■ 劉海年 / 中國航發(fā)動力所 柳鑫 / 中國人民解放軍93128部隊

發(fā)動機的研制和使用過程中會暴露大量的故障和問題，嚴重影響發(fā)動機的使用安全，明確發(fā)動機產(chǎn)品研制需求以及研發(fā)活動的完整性和符合性，是提升發(fā)動機研制質(zhì)量的有效方法。

航空發(fā)動機正向研發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。傳統(tǒng)的航空發(fā)動機研制通常采用“設(shè)計—試驗驗證—修改設(shè)計—再試驗”反復(fù)迭代的串行研制模式[1]。我國航空發(fā)動機研制初期，由于技術(shù)認知和研制能力有限，在研發(fā)體系不完備的條件下開始了型號研制，產(chǎn)品研制過程中存在需求內(nèi)容、設(shè)計活動和驗證活動不完整，需求符合性不確定等問題。伴隨“兩機”專項工作的落地實施，航空發(fā)動機自主研發(fā)能力得到持續(xù)提升，產(chǎn)品研發(fā)流程持續(xù)完善，支撐流程活動運行的流程文件（規(guī)范、指導(dǎo)書、檢查單和模板）持續(xù)豐富。通過以需求為牽引的航空發(fā)動機型號問題分析方法，應(yīng)用產(chǎn)品研發(fā)體系建設(shè)的最新成果，全面審視以往型號研發(fā)過程的完整性和符合性，分析產(chǎn)品研制過程中的型號問題，對產(chǎn)品進行改進和專項攻關(guān)，可以全面提升產(chǎn)品研制質(zhì)量。

現(xiàn)狀分析

自20世紀80年代以來，歐美航空企業(yè)先后引入了全生命周期管理理念，建立了基于系統(tǒng)工程方法和集成產(chǎn)品開發(fā)理念的產(chǎn)品研發(fā)體系，顯著提升了產(chǎn)品研制質(zhì)量和研制效率。例如，空客公司提出基于需求的工程，并借助于IBM DOORS RMF需求管理平臺，在A380/A350等飛機研制中進行應(yīng)用，實現(xiàn)了基于需求的產(chǎn)品設(shè)計和驗證，在減少研制后期的缺陷、減少額外費用、提高客戶滿意度方面取得了良好的效果[2]；GE公司建立了完整的產(chǎn)品設(shè)計流程體系，強調(diào)需求驅(qū)動，基于產(chǎn)品需求開展設(shè)計和驗證[3]；羅羅公司依據(jù)INCOSE系統(tǒng)工程手冊制定了系統(tǒng)工程能力框架，產(chǎn)品研發(fā)過程中以需求為牽引實現(xiàn)了從航空動力系統(tǒng)到子系統(tǒng)再到部件的需求定義、分解和驗證[4]。

2010年，國內(nèi)航空工業(yè)開始推進基于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品正向研發(fā)工作，逐步建立了飛機需求分析、功能分析和架構(gòu)設(shè)計等正向設(shè)計方法[5-6]，并在型號研制中得到應(yīng)用?！笆濉逼陂g，中國航空發(fā)動機集團有限公司大力推進運營管理體系（AEOS）建設(shè)，旨在打造全集團統(tǒng)一的高效產(chǎn)品研發(fā)體系。在實踐過程中，通過引入系統(tǒng)工程方法和集成產(chǎn)品開發(fā)理念，建立了完整的研發(fā)體系架構(gòu)，完成了產(chǎn)品研發(fā)主流程、基礎(chǔ)支撐流程和職能支撐流程建設(shè)[7]，推進了集成產(chǎn)品研發(fā)團隊（IPT）和信息技術(shù)（IT）系統(tǒng)建設(shè)，集團內(nèi)部各研究院所也開展了發(fā)動機研發(fā)所需的規(guī)范、指導(dǎo)書、檢查單和模板等流程文件建設(shè)，并嘗試在重點型號中推進需求管理[8]，航空發(fā)動機自主研發(fā)能力得到顯著提升，為復(fù)查以往型號研制中存在的型號問題奠定了基礎(chǔ)。

航空發(fā)動機型號問題分析方法

航空發(fā)動機型號問題分析方法主要依據(jù)發(fā)動機各層級研發(fā)對象的需求清單，分析需求和技術(shù)活動的完整性和符合性，識別型號存在的問題，通過型號設(shè)計改進提升產(chǎn)品研制質(zhì)量。首先，基于各研發(fā)對象的通用需求清單和發(fā)動機研制需求（型號規(guī)范、技術(shù)要求等），梳理形成各研發(fā)對象的型號需求清單；其次，依據(jù)產(chǎn)品研發(fā)流程，梳理需求實現(xiàn)所需開展的設(shè)計活動、設(shè)計驗證活動和實物驗證活動，形成型號的技術(shù)活動清單；再次，復(fù)查型號研發(fā)過程中的技術(shù)活動的完成情況并進行完整性分析；最后，依據(jù)型號的設(shè)計結(jié)果和驗證結(jié)果，分析需求的符合性，形成型號問題清單，支撐型號的設(shè)計改進。航空發(fā)動機型號問題分析工作流程如圖1所示。

圖1 航空發(fā)動機型號問題分析工作流程

構(gòu)建型號需求清單

首先，需要構(gòu)建研發(fā)對象通用需求清單。需求定義的完整性直接影響產(chǎn)品設(shè)計活動和驗證活動的完整性，最終決定了產(chǎn)品交付是否滿足用戶要求。為了保證盡可能地捕獲完整的需求，通過總結(jié)型號的研制經(jīng)驗、整理外文標準和資料、對外合作經(jīng)驗、解讀發(fā)動機適航標準和軍標要求等方式對需求內(nèi)容進行總結(jié)和提煉，從發(fā)動機功能、性能、結(jié)構(gòu)完整性、可靠性、安全性和保障性等22個方面形成發(fā)動機各研發(fā)對象的通用需求清單，各研發(fā)對象通用需求清單中需求項統(tǒng)計結(jié)果如圖2所示。

圖2 各研發(fā)對象通用需求項統(tǒng)計結(jié)果

其次，構(gòu)建研發(fā)對象型號需求清單。依據(jù)發(fā)動機各研發(fā)對象通用需求清單，結(jié)合型號發(fā)動機的研制特點，分析通用需求清單的適用性，針對不適用的通用需求內(nèi)容說明不適用的原因；同時，依據(jù)發(fā)動機的型號規(guī)范和發(fā)動機整機對部件系統(tǒng)的技術(shù)要求，明確各通用需求項的技術(shù)指標和具體要求，形成型號需求清單。

型號需求完整性分析

需求完整性分析主要基于通用需求清單適用性分析的結(jié)果，針對型號研制要求中缺失的需求內(nèi)容，結(jié)合型號的設(shè)計和驗證結(jié)果，開展需求符合性分析，針對不符合的需求內(nèi)容分析型號存在的問題。

型號技術(shù)活動梳理

型號技術(shù)活動梳理基于各研發(fā)對象的型號需求清單，建立需求和產(chǎn)品研發(fā)流程中技術(shù)活動的關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確需求實現(xiàn)所需開展的設(shè)計活動、設(shè)計驗證和實物驗證活動。其中，設(shè)計活動主要是實現(xiàn)需求本身需要開展的計算分析活動；設(shè)計驗證活動主要是通過計算、仿真分析和類比的方式驗證需求的符合性；實物驗證主要通過試驗驗證、裝配驗證、檢測和產(chǎn)品使用等方式確認驗證需求的符合性。

技術(shù)活動梳理過程中要綜合考慮設(shè)計活動是否足夠支撐由需求到方案的實現(xiàn)過程，基于需求梳理的設(shè)計驗證活動是否能夠有效支撐對需求的設(shè)計驗證，基于需求梳理的實物驗證活動是否體現(xiàn)了從零件到部件再到整機的不同層級驗證方式。

型號技術(shù)活動完整性分析

型號技術(shù)活動完整性分析主要基于型號技術(shù)活動的梳理清單，逐項分析需求實現(xiàn)所需完成的技術(shù)活動是否開展，針對已經(jīng)開展的技術(shù)活動，需要提供技術(shù)活動開展的證明文件，分析技術(shù)活動的符合性分析結(jié)果；針對沒有開展的技術(shù)活動說明可能存在的問題。

型號技術(shù)活動符合性分析

首先，要明確技術(shù)活動的技術(shù)要點。技術(shù)要點是完成技術(shù)活動所需掌握的重要、關(guān)鍵的方法和準則，是否按照方法要求和準則開展技術(shù)活動是判斷技術(shù)活動實施符合性的依據(jù)。依據(jù)技術(shù)活動的規(guī)范或指導(dǎo)書，從設(shè)計方法/準則、計算模型準確性、試驗件狀態(tài)準確性、試驗?zāi)M條件準確性等方面提煉總結(jié)技術(shù)要點，才能有效保證技術(shù)活動的符合性，為開展技術(shù)活動的符合性分析提供支撐。

然后，依據(jù)技術(shù)活動對應(yīng)技術(shù)要點的梳理結(jié)果，針對已經(jīng)開展的技術(shù)活動分析是否滿足規(guī)范要求，是否考慮了全部的技術(shù)要點，判斷技術(shù)活動的符合性，在DOORS軟件中完成技術(shù)活動符合性分析，針對技術(shù)活動符合性分析結(jié)果為不符合的技術(shù)活動分析存在的問題和風(fēng)險。

型號需求符合性分析

需要形成需求的驗證準則，需求的驗證準則是證明需求滿足的標準，產(chǎn)品研發(fā)過程中必須遵循該驗證原則確保需求的符合性，主要包括設(shè)計驗證準則和實物驗證準則，明確各項需求對應(yīng)的設(shè)計驗證和實物驗證準則，為評估需求的符合性提供有效支撐。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計、試驗規(guī)范，逐項分析并確定型號研制需求的設(shè)計驗證準則和實物驗證準則。

以發(fā)動機零件的高周疲勞壽命需求為例，該項需求的設(shè)計驗證準則為“依據(jù)發(fā)動機強度設(shè)計規(guī)范，采用有限元的靜頻和動頻計算方法以及線彈性應(yīng)力分析方法計算組件的振動特性，避免發(fā)生常用停留轉(zhuǎn)速下的組件低階共振”。實物驗證準則為“常溫或加溫條件下構(gòu)件振動疲勞試驗，確保構(gòu)件具有可靠的疲勞強度”。以此為例，逐條完成發(fā)動機型號需求的驗證準則，為開展需求的符合性分析奠定基礎(chǔ)。

需求符合性主要對照型號需求清單，基于型號的設(shè)計和驗證結(jié)果，證明對設(shè)計驗證準則和實物驗證準則的滿足情況，說明各研發(fā)對象需求的設(shè)計驗證和實物驗證的符合性結(jié)果，并針對設(shè)計驗證結(jié)果或?qū)嵨矧炞C結(jié)果不符合的需求內(nèi)容，說明可能存在的問題，提出處理意見。

型號問題清單編制

基于型號需求和技術(shù)活動符合性分析結(jié)果，針對需求的不符合項和技術(shù)活動的不符合項，從發(fā)動機功能、性能、可靠性、使用安全和維護保障等方面明確型號研制中存在的問題，分析問題可能產(chǎn)生的影響，明確后續(xù)的改進措施，完成型號問題清單編制。

應(yīng)用效果

為了對航空發(fā)動機型號問題分析方法進行驗證，針對已經(jīng)交付使用的發(fā)動機開展了型號問題分析工作。按照發(fā)動機全層級的研發(fā)對象，發(fā)動機研發(fā)單位完成了涵蓋發(fā)動機整機、全部部件/系統(tǒng)和典型零組件的24個研發(fā)對象的型號問題分析；需求完整性和符合性分析方面，形成全層級研發(fā)對象型號需求清單2800余項，識別需求缺失項217項，需求不符合項80余項；技術(shù)活動完整性和符合性方面，識別技術(shù)活動缺失項280項，技術(shù)活動不符合項95項；針對需求和技術(shù)活動不符合項進行型號問題分析，識別145項型號問題，明確了型號問題的改進措施，為支撐型號設(shè)計改進奠定基礎(chǔ)。

需求完整性和符合性分析結(jié)果

發(fā)動機全層級各研發(fā)對象需求完整性和符合性分析結(jié)果如圖3所示，在需求完整性方面，部件系統(tǒng)層主要缺少進氣機匣焊接應(yīng)力控制要求、風(fēng)扇可調(diào)葉片超調(diào)和響應(yīng)時間等需求；零組件層主要缺少軸承不對中、錯度等需求。在需求符合性分析方面，整機層面主要存在可靠性指標、推力響應(yīng)速度指標等不符合需求；部件系統(tǒng)層存在控制系統(tǒng)控制精度指標不符合需求；零組件層主要存在葉片壽命指標不滿足要求等。

圖3 需求完整性和符合性分析結(jié)果

技術(shù)活動完整性和符合性分析結(jié)果

發(fā)動機各研發(fā)對象技術(shù)活動完整性和符合性分析結(jié)果如圖4所示，在技術(shù)活動完整性方面，整機層主要缺少整機熱分析、整機安全性設(shè)計等技術(shù)活動；部件系統(tǒng)層缺少運動機構(gòu)仿真分析和耐久性驗證等技術(shù)活動；零件層面主要缺少軸承承載能力評估及驗證、軸承腔溫度場分析等。在技術(shù)活動符合性分析方面，整機層面主要存在接通、切斷加力性能計算等技術(shù)活動不符合；部件系統(tǒng)層主要存在故障模式影響及危害性分析（FMECA）等技術(shù)活動不符合；零組件層主要是極限載荷條件下壽命點評估等技術(shù)活動不符合。

圖4 技術(shù)活動完整性和符合性分析結(jié)果

型號問題分析結(jié)果

分析發(fā)動機需求和技術(shù)活動的不符合性，累計識別型號問題145項，如圖5所示，整機層主要存在推力瞬變過程推力響應(yīng)慢、可靠性低等問題；部件系統(tǒng)層主要存在進氣機匣焊縫裂紋、渦輪部件掉塊、燒蝕等問題；零組件層主要存在葉片壽命不足等問題。型號問題的分析結(jié)果與發(fā)動機整機試車和外場使用過程中暴露問題基本一致，驗證了本文提出的型號問題分析方法的有效性。

圖5 發(fā)動機型號問題統(tǒng)計結(jié)果

結(jié)束語

建立以需求為牽引的航空發(fā)動機型號問題分析方法，一方面能夠加強研發(fā)人員對產(chǎn)品研發(fā)需求的關(guān)注，有利于提升產(chǎn)品研制需求的完整性；另一方面基于產(chǎn)品研制需求開展型號研發(fā)，有利于提升型號研發(fā)活動的完整性，最終為提供滿足用戶需求的高質(zhì)量航空發(fā)動機產(chǎn)品提供有力支撐。