劉慶東，史妍妍，張 明

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，沈陽110031）

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制具有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大、研制周期長、研制經(jīng)費(fèi)高的特點(diǎn)，是1 項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[1]。20 世紀(jì)60 年代以來，美國持續(xù)總結(jié)F100 等發(fā)動(dòng)機(jī)使用中的可靠性、耐久性和維修性問題，在產(chǎn)品全生命周期研制程序、管理體系、設(shè)計(jì)權(quán)衡等方面采取一系列措施，開發(fā)了以“技術(shù)驗(yàn)證機(jī)→工程驗(yàn)證機(jī)→原型機(jī)”為核心的迭代演進(jìn)、逐步成熟的產(chǎn)品研制途徑[2]。中國也逐漸接受了上述研制途徑，“在GJB 8113 武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求”中，通過“V 模型”定義了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)、工程驗(yàn)證機(jī)、原型機(jī)在產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用模式，并作為軍方管控產(chǎn)品研制過程的基礎(chǔ)。

然而，國內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)受到長期測繪仿制思路的影響，對(duì)這3 類樣機(jī)研制的過程、特點(diǎn)、成果研究不夠，導(dǎo)致型號(hào)應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)返工，成為型號(hào)“拖、降、漲”的重要原因[3-5]。本文從這3 類樣機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，提出了相應(yīng)的研制過程模型，分析了各樣機(jī)在復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中的研制特點(diǎn)及研制成果。

1 技術(shù)特點(diǎn)分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品全生命周期中，技術(shù)驗(yàn)證機(jī)（又稱模型機(jī)或原理樣機(jī)）、工程驗(yàn)證機(jī)（又稱初樣機(jī)或地面樣機(jī)）、原型機(jī)（又稱正樣機(jī)或飛行樣機(jī)）通常依次出現(xiàn)[6-8]（如圖1 所示），是集中體現(xiàn)產(chǎn)品研制進(jìn)程的載體。

圖1 產(chǎn)品全生命周期（GJB 8113）

1.1 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

技術(shù)驗(yàn)證機(jī)是為研究或評(píng)價(jià)型號(hào)總體技術(shù)方案的可行性而研制的產(chǎn)品，主要驗(yàn)證新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝等擬采用的關(guān)鍵技術(shù)在整機(jī)環(huán)境下的可行性，可不考慮最終的產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)。技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的周期規(guī)劃通常不超過6 a，試驗(yàn)時(shí)數(shù)為100～500 h。

1.2 工程驗(yàn)證機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

工程驗(yàn)證機(jī)是針對(duì)型號(hào)戰(zhàn)技指標(biāo)開發(fā)的初級(jí)產(chǎn)品，通過設(shè)計(jì)、試制及地面聯(lián)試，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性并獲取進(jìn)一步研制的工程數(shù)據(jù)，應(yīng)接近產(chǎn)品的最終技術(shù)狀態(tài)。工程驗(yàn)證機(jī)的周期規(guī)劃通常不超過5 a，試驗(yàn)時(shí)數(shù)為200～1000 h。

1.3 原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

原型機(jī)是用于全面考核評(píng)價(jià)產(chǎn)品性能、質(zhì)量、適應(yīng)性的正式產(chǎn)品，其考核試驗(yàn)（試飛）的環(huán)境代表了產(chǎn)品預(yù)定使用的真實(shí)環(huán)境，代表了產(chǎn)品的最終技術(shù)狀態(tài)。原型機(jī)的周期規(guī)劃通常不超過13 a，零部件試驗(yàn)應(yīng)達(dá)到100000 h ，系統(tǒng)試驗(yàn)應(yīng)達(dá)到40000～50000 h，整機(jī)試驗(yàn)應(yīng)達(dá)到8000～10000 h ，高空模擬試驗(yàn)應(yīng)達(dá)到500～2000 h，設(shè)計(jì)定型前發(fā)動(dòng)機(jī)試飛應(yīng)達(dá)到2000～5000 h，發(fā)動(dòng)機(jī)小批領(lǐng)先使用的試飛應(yīng)達(dá)到100000 h。

2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的研制過程分析

2.1 研制過程模型

在型號(hào)正式立項(xiàng)后，即可啟動(dòng)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制，研制過程如圖2 所示?；谲姺阶鲬?zhàn)任務(wù)開展需求分析，確定產(chǎn)品全生命周期、全包線運(yùn)行功能，研究并建立發(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)方案，搭建技術(shù)驗(yàn)證機(jī)并驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 技術(shù)驗(yàn)證機(jī)研制過程模型

2.2 研制特點(diǎn)分析

通過技術(shù)驗(yàn)證機(jī)全面識(shí)別并評(píng)價(jià)總體技術(shù)方案所采用的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是由各產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)（Product Breakdown Structure，PBS）單元之間匹配而產(chǎn)生的關(guān)鍵技術(shù)（如大改風(fēng)扇與已有核心機(jī)之間的匹配技術(shù)），其研制具有如下特點(diǎn)：

（1）根據(jù)總體技術(shù)方案初步建立了產(chǎn)品PBS，相對(duì)于預(yù)研及前期論證階段，此時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)有明確的技術(shù)載體，可進(jìn)一步避免關(guān)鍵技術(shù)遺漏；

（2）對(duì)于技術(shù)成熟度等級(jí)低于5 的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)組織開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)以提高成熟度等級(jí)，避免型號(hào)進(jìn)入工程研制階段后出現(xiàn)嚴(yán)重故障或重大設(shè)計(jì)反復(fù)；

（3）不僅整機(jī)級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)需要通過技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的充分驗(yàn)證，部分零組件級(jí)、部件/分系統(tǒng)級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)，在經(jīng)過試驗(yàn)器驗(yàn)證后，為確定該關(guān)鍵技術(shù)對(duì)整機(jī)及其他部件的影響，也應(yīng)通過技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的充分驗(yàn)證，具體試驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)型號(hào)特點(diǎn)確定、差別較大；

（4）改進(jìn)及派生型號(hào)的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的總體技術(shù)方案具有一定的繼承性，產(chǎn)品PBS 改變較小，其技術(shù)驗(yàn)證機(jī)可通過改裝原型號(hào)或基于已有工程數(shù)據(jù)的高精度仿真實(shí)現(xiàn)。

此外，以PBS 為基礎(chǔ)，綜合考慮執(zhí)行中的技術(shù)、成本、企業(yè)合作關(guān)系、風(fēng)險(xiǎn)等因素，可建立型號(hào)的工作分解結(jié)構(gòu)（Work Breakdown Structure，WBS）、成本分解結(jié)構(gòu)（Cost Breakdown Structure，CBS）、技術(shù)分解結(jié)構(gòu)（Technology Breakdown Structure，TBS）、風(fēng)險(xiǎn)分解結(jié)構(gòu)（Risk Breakdown Structure，RBS）、合同分解結(jié)構(gòu)（Contract Breakdown Structure，CBS）、組織分解結(jié)構(gòu)（Organization Breakdown Structure，OBS）[9-11]?？梢姡夹g(shù)驗(yàn)證機(jī)不僅是型號(hào)研制的技術(shù)基礎(chǔ)，也是型號(hào)項(xiàng)目組織管理的基礎(chǔ)。

2.3 研制成果分析

技術(shù)驗(yàn)證機(jī)的研制成果是型號(hào)由方案階段轉(zhuǎn)入工程研制階段的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）確定產(chǎn)品研制需求，建立型號(hào)規(guī)范及產(chǎn)品的功能基線；

（2）驗(yàn)證總體技術(shù)方案的可行性；

（3）關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級(jí)提升到5 以上；

（4）配合軍方完成《研制總要求》的報(bào)批，簽訂工程研制合同。

3 工程驗(yàn)證機(jī)的研制過程分析

3.1 研制過程模型

在美國“國防采辦系統(tǒng)運(yùn)行DOD 5000.02”中[8]，將工程驗(yàn)證機(jī)和原型機(jī)合并，僅規(guī)劃1 輪研制過程，代表了研制模式的變革趨勢。而中國仍規(guī)劃開展工程驗(yàn)證機(jī)和原型機(jī)2 輪研制，是考慮到目前中國的工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備不足，擬通過工程驗(yàn)證機(jī)基本達(dá)到“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標(biāo)，并降低原型機(jī)研制的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

而且，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品復(fù)雜程度、工藝因素及擬達(dá)到的戰(zhàn)技指標(biāo)，工程驗(yàn)證機(jī)又可細(xì)分為若干批次，以逐步達(dá)到研制目的。此時(shí)，必須遵循前一批次試制、試驗(yàn)完成并通過評(píng)審后，方可轉(zhuǎn)入后一批次試制、試驗(yàn)的原則。工程驗(yàn)證機(jī)研制在工程研制階段初期開始，研制過程如圖3 所示。

3.2 研制特點(diǎn)分析

工程驗(yàn)證機(jī)（尤其是首批工程驗(yàn)證機(jī)）是型號(hào)新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等關(guān)鍵技術(shù)的首次集成驗(yàn)證，也是型號(hào)設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)等全業(yè)務(wù)鏈的首次協(xié)同，其研制具有如下特點(diǎn)：

圖3 工程驗(yàn)證機(jī)研制過程模型

（1）基于產(chǎn)品PBS 選定了全部技術(shù)狀態(tài)項(xiàng)（Configuration Item，CI），而每個(gè)CI 項(xiàng)的開發(fā)都需完整履行設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)過程；

（2）在設(shè)計(jì)過程中，各CI 項(xiàng)承接“型號(hào)規(guī)范”等功能基線文件要求、優(yōu)化技術(shù)方案及接口關(guān)系，編制研制規(guī)范、設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)報(bào)告、生產(chǎn)及試驗(yàn)要求等文件；

（3）在試制過程中，完成試制工藝工裝設(shè)計(jì)、確定生產(chǎn)過程檢驗(yàn)、檢測及質(zhì)量控制要求，開展工藝攻關(guān)提高制造成熟度，以及必要的首件鑒定工作；

（4）在試驗(yàn)過程中，完成驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路及結(jié)果的全部科研性試驗(yàn)，考慮到技術(shù)成熟度提升及相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制要求，部分原型機(jī)考核試驗(yàn)也可以先期開展。試驗(yàn)類別主要包括：

a.整機(jī)性能調(diào)試試驗(yàn)，如穩(wěn)態(tài)性能、過渡態(tài)性能、功能試車的調(diào)試；

b.地面性能達(dá)標(biāo)試驗(yàn)；

c.性能修正系數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)；

d.整機(jī)功能驗(yàn)證試驗(yàn)；

e.專項(xiàng)測試試驗(yàn)，如全流程參數(shù)、整機(jī)振動(dòng)、軸向力、級(jí)間參數(shù)、葉片葉尖徑向間隙、轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)應(yīng)力、外部放熱特性、外部管路振動(dòng)應(yīng)力、潤滑系統(tǒng)參數(shù)、空氣系統(tǒng)參數(shù)、關(guān)鍵零部件壁溫等的測量；

f.整機(jī)結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)；

g.整機(jī)可靠性和耐久性累積試驗(yàn)；

h.高空性能摸底試驗(yàn)；

i.高空性能達(dá)標(biāo)試驗(yàn)。

（5）后續(xù)批次工程驗(yàn)證機(jī)的研制要求，一方面來自型號(hào)已策劃的批次性目標(biāo)，另一方面來自于前一批次工程驗(yàn)證機(jī)遺留的技術(shù)問題。根據(jù)研制需求差異，各批次雖然也按設(shè)計(jì)、試制、試驗(yàn)的過程開展工作，但具體工作內(nèi)容相對(duì)于首批工程驗(yàn)證機(jī)有所裁剪。

3.3 研制成果分析

工程驗(yàn)證機(jī)的研制成果是型號(hào)轉(zhuǎn)入原型機(jī)研制的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）功能基線中的每項(xiàng)功能都已經(jīng)被分配給1 個(gè)或多個(gè)CI 項(xiàng)，制定了研制規(guī)范，研制主管部門按“整機(jī)→部件/分系統(tǒng)→零組件”的順序，完成各層級(jí)的初步設(shè)計(jì)評(píng)審（Preliminary Design Review，PDR），建立分配基線；

（2）驗(yàn)證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，基本達(dá)到了“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標(biāo)；

（3）關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級(jí)提升到6 以上；

（4）試制、試驗(yàn)中暴露的技術(shù)問題已經(jīng)解決或有切實(shí)可行的解決措施；

（5）通過轉(zhuǎn)入原型機(jī)研制的轉(zhuǎn)段評(píng)審。

4 原型機(jī)研制過程分析

4.1 研制過程模型

原型機(jī)研制在工程研制階段后期開始、在設(shè)計(jì)定型階段完成，研制過程如圖4 所示。原型機(jī)研制是在工程驗(yàn)證機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)、工藝以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，并通過首飛前考核試驗(yàn)、科研試飛、定型試驗(yàn)，證明產(chǎn)品已全面達(dá)到型號(hào)戰(zhàn)技指標(biāo)要求。

4.2 研制特點(diǎn)分析

原型機(jī)研制是基于工程驗(yàn)證機(jī)研制成果開展的，因此原則上僅通過1 輪研制即達(dá)到產(chǎn)品最終技術(shù)狀態(tài)，工作重點(diǎn)在于開展型號(hào)的一系列考核試驗(yàn)，其研制具有如下特點(diǎn)：

（1）原型機(jī)設(shè)計(jì)，主要針對(duì)工程驗(yàn)證機(jī)研制中暴露出的技術(shù)問題完善或優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定各CI 項(xiàng)的最終技術(shù)狀態(tài)；

圖4 原型機(jī)研制過程模型

（2）原型機(jī)試制，主要解決工程驗(yàn)證機(jī)暴露出的工藝問題、提高生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，保證試驗(yàn)件、試驗(yàn)樣機(jī)符合原型機(jī)技術(shù)狀態(tài)，且能夠代表承制單位的工藝水平、生產(chǎn)質(zhì)量；

（3）原型機(jī)科研性試驗(yàn)，主要驗(yàn)證是否達(dá)到對(duì)工程驗(yàn)證機(jī)改進(jìn)的目的，是否解決工程驗(yàn)證機(jī)遺留的技術(shù)問題；

（4）首飛前考核試驗(yàn)、科研試飛和設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)都屬于原型機(jī)考核試驗(yàn)，主要依據(jù)“GJB 241A 航空渦輪噴氣和渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)通用規(guī)范”開展，且依據(jù)型號(hào)規(guī)范適當(dāng)補(bǔ)充試驗(yàn)科目。

首飛前考核試驗(yàn)主要包括關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)完整性試驗(yàn)、成附件“六性”試驗(yàn)、整機(jī)70 h 持久試車及高空臺(tái)試驗(yàn)等，試驗(yàn)后應(yīng)給出型號(hào)能否進(jìn)行科研試飛的結(jié)論；科研試飛指在真實(shí)飛行條件和有限飛行包線內(nèi)，初步考核產(chǎn)品的性能、功能特性及“六性”指標(biāo)，試飛結(jié)論是型號(hào)能否轉(zhuǎn)入設(shè)計(jì)定型階段的重要依據(jù)；定型試驗(yàn)既包括關(guān)鍵零部件和整機(jī)的地面及高空臺(tái)試驗(yàn)，也包括定型試飛，目的是全面考核驗(yàn)證產(chǎn)品的全包線使用特性。

4.3 研制成果分析

原型機(jī)的研制成果是型號(hào)是否具備設(shè)計(jì)定型條件的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）完成CI 項(xiàng)的全部設(shè)計(jì)工作，研制主管部門按“零組件→部件/分系統(tǒng)→整機(jī)”的順序，完成各層級(jí)的詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審（Critical Design Review，CDR），建立初始產(chǎn)品基線；

（2）建立原型機(jī)及其配套保障設(shè)備的全套生產(chǎn)工藝，制定產(chǎn)品的工藝、材料和軟件的規(guī)范，基本確定生產(chǎn)全過程；

（3）通過設(shè)計(jì)定型試驗(yàn)，證明產(chǎn)品全面達(dá)到“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標(biāo)；

（4）關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級(jí)提升到7 以上；

（5）通過產(chǎn)品設(shè)計(jì)定型審查。

5 總結(jié)

（1）本文基于GJB 8113 定義的產(chǎn)品全生命周期，分析了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)、工程驗(yàn)證機(jī)、原型機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，提出這3 類樣機(jī)是集中體現(xiàn)產(chǎn)品研制進(jìn)程的載體；

（2）從技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，研究并建立了技術(shù)驗(yàn)證機(jī)、工程驗(yàn)證機(jī)、原型機(jī)的研制過程模型，明確了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中的相應(yīng)工作內(nèi)容及其實(shí)現(xiàn)途徑，以及3 類樣機(jī)之間迭代演進(jìn)、逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的過程；

（3）依托研制過程模型，分析了各樣機(jī)在復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中的研制特點(diǎn)及研制成果，為加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品研制過程管控、提高研制質(zhì)量和效率奠定了基礎(chǔ)。