計技術(shù)”只有在發(fā)附機匣整體狀態(tài)下才能得到驗證，因此將其掛在“發(fā)附機匣總體”單元之下，如圖5所示。

圖5 發(fā)附機匣總體的TBS

3.3 專用評價細則的制定

傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價專用細則，是針對具體技術(shù)對發(fā)動機通用細則的解讀，其制定原則主要有2項:

（1）應(yīng)保持專用細則與發(fā)動機通用細則的內(nèi)涵一致，且專用細則的內(nèi)容包含但不限于通用細則的內(nèi)容[13]；

（2）某一等級的專用細則，應(yīng)充分考慮該研制階段的工作任務(wù)和考核內(nèi)容，保證該技術(shù)單元能夠得到相應(yīng)等級的充分考核。

3.4 細則滿足情況的判定

對于某項技術(shù)單元，各級專用細則編制完成后，逐條對應(yīng)其內(nèi)容，對細則滿足情況進行判定，并將細則條目全部滿足的最高1級作為該項技術(shù)單元的成熟度等級[14-15]。

傳動系統(tǒng)的全部技術(shù)單元，都完成成熟度等級評價后，應(yīng)編制《傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評估報告》。分析各項技術(shù)單元的成熟度等級，及其與該研制階段的成熟度等級要求之間的差距，并制定相應(yīng)的技術(shù)成熟度提升計劃，降低由技術(shù)成熟度低而導致的技術(shù)風險。

4 應(yīng)用實例

以處于設(shè)計定型階段的某型號傳動系統(tǒng)為例，選取中央傳動錐齒輪為技術(shù)載體，建立“中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)”的專用評價細則（TRL1～9）。

在判定過程中，首先按該研制階段的TRL7專用細則（見表1）進行滿足情況的判定，結(jié)果有2項細則未滿足（見表2），表明該項技術(shù)尚未達到TRL7；因此，再次選用TRL6專用細則（見表3）進行判定，結(jié)果全部細則均滿足（見表4），因此判定該項技術(shù)的成熟度為TRL6。限于篇幅，表1~4中僅示出部分細則。

對比表3、5中的專用細則“滿足情況分析”可見，“中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)”若要達到TRL7，應(yīng)通過相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)改進，確保其滿足共振狀態(tài)下的動應(yīng)力測試、最低滑油清潔度下的磨損試驗2項細則要求（見表3）。此外，也表明“中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)”對正常使用環(huán)境有全面的考慮，但是對于使用中的超常和異常條件考慮不足，還需要開展相關(guān)的魯棒性設(shè)計。

表1 中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)的評價細則（TRL7）

表2 TRL7細則滿足情況判定

表3 中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)的評價細則（TRL6）

表4 TRL6細則滿足情況判定

上述內(nèi)容將納入“中央傳動錐齒輪設(shè)計技術(shù)”的成熟度提升計劃之中。

5 結(jié)束語

（1）針對傳動系統(tǒng)故障頻發(fā)的研制現(xiàn)狀，提出了基于傳動系統(tǒng)的技術(shù)分解結(jié)構(gòu)TBS，制定各項技術(shù)的TRL1～9專用評價細則，并根據(jù)專用評價細則制定全面開展技術(shù)成熟度評價工作的流程和方法。

（2）技術(shù)成熟度評價細則的建立是傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價工作的核心，實現(xiàn)了對發(fā)動機通用細則的解讀，且通過對細則滿足情況的判定，明確了該項技術(shù)的成熟度提升方向。

（3）通過分析航空發(fā)動機全生命周期內(nèi)各里程碑、決策點的技術(shù)成熟度等級要求，持續(xù)開展傳動系統(tǒng)技術(shù)成熟度評價工作，并根據(jù)評價結(jié)果制定相應(yīng)的成熟度提升計劃，可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)研制技術(shù)風險的有效管控。