薛洪科， 常鴻雯， 劉旭峰

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽(yáng) 110015）

0 引言

對(duì)于較復(fù)雜的產(chǎn)品/系統(tǒng)，通常采用系統(tǒng)工程的方法，把用戶的要求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品/系統(tǒng)的需求，并且產(chǎn)品/系統(tǒng)的最終功能滿足這些需求。在產(chǎn)品/系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)行使用場(chǎng)景分析是一種常用的設(shè)計(jì)手段，射流預(yù)冷水系統(tǒng)使用工況相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)引入場(chǎng)景建模及分析，可獲得到較完備的射流預(yù)冷水系統(tǒng)功能，從而指導(dǎo)開(kāi)展射流預(yù)冷水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，該文主要闡述了場(chǎng)景分析在射流預(yù)冷水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 項(xiàng)目

隨著未來(lái)軍事發(fā)展的需求，高超聲速飛行技術(shù)作為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域，其動(dòng)力技術(shù)是難點(diǎn)之一。普通的渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)，隨著飛行馬赫數(shù)的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口氣流總溫增加，使發(fā)動(dòng)機(jī)逐漸臨近工作極限包線邊界，大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍。射流預(yù)冷技術(shù)是擴(kuò)展發(fā)動(dòng)機(jī)使用包線的重要技術(shù)手段[1]。射流預(yù)冷發(fā)動(dòng)機(jī)是以常規(guī)的航空渦噴或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口前加裝射流預(yù)冷裝置，利用射流預(yù)冷裝置向進(jìn)氣道內(nèi)噴射預(yù)冷介質(zhì)，通過(guò)預(yù)冷介質(zhì)的蒸發(fā)吸熱來(lái)冷卻進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣，改善發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣條件，使渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)在更高的高度和更大的馬赫數(shù)下工作，從而滿足發(fā)動(dòng)機(jī)高空高速飛行任務(wù)的需要。

射流預(yù)冷水系統(tǒng)是射流預(yù)冷裝置重要的配套系統(tǒng)，根據(jù)降溫需求向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流道內(nèi)提供預(yù)冷介質(zhì)，通過(guò)預(yù)冷介質(zhì)蒸發(fā)吸熱降低進(jìn)氣流道內(nèi)的氣流溫度，同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。射流預(yù)冷水系統(tǒng)是射流預(yù)冷技術(shù)及功能實(shí)現(xiàn)的重要支撐，關(guān)系著射流預(yù)冷技術(shù)的安全性和可靠性。該射流預(yù)冷水系統(tǒng)主要為滿足地面射流預(yù)冷技術(shù)驗(yàn)證而進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

為了獲取較完備的射流預(yù)冷水系統(tǒng)功能需求，提升射流預(yù)冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，提出一種借助于場(chǎng)景分析的射流預(yù)冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，如圖1所示，該流程主要包括功能與需求、概念方案、場(chǎng)景建模及分析、系統(tǒng)功能定義和建立系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案五個(gè)部分。

圖1 射流預(yù)冷水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

圖1中所描述的射流預(yù)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

1）功能與需求。根據(jù)用戶需求進(jìn)行技術(shù)要求識(shí)別，明確射流預(yù)冷水系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)和目標(biāo)值。

2）概念方案。對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)識(shí)別，根據(jù)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式/方法，建立射流預(yù)冷水系統(tǒng)初步概念方案。

3）場(chǎng)景建模及分析。對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)使用場(chǎng)景進(jìn)行建模，編寫(xiě)使用運(yùn)行場(chǎng)景說(shuō)明和繪制功能流程圖，對(duì)各使用運(yùn)行場(chǎng)景應(yīng)具備的功能進(jìn)行分析，并對(duì)用戶的需求進(jìn)行檢查補(bǔ)充。

4）功能定義。根據(jù)各使用運(yùn)行場(chǎng)景的功能分析結(jié)果，明確各使用運(yùn)行場(chǎng)景中射流預(yù)冷水系統(tǒng)的功能，對(duì)功能進(jìn)行整理和細(xì)化，完成功能定義。

5）方案建立。依據(jù)概念方案和主要功能，對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)方案進(jìn)行完善和評(píng)估，最終選擇出最優(yōu)方案。

3 設(shè)計(jì)過(guò)程

本文依據(jù)圖1所示的射流預(yù)冷水系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)，進(jìn)行射流預(yù)冷水系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)工作。

3.1 功能與需求

所謂功能，是指產(chǎn)品/系統(tǒng)的預(yù)期行為，該行為是根據(jù)一系列的需求定義的，功能是用戶期望的產(chǎn)品/系統(tǒng)所具備的能力，需求是產(chǎn)品/系統(tǒng)必須滿足的性能或者設(shè)計(jì)約束的描述。

首先收集用戶對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的需求。需求可分為直接需求和隱含需求兩部分，直接需求在用戶對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求描述中直接獲得，而隱含需求在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)約束中間接分析獲取。然后對(duì)獲取的需求項(xiàng)進(jìn)行合并整理，形成用戶需求定義表，以此作為用戶需求的基線文件。通過(guò)對(duì)用戶需求和射流預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的分析理解，提煉出射流預(yù)冷水系的技術(shù)要求，并利用質(zhì)量功能展開(kāi)工具實(shí)現(xiàn)用戶需求向技術(shù)要求的轉(zhuǎn)換和相關(guān)性評(píng)價(jià)，確定出射流預(yù)冷水系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)和目標(biāo)值，如表1所示。

表1 重要設(shè)計(jì)指標(biāo)及目標(biāo)值

3.2 概念方案

表2 概念方案組合

根據(jù)對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)重要技術(shù)指標(biāo)的理解，識(shí)別出實(shí)現(xiàn)上述重要設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)針對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行技術(shù)檢索，并對(duì)檢索出的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行初步篩選，剔除不適用于該項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，如表2中的D42、D43、E52等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式在本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中不予考慮，然后通過(guò)排列組合方式，形成射流預(yù)冷水系統(tǒng)初步概念方案的組合列表，如表2所示。

由于現(xiàn)階段對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的功能流程還處于概念上的初步認(rèn)識(shí)階段，只是對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)及其實(shí)現(xiàn)方式有一個(gè)初步的分析整理，還無(wú)法形成更詳細(xì)的概念方案。

3.3 場(chǎng)景建模及分析

場(chǎng)景分析是一種常用的需求捕獲的技術(shù),是指把要開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品,置于其運(yùn)行的場(chǎng)景中,通過(guò)分析其在場(chǎng)景中的預(yù)期行為,從而獲得需求的方法[2]，進(jìn)而識(shí)別產(chǎn)品的功能。場(chǎng)景分析不僅可以降低產(chǎn)品/系統(tǒng)中重要的需求被忽視的可能性，而且針對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景分析中的功能開(kāi)展功能失效性分析，為產(chǎn)品/系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)則和指導(dǎo)，對(duì)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)的規(guī)避和設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升都有非常重要的指導(dǎo)意義。

場(chǎng)景一般包含在產(chǎn)品/系統(tǒng)用例中，目前常用的場(chǎng)景建模方法有自然語(yǔ)言描述和活動(dòng)圖等[3]，與傳統(tǒng)的自然語(yǔ)言等描述方法相比，活動(dòng)圖對(duì)場(chǎng)景的描述更加直觀，其形式更便于進(jìn)行分析。

射流預(yù)冷水系統(tǒng)的使用運(yùn)行環(huán)境和自身操作都相對(duì)復(fù)雜，與需求的層次相對(duì)應(yīng)，依據(jù)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的使用工作狀態(tài)，包括射流預(yù)冷水系統(tǒng)的調(diào)試、安裝（向上級(jí)系統(tǒng)集成）、使用和維護(hù)四個(gè)方面，梳理使用運(yùn)行場(chǎng)景，共梳理出性能檢查、可靠性檢查、聯(lián)合調(diào)試、噴桿吹掃、低溫噴水試驗(yàn)等9個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景，并對(duì)9個(gè)運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行場(chǎng)景編號(hào)，分別為S1～S9。射流預(yù)冷水系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 射流預(yù)冷水系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景

射流預(yù)冷水系統(tǒng)在每個(gè)使用運(yùn)行場(chǎng)景所完成的預(yù)期任務(wù)和需求不同，從而導(dǎo)致射流預(yù)冷水系統(tǒng)在各使用運(yùn)行場(chǎng)景中應(yīng)具備的主要功能都不盡相同，為避免遺漏主要功能，需對(duì)使用運(yùn)行場(chǎng)景編寫(xiě)場(chǎng)景說(shuō)明，并以文檔形式完成。在編寫(xiě)使用運(yùn)行場(chǎng)景說(shuō)明時(shí)，應(yīng)主要從各使用運(yùn)行場(chǎng)景需完成的預(yù)期任務(wù)、原理框圖、系統(tǒng)功能流程和功能異常情況及處理等幾個(gè)方面進(jìn)行描述，各部分描述應(yīng)盡量做到詳盡。同時(shí)針對(duì)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的每一個(gè)使用運(yùn)行場(chǎng)景的系統(tǒng)功能流程，以功能流程圖的方式表達(dá)出來(lái)，圖3所示為S1～S3運(yùn)行場(chǎng)景的功能流程圖，功能流程圖可以更清晰地表達(dá)出運(yùn)行場(chǎng)景中射流預(yù)冷裝置所具備的功能。

圖3 S1～S3功能流程圖

圖4 射流預(yù)冷水系統(tǒng)備選方案

3.4 功能定義

根據(jù)上述對(duì)S1～S9使用運(yùn)行場(chǎng)景的場(chǎng)景說(shuō)明和功能分析，提取各使用運(yùn)行場(chǎng)景中射流預(yù)冷水系統(tǒng)的主要功能要求，并對(duì)相同的功能進(jìn)行合并整理。由于射流預(yù)冷水系統(tǒng)與外部系統(tǒng)存在接口連接關(guān)系，如與氣源、試車臺(tái)架、射流預(yù)冷裝置等，此時(shí)應(yīng)明確射流預(yù)水系統(tǒng)功能的邊界，即明確哪些功能是射流預(yù)冷水系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能，哪些功能是外部系統(tǒng)應(yīng)具有的功能。按上述原則，共總結(jié)出射流預(yù)冷水系統(tǒng)一級(jí)功能2項(xiàng)、二級(jí)功能12項(xiàng)，對(duì)分析出的12項(xiàng)二級(jí)功能進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并明確各項(xiàng)功能具體要求及目標(biāo)值。

表3 射流預(yù)水系統(tǒng)功能定義表

3.5 方案建立

首先將射流預(yù)冷水系統(tǒng)二級(jí)功能進(jìn)行功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，即通過(guò)某種結(jié)構(gòu)形式或外購(gòu)成品件等實(shí)現(xiàn)射流預(yù)預(yù)冷水系統(tǒng)的二級(jí)功能。然后依據(jù)初步概念方案和二級(jí)功能所轉(zhuǎn)換出的結(jié)構(gòu)形式，建立射流預(yù)冷水系設(shè)計(jì)方案，最終形成5種滿足使用要求的射流預(yù)冷水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，如圖4所示。然后根據(jù)射流預(yù)冷水系統(tǒng)的使用環(huán)境條件、加工成本及進(jìn)度、使用安全性等方面因素，進(jìn)行各方案的綜合對(duì)比分析，最終選擇出方案二作為射流預(yù)冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)論

在射流預(yù)冷水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)場(chǎng)景建模及分析獲取了射流預(yù)冷水系統(tǒng)的主要功能，為方案設(shè)計(jì)的完整性提供了有效幫助，提升了射流預(yù)冷水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，具有一定的工程推廣價(jià)值。