王永海、董超、周煒、王剛、王林林 /北京航天長征飛行器研究所

現(xiàn)場管理是運用科學的管理思想、方法和手段，對生產(chǎn)現(xiàn)場的各種生產(chǎn)要素，如人、機、料、法、環(huán)等進行合理配置和優(yōu)化組合，通過有效的計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制和改進，建立優(yōu)質(zhì)、高效、安全、規(guī)范的現(xiàn)場管理系統(tǒng)，保證現(xiàn)場按預定的目標實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、均衡、安全、文明生產(chǎn)，提高企業(yè)質(zhì)量、成本、交付能力等各方面的績效水平，從而更好地滿足客戶和其他相關(guān)方需求，增強企業(yè)的核心競爭力。

隨著航天事業(yè)的不斷進步，我國航天工業(yè)的特色管理也不斷發(fā)展，并形成了與之相適應(yīng)的管理理念、方法和技術(shù)。為進一步規(guī)范航天產(chǎn)品研制流程、提高航天產(chǎn)品質(zhì)量，作為北京航天長征飛行器研究所創(chuàng)新體系的核心和預研創(chuàng)新總體部門，系統(tǒng)研發(fā)部開展了以星級現(xiàn)場建設(shè)為代表的現(xiàn)場管理工作。當前，現(xiàn)場管理主要面向制造業(yè)、服務(wù)業(yè)及建筑業(yè)，與生產(chǎn)車間、服務(wù)部門和建筑工地相比，研發(fā)設(shè)計部門涉及更多的人員、技術(shù)、文件和制度方面的管理，其現(xiàn)場管理的內(nèi)容新、范圍廣、難度大。系統(tǒng)研發(fā)部在推進星級現(xiàn)場建設(shè)的過程中，實踐了以技術(shù)成熟度提升為主線的質(zhì)量管理、多學科協(xié)同優(yōu)化、三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計等特色管理改進與管理創(chuàng)新措施，對航天產(chǎn)品型號研制工作起到了積極的推進作用。

一、星級現(xiàn)場建設(shè)工作實踐

1.以技術(shù)成熟度提升為主線的研發(fā)設(shè)計過程質(zhì)量管理

明確質(zhì)量控制目標、指標、要求和過程質(zhì)量控制重點，實現(xiàn)研發(fā)設(shè)計的輸入、輸出、驗證、評審、確認、變更等全過程管理和控制。在此過程中，結(jié)合現(xiàn)場資源和不同專業(yè)特點，采用適宜的工具和手段提升全過程質(zhì)量管理水平，并積極運用信息化手段推行標準化及模塊化設(shè)計，建立質(zhì)量數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)，提高研發(fā)設(shè)計過程的質(zhì)量和效率，及時發(fā)現(xiàn)過程異常，保持質(zhì)量管理的穩(wěn)定性。

針對預研設(shè)計特點，制定質(zhì)量管控措施，采用需求分析或設(shè)計輸入評審、項目建議書評審、接口文件簽署確認、技術(shù)狀態(tài)管控、試驗驗證等系統(tǒng)方法對全過程進行管控。采用FMEA、FTA、單點故障模式、技術(shù)風險識別與控制、復核復算、三維IPT 設(shè)計流程監(jiān)控等精細化質(zhì)量管理工具和手段，提升過程管理質(zhì)量。

系統(tǒng)研發(fā)部通過開展星級現(xiàn)場管理活動，梳理出不同階段的關(guān)鍵質(zhì)量控制措施，如圖1 所示。

需求分析（TRL2）階段質(zhì)量控制。基于世界咖啡法的預研方案論證，面向客戶需求的3D打印快速輸出系統(tǒng)、設(shè)計和開發(fā)策劃。

方案設(shè)計（TRL3）階段質(zhì)量控制。包括FMEA 分析、輸入及輸出管理、技術(shù)狀態(tài)管理、復核復算及軟件過程管理。

產(chǎn)品研制與集成演示（TRL4-6）階段質(zhì)量控制。大型試驗質(zhì)量管控，基于FTA 方法的飛行試驗“雙想”質(zhì)量管理，I、II 單點故障模式及3 類關(guān)鍵特性分析與控制。

研發(fā)設(shè)計全過程質(zhì)量控制。包括基于三維數(shù)字化的IPT 協(xié)同設(shè)計，信息化、標準化、模塊化，質(zhì)量數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)。

2.基于多學科協(xié)同優(yōu)化的飛行力學設(shè)計流程再造

圖1 質(zhì)量管理過程策劃

隨著飛行力學規(guī)劃設(shè)計變得越來越復雜，按照上級用戶需求設(shè)計的飛行力學極有可能超過下游專業(yè)約束，從而帶來飛行力學和相關(guān)專業(yè)方案反復。通過對上級用戶需求充分分析分解和對下游需求前移2 個措施改造飛行力學設(shè)計流程，飛行力學規(guī)劃設(shè)計結(jié)果能同時滿足上游和下游需求，避免設(shè)計方案反復。

飛行力學設(shè)計的上游專業(yè)主要包括武器總體、再入飛行器總體和氣動，其中武器總體、再入飛行器總體對飛行力學設(shè)計提出條件和約束，嚴格設(shè)計輸入控制，確保設(shè)計輸入準確及時。

氣動設(shè)計是飛行力學專業(yè)的上游專業(yè)，其工作成果的更新和改動直接影響飛行力學設(shè)計的及時性和正確性。飛行力學專業(yè)經(jīng)過與氣動專業(yè)協(xié)商，制定了氣動與飛行力學的數(shù)據(jù)格式規(guī)范。通過規(guī)范輸入，確保了飛行力學仿真可靠性，并通過與下游專業(yè)共同研究制訂的接口規(guī)范，將這些專業(yè)對飛行力學設(shè)計的要求和約束前移，作為飛行力學設(shè)計和優(yōu)化中的約束條件，保證了飛行力學設(shè)計兼顧防熱、載荷、承力結(jié)構(gòu)、天線罩等專業(yè)設(shè)計技術(shù)要求，優(yōu)化和簡化了飛行力學設(shè)計流程。改造后的飛行力學設(shè)計流程如圖2 所示。

3.三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計方法創(chuàng)新提升設(shè)計效率

圖2 改造后的飛行力學設(shè)計流程

隨著新技術(shù)的推陳出新與飛速發(fā)展，飛行器的創(chuàng)新研發(fā)周期也在不斷縮短，使用部門對新產(chǎn)品的需求、對功能集成性的要求，以及工業(yè)部門對設(shè)計質(zhì)量、面向制造的設(shè)計等方面的高要求都給設(shè)計研發(fā)部門帶來了極大的挑戰(zhàn)。近年來，系統(tǒng)研發(fā)部針對這一現(xiàn)狀推出了基于成熟度的項目研發(fā)流程，從需求到方案再到試驗等多個過程，以項目孵化池的形式逐步積累，逐漸推進，確保項目由前沿技術(shù)向關(guān)鍵技術(shù)、再到技術(shù)方案、最后轉(zhuǎn)向產(chǎn)品樣機及工程應(yīng)用的順利推進。

在這個過程中，高效、先進的數(shù)字化技術(shù)逐步深入到具體的設(shè)計環(huán)節(jié)中，確保基于成熟度的研發(fā)流程的高效運轉(zhuǎn)，幫助設(shè)計師從重復的輸入、整理等工作中解放出來，將更多的時間與精力投入到關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與綜合方案的集成優(yōu)化中，為用戶提供不同成熟度的產(chǎn)品。通過三維數(shù)字化IPT 協(xié)同設(shè)計方法的創(chuàng)新，系統(tǒng)研發(fā)部近年來在項目申報、型號轉(zhuǎn)化及成果申報等工作中取得了豐碩的成果。在系統(tǒng)研發(fā)部研發(fā)設(shè)計現(xiàn)場中，具有代表性的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計方法有基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計方法、基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計方法、提高三維模型集成裝配效率方法以及提升工程圖轉(zhuǎn)化效率方法等 。

4.提升氣動仿真能力，降低試驗成本

在當前的嚴酷競爭環(huán)境態(tài)勢下，由于客戶需求調(diào)整等原因，能夠進行實時響應(yīng)的方案論證能力是論證團隊必須具備的核心能力。氣動布局設(shè)計和氣動特性分析工作是先進飛行器方案論證階段的主要工作內(nèi)容，傳統(tǒng)的旋成體外形的氣動特性工程計算方法對于復雜外形的新型飛行器不再適用，只能使用數(shù)值仿真方法進行分析，需要使用大量的計算資源和時間，一個外形方案往往要花費數(shù)周甚至數(shù)月時間才能完成。系統(tǒng)研發(fā)部氣動組針對該矛盾開展了改進工程計算方法適應(yīng)性的工作，使得工程方法可以適用于某些布局的復雜外形飛行器，極大地提高了氣動設(shè)計效率，建立了對于新型復雜外形飛行器的方案快速論證能力。氣動專業(yè)方案設(shè)計流程優(yōu)化見圖3。

二、實踐效果

1.預研效率效能提升，創(chuàng)新指數(shù)連年第一

航天預研創(chuàng)新管理實踐自2016 年4 月啟動，2017 年4 月開始推廣應(yīng)用。系統(tǒng)研發(fā)部依托先進的現(xiàn)場管理理念，注重創(chuàng)新牽引與驅(qū)動，直面競爭與挑戰(zhàn)，推進項目的型號應(yīng)用轉(zhuǎn)化，不斷提出新問題、新概念、新項目，在多個科研領(lǐng)域連續(xù)取得突破，助力研究所連續(xù)3年蟬聯(lián)研究院創(chuàng)新指數(shù)榜第一，為研究所和飛行器技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻。

系統(tǒng)研發(fā)部2016 年承擔系統(tǒng)級預研創(chuàng)新項目、課題和型號工作共計100 余項，其中新增課題與項目16 項；2017 年承擔系統(tǒng)級預研創(chuàng)新項目、課題和型號工作共計近120 項，其中新增課題與項目19 項；2018 年承擔系統(tǒng)級預研創(chuàng)新項目、課題和型號工作共計近140 項，其中新增課題與項目30 項。

2.飛行力學流程再造，設(shè)計效率提高一倍

優(yōu)化改造后的流程，將再入飛行器防熱、載荷、承力結(jié)構(gòu)、突防、透波罩等多專業(yè)的設(shè)計技術(shù)要求在飛行力學設(shè)計和實現(xiàn)中進行了定性分析和優(yōu)化選擇，保證飛行力學設(shè)計輸出能夠滿足下游專業(yè)需求。如果出現(xiàn)下游專業(yè)無法實現(xiàn)總體指標要求的情況，則直接反饋到用戶需求、導彈總體需求和再入飛行器總體需求，從基本戰(zhàn)標需求上進行改進迭代，避免了基于飛行力學設(shè)計的多輪多專業(yè)迭代，極大地提升了飛行力學設(shè)計效率。

原流程條件下，班組員工飛行力學設(shè)計過程平均用時約160工時，改進后班組員工飛行力學設(shè)計過程平均用時70 工時，飛行力學設(shè)計效率提高1 倍以上；同時，飛行力學設(shè)計誤差由改造前位置0.01m、速度0.005m/s，降低到位置0.002m、速度0.001m/s，誤差減小到原來的1/5。

3.三維IPT 協(xié)同設(shè)計，大幅提升設(shè)計效率

目前，研究所推進的具有代表性的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計方法包括：基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計方法、基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計方法、提高三維模型集成裝配效率方法、提升工程圖轉(zhuǎn)化效率方法等。

（1）基于三維可視化的電纜敷設(shè)優(yōu)化設(shè)計方法

通過與典型型號設(shè)計時間對比的方式，開展測試和時間記錄，具體比較項目和效果檢查情況見表1，設(shè)計效率提高了5 倍。

（2）基于參數(shù)化的飛行器艙段吊具快速設(shè)計方法

基于新型設(shè)計方法與系統(tǒng)實現(xiàn)，吊具設(shè)計人員可以利用系統(tǒng)已有的吊具設(shè)計知識，通過選擇艙段類型、吊具類型及設(shè)置各個零件的詳細尺寸參數(shù)，系統(tǒng)自動調(diào)用相關(guān)的標準件完成裝配模型的生成，減少吊具設(shè)計對設(shè)計人員設(shè)計經(jīng)驗的依賴性。此方法省去相似結(jié)構(gòu)重新繪圖的時間，比原方法設(shè)計時間減少40%以上。

吊具設(shè)計人員對利用本系統(tǒng)生成的模型進行更改時，設(shè)計人員只需打開相應(yīng)的零件參數(shù)化界面，更改相關(guān)尺寸參數(shù)，由尺寸驅(qū)動模型自動進行更改，同時模型的父件裝配關(guān)系自動更新，減少設(shè)計人員更改圖紙的重繪時間。相對于二維設(shè)計更改，減少圖紙重繪時間45%以上。

模型設(shè)計完畢后，系統(tǒng)自動對零件及裝配模型進行三維標注，減少設(shè)計員在二維圖紙上手動標注的時間，并且模型更改時，尺寸與模型相關(guān)聯(lián)，標注會自動更新，比傳統(tǒng)手工標注時間降低60%以上。

（3）提高三維模型集成裝配效率設(shè)計方法

縮短三維模型集成裝配打開時間50%以上，具體效果如圖4所示。

（4）提升工程圖轉(zhuǎn)化效率設(shè)計方法

通過系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用，實現(xiàn)了地面設(shè)備三維模型向二維模型的自動映射（見圖5），進一步簡化了地面設(shè)備模型的維護過程，極大提升了工作效率。

4.提高氣動仿真能力，降低研發(fā)設(shè)計成本

圖5 結(jié)構(gòu)工程圖快速設(shè)計過程

在氣動設(shè)計過程中，不斷總結(jié)研制經(jīng)驗和建立設(shè)計準則，有效降低了方案論證階段各專業(yè)對大型地面試驗和（半）實物仿真的依賴程度。以某類慣性飛行器為例，前期型號在方案論證階段開展了8 類12 項風洞試驗，試驗成本約為790 萬元；在后續(xù)改進型號研制時，基于已有經(jīng)驗和設(shè)計準則，依靠開展數(shù)值仿真、復核復算等校驗工作，僅開展了3 類3 項風洞試驗，試驗成本約為240 萬元，僅風洞試驗一項與前期型號相比減少了成本約550萬元。

北京航天長征飛行器研究所通過開展星級現(xiàn)場工作，制定了合理的現(xiàn)場管理措施，通過正確的選擇和使用管理工具或方法提升了預研創(chuàng)新現(xiàn)場管理的效率和質(zhì)量，降低了預研創(chuàng)新的成本。后續(xù)，研究所將持續(xù)推進“一心、二效、三節(jié)”的現(xiàn)場管理理念，通過頂層策劃、流程再造、系統(tǒng)實施等一系列舉措建立和完善部門現(xiàn)場管理體系，不斷增強部門的現(xiàn)場管理水平，促進核心競爭力的提升，深化研究適合預研創(chuàng)新的現(xiàn)場管理工作模式和方法，使研發(fā)現(xiàn)場管理能力上升到一個新臺階。