■ 劉曉松 王相平 何為 王常亮 / 中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所

航空發(fā)動機的研制是一個技術(shù)要求極高、難度極大的系統(tǒng)工程，迫切需要采取非常舉措，加快研制步伐。因此，中國航發(fā)明確提出了在“十四五”初期實施“一次成功”工程的戰(zhàn)略。

對于航空發(fā)動機來說，產(chǎn)品的一次成功需要從設(shè)計、試制和試驗等方面同時發(fā)力，而設(shè)計和試制是否到位，最終是通過試驗結(jié)果呈現(xiàn)的。因此，試驗成功內(nèi)涵不僅僅是某項試驗順利完成，更重要的是在產(chǎn)品視角下的試驗成功，即在試驗對象設(shè)計結(jié)果滿足需求、制造結(jié)果滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上，試驗環(huán)境符合需求場景，試驗技術(shù)指標(biāo)和子樣數(shù)達到設(shè)計指標(biāo)并滿足分配需求的情況下，才能夠稱之為“試驗成功”。此外，從以往的型號研制經(jīng)驗來看，試驗過程中暴露的質(zhì)量問題也是制約研制進度的重要因素，因此在試驗階段推進一次成功工程，是加快航空發(fā)動機研制的有效手段。本文以任務(wù)工程方法為指導(dǎo)，建立航空發(fā)動機試驗“端到端”全過程分析模型，并融入航天的系統(tǒng)預(yù)防的理念，提出航空發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)試驗一次成功體系的構(gòu)建方法。

試驗一次成功體系建設(shè)路徑

航空發(fā)動機試驗一次成功體系本質(zhì)上是指導(dǎo)航空發(fā)動機試驗驗證，保證試驗一次成功的一套文件體系。

因此，試驗一次成功體系首先要解決的是如何完整地識別航空發(fā)動機試驗項目，如果試驗項目有遺漏，則必然導(dǎo)致文件體系構(gòu)建不完整，這是試驗一次成功體系的前提。

其次，針對各試驗項目，以試驗一次成功為目標(biāo)構(gòu)建各試驗全過程的分析模型，此時引入任務(wù)工程方法，以任務(wù)工程提供的任務(wù)方法構(gòu)建試驗全過程分析模型，進而建立試驗項目一次成功的指導(dǎo)文件，同時將系統(tǒng)預(yù)防的技術(shù)方法、管理模式，以及文化理念融入文件，從技術(shù)和管理兩個方面提升試驗成功率，這是試驗一次成功體系構(gòu)建的關(guān)鍵。

最后，建立滿足試驗驗證需求的仿真平臺和驗證平臺，這是試驗一次成功體系構(gòu)建的保障。

試驗一次成功的前提：定義試驗項目清單

航空發(fā)動機研發(fā)涉及多專業(yè)，各專業(yè)間關(guān)聯(lián)性大，并存在相互制約的情況，試驗層級對象、試驗條件和試驗環(huán)境千差萬別。應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）技術(shù)，在模型環(huán)境中定義工作環(huán)境和設(shè)計指標(biāo)、分析功能活動，建立航空發(fā)動機場景模型，基于場景模型完整地識別出航空發(fā)動機研制的需求。同時，鑒于航空發(fā)動機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，基于穩(wěn)定的產(chǎn)品架構(gòu)分析發(fā)動機的結(jié)構(gòu)組成和接口關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)需求的分解和傳遞，進而分析試驗內(nèi)容、明確驗證需求，形成結(jié)構(gòu)化的試驗項目清單，步驟如圖1所示。

試驗一次成功的關(guān)鍵：構(gòu)建一次成功體系文件

針對各試驗驗證項目，承接需求和產(chǎn)品架構(gòu)的驗證要求，以任務(wù)工程方法為指導(dǎo)，以各試驗項目一次成功為頂事件，詳細定義各試驗項目的“問題—場景—度量—設(shè)計—分析—效能”過程，并融入成功樹、數(shù)據(jù)包絡(luò)等系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)方法，建立各試驗項目的一次成功指導(dǎo)文件，全過程分析模型如圖2所示。

圖2 基于任務(wù)工程的試驗項目分析模型

設(shè)計試制問題分析

針對試驗項目驗證對象，以滿足需求為判定標(biāo)準(zhǔn)，全面審視試驗對象的“需求—設(shè)計—試制”的全過程，分析查找前期問題，制定規(guī)避措施。

“需求—設(shè)計”過程通常分析試驗對象前期設(shè)計過程存在的問題。例如，試驗對象在全階段、全層級的設(shè)計任務(wù)是否都開展了，有無遺漏活動；設(shè)計結(jié)果是否符合分配給研發(fā)對象的需求；設(shè)計所用的關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級是否滿足要求；針對設(shè)計過程存在的問題，制定并實施設(shè)計風(fēng)險規(guī)避措施等。通常可以基于產(chǎn)品的需求驗證矩陣開展分析。

“設(shè)計—試制”過程通常分析試驗對象試制中存在的問題。例如，試驗對象在全階段、全層級的試制任務(wù)是否都開展了，概念階段是否分析了可制造性需求的合理性、制造策略的合理性，方案階段是否開展了工藝總方案、工藝設(shè)計與開發(fā)，開發(fā)階段是否對試驗對象的工藝性進行了審查，保證圖樣的可制造性；是否對試驗對象生產(chǎn)過程及成品實物進行了全面檢查，交付產(chǎn)品滿足設(shè)計要求；開展工藝、裝配過程對試驗對象性能的影響；采用的制造關(guān)鍵技術(shù)成熟度等級是否滿足要求；針對制造過程的問題，制定并實施試制風(fēng)險規(guī)避措施等。

試驗場景及能力分析

描述從試驗需求到需求實現(xiàn)評估的“端到端”全過程和要求，確定所需的試驗?zāi)芰σ?，分析試驗環(huán)境并明確試驗的假設(shè)條件，支撐各試驗項目的實施部署。

一是“端到端”試驗項目全過程描述。針對試驗項目特點，建立試驗項目的“端到端”全過程，通常包含試驗需求、試驗策劃、試驗方案設(shè)計、試驗大綱、試驗前評估、試驗執(zhí)行、試驗結(jié)果分析和需求實現(xiàn)評估等。需說明的是，該過程主要描述的“端到端”試驗全過程中管控要求，側(cè)重于各步驟實施要求，是從過程管控視角下建立的。

二是試驗項目驗證環(huán)境分析。定義試驗環(huán)境的劃分方式，定義試驗環(huán)境的分類及內(nèi)涵；針對各試驗項目，確定驗證環(huán)境，對比真實環(huán)境，明確試驗環(huán)境的假設(shè)條件和約束，分析試驗環(huán)境與真實環(huán)境的差異以及對試驗結(jié)果影響。

三是試驗?zāi)芰Ψ治??；谠囼烅椖咳^程，清晰界定各試驗步驟執(zhí)行所需的能力需求，明確實施任務(wù)過程所需的能力要素和保障條件。重點分析：試驗實施的技術(shù)、技術(shù)管理、項目管理能力；試驗實施的組織能力；試驗實施的信息技術(shù)能力；試驗實施的設(shè)備能力；意外情況（風(fēng)險、安全性問題等）的應(yīng)對能力。針對試驗?zāi)芰π枨?，結(jié)合企業(yè)當(dāng)前的試驗?zāi)芰Γ鞔_能力差距，并分析差距對試驗結(jié)果的影響。

試驗度量指標(biāo)定義

建立各試驗項目的成功標(biāo)準(zhǔn)和度量指標(biāo)，作為判定試驗是否成功的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。度量指標(biāo)建設(shè)主要考慮以下3個方面。

一是試驗系統(tǒng)效能度量指標(biāo)（MOE）定義。包括試驗成功的標(biāo)準(zhǔn)度量，試驗中希望獲得的功能、性能、通用質(zhì)量特性、作戰(zhàn)適用性等指標(biāo)和試驗效果的評價標(biāo)準(zhǔn)等，還包括試驗中的主要限制參數(shù)、監(jiān)控參數(shù)、測量的參數(shù)和項目等。

二是指標(biāo)量化。指標(biāo)必須是量化的，并包含容差要求，并應(yīng)明確門限值（或閾值）和目標(biāo)值，如某次試車時，發(fā)動機推力的最低值（門限值、閾值）和期望值（目標(biāo)值）。需說明的是，試驗項目門限值的確定需要一系列基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐，通常需開展試驗的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、試驗指標(biāo)參數(shù)的探邊摸底等。

三是關(guān)聯(lián)的MOE分析。要說明相關(guān)度量指標(biāo)和上級需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系，確保對上級試驗的可支撐性?？梢罁?jù)MBSE中的需求模型、架構(gòu)模型等進行分析。

試驗設(shè)計與定義

詳細定義具體試驗項目的實施過程，包括步驟、要求、實施方法、數(shù)據(jù)模型和相關(guān)基礎(chǔ)要素等，如圖3所示，保障試驗項目高效有序地開展，試驗結(jié)果滿足度量指標(biāo)要求。

圖3 試驗設(shè)計和定義的要素

在試驗任務(wù)設(shè)計與定義中，需融入成功樹方法等技術(shù)，以確保試驗任務(wù)一次成功為頂事件，通過由上而下逐個地進行一次成功因果邏輯分析，找出促使頂事件發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)節(jié)、影響因素和控制因素，找出制約一次成功的薄弱環(huán)節(jié)所在，對各薄弱環(huán)節(jié)采取有針對性的措施，形成試驗一次成功模型。

針對各試驗項目，構(gòu)建各場景的試驗任務(wù)模型，規(guī)定試驗?zāi)康?、試驗對象、試驗場景、試驗設(shè)備、試驗方法、試驗過程管控、通用基礎(chǔ)要素、試驗人員、試驗交付件等相關(guān)內(nèi)容，用以“事前”詳細檢查試驗前準(zhǔn)備情況，“事中”規(guī)定試驗過程和要求，“事后”試驗結(jié)果處理分析。

試驗執(zhí)行分析

以試驗度量指標(biāo)為驅(qū)動，通過試驗過程的仿真分析等，判定其與度量指標(biāo)的可達性，通過試驗方案的迭代調(diào)整，優(yōu)化形成試驗方案，保證試驗結(jié)果與度量指標(biāo)的符合性。迭代過程如圖4所示。

圖4 試驗分析與試驗度量的迭代過程

系統(tǒng)預(yù)防理念的融入

系統(tǒng)預(yù)防理念的融入主要涉及系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)、系統(tǒng)預(yù)防管理和系統(tǒng)預(yù)防文化等方面。

一是融入系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)。系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)是通過任務(wù)工程理念的導(dǎo)入實現(xiàn)的，通過任務(wù)工程的實施，保障在試驗執(zhí)行前，設(shè)計和試制問題得到全面的分析與解決、試驗場景及能力定義清晰、試驗度量指標(biāo)及邊界明確、試驗實施過程詳細準(zhǔn)確、試驗方案合理，并將成功樹、數(shù)據(jù)包絡(luò)、探邊摸底和試驗仿真等系統(tǒng)預(yù)防的技術(shù)融入試驗全過程分析模型。

二是融入系統(tǒng)預(yù)防管理。針對單一試驗項目，在試驗項目的“試驗設(shè)計與定義”中設(shè)置了過程管控要求，從試驗策劃、試驗風(fēng)險、試驗質(zhì)量控制、試驗關(guān)鍵點評審等方面，增強單一試驗的系統(tǒng)預(yù)防管理能力。同時，在產(chǎn)品層面，產(chǎn)品設(shè)計之初需開展產(chǎn)品的總體試驗策劃，通常與產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計并行，對試驗項目和試驗資源進行統(tǒng)籌規(guī)劃并合理安排試驗資源，確?？蒲性囼炄^程的質(zhì)量、安全和保密等管理到位，提升科研試驗效能和管理水平。對重要項目試驗和重要科研試驗進行重點管控和監(jiān)督，以此促進各單位對其他科研試驗的統(tǒng)籌推進，確保試驗總體目標(biāo)實現(xiàn)。

三是融入系統(tǒng)預(yù)防文化。對于系統(tǒng)預(yù)防文化一般不能直接融入試驗指導(dǎo)文件中，通常是通過培訓(xùn)學(xué)習(xí)、評優(yōu)評先和特色活動等方面的規(guī)章制度實現(xiàn)。但需說明的是，這類規(guī)章制度需要服務(wù)于試驗文件體系，二者需相互協(xié)同。

試驗一次成功文件架構(gòu)

綜合上述分析過程，構(gòu)建試驗一次成功文件體系，試驗一次成功文件體系大體包含4類文件，如圖5所示。

圖5 試驗一次成功文件架構(gòu)

一是指導(dǎo)試驗具體操作的作業(yè)文件，包括結(jié)構(gòu)化試驗項目清單、各試驗項目一次成功指導(dǎo)書以及下層作業(yè)指導(dǎo)書。該類文件是試驗一次成功體系的核心文件。

二是試驗一次成功的通用的技術(shù)方法，如試驗成功樹分析指導(dǎo)書、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析指導(dǎo)書等，體現(xiàn)的是系統(tǒng)預(yù)防基礎(chǔ)技術(shù)能力。主要用于指導(dǎo)各試驗項目開展自身的成功樹分析、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析等，形成適用于具體試驗項目的模型并融入第一類文件中，提升各試驗系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)能力。

三是試驗過程管理文件，包括試驗管理流程、產(chǎn)品試驗策劃指導(dǎo)書、試驗方案/試驗大綱/試驗結(jié)果分析報告等交付物模板和試驗過程關(guān)鍵點檢查單等，體現(xiàn)的是系統(tǒng)預(yù)防管理能力，是對第一類文件實施過程的管控要求。

四是系統(tǒng)預(yù)防文化的規(guī)章制度。

試驗一次成功的保障：構(gòu)建仿真和驗證平臺

驗證大體上劃分為仿真驗證和實物驗證，試驗一次成功文件的執(zhí)行離不開試驗仿真平臺、實物驗證平臺的支撐。目前國內(nèi)航空發(fā)動機試驗驗證所需的試驗技術(shù)和試驗設(shè)備，尤其是整機驗證平臺（包括地面室內(nèi)試驗、露天試驗、高空臺試驗和飛行臺試驗等）與國際先進水平還存在一定的差距。

因此，驗證平臺的建設(shè)也是試驗一次成功體系的重要建設(shè)內(nèi)容。從仿真和試驗驗證需求出發(fā)，建立配套的仿真平臺、驗證平臺（試驗件、試驗臺/器/設(shè)施），為產(chǎn)品各層級驗證提供能力保障；同步厘清企業(yè)現(xiàn)有的試驗資源，通過改造等建立先期驗證平臺，驗證試驗關(guān)鍵技術(shù)，提升試驗技術(shù)成熟度；摸底探邊，暴露風(fēng)險，降低正式考核試驗的風(fēng)險。

結(jié)束語

基于任務(wù)工程構(gòu)建航空發(fā)動機試驗一次成功分析模型，能夠有效指導(dǎo)航空發(fā)動機試驗任務(wù)的全過程分析，保障在試驗前，影響試驗的各方面因素得到全面識別，提升試驗成功率；將系統(tǒng)預(yù)防技術(shù)、系統(tǒng)預(yù)防管理、系統(tǒng)預(yù)防文化融入試驗一次成功分析模型，強調(diào)在試驗執(zhí)行前積極預(yù)防、試驗執(zhí)行中過程的管控，從管理上進一步提升試驗成功率。