場景分析在射流預冷水系統方案設計中的應用

薛洪科， 常鴻雯， 劉旭峰

（中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015）

0 引言

對于較復雜的產品/系統，通常采用系統工程的方法，把用戶的要求轉化為產品/系統的需求，并且產品/系統的最終功能滿足這些需求。在產品/系統的設計過程中，運行使用場景分析是一種常用的設計手段，射流預冷水系統使用工況相對復雜，通過引入場景建模及分析，可獲得到較完備的射流預冷水系統功能，從而指導開展射流預冷水系統的方案設計，該文主要闡述了場景分析在射流預冷水系統方案設計中的應用。

1 項目

隨著未來軍事發展的需求，高超聲速飛行技術作為一個全新的研究領域，其動力技術是難點之一。普通的渦輪噴氣和渦輪風扇發動機，隨著飛行馬赫數的增加，發動機進口氣流總溫增加，使發動機逐漸臨近工作極限包線邊界，大大降低了發動機的工作范圍。射流預冷技術是擴展發動機使用包線的重要技術手段[1]。射流預冷發動機是以常規的航空渦噴或渦扇發動機為基礎，在發動機進口前加裝射流預冷裝置，利用射流預冷裝置向進氣道內噴射預冷介質，通過預冷介質的蒸發吸熱來冷卻進入發動機的空氣，改善發動機進氣條件，使渦輪發動機在更高的高度和更大的馬赫數下工作，從而滿足發動機高空高速飛行任務的需要。

射流預冷水系統是射流預冷裝置重要的配套系統，根據降溫需求向發動機進氣流道內提供預冷介質，通過預冷介質蒸發吸熱降低進氣流道內的氣流溫度，同時提高發動機的推力。射流預冷水系統是射流預冷技術及功能實現的重要支撐，關系著射流預冷技術的安全性和可靠性。該射流預冷水系統主要為滿足地面射流預冷技術驗證而進行設計。

2 總體設計架構

為了獲取較完備的射流預冷水系統功能需求，提升射流預冷水系統的設計質量，提出一種借助于場景分析的射流預冷水系統的設計流程，如圖1所示，該流程主要包括功能與需求、概念方案、場景建模及分析、系統功能定義和建立系統設計方案五個部分。

圖1 射流預冷水系統總體設計架構

圖1中所描述的射流預冷水系統設計過程如下：

1）功能與需求。根據用戶需求進行技術要求識別，明確射流預冷水系統的重要設計指標和目標值。

2）概念方案。對設計指標開展關鍵技術識別，根據關鍵技術實現方式/方法，建立射流預冷水系統初步概念方案。

3）場景建模及分析。對射流預冷水系統使用場景進行建模，編寫使用運行場景說明和繪制功能流程圖，對各使用運行場景應具備的功能進行分析，并對用戶的需求進行檢查補充。

4）功能定義。根據各使用運行場景的功能分析結果，明確各使用運行場景中射流預冷水系統的功能，對功能進行整理和細化，完成功能定義。

5）方案建立。依據概念方案和主要功能，對射流預冷水系統方案進行完善和評估，最終選擇出最優方案。

3 設計過程

本文依據圖1所示的射流預冷水系統總體設計架構，進行射流預冷水系統的方案設計工作。

3.1 功能與需求

所謂功能，是指產品/系統的預期行為，該行為是根據一系列的需求定義的，功能是用戶期望的產品/系統所具備的能力，需求是產品/系統必須滿足的性能或者設計約束的描述。

首先收集用戶對射流預冷水系統的需求。需求可分為直接需求和隱含需求兩部分，直接需求在用戶對系統的設計要求描述中直接獲得，而隱含需求在系統設計應遵循的設計標準、設計規范和設計約束中間接分析獲取。然后對獲取的需求項進行合并整理，形成用戶需求定義表，以此作為用戶需求的基線文件。通過對用戶需求和射流預冷系統設計要求的分析理解，提煉出射流預冷水系的技術要求，并利用質量功能展開工具實現用戶需求向技術要求的轉換和相關性評價，確定出射流預冷水系統的重要技術指標和目標值，如表1所示。

表1 重要設計指標及目標值

3.2 概念方案

表2 概念方案組合

根據對射流預冷水系統重要技術指標的理解，識別出實現上述重要設計指標的關鍵技術，同時針對各關鍵技術的實現方式進行技術檢索，并對檢索出的關鍵技術實現方式進行初步篩選，剔除不適用于該項目的關鍵技術實現方式，如表2中的D42、D43、E52等關鍵技術實現方式在本項目設計過程中不予考慮，然后通過排列組合方式，形成射流預冷水系統初步概念方案的組合列表，如表2所示。

由于現階段對射流預冷水系統的功能流程還處于概念上的初步認識階段，只是對射流預冷水系統的重要設計指標及其實現方式有一個初步的分析整理，還無法形成更詳細的概念方案。

3.3 場景建模及分析

場景分析是一種常用的需求捕獲的技術,是指把要開發的產品,置于其運行的場景中,通過分析其在場景中的預期行為,從而獲得需求的方法[2]，進而識別產品的功能。場景分析不僅可以降低產品/系統中重要的需求被忽視的可能性，而且針對運行場景分析中的功能開展功能失效性分析，為產品/系統的可靠性設計提供準則和指導，對設計風險的規避和設計質量的提升都有非常重要的指導意義。

場景一般包含在產品/系統用例中，目前常用的場景建模方法有自然語言描述和活動圖等[3]，與傳統的自然語言等描述方法相比，活動圖對場景的描述更加直觀，其形式更便于進行分析。

射流預冷水系統的使用運行環境和自身操作都相對復雜，與需求的層次相對應，依據射流預冷水系統的使用工作狀態，包括射流預冷水系統的調試、安裝（向上級系統集成）、使用和維護四個方面，梳理使用運行場景，共梳理出性能檢查、可靠性檢查、聯合調試、噴桿吹掃、低溫噴水試驗等9個運行場景，并對9個運行場景進行場景編號，分別為S1～S9。射流預冷水系統運行場景如圖2所示。

圖2 射流預冷水系統運行場景

射流預冷水系統在每個使用運行場景所完成的預期任務和需求不同，從而導致射流預冷水系統在各使用運行場景中應具備的主要功能都不盡相同，為避免遺漏主要功能，需對使用運行場景編寫場景說明，并以文檔形式完成。在編寫使用運行場景說明時，應主要從各使用運行場景需完成的預期任務、原理框圖、系統功能流程和功能異常情況及處理等幾個方面進行描述，各部分描述應盡量做到詳盡。同時針對射流預冷水系統的每一個使用運行場景的系統功能流程，以功能流程圖的方式表達出來，圖3所示為S1～S3運行場景的功能流程圖，功能流程圖可以更清晰地表達出運行場景中射流預冷裝置所具備的功能。

圖3 S1～S3功能流程圖

圖4 射流預冷水系統備選方案

3.4 功能定義

根據上述對S1～S9使用運行場景的場景說明和功能分析，提取各使用運行場景中射流預冷水系統的主要功能要求，并對相同的功能進行合并整理。由于射流預冷水系統與外部系統存在接口連接關系，如與氣源、試車臺架、射流預冷裝置等，此時應明確射流預水系統功能的邊界，即明確哪些功能是射流預冷水系統應實現的功能，哪些功能是外部系統應具有的功能。按上述原則，共總結出射流預冷水系統一級功能2項、二級功能12項，對分析出的12項二級功能進行詳細說明，并明確各項功能具體要求及目標值。

表3 射流預水系統功能定義表

3.5 方案建立

首先將射流預冷水系統二級功能進行功能向結構的轉換，即通過某種結構形式或外購成品件等實現射流預預冷水系統的二級功能。然后依據初步概念方案和二級功能所轉換出的結構形式，建立射流預冷水系設計方案，最終形成5種滿足使用要求的射流預冷水系統設計方案，如圖4所示。然后根據射流預冷水系統的使用環境條件、加工成本及進度、使用安全性等方面因素，進行各方案的綜合對比分析，最終選擇出方案二作為射流預冷水系統的設計方案。

4 結論

在射流預冷水系統方案設計過程中，通過場景建模及分析獲取了射流預冷水系統的主要功能，為方案設計的完整性提供了有效幫助，提升了射流預冷水系統的設計質量，具有一定的工程推廣價值。