基于模块化思想的航空装备保障设备功能型谱标准研究

曾照洋 刘敏航 林聪

摘 要：为了研究如何将MOSA（模块化开放系统方法）应用于航空装备保障设备的设计研制工作中，本文分析了MOSA的发展历程以及MIL-STD-864如何将模块化设计方法应用于保障设备设计研制领域，阐明了美军保障设备模块化设计方法对我军保障设备发展的启示。以此为基础，进一步开展我军航空装备保障设备功能型谱发展建议研究，先后提出了保障设备模块化设计方法以及模块化保障设备功能型谱设计方法，明确了标准化对于保障设备模块化设计的意义，提出了航空装备保障设备功能型谱。为推进保障设备模块化设计思路在我军的应用提供了引导和支撑。

关键词：保障设备，航空装备，MOSA，功能型谱

DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.05.016

0 引 言

航空装备保障设备是指用于航空装备维修、维护的各类装置、仪器、设备和工具的统称。一直以来，保障设备的研制基本是“以型號为中心”，能够满足单一型号训练及作战使用需求。但是，随着近年来多型号联合保障等需求的提出，航空装备面临的转场保障规模大的问题日益突出[1]。现行保障设备建设方式所带来的通用化程度低、系列化规模弱、组合化能力差等缺点，越来越难以适应航空装备快速、灵活、机动部署能力要求，保障设备“尾大不掉”已成为制约航空装备战斗力生成的重要因素[2]，急需开展保障设备功能型谱研究，为支撑保障设备研制单位的选型设计、组合使用提供参考和依据。

通过对国内航空装备保障设备配置情况的调研分析可以发现，当前在保障设备建设方面主要存在以下问题：

（1）保障设备专用性强，难以实现不同航空装备型号之间的通用互换[3-4]；

（2）保障设备功能单一，导致转场携行保障规模大，严重影响保障效率[5-6]；

（3）保障设备缺少顶层标准约束与统一的管理机制[7-8]，新的保障设备研制时缺少规划、发展混乱。

造成上述问题的主要原因主要包括以下三个方面：

（1）早期保障设备的设计参考了苏、美等不同国家的经验，设计思路差异较大。

保障设备是服务于主装备的，我国早期的航空装备几乎都以仿制苏、美为主，因此，保障设备也几乎照搬了相关型号的配置。但苏、美体制在保障设备接口形式、尺寸等方面存在天然的差异，从而影响了我国保障设备的通用性。

（2）保证设备品类多、与主装备耦合关系强，未考虑综合集成需求。

长期以来，保障设备一直被视为主装备的“附属品”，研制单位主要按照品类来设计保障设备，从而确保能够依据以往经验为装备提供完整的保障设备。但是，却忽视了保障设备综合集成对提升保障效率、压缩保障规模、增加装备可用性所带来的益处。

（3）保障设备标准化对象以具体设备为主，缺乏标准体系约束，导致标准无序发展。

本文梳理了保障（装）设备行业级别以上标准300余项，其中包含了100余项为图纸类标准，图纸类标准往往由零组件设计图纸转化而来，难以在行业中全面推广，降低了标准的可参考性。长此以往，会使保障设备标准体系变得越来越庞大、杂乱，不利于综合化、集成化保障设备的发展。标准化工作应从顶层出发[9]，在兼顾各类法规细则、现行国家和行业标准的同时推陈出新，建立适用的产品标准，切实发挥标准化的引领和支撑作用[10-12]。

综上所述，基于当前我军航空装备保障设备“不统一、难通用、重复建设”等情况，本文将对美军装备模块化设计的思想、现状及标准应用开展分析，结合我军航空装备保障设备实际使用需求，提出融入模块化思想的航空装备保障设备功能型谱发展建议，规划保障设备模块分级分类，为我军航空装备保障设备发展提供思路及参考。

1 美军模块化设计理念发展及装备保障设备模块化标准研究

1.1 美军推行模块化设计理念

模块化开放系统方法（Modular Open SystemApproach， MOSA）是模块化设计方法的核心内容，也是美军近年来在国防采办改革着重推行的装备设计理念，其基本思想是：通过对装备进行模块化设计、定义关键接口、采购通用化设备等手段，来提高装备的“通用化、系列化、组合化”水平，压缩产品种类数量，达到“一型多用、组合使用”的目的。

自MOSA被提出以来，美国各军兵种、研究机构以及供应商近20年来都聚焦不同的领域（如硬件、网络、数据、软件、系统等）开展了MOSA实践研究。基于上述美军MOSA应用实践取得的成果及其给装备集成带来的优势，美国国会于2017年通过的年度国防授权法案（NDAA，编号：P.L. 114-328 2017）中规定：“自2019年1月1日起，所有到达里程碑A和里程碑B的主要国防采办项目必须最大程度上采用模块化开放系统方法（MOSA）进行设计与开发，以便促进供应商竞争、技术创新和互操作性水平。”由此可见，模块化设计理念已成为美军未来装备研制主要发展方向。

1.2 美军保障设备模块化标准概况

模块化的设计思想被提出后，被应用于美军装备研制中，为推进模块化设计理念在装备保障设备全寿命周期中的应用，美军发布了军用标准MILSTD-864《保障设备功能分类》，从功能视角对保障设备类别进行划分，明确了保障设备功能分类及各类保障设备应满足的功能性能指标。

美军标准中将航空装备保障设备定义为：使系统或子系统在其预定环境中运行或保持其运行所需的所有设备。包括：飞机拖杆、工具、测试设备、自动测试设备、地面动力车、弹药装载机和拖车，此外也包括了飞机野战级和基地级维修所涉及的保障设备。对于上述保障设备，美军根据功能将其划分为17个大类83个小类，主要分类信息如表1所示。

1.3 美军保障设备模块化设计方法分析

美军的保障设备功能分类一般分为对象和功能两部分，如测量、测试和校准类设备的对象是飞机相关的物理量，包括：电气类参数、机械类参数等，功能则是测量、测试；发动机和导弹系统的检查和测试设备的对象是发动机和导弹系统，功能是检查和测试。

可以看出美軍在对保障设备功能分类时采用了先拆分后合并的方式，将用于不同对象、不同功能的保障设备进行种类划分，而后又将具备通用性的保障设备功能进行归类，最大程度减少了保障设备种类，将专用保障设备功能、通用保障设备功能整合形成了覆盖范围全面的保障设备功能分类清单。

此外，明确各类保障设备应具备的特征参数也是美军在该标准中提出的值得参考的保障设备型谱模块化功能型谱设计思路。在MIL-STD-864标准中，对大部分保障设备功能模块都提出了输入输出特征参数要求，明确了该模块应具备的能力，为确定各个功能模块的使用对象和范围提供参考。

1.4 对我军保障设备发展建设的启示

通过对MIL-STD-864所提出的保障设备功能分类的研究，对形成适用于我国的航空装备保障设备模块化设计体系、构建航空装备保障设备功能型谱提供了一定启示，具体如下。

（1）现阶段我国缺少保障设备模块化设计相关标准

从MIL-STD-864标准的颁布可以看出，美军对保障设备的设计及发展提出了要求及规划，一定程度上规范了保障设备功能模块的职能，为保障设备的研制提供参考。近年来，虽然模块化设计思路经常在我国保障设备设计研制过程中被提及，但由于缺少相关顶层标准的指导，模块化设计思路一直难以落实到生产中，保障设备模块化顶层标准的制定能够明确保障设备模块的划分方法，规范保障设备模块间接口的连接技术条件，进一步形成各功能模块的设计规范能够约束保障设备发展，实现不同保障设备功能模块的组合使用。

（2）我军保障设备功能模块划分不应照搬国外成果

我军与美军对保障设备的定义不同，通过对MIL-STD-864标准分析可知，美军将随机配置的保障设备、机场提供的保障设备及场站设施甚至弹药等物资统称保障设备并进行了功能模块划分。但其中场站照明设备、救火救援设备、炸弹导弹等设备或物资无法进行模块化设计，难以通过与其他保障设备功能模块相组合的方式形成新的保障能力。因此，我军保障设备功能模块划分应以“减少保障规模、提高保障效率”为牵引，形成真正适用于我军的保障功能型谱。

2 我国航空装备保障设备功能型谱发展建议研究

2.1 保障设备模块化设计方法

在联合作战背景下，我国航空装备保障人员投入数量是同等装备规模下美军的数倍，严重影响了作战效能的生成，其主要原因就是保障设备“散、乱、杂、碎”对人员需求数量大。军方用户高度关注此问题，随着自动化、信息化技术的发展，军方已经开始提出一些集成化保障设备需求，如能够同时提供供电、发动机地面起动及油液加注的综合保障车[13]，因此需要开展航空装备保障设备功能型谱研究。

保障设备模块化设计是以功能模块为最终成果，将保障设备内部各系统功能进行拆解，形成能够在不同保障设备间通用或专用的功能模块，达到拆解后将不同功能模块进行组合，形成全新保障能力，服务不同航空装备，从而实现减少保障设备数量的目的。借鉴美军保障设备功能模块化设计思路，模块化设计应分为功能拆解、模块组合两个步骤，如图1所示。

本文中保障设备模块化设计方法的提出是通过对国外航空装备保障设备模块化设计理论、MOSA基本思想的深入分析，结合我国实际使用需求提出的，基于设备功能分解的保障设备设计方法，模块化设计过程中应注重以下内容：

（1）模块化设计的功能拆解过程应尽可能形成可重复利用的通用化模块，利于功能模块数量的缩减；

（2）功能相同的通用模块及专用模块应设置通用接口，用于实现模块间的组合互换；

（3）通用模块的设计应根据性能需求进行规划，避免重复设计大量性能相近的同功能通用模块；

（4）形成新型号保障设备时应尽量选取现存通用模块，减少功能模块的衍生。

模块化设计过程共包含了功能拆解和模块组合两个过程，而这两个过程的核心是通用模块的重复使用，通过配合不同通用模块和少量专用模块形成不同保障能力[14]。通用模块的拆解和设计应符合以下条件：

（1）通用性

通用模块应能够尽可能适用于多种保障设备的研制需要，具备互换性，能被广泛的重复使用和共同使用。

（2）功能共性

通用模块需具备完成具体任务的功能，由该功能拆解形成的通用模块应至少能应用于两型以上保障设备，此外该功能应不依赖于保障设备整体中其他功能模块的性能要求。

（3）结构独立性

通用模块需具有独立的结构，用以满足在不同保障设备间的互换以及独立设计、生产、采购需求，便于重复使用和共同使用。

（4）可组装性

通用模块不但具有结构独立性，而且具有通用的或者标准的电气、机械和数据接口，便于和其他模块组合、联通，形成不同功能的保障设备。

2.2 保障接口标准化

保障接口是保障设备与航空装备机载系统相连接部分，用于向机载系统填加保障资源或传递电气、数据信号，根据传递介质的不同一般可分为：机械类接口、电气类接口和数据类接口。保障设备模块化设计的目的是缩减保障设备规模，提高保障工作效率，而保障接口的标准化设计是实现保障设备模块化的重要途径之一[15]。

在缺少顶层规范及设计标准约束的情况下，保障接口的无序发展导致了保障设备的通用化程度差。以充氮设备为例，不同航空装备所配置的充氮接口尺寸差异大，导致保障工作需要配置多型充氮设备保证使用需求，当使用模块化设计方法对充氮设备进行重新设计时，可以通过规范充氮接口的结构、尺寸，形成具有统一接口的充氮模块，在性能系列化设计的基础上可以缩减性能相近的设备数量并实现充氮模块与其他功能模块的组合使用。

因此，保障接口的标准化设计是实现保障设备模块化设计，缩减保障设备规模的重要手段。根据保障接口传递介质的差异，保障接口的标准化工作应根据接口种类不同对其涉及的关键技术指标进行规范，机械类接口、电气类接口和数据类接口一般涉及的关键技术指标如下：

（1）机械类接口：结构尺寸、流量、压力、操作空间、强度等；

（2）电气类接口：电压、接触电阻、介质耐电压、绝缘电阻等；

（3）数据类接口：连接器型式、针脚分布、针脚功能定义等。

2.3 模块化保障设备功能型谱设计方法

保障设备型谱设计是用于规范保障设备发展的方法手段，融入模块化设计思路后，保障设备型谱设计应分为以下三个步骤，如图2所示。

（1）功能拆解

功能拆解是以航空装备保障能力需求为牵引，对保障设备功能进行类别划分，结合我国实际使用情况功能拆解如下：油液加注、油液排放、气体填充、机械供能、环控供给、飞机供电、任务支援、机载设备功能测试。

（2）功能细分

功能细分是以功能拆解的成果为基础，结合保障工作内容，进一步细化，用于保障设备的功能模块分类。

（3）特征参数规划

特征参数是在完成功能模块划分的基础上，结合实际使用需求对各功能模块性能指标提出的参数规划。以充氮模块为例，不同航空装备对充氮模块性能需求存在差异，但常见的轮胎充氮压力需求和机载系统充氮压力需求差异巨大，导致接口的尺寸需求无法统一，因此，结合保障需求规划特征参数才能在覆盖保障能力的前提下最大程度减少保障设备功能模块数量。

2.4 航空装备保障设备功能型谱建议

本文基于对保障设备模块化方法的研究及航空装备保障设备使用需求，对保障设备功能模块进行了分级分类，根据保障设备所提供的保障功能，将保障设备分为了机械类、电气类、数据类；进行功能拆解，形成8类主要功能，并进一步细化梳理归纳为22个功能模块，提出航空装备保障设备功能型谱。

该型谱是借鉴美军标准对保障设备功能模块划分的思路并结合我国实际情况提出的，对比美军对保障设备功能模块的划分，该架构采用了面向综合功能的分类方式，对MIL-STD-864提出的测量、测试和校准设备进行了剪裁，这种分级分类方式所形成的保障设备功能模块能够独立完成至少一项保障工作，更贴合航空装备实际保障工作的需求。同时由于职责划分的差异，本文提出的保障设备功能型谱不包含场站设施及武器，因此MILSTD-86 4中提出的照明设备、人员和物品保护设备、飞机设备和固体物料的搬运、移动、停止、推进和降落设备、救火、救援、生存设备、培训与模拟设备、破坏和毁灭设备（包括战斗武器和弹药）也未纳入本文的架构中。最终，本文将MIL-STD-864中剩余的保障设备功能模块进行整理、合并，形成了图3的保障设备功能型谱。

3 结论与建议

本文以我国航空装备保障设备研制、使用现状出发，深入分析了现存问题及原因，借鉴美军提出的MOSA模块化设计方法，分析了美军航空装备保障设备功能型谱的模塊化设计实例，并结合我国实际使用需求，提出了适用于我国航空装备的保障设备功能模块分级分类架构。

标准化工作作为装备工作的重要组成部分，贯穿装备建设始终，构建标准体系，开展标准建设，是支撑装备研制和贯彻标准的基础性、规划性工作[16]。前文所述以技术实现为主，但想要彻底解决航空装备保障设备无序发展的问题、减少保障设备规模、提高保障工作效率，急需开展保障设备研制通用规范、保障设备专用设计标准的制修订工作，并通过顶层法律法规的约束[17-18]，开展标准符合性验证工作用以保证规范及标准的落实，具体应分为以下几步骤开展实际工作：

（1）制定顶层标准与管理规范

通过制定保障设备顶层标准与管理规范，对保障设备的论证、设计、研制进行约束。通过提出保障设备模块化设计要求等顶层标准，将模块化思想融入实际的设计中，并建议相关的管理规范及制度，对保障设备设计研制流程进行严格要求，减少保障设备研制过程中有标不依的问题。

（2）完善保障设备标准体系

以保障设备功能型谱为基础，进一步对各类保障设备功能模块开展研究，以航空装备需求为牵引，初步形成各保障设备功能模块主要技术指标系列化参数，形成保障设备设计标准及规范，并持续更新，为保障设备的设计提供依据。

（3）强化保障设备验收关

根据使用需求及前期制定的设计标准，在保障设备论证、设计、制造、验收各阶段开展标准符合性验证工作。此外，结合模块化设计思路，同步开展保障设备互换性、扩展性的验证，对保障设备间相互连接配合使用的能力提出要求，将模块化设计贯彻到保障设备研制过程中，提高保障效率，缩减保障规模。

综上所述，保障设备模块化设计方法能够有效减少保障设备数量、提高保障工作效率，但方法的落地实施仍需从管理、研究各方面努力。

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作者简介

曾照洋，硕士，研究员，研究方向为装备综合保障、智能保障技术、标准化技术。

刘敏航，硕士，通信作者，工程师，研究方向为航空装备保障设备标准化。

林聪，博士，高级工程师，研究方向为体系可用性、装备通用质量特性。

（责任编辑：张瑞洋）