基于系统工程的航空发动机研发技术过程及裁剪方法研究

韩秋冰 张德志 中国航发沈阳发动机研究所

航空发动机研发是一项复杂的系统工程，我国航空发动机研发经历了引进仿制和修理、部分自主设计和拥有自主知识产权等阶段，实现了重大跨越。但由于缺乏科学合理的正向研发技术流程，在产品研制中仍存在需求内容、设计活动和验证活动不完整，需求符合性不清晰等问题。本文基于系统工程理论研究了航空发动机正向设计技术流程及其适应于武器装备研制的裁剪方法。

一、系统工程技术过程

国内外对系统工程技术过程的定义略有差异：《武器装备研制系统工程通用要求》（GJB 8113-2013）

中将产品的研发技术流程划分为需求分析、技术要求分析、体系结构设计、单元实施、产品集成、验证、移交和确认8 个部分；美国国家航空航天局（NASA）《系统工程手册》中将技术流程分为系统设计流程和产品实现流程，系统设计流程包括利益攸关者期望开发、技术需求开发、逻辑分解、设计方案开发，产品实现流程包括产品方案实施、产品集成、产品验证、产品确认和产品交付。国际系统工程协会（INCOSE）的划分方式与以上两种不同，且仍在不断优化完善。

尽管各国对系统工程技术过程的定义不同，但均遵循了“V”模型，即从需求出发，基于需求逐层进行功能逻辑分解，并转化为不同层级研发对象的设计方案，一直分解到可制造、可购买或可重用的底层产品，随后自底向上地集成产品、验证和确认产品，最终交付满足不同层级需求和客户需求的产品。

二、基于系统工程的航空发动机正向研发技术流程

航空发动机产品分解结构主要包含整机、部件/子系统和零组件。根据系统工程理论，发动机研发过程就是根据其产品分解结构从整机到部件/子系统再到零组件的自上而下的设计过程，由零组件到部件/子系统再到整机的自下而上的集成验证过程。在航空发动机技术流程建设时，考虑到其行业习惯和特点，将GJB 8113-2013 中的8 个技术流程整合划分为可行性分析、方案设计、技术设计、详细设计、生产与装配、试验与验证6 个过程，整机、部件/子系统和零组件需按这6 个过程的定义开展相应子流程的梳理，梳理过程中应建立各层级研发对象的通用需求清单，确保需求项的完整，根据通用需求清单详细分析针对各需求开展的设计、分析、仿真和试验验证活动并纳入技术流程。

可行性分析分为需求分析和技术要求分析，主要步骤包括获取上层提出的需求（对于整机建议通过场景分析识别潜在利益攸关者需求），并保证其完整性，然后分析所有需求，对于不可实现的需求向上反馈，最终双方就需求达成一致意见，然后制定需求验证矩阵。通过需求分析，利用已有的工程经验或数据库，初步分析需求的可行性，并结合分析结果进行工作策划。

方案设计是体系结构设计的一部分，根据可行性分析的结果开展研发对象方案设计，经过必要的多方案设计，权衡择优，确定设计方案。方案设计过程中通常需要识别出研发对象的主要组成单元并定义这些组成单元的主要特征，其他组成单元和其他定义工作在开展技术设计时完成。主要工作内容包括多方案设计、选定最佳方案，选定的方案能够针对用户的关注点并满足相应的需求。方案设计的交付物包括对研发对象的描述（建立模型，从功能、性能、接口、非功能需求等不同的视角对研发对象进行描述）、初步的接口定义（包括研发对象各组成单元之间、组成单元与研发对象外部的逻辑接口和物理接口）、各研发对象组成单元的初步技术指标、方案设计说明文件。

技术设计借助选定的方案进一步分解、分配技术要求，同时派生出新的技术要求，最后确定承接所有技术要求的研发对象组成单元，明确研发对象的内部及外部接口要求，形成最终方案，并向各组成单元提出设计要求。技术设计的含义是产生全部的描述研发对象本身和其组成的数据和信息。技术设计的交付物包括对技术设计的描述（如对研发对象全部组成单元的识别和定义、对组成单元的特征进行描述），接口定义，各组成单元的技术指标，需求的分配记录文件，对后续详细设计、生产与装配、试验与验证等工作的规划，技术设计说明文件（对设计结果选取或组成单元选取的说明）。

详细设计应准确地反映研发对象的设计结果，并能够指导后续的生产、装配、试验等。详细设计的定义是为能够制造满足需求且符合技术设计结果的研发对象而需完成的工作。详细设计的交付物包括对使能系统的需求、详细的图纸和技术条件、操作指导书和维修手册、更新后的方案设计/技术设计文件。

生产与装配过程依据详细设计输出的图纸文件完成研发对象的生产，经过产品检验后对研发对象进行组装。

试验与验证过程对分配到该研发对象的需求进行相关试验，并根据试验结果进行设计评估，最后交付内外部客户供其检验或确认。

系统工程“双V”模型（见图1）描述了航空发动机整机、部件/子系统和零组件各层间理论的串行研发过程。在型号研制中，考虑到航空发动机产品的特殊性（技术难度大、研制周期长等）和专业分工，设计工作很少按照串行模式开展，而是局部采用了必要的并行方式，如整机在完成部分方案设计后将需求传递给部件/子系统，部件/子系统随即能够具备初步的条件并开展其设计工作。这样并行的好处是通过设计过程中整机、部件/子系统的不断协调迭代弥补了专业分工不同产生的局限性，有利于快速、准确地确定技术方案。但并行研发模式在某些情况也会带来工作反复、周期延长的问题，例如，整机在方案设计时由于开展的设计工作有限，仅能将部分需求传递给部件/子系统，部件/子系统随即开展设计工作，而整机在进行技术设计过程可能会发现前期传递给部件/子系统的指标有些并不合适或新增一些指标，无论是指标的调整还是新增指标，都存在导致部件/子系统方案推倒重来的风险。

图1 航空发动机研发过程示意图

三、航空发动机研发技术流程的裁剪

航空发动机研发技术流程反映了其技术演进过程，不因阶段划分方法的不同而改变。一般情况下，武器装备各研制阶段中会涉及多个技术流程的工作内容。例如，在方案阶段开展技术验证机的演示验证需要经过可行性分析、方案设计、技术设计、详细设计、生产与装配、试验与验证的过程，在工程研制阶段的工程验证机和原型机演示验证同样分别需要完成这6个过程的工作，区别在于技术验证机、工程验证机、原型机研发的需求及其设计、验证活动不完全相同，在具体型号和项目研发时是需要对 “大而全”的技术流程进行裁剪使用，裁剪时应按照各研制阶段输入、输出和转段标准要求，形成航空发动机不同研制阶段的技术流程。技术流程裁剪流程如图2 所示。

图2 技术流程裁剪流程图

确定研制阶段。不同研制阶段均需对技术流程进行裁剪，首先根据研制工作总体安排确定该型号所属的研制阶段。国内一般将武器装备全寿命周期划分为论证阶段、方案阶段、工程研制阶段、设计定型阶段、生产定型阶段、批量生产阶段和使用保障阶段，如图3 所示，并定义了各个阶段的工作目标和工作内容，通过技术验证机、工程验证机、原型机等的设计、制造、演示、试验，不断提升武器装备系统研发的技术成熟度，逐步演进出最终满足用户需求的系统，其主要目的是分段控制项目在技术、费用和周期等方面的风险。装备研发工作主要集中在前5 个阶段。

图3 航空发动机全寿命周期研制阶段划分

一是论证阶段，主要开展军事需求和研制必要性分析，综合分析技术能力和研制生产条件，开展作战使用和全寿命周期费用研究，开展多方案和发动机研制立项的综合论证。二是方案阶段，主要根据批准的发动机主要作战使用性能，制定发动机设计方案，提出完整、可行的战术技术指标和科研、定型等大型试验方案，完成研制总要求的综合论证。三是工程研制阶段，主要完成整机、部件/子系统和零组件的详细设计，验证发动机整机、部件/子系统和零组件能否达到指标的要求，验证制造工艺能否保障发动机的生产。四是设计定型阶段，主要完成发动机的战术技术指标和作战使用性能的试验考核，确认其是否达到研制总要求的规定。五是生产定型阶段，主要是完善生产条件建设并进行小批量试生产，组织部队试用，对装备的质量稳定性和批量生产条件进行全面考核。

开展可行性分析工作。可行性分析工作主要目的是识别利益攸关者需求并将其转化为各层级研发对象需求。该过程主要在论证阶段和方案阶段开展，在后续各阶段主要涉及局部需求的变更和调整。

根据研制阶段确定研发活动。根据GJB 8113-2013，技术流程的可行性分析、方案设计、技术设计、详细设计、生产与装配、试验与验证是在各阶段循环应用，如图4 所示。型号团队应根据各阶段工作要求确定该研制阶段涉及的技术流程。

图4 技术流程在发动机全寿命周期内循环应用示意

根据需求确定技术活动。型号团队需根据研发对象的需求来对其设计、设计验证和实物验证活动进行裁剪，排除或新增相应的技术活动。理论上，对于每项需求均应有相应的设计活动、设计验证活动和实物验证活动体现在技术流程中。对于设计活动，某一个需求可能会在一个或多个设计活动中被考虑到，某一个设计活动中也可能会考虑到多项需求；对于验证活动也是如此，某一个需求可能会在一个或多个验证活动中被验证到，某一个验证活动中也可能会验证多项需求。需要强调的是验证活动不仅是对实物进行验证的检测/检验、装配活动、试验活动和检测活动等实物验证活动，还包括在设计过程中对设计结果是否满足需求进行验证的理论分析、计算校核/仿真分析、虚拟装配等设计验证活动。

根据其他要求确定技术活动。由于项目复杂程度不同，利益攸关者和组织对各项目不同阶段的要求不是一成不变的，应根据其具体的要求对技术活动进行裁剪。

接口协调。为了避免裁剪后的技术流程中涉及不同专业之间的接口关系不匹配的问题，对于专业间的接口应进行详细的梳理，相关专业应对提出的接口信息进行确认，最终形成一致意见。

完整性检查。完整性检查工作从以下几方面开展：裁剪后的技术流程中的技术活动是否包括了该研发对象研发所需的所有专业的技术活动；裁剪后的技术流程中的技术活动的输入、输出关系是否衔接一致；试验验证活动是否对需求进行了实物验证，是否包含了国军标等相应标准要求的各类试验、试飞等；技术过程输出的交付物是否满足该阶段工作要求。

权衡评估。根据上述裁剪结果估算项目的研发周期、费用，将估算的研发周期和费用与项目要求进行对比分析，如必要可对技术流程进行进一步的裁剪，但应做好风险的评价和应对策略。

评审。型号团队应组织专家对研发技术流程的裁剪结果进行评审，给出评审结论，明确该型号研发应遵循的技术流程。评审团队应重点关注需求及其确定的技术活动是否完整，活动间的接口是否协调，裁剪后的技术流程是否满足项目研发周期、费用等要求。

四、结束语

经过近5 年的不断建设和应用，研究所已完成了整机、进气机匣、压气机、中介机匣、燃烧室、涡轮、喷管和典型零组件等技术流程建设，并在多个型号研制中发挥了重要作用。这些流程不仅能够加强研制过程中研制需求、设计活动和验证活动的完整性，而且能提高产品研制质量，有助于流程建设人员系统分析执行各技术活动的能力现状，查找能力缺失和不足，加快能力建设的步伐。