工業級無人航空器系統工程研究

張偉/珠海隆華直升機科技有限公司，廣東省 珠海市 519040

導 讀：為提高工業級無人航空器項目設計質量和縮短研制周期，本文提出一種適用于工業級無人航空器的系統工程，通過定義目標、設計輸入、工作流程、工作策劃、資源配置、風險評估六個方面的活動，對工業級無人航空器系統工程進行研究，在200kg級工業級無人直升機的某次定制項目中，進行了系統工程的應用驗證，項目驗證結果符合預期目標，充分滿足客戶需求，證明了該工業級無人航空器系統工程的可行性，可為工業級各類型無人航空器的產品研發、定制項目提供借鑒和參考。

引言

作為航空工業的新興領域，工業級無人航空器具有任務多樣性強、應用范圍廣的特點，通過加裝不同任務系統，可有效替代有人航空器，降低飛行員安全風險。工業級無人航空器以動力系統和飛行控制系統為核心，其整機復雜程度較高，其研發工作的側重點在于實現更高的容錯能力和一致性要求。

有人航空器的開發執行標準一般為CCAR25或CCAR23，其核心目標是保證整機安全性，并不關注功能、性能等指標，開發流程常參考SAE ARP 4754A《民用飛機和系統開發指南》，包括八個過程和七大計劃，屬于復雜系統工程的范疇，該流程只針對于有人駕駛飛機，流程過于復雜，在無人航空器領域不具備普適性和推廣性。

從工程角度上看，當前工業級無人航空器的主要研制目標是滿足客戶定制化要求，且目前尚沒有適用于工業級無人航空器開發研制的系統工程，故而產品設計質量和周期往往達不到項目預期目標。

為了提高工業級無人航空器設計質量、縮短項目周期，本文提出一種工業級無人航空器項目開發流程。

開發流程設計

本章從目標制定、設計輸入、工作流程、工作策劃、資源配置、風險評估六個方面對工業級無人航空器項目開發流程進行研究。

目標制定

明確提出項目開發所期望達到的目標和原則，包括：

(1) 項目目標：從需求層面列出項目預期達到的商業目標、客戶需求等。

(2) 質量目標：從產品設計質量層面列出項目預期達到的質量要求、安全性指標等。

(3) 原則：從產品開發思路層面列出項目在并行工程、技術預研管理、原型機快速迭代等方面的原則。

設計輸入

應明確列出產品所必需滿足的要求，包括：

(1) 設計任務書要求。

(2) 法律法規要求。

(3) 標準規范。

(4) 機械、電氣和通訊接口。

(5) 功能和性能要求。

(6) 類似產品的設計經驗。

工作流程

對產品研制流程進行設計，確保產品通過一系列開發活動能夠達到項目制定的目標，包括：

(1) 需求管理流程：通過逐層開展飛機/系統/部件級的需求識別、需求確認和需求驗證，確保產品特性滿足設計要求和客戶使用要求。

(2) 構型管理流程：確定構型項，建立各構型基線(功能基線、分配基線、產品基線) ，對其狀態和更改進行控制，保證技術狀態可控性、可見性、唯一性、可追溯性。

(3) 安全性評估流程：確保產品具有較高的安全性和可靠性，通過安全性評估過程(FHA、PSSA 和 SSA)和分析方法(FTA、FMEA 和 CCA)，使產品滿足安全性目標。

工作策劃

對工業級無人航空器研制階段進行劃分，列出各階段時間、工作內容、具體輸出，包括：

(1) 論證階段：按戰略和市場規劃，對項目進行產品必要性和可行性充分論證。

(2) 概念設計階段：對立項報告確定的的設計要求，以項目聯合團隊形式進行概念設計工，對總體布置、性能指標、技術要求進行概念方案設計工作，確認需求、功能、架構，形成初步總體技術方案。

(3) 初步設計階段：通過項目聯合團隊進行初步設計工作，對各工作分解任務包進行初步設計，開展關鍵技術攻關，確定接口，搭建初步電子樣機設計，形成總體技術方案。

(4) 詳細設計階段：完成整機和工作任務包的詳細設計定義，完成各類設計規范、試驗規范、工藝規范、材料規范、標準化要求，發布工程圖和技術文件，完成分系統功能驗證試驗。

(5) 試制與驗證階段：完成試驗機裝調、地面模擬試驗、試飛，編制客戶資料(飛行手冊、維修手冊、技術說明書) ，凍結產品技術狀態，交付首套產品。

(6) 運行維護階段：按照一機多型的原則，滿足市場需求，加裝各類任務系統，持續取得訂單。完善產品生產模式、銷售模式、維保模式、服務模式，完成批產能力建設。

(7) 處置階段：對于結束服務或到達壽命末期的產品，應制處置機制，及時退出市場。

以上7個階段，需要形成項目完整計劃，明確各階段輸出物，并對轉階段評審進行控制。

資源配置

對產品研制所需各項資源進行配置，包括：

(1) 人力資源：成立聯合研制團隊，明確總師系統和各系統級負責人，明確成員審簽權限。

(2) 溝通機制：對于異地協同設計，需明確溝通的方法、頻次以及渠道。

(3) 軟硬件資源配置：對于開發過程中所需的軟件和硬件進行規劃，提前采購。

(4) 試驗設施：規劃開發過程中的試驗設施，一般包括環境試驗臺、旋翼塔、尾槳試驗臺、整機模擬試飛臺等。

風險評估

對產品研制常見風險和難點進行評估，并制定措施，例如：

(1) 摔機風險高：措施為貫徹安全性分析流程和構型管理流程，提早試制試飛，積累足夠運行時間。

(2) 人員基礎薄弱：措施為返聘航空專家、引入技術骨干、加強專業培訓。

(3) 研制周期緊張：措施為搭建協同設計平臺，貫徹并行工程，聯合設計團隊集中辦公。

(4) 成品故障率高：措施為建立成品鑒定試驗矩陣，引入完整環境要求、電磁兼容要求、壽命要求等，加強元器件和電路板的檢測和篩選。

(5) 未對風險源充分識別：措施為制定常見風險源清單，轉階段時逐一識別，加強評審組水平。

(6) 需求捕獲不夠準確：措施為加強設計輸入評審，提早請客戶介入開發過程，并借鑒有人機標準。

驗證結果

為充分驗證本開發流程，以200Kg級工業級油電混動無人直升機的某次定制服務項目作為驗證對象，進行開發流程應用，項目過程如下。

(1) 2018年某日，接到客戶緊急通知，盡快赴高海拔地區開展多機編隊飛行投送任務。

(2) T+1日，完成項目立項，成立項目聯合工作組，確立項目目標和各業務負責人。

(3) T+3日，完成項目概念設計，確認任務機基本構型和性能指標。

(4) T+10日，完成整機初步設計，確認外置油箱改裝方案及試驗件圖紙、確認通信鏈路方案及試驗件圖紙、初步風險評估和試驗試飛方案。

(5) T+14日，完成詳細設計，以及外置油箱系統整機地面模擬試驗、通信鏈路振動試驗、地面拉距測試、任務機正式投產，制定下階段風險分析，制定通信鏈路預案。

(6) T+22日，完成試制驗證階段，任務機裝配調試，完成自主起降試飛、接力功能試飛和空中拉距測試，根據測試結果，開展風險分析，確認采用通信鏈路預案，隨后整機打包、發運。

(7) T+30日，完成運行維護階段，任務機抵達目的地，申請空域，試飛隊完成復裝、復飛，完成編隊試飛任務。

(8) T+31日，完成處置階段，任務機打包、返回。

通過應用本工業級油電混動無人直升機定制項目系統工程，歷時1個月成功完成本次編隊試飛任務，成為唯一合格的供應商，達到較高的客戶滿意度。

與此同時，其它數個供應商雖然接到研制任務任務的時間較長(6個月以上)，但最終無法滿足客戶指標要求和質量要求，本次正式試飛任務時均未到場。

表1 新流程對比

結論

通過本文研究得到以下結論：

(1) 本文提出一種適用于工業級無人航空器項目的系統工程，通過在200kg級油電混動無人直升機定制項目上的成功應用驗證了其可行性。

(2) 本系統工程可供工業級無人航空器新機研發、定制項目等借鑒，以及其它工業級無人航空器廠商參考，也可適當裁剪或增補，以更好的滿足開發需要。 ■

(參考文獻：略。如有需要，請聯系編輯部)