基于系統工程的航空發動機研發技術過程及裁剪方法研究

韓秋冰 張德志 中國航發沈陽發動機研究所

航空發動機研發是一項復雜的系統工程，我國航空發動機研發經歷了引進仿制和修理、部分自主設計和擁有自主知識產權等階段，實現了重大跨越。但由于缺乏科學合理的正向研發技術流程，在產品研制中仍存在需求內容、設計活動和驗證活動不完整，需求符合性不清晰等問題。本文基于系統工程理論研究了航空發動機正向設計技術流程及其適應于武器裝備研制的裁剪方法。

一、系統工程技術過程

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

中將產品的研發技術流程劃分為需求分析、技術要求分析、體系結構設計、單元實施、產品集成、驗證、移交和確認8 個部分；美國國家航空航天局（NASA）《系統工程手冊》中將技術流程分為系統設計流程和產品實現流程，系統設計流程包括利益攸關者期望開發、技術需求開發、邏輯分解、設計方案開發，產品實現流程包括產品方案實施、產品集成、產品驗證、產品確認和產品交付。國際系統工程協會（INCOSE）的劃分方式與以上兩種不同，且仍在不斷優化完善。

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

二、基于系統工程的航空發動機正向研發技術流程

航空發動機產品分解結構主要包含整機、部件/子系統和零組件。根據系統工程理論，發動機研發過程就是根據其產品分解結構從整機到部件/子系統再到零組件的自上而下的設計過程，由零組件到部件/子系統再到整機的自下而上的集成驗證過程。在航空發動機技術流程建設時，考慮到其行業習慣和特點，將GJB 8113-2013 中的8 個技術流程整合劃分為可行性分析、方案設計、技術設計、詳細設計、生產與裝配、試驗與驗證6 個過程，整機、部件/子系統和零組件需按這6 個過程的定義開展相應子流程的梳理，梳理過程中應建立各層級研發對象的通用需求清單，確保需求項的完整，根據通用需求清單詳細分析針對各需求開展的設計、分析、仿真和試驗驗證活動并納入技術流程。

可行性分析分為需求分析和技術要求分析，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者需求），并保證其完整性，然后分析所有需求，對于不可實現的需求向上反饋，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，利用已有的工程經驗或數據庫，初步分析需求的可行性，并結合分析結果進行工作策劃。

方案設計是體系結構設計的一部分，根據可行性分析的結果開展研發對象方案設計，經過必要的多方案設計，權衡擇優，確定設計方案。方案設計過程中通常需要識別出研發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設計時完成。主要工作內容包括多方案設計、選定最佳方案，選定的方案能夠針對用戶的關注點并滿足相應的需求。方案設計的交付物包括對研發對象的描述（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對象進行描述）、初步的接口定義（包括研發對象各組成單元之間、組成單元與研發對象外部的邏輯接口和物理接口）、各研發對象組成單元的初步技術指標、方案設計說明文件。

技術設計借助選定的方案進一步分解、分配技術要求，同時派生出新的技術要求，最后確定承接所有技術要求的研發對象組成單元，明確研發對象的內部及外部接口要求，形成最終方案，并向各組成單元提出設計要求。技術設計的含義是產生全部的描述研發對象本身和其組成的數據和信息。技術設計的交付物包括對技術設計的描述（如對研發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，各組成單元的技術指標，需求的分配記錄文件，對后續詳細設計、生產與裝配、試驗與驗證等工作的規劃，技術設計說明文件（對設計結果選取或組成單元選取的說明）。

詳細設計應準確地反映研發對象的設計結果，并能夠指導后續的生產、裝配、試驗等。詳細設計的定義是為能夠制造滿足需求且符合技術設計結果的研發對象而需完成的工作。詳細設計的交付物包括對使能系統的需求、詳細的圖紙和技術條件、操作指導書和維修手冊、更新后的方案設計/技術設計文件。

生產與裝配過程依據詳細設計輸出的圖紙文件完成研發對象的生產，經過產品檢驗后對研發對象進行組裝。

試驗與驗證過程對分配到該研發對象的需求進行相關試驗，并根據試驗結果進行設計評估，最后交付內外部客戶供其檢驗或確認。

系統工程“雙V”模型（見圖1）描述了航空發動機整機、部件/子系統和零組件各層間理論的串行研發過程。在型號研制中，考慮到航空發動機產品的特殊性（技術難度大、研制周期長等）和專業分工，設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計后將需求傳遞給部件/子系統，部件/子系統隨即能夠具備初步的條件并開展其設計工作。這樣并行的好處是通過設計過程中整機、部件/子系統的不斷協調迭代彌補了專業分工不同產生的局限性，有利于快速、準確地確定技術方案。但并行研發模式在某些情況也會帶來工作反復、周期延長的問題，例如，整機在方案設計時由于開展的設計工作有限，僅能將部分需求傳遞給部件/子系統，部件/子系統隨即開展設計工作，而整機在進行技術設計過程可能會發現前期傳遞給部件/子系統的指標有些并不合適或新增一些指標，無論是指標的調整還是新增指標，都存在導致部件/子系統方案推倒重來的風險。

圖1 航空發動機研發過程示意圖

三、航空發動機研發技術流程的裁剪

航空發動機研發技術流程反映了其技術演進過程，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流程的工作內容。例如，在方案階段開展技術驗證機的演示驗證需要經過可行性分析、方案設計、技術設計、詳細設計、生產與裝配、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，區別在于技術驗證機、工程驗證機、原型機研發的需求及其設計、驗證活動不完全相同，在具體型號和項目研發時是需要對 “大而全”的技術流程進行裁剪使用，裁剪時應按照各研制階段輸入、輸出和轉段標準要求，形成航空發動機不同研制階段的技術流程。技術流程裁剪流程如圖2 所示。

圖2 技術流程裁剪流程圖

確定研制階段。不同研制階段均需對技術流程進行裁剪，首先根據研制工作總體安排確定該型號所屬的研制階段。國內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、設計定型階段、生產定型階段、批量生產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和工作內容，通過技術驗證機、工程驗證機、原型機等的設計、制造、演示、試驗，不斷提升武器裝備系統研發的技術成熟度，逐步演進出最終滿足用戶需求的系統，其主要目的是分段控制項目在技術、費用和周期等方面的風險。裝備研發工作主要集中在前5 個階段。

圖3 航空發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，綜合分析技術能力和研制生產條件，開展作戰使用和全壽命周期費用研究，開展多方案和發動機研制立項的綜合論證。二是方案階段，主要根據批準的發動機主要作戰使用性能，制定發動機設計方案，提出完整、可行的戰術技術指標和科研、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/子系統和零組件的詳細設計，驗證發動機整機、部件/子系統和零組件能否達到指標的要求，驗證制造工藝能否保障發動機的生產。四是設計定型階段，主要完成發動機的戰術技術指標和作戰使用性能的試驗考核，確認其是否達到研制總要求的規定。五是生產定型階段，主要是完善生產條件建設并進行小批量試生產，組織部隊試用，對裝備的質量穩定性和批量生產條件進行全面考核。

開展可行性分析工作。可行性分析工作主要目的是識別利益攸關者需求并將其轉化為各層級研發對象需求。該過程主要在論證階段和方案階段開展，在后續各階段主要涉及局部需求的變更和調整。

根據研制階段確定研發活動。根據GJB 8113-2013，技術流程的可行性分析、方案設計、技術設計、詳細設計、生產與裝配、試驗與驗證是在各階段循環應用，如圖4 所示。型號團隊應根據各階段工作要求確定該研制階段涉及的技術流程。

圖4 技術流程在發動機全壽命周期內循環應用示意

根據需求確定技術活動。型號團隊需根據研發對象的需求來對其設計、設計驗證和實物驗證活動進行裁剪，排除或新增相應的技術活動。理論上，對于每項需求均應有相應的設計活動、設計驗證活動和實物驗證活動體現在技術流程中。對于設計活動，某一個需求可能會在一個或多個設計活動中被考慮到，某一個設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，還包括在設計過程中對設計結果是否滿足需求進行驗證的理論分析、計算校核/仿真分析、虛擬裝配等設計驗證活動。

根據其他要求確定技術活動。由于項目復雜程度不同，利益攸關者和組織對各項目不同階段的要求不是一成不變的，應根據其具體的要求對技術活動進行裁剪。

接口協調。為了避免裁剪后的技術流程中涉及不同專業之間的接口關系不匹配的問題，對于專業間的接口應進行詳細的梳理，相關專業應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：裁剪后的技術流程中的技術活動是否包括了該研發對象研發所需的所有專業的技術活動；裁剪后的技術流程中的技術活動的輸入、輸出關系是否銜接一致；試驗驗證活動是否對需求進行了實物驗證，是否包含了國軍標等相應標準要求的各類試驗、試飛等；技術過程輸出的交付物是否滿足該階段工作要求。

權衡評估。根據上述裁剪結果估算項目的研發周期、費用，將估算的研發周期和費用與項目要求進行對比分析，如必要可對技術流程進行進一步的裁剪，但應做好風險的評價和應對策略。

評審。型號團隊應組織專家對研發技術流程的裁剪結果進行評審，給出評審結論，明確該型號研發應遵循的技術流程。評審團隊應重點關注需求及其確定的技術活動是否完整，活動間的接口是否協調，裁剪后的技術流程是否滿足項目研發周期、費用等要求。

四、結束語

經過近5 年的不斷建設和應用，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流程建設，并在多個型號研制中發揮了重要作用。這些流程不僅能夠加強研制過程中研制需求、設計活動和驗證活動的完整性，而且能提高產品研制質量，有助于流程建設人員系統分析執行各技術活動的能力現狀，查找能力缺失和不足，加快能力建設的步伐。