基于系统工程方法的直升机燃油系统需求分析

刘 欢

（中国直升机设计研究所，江西景德镇333000）

0 引言

系统工程是一门专注于整体（系统）的学科，是一种自上而下的综合、开发和运行真实系统的迭代过程，以接近最优的方式满足系统的全部需求。在开发周期的早期阶段，就定义客户需求与所要求的功能，在考虑运行、成本、进度、性能、培训、保障、试验、制造和退役问题时，进行设计综合和系统确认。系统工程以提供满足用户需求的高质量产品为目的，同时考虑了所有用户的业务和技术需求［1］。目前，国内外各领域特别是以德国“工业4.0”、美国“工业互联网”和“中国制造2025”为代表，大力推行智能制造政策。通过利益攸关者识别、需求捕获与运行概念设计、系统需求分析、功能架构设计、逻辑分析和系统物理综合集成、分系统集成试验、系统交联试验、全系统模拟与验证等研发途径［2］，实现产品研制。特别是以基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering，MBSE）为代表的新技术和新方法为航天航空领域系统工程带来了巨大的变革，促使航天航空领域系统工程快速且持续演进［3］。燃油系统主要是存储直升机所规定的燃油量，保证直升机在地面和飞行条件下向动力装置可靠有效的供油。在以直升机燃油系统研制为代表的复杂产品研制中，系统工程可有效解决系统的论证、设计、生产和使用的决策和优化问题，是用于系统设计、实现、技术管理、运行使用和退役的专业学科方法论，可以引导系统架构的开发、需求的定义和分配、设计方案的评价和权衡，系统间技术风险权衡、系统接口的定义和评估、验证和确认。

1 燃油系统需求和功能分析

1.1 系统的生命周期

直升机研制是典型的巨型复杂系统，周期较长，每个直升机产品的生命周期都包含很多元素，主要分为开发、生产、使用、退役四个阶段。每个阶段都有不同的目的和相关活动，都存在着关键事件的决策点、里程碑，通过决策评估，控制风险。一般生命周期包含概念阶段、开发阶段、生产阶段、使用保障阶段、退役阶段。系统工程的可视化表达有多种经典模型［4］：椭圆模型、瀑布模型、V模型、螺旋模型。V模型主要侧重需求分析与用户需求反复迭代和演化的过程，直升机燃油系统的研制采用V模型进行研发，可以保证成附件、子系统、整个燃油系统始终满足整机要求，在论证和设计阶段具有指导意义。V模型如图1所示表示了从全机需求分解为燃油系统需求，确定燃油系统架构及设计，对燃油系统进行功能分解，提出燃油系统设计方案，通过生产及制造，进行燃油系统集成验证和确认，明确燃油系统逻辑关系，确保系统自洽性，再进行整机集成验证及确认，通过验证解决问题，交付客户使用，清晰表达了燃油系统研制的演进过程，如图1所示。

1.2 系统需求分析

图1 系统研制演进过程

需求分析包含了多个复杂内容，它需要系统工程师对系统需求进行反复的定义、存档以及更替，直到对需求确认。研究认为，需求工程仅仅包括两个部分：需求开发和需求管理。而需求开发则包含：需求获取、需求分析、编写软件规格说明书SRS和需求验证四个阶段。需求管理包含：需求确认、需求变更、需求评审和需求跟踪［5］。直升机研制需求主要是把利益相关者的期望全部转换成对经认定的技术需求，以来自用户和利益相关者的关于直升机意见一致的顶层需求和期望为依据，先进行顶层需求捕获，明确独立的能力及外部交互关系，依据场景进行功能逻辑的分解，通过需求分析确定全机物理架构设计及需求分配，将全机级需求进行性能指标研讨及确认，性能需求需满足效能需求，技术指标需满足性能需求，需求分配与架构设计，反复迭代权衡，当全机级需求基线确认后，将分配至燃油系统的系统需求进行需求分析及建模，将验证过的需求结果录入数据库以便于需求管理。如图2、图3基于模型的直升机燃油系统需求分解流程所示，将燃油系统需求分析以全机需求基线分配结果为基础，进一步优化迭代，再进行燃油系统子系统、子系统成附件需求分析与分配。

图2 燃油系统层次分解流程（仅以供油系统为例）

图3 燃油系统需求分解流程

燃油系统需求的完备集，包括功能需求、性能需求和接口需求，这些需求依照产品分解结构分配到设计单元中，此外可靠性需求、安全性需求等，同样影响设计选择。燃油系统功能需求主要针对燃油系统全寿命周期所有预期的应用需要指定的功能需求。主要包含供油能力需求和储存燃油能力需求，并且要具备燃油系统各项参数指示管理能力需求。燃油系统性能需求主要通过量化定义燃油系统需要在直升机飞行期间执行功能的程度。燃油系统的接口需求主要包括机械接口需求和电气接口需求，机械接口需求是指燃油系统与机体结构的连接关系，电气接口需求主要包括燃油开关需求、燃油量、燃油压力等参数显示需求、告警需求、供电需求等。燃油系统的功能需求和性能需求分配到各个子系统，采用输入、输出和接口需求形式，自顶向下辨识和描述每项功能，系统任何指定的运用能够通过全系统路径追踪，反映系统必须实现的所有功能的顺序关系。

燃油系统的主要功能需求是存储直升机所规定的燃油量，保证直升机在地面和飞行条件下向动力装置可靠有效的供油。燃油系统主要由供油子系统、油箱子系统、通气系统、燃油测量管理子系统等组成，实现燃油系统功能。图4分析了典型燃油系统的主要系统需求，依据利益相关者的要求，进行需求分析。

1.3 系统功能分析

功能分析是用于系统架构开发和功能需求分解的主要方法，燃油系统架构定义了层级结构及关联关系，燃油系统一旦建立了顶层的功能需求和约束，就可以规划概念上的燃油系统架构。燃油系统架构注重整个结构和各子系统之间的配合，确保有效的工作，以满足整机需求。通过迭代和递归的过程，将燃油系统必要的层级完成分析、定义和设定控制基线，随着持续的递归过程直到燃油系统被完整地定义，所有的需求都被理解，且认为是可行的，可验证的和内在一致的。如图5所示，系统工程具备递归特性，燃油系统递归过程对各层级每个产品持续进行，直到架构最底层，经系统寿命周期后完成细化，形成燃油系统概念设计。通过个层级明确计划及实现产品的方法，确保阶段产品和目标产品的概念设计满足利益相关者期望。

图4 全机分配燃油系统需求分析

图5 燃油系统层次划分

2 结语

本文通过系统工程研究方法，结合直升机研制流程，分析燃油系统研制演进流程，提出了直升机燃油系统需求分解方法。研究直升机燃油系统功能需求、性能需求及接口需求的关系，依据功能分析方法，分析了燃油系统层级架构，有利于积累国内直升机设计人员大型项目设计经验，提高工程技术管理能力。应进一步开展燃油系统需求建模和仿真工作，建立燃油系统典型场景的功能逻辑模型，进行燃油系统功能逻辑自洽性仿真，更好地指导燃油系统设计工作。