星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)與預(yù)研創(chuàng)新的融合模式探索

王永海、董超、周煒、王剛、王林林 /北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所

現(xiàn)場(chǎng)管理是運(yùn)用科學(xué)的管理思想、方法和手段，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種生產(chǎn)要素，如人、機(jī)、料、法、環(huán)等進(jìn)行合理配置和優(yōu)化組合，通過(guò)有效的計(jì)劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制和改進(jìn)，建立優(yōu)質(zhì)、高效、安全、規(guī)范的現(xiàn)場(chǎng)管理系統(tǒng)，保證現(xiàn)場(chǎng)按預(yù)定的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、均衡、安全、文明生產(chǎn)，提高企業(yè)質(zhì)量、成本、交付能力等各方面的績(jī)效水平，從而更好地滿足客戶和其他相關(guān)方需求，增強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

隨著航天事業(yè)的不斷進(jìn)步，我國(guó)航天工業(yè)的特色管理也不斷發(fā)展，并形成了與之相適應(yīng)的管理理念、方法和技術(shù)。為進(jìn)一步規(guī)范航天產(chǎn)品研制流程、提高航天產(chǎn)品質(zhì)量，作為北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所創(chuàng)新體系的核心和預(yù)研創(chuàng)新總體部門，系統(tǒng)研發(fā)部開(kāi)展了以星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)為代表的現(xiàn)場(chǎng)管理工作。當(dāng)前，現(xiàn)場(chǎng)管理主要面向制造業(yè)、服務(wù)業(yè)及建筑業(yè)，與生產(chǎn)車間、服務(wù)部門和建筑工地相比，研發(fā)設(shè)計(jì)部門涉及更多的人員、技術(shù)、文件和制度方面的管理，其現(xiàn)場(chǎng)管理的內(nèi)容新、范圍廣、難度大。系統(tǒng)研發(fā)部在推進(jìn)星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)的過(guò)程中，實(shí)踐了以技術(shù)成熟度提升為主線的質(zhì)量管理、多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化、三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計(jì)等特色管理改進(jìn)與管理創(chuàng)新措施，對(duì)航天產(chǎn)品型號(hào)研制工作起到了積極的推進(jìn)作用。

一、星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)工作實(shí)踐

1.以技術(shù)成熟度提升為主線的研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程質(zhì)量管理

明確質(zhì)量控制目標(biāo)、指標(biāo)、要求和過(guò)程質(zhì)量控制重點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)設(shè)計(jì)的輸入、輸出、驗(yàn)證、評(píng)審、確認(rèn)、變更等全過(guò)程管理和控制。在此過(guò)程中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)資源和不同專業(yè)特點(diǎn)，采用適宜的工具和手段提升全過(guò)程質(zhì)量管理水平，并積極運(yùn)用信息化手段推行標(biāo)準(zhǔn)化及模塊化設(shè)計(jì)，建立質(zhì)量數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，提高研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程的質(zhì)量和效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)過(guò)程異常，保持質(zhì)量管理的穩(wěn)定性。

針對(duì)預(yù)研設(shè)計(jì)特點(diǎn)，制定質(zhì)量管控措施，采用需求分析或設(shè)計(jì)輸入評(píng)審、項(xiàng)目建議書評(píng)審、接口文件簽署確認(rèn)、技術(shù)狀態(tài)管控、試驗(yàn)驗(yàn)證等系統(tǒng)方法對(duì)全過(guò)程進(jìn)行管控。采用FMEA、FTA、單點(diǎn)故障模式、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制、復(fù)核復(fù)算、三維IPT 設(shè)計(jì)流程監(jiān)控等精細(xì)化質(zhì)量管理工具和手段，提升過(guò)程管理質(zhì)量。

系統(tǒng)研發(fā)部通過(guò)開(kāi)展星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)管理活動(dòng)，梳理出不同階段的關(guān)鍵質(zhì)量控制措施，如圖1 所示。

需求分析（TRL2）階段質(zhì)量控制?；谑澜缈Х确ǖ念A(yù)研方案論證，面向客戶需求的3D打印快速輸出系統(tǒng)、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)策劃。

方案設(shè)計(jì)（TRL3）階段質(zhì)量控制。包括FMEA 分析、輸入及輸出管理、技術(shù)狀態(tài)管理、復(fù)核復(fù)算及軟件過(guò)程管理。

產(chǎn)品研制與集成演示（TRL4-6）階段質(zhì)量控制。大型試驗(yàn)質(zhì)量管控，基于FTA 方法的飛行試驗(yàn)“雙想”質(zhì)量管理，I、II 單點(diǎn)故障模式及3 類關(guān)鍵特性分析與控制。

研發(fā)設(shè)計(jì)全過(guò)程質(zhì)量控制。包括基于三維數(shù)字化的IPT 協(xié)同設(shè)計(jì)，信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，質(zhì)量數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

2.基于多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化的飛行力學(xué)設(shè)計(jì)流程再造

圖1 質(zhì)量管理過(guò)程策劃

隨著飛行力學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，按照上級(jí)用戶需求設(shè)計(jì)的飛行力學(xué)極有可能超過(guò)下游專業(yè)約束，從而帶來(lái)飛行力學(xué)和相關(guān)專業(yè)方案反復(fù)。通過(guò)對(duì)上級(jí)用戶需求充分分析分解和對(duì)下游需求前移2 個(gè)措施改造飛行力學(xué)設(shè)計(jì)流程，飛行力學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)結(jié)果能同時(shí)滿足上游和下游需求，避免設(shè)計(jì)方案反復(fù)。

飛行力學(xué)設(shè)計(jì)的上游專業(yè)主要包括武器總體、再入飛行器總體和氣動(dòng)，其中武器總體、再入飛行器總體對(duì)飛行力學(xué)設(shè)計(jì)提出條件和約束，嚴(yán)格設(shè)計(jì)輸入控制，確保設(shè)計(jì)輸入準(zhǔn)確及時(shí)。

氣動(dòng)設(shè)計(jì)是飛行力學(xué)專業(yè)的上游專業(yè)，其工作成果的更新和改動(dòng)直接影響飛行力學(xué)設(shè)計(jì)的及時(shí)性和正確性。飛行力學(xué)專業(yè)經(jīng)過(guò)與氣動(dòng)專業(yè)協(xié)商，制定了氣動(dòng)與飛行力學(xué)的數(shù)據(jù)格式規(guī)范。通過(guò)規(guī)范輸入，確保了飛行力學(xué)仿真可靠性，并通過(guò)與下游專業(yè)共同研究制訂的接口規(guī)范，將這些專業(yè)對(duì)飛行力學(xué)設(shè)計(jì)的要求和約束前移，作為飛行力學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的約束條件，保證了飛行力學(xué)設(shè)計(jì)兼顧防熱、載荷、承力結(jié)構(gòu)、天線罩等專業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，優(yōu)化和簡(jiǎn)化了飛行力學(xué)設(shè)計(jì)流程。改造后的飛行力學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

3.三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計(jì)方法創(chuàng)新提升設(shè)計(jì)效率

圖2 改造后的飛行力學(xué)設(shè)計(jì)流程

隨著新技術(shù)的推陳出新與飛速發(fā)展，飛行器的創(chuàng)新研發(fā)周期也在不斷縮短，使用部門對(duì)新產(chǎn)品的需求、對(duì)功能集成性的要求，以及工業(yè)部門對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量、面向制造的設(shè)計(jì)等方面的高要求都給設(shè)計(jì)研發(fā)部門帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。近年來(lái)，系統(tǒng)研發(fā)部針對(duì)這一現(xiàn)狀推出了基于成熟度的項(xiàng)目研發(fā)流程，從需求到方案再到試驗(yàn)等多個(gè)過(guò)程，以項(xiàng)目孵化池的形式逐步積累，逐漸推進(jìn)，確保項(xiàng)目由前沿技術(shù)向關(guān)鍵技術(shù)、再到技術(shù)方案、最后轉(zhuǎn)向產(chǎn)品樣機(jī)及工程應(yīng)用的順利推進(jìn)。

在這個(gè)過(guò)程中，高效、先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)逐步深入到具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，確?；诔墒於鹊难邪l(fā)流程的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，幫助設(shè)計(jì)師從重復(fù)的輸入、整理等工作中解放出來(lái)，將更多的時(shí)間與精力投入到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與綜合方案的集成優(yōu)化中，為用戶提供不同成熟度的產(chǎn)品。通過(guò)三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，系統(tǒng)研發(fā)部近年來(lái)在項(xiàng)目申報(bào)、型號(hào)轉(zhuǎn)化及成果申報(bào)等工作中取得了豐碩的成果。在系統(tǒng)研發(fā)部研發(fā)設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)中，具有代表性的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方法有基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計(jì)方法、提高三維模型集成裝配效率方法以及提升工程圖轉(zhuǎn)化效率方法等 。

4.提升氣動(dòng)仿真能力，降低試驗(yàn)成本

在當(dāng)前的嚴(yán)酷競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境態(tài)勢(shì)下，由于客戶需求調(diào)整等原因，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)的方案論證能力是論證團(tuán)隊(duì)必須具備的核心能力。氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)和氣動(dòng)特性分析工作是先進(jìn)飛行器方案論證階段的主要工作內(nèi)容，傳統(tǒng)的旋成體外形的氣動(dòng)特性工程計(jì)算方法對(duì)于復(fù)雜外形的新型飛行器不再適用，只能使用數(shù)值仿真方法進(jìn)行分析，需要使用大量的計(jì)算資源和時(shí)間，一個(gè)外形方案往往要花費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月時(shí)間才能完成。系統(tǒng)研發(fā)部氣動(dòng)組針對(duì)該矛盾開(kāi)展了改進(jìn)工程計(jì)算方法適應(yīng)性的工作，使得工程方法可以適用于某些布局的復(fù)雜外形飛行器，極大地提高了氣動(dòng)設(shè)計(jì)效率，建立了對(duì)于新型復(fù)雜外形飛行器的方案快速論證能力。氣動(dòng)專業(yè)方案設(shè)計(jì)流程優(yōu)化見(jiàn)圖3。

二、實(shí)踐效果

1.預(yù)研效率效能提升，創(chuàng)新指數(shù)連年第一

航天預(yù)研創(chuàng)新管理實(shí)踐自2016 年4 月啟動(dòng)，2017 年4 月開(kāi)始推廣應(yīng)用。系統(tǒng)研發(fā)部依托先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)管理理念，注重創(chuàng)新?tīng)恳c驅(qū)動(dòng)，直面競(jìng)爭(zhēng)與挑戰(zhàn)，推進(jìn)項(xiàng)目的型號(hào)應(yīng)用轉(zhuǎn)化，不斷提出新問(wèn)題、新概念、新項(xiàng)目，在多個(gè)科研領(lǐng)域連續(xù)取得突破，助力研究所連續(xù)3年蟬聯(lián)研究院創(chuàng)新指數(shù)榜第一，為研究所和飛行器技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)。

系統(tǒng)研發(fā)部2016 年承擔(dān)系統(tǒng)級(jí)預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目、課題和型號(hào)工作共計(jì)100 余項(xiàng)，其中新增課題與項(xiàng)目16 項(xiàng)；2017 年承擔(dān)系統(tǒng)級(jí)預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目、課題和型號(hào)工作共計(jì)近120 項(xiàng)，其中新增課題與項(xiàng)目19 項(xiàng)；2018 年承擔(dān)系統(tǒng)級(jí)預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目、課題和型號(hào)工作共計(jì)近140 項(xiàng)，其中新增課題與項(xiàng)目30 項(xiàng)。

2.飛行力學(xué)流程再造，設(shè)計(jì)效率提高一倍

優(yōu)化改造后的流程，將再入飛行器防熱、載荷、承力結(jié)構(gòu)、突防、透波罩等多專業(yè)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求在飛行力學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行了定性分析和優(yōu)化選擇，保證飛行力學(xué)設(shè)計(jì)輸出能夠滿足下游專業(yè)需求。如果出現(xiàn)下游專業(yè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)總體指標(biāo)要求的情況，則直接反饋到用戶需求、導(dǎo)彈總體需求和再入飛行器總體需求，從基本戰(zhàn)標(biāo)需求上進(jìn)行改進(jìn)迭代，避免了基于飛行力學(xué)設(shè)計(jì)的多輪多專業(yè)迭代，極大地提升了飛行力學(xué)設(shè)計(jì)效率。

原流程條件下，班組員工飛行力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程平均用時(shí)約160工時(shí)，改進(jìn)后班組員工飛行力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程平均用時(shí)70 工時(shí)，飛行力學(xué)設(shè)計(jì)效率提高1 倍以上；同時(shí)，飛行力學(xué)設(shè)計(jì)誤差由改造前位置0.01m、速度0.005m/s，降低到位置0.002m、速度0.001m/s，誤差減小到原來(lái)的1/5。

3.三維IPT 協(xié)同設(shè)計(jì)，大幅提升設(shè)計(jì)效率

目前，研究所推進(jìn)的具有代表性的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)方法包括：基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計(jì)方法、提高三維模型集成裝配效率方法、提升工程圖轉(zhuǎn)化效率方法等。

（1）基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

通過(guò)與典型型號(hào)設(shè)計(jì)時(shí)間對(duì)比的方式，開(kāi)展測(cè)試和時(shí)間記錄，具體比較項(xiàng)目和效果檢查情況見(jiàn)表1，設(shè)計(jì)效率提高了5 倍。

（2）基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計(jì)方法

基于新型設(shè)計(jì)方法與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，吊具設(shè)計(jì)人員可以利用系統(tǒng)已有的吊具設(shè)計(jì)知識(shí)，通過(guò)選擇艙段類型、吊具類型及設(shè)置各個(gè)零件的詳細(xì)尺寸參數(shù)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)件完成裝配模型的生成，減少吊具設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的依賴性。此方法省去相似結(jié)構(gòu)重新繪圖的時(shí)間，比原方法設(shè)計(jì)時(shí)間減少40%以上。

吊具設(shè)計(jì)人員對(duì)利用本系統(tǒng)生成的模型進(jìn)行更改時(shí)，設(shè)計(jì)人員只需打開(kāi)相應(yīng)的零件參數(shù)化界面，更改相關(guān)尺寸參數(shù)，由尺寸驅(qū)動(dòng)模型自動(dòng)進(jìn)行更改，同時(shí)模型的父件裝配關(guān)系自動(dòng)更新，減少設(shè)計(jì)人員更改圖紙的重繪時(shí)間。相對(duì)于二維設(shè)計(jì)更改，減少圖紙重繪時(shí)間45%以上。

模型設(shè)計(jì)完畢后，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)零件及裝配模型進(jìn)行三維標(biāo)注，減少設(shè)計(jì)員在二維圖紙上手動(dòng)標(biāo)注的時(shí)間，并且模型更改時(shí)，尺寸與模型相關(guān)聯(lián)，標(biāo)注會(huì)自動(dòng)更新，比傳統(tǒng)手工標(biāo)注時(shí)間降低60%以上。

（3）提高三維模型集成裝配效率設(shè)計(jì)方法

縮短三維模型集成裝配打開(kāi)時(shí)間50%以上，具體效果如圖4所示。

（4）提升工程圖轉(zhuǎn)化效率設(shè)計(jì)方法

通過(guò)系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地面設(shè)備三維模型向二維模型的自動(dòng)映射（見(jiàn)圖5），進(jìn)一步簡(jiǎn)化了地面設(shè)備模型的維護(hù)過(guò)程，極大提升了工作效率。

4.提高氣動(dòng)仿真能力，降低研發(fā)設(shè)計(jì)成本

圖5 結(jié)構(gòu)工程圖快速設(shè)計(jì)過(guò)程

在氣動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不斷總結(jié)研制經(jīng)驗(yàn)和建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，有效降低了方案論證階段各專業(yè)對(duì)大型地面試驗(yàn)和（半）實(shí)物仿真的依賴程度。以某類慣性飛行器為例，前期型號(hào)在方案論證階段開(kāi)展了8 類12 項(xiàng)風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)成本約為790 萬(wàn)元；在后續(xù)改進(jìn)型號(hào)研制時(shí)，基于已有經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，依靠開(kāi)展數(shù)值仿真、復(fù)核復(fù)算等校驗(yàn)工作，僅開(kāi)展了3 類3 項(xiàng)風(fēng)洞試驗(yàn)，試驗(yàn)成本約為240 萬(wàn)元，僅風(fēng)洞試驗(yàn)一項(xiàng)與前期型號(hào)相比減少了成本約550萬(wàn)元。

北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所通過(guò)開(kāi)展星級(jí)現(xiàn)場(chǎng)工作，制定了合理的現(xiàn)場(chǎng)管理措施，通過(guò)正確的選擇和使用管理工具或方法提升了預(yù)研創(chuàng)新現(xiàn)場(chǎng)管理的效率和質(zhì)量，降低了預(yù)研創(chuàng)新的成本。后續(xù)，研究所將持續(xù)推進(jìn)“一心、二效、三節(jié)”的現(xiàn)場(chǎng)管理理念，通過(guò)頂層策劃、流程再造、系統(tǒng)實(shí)施等一系列舉措建立和完善部門現(xiàn)場(chǎng)管理體系，不斷增強(qiáng)部門的現(xiàn)場(chǎng)管理水平，促進(jìn)核心競(jìng)爭(zhēng)力的提升，深化研究適合預(yù)研創(chuàng)新的現(xiàn)場(chǎng)管理工作模式和方法，使研發(fā)現(xiàn)場(chǎng)管理能力上升到一個(gè)新臺(tái)階。