星級現場建設與預研創新的融合模式探索

王永海、董超、周煒、王剛、王林林 /北京航天長征飛行器研究所

現場管理是運用科學的管理思想、方法和手段，對生產現場的各種生產要素，如人、機、料、法、環等進行合理配置和優化組合，通過有效的計劃、組織、指揮、協調、控制和改進，建立優質、高效、安全、規范的現場管理系統，保證現場按預定的目標實現優質、高效、低耗、均衡、安全、文明生產，提高企業質量、成本、交付能力等各方面的績效水平，從而更好地滿足客戶和其他相關方需求，增強企業的核心競爭力。

隨著航天事業的不斷進步，我國航天工業的特色管理也不斷發展，并形成了與之相適應的管理理念、方法和技術。為進一步規范航天產品研制流程、提高航天產品質量，作為北京航天長征飛行器研究所創新體系的核心和預研創新總體部門，系統研發部開展了以星級現場建設為代表的現場管理工作。當前，現場管理主要面向制造業、服務業及建筑業，與生產車間、服務部門和建筑工地相比，研發設計部門涉及更多的人員、技術、文件和制度方面的管理，其現場管理的內容新、范圍廣、難度大。系統研發部在推進星級現場建設的過程中，實踐了以技術成熟度提升為主線的質量管理、多學科協同優化、三維數字化IPT 協同設計等特色管理改進與管理創新措施，對航天產品型號研制工作起到了積極的推進作用。

一、星級現場建設工作實踐

1.以技術成熟度提升為主線的研發設計過程質量管理

明確質量控制目標、指標、要求和過程質量控制重點，實現研發設計的輸入、輸出、驗證、評審、確認、變更等全過程管理和控制。在此過程中，結合現場資源和不同專業特點，采用適宜的工具和手段提升全過程質量管理水平，并積極運用信息化手段推行標準化及模塊化設計，建立質量數據收集系統，提高研發設計過程的質量和效率，及時發現過程異常，保持質量管理的穩定性。

針對預研設計特點，制定質量管控措施，采用需求分析或設計輸入評審、項目建議書評審、接口文件簽署確認、技術狀態管控、試驗驗證等系統方法對全過程進行管控。采用FMEA、FTA、單點故障模式、技術風險識別與控制、復核復算、三維IPT 設計流程監控等精細化質量管理工具和手段，提升過程管理質量。

系統研發部通過開展星級現場管理活動，梳理出不同階段的關鍵質量控制措施，如圖1 所示。

需求分析（TRL2）階段質量控制?；谑澜缈Х确ǖ念A研方案論證，面向客戶需求的3D打印快速輸出系統、設計和開發策劃。

方案設計（TRL3）階段質量控制。包括FMEA 分析、輸入及輸出管理、技術狀態管理、復核復算及軟件過程管理。

產品研制與集成演示（TRL4-6）階段質量控制。大型試驗質量管控，基于FTA 方法的飛行試驗“雙想”質量管理，I、II 單點故障模式及3 類關鍵特性分析與控制。

研發設計全過程質量控制。包括基于三維數字化的IPT 協同設計，信息化、標準化、模塊化，質量數據收集系統。

2.基于多學科協同優化的飛行力學設計流程再造

圖1 質量管理過程策劃

隨著飛行力學規劃設計變得越來越復雜，按照上級用戶需求設計的飛行力學極有可能超過下游專業約束，從而帶來飛行力學和相關專業方案反復。通過對上級用戶需求充分分析分解和對下游需求前移2 個措施改造飛行力學設計流程，飛行力學規劃設計結果能同時滿足上游和下游需求，避免設計方案反復。

飛行力學設計的上游專業主要包括武器總體、再入飛行器總體和氣動，其中武器總體、再入飛行器總體對飛行力學設計提出條件和約束，嚴格設計輸入控制，確保設計輸入準確及時。

氣動設計是飛行力學專業的上游專業，其工作成果的更新和改動直接影響飛行力學設計的及時性和正確性。飛行力學專業經過與氣動專業協商，制定了氣動與飛行力學的數據格式規范。通過規范輸入，確保了飛行力學仿真可靠性，并通過與下游專業共同研究制訂的接口規范，將這些專業對飛行力學設計的要求和約束前移，作為飛行力學設計和優化中的約束條件，保證了飛行力學設計兼顧防熱、載荷、承力結構、天線罩等專業設計技術要求，優化和簡化了飛行力學設計流程。改造后的飛行力學設計流程如圖2 所示。

3.三維數字化IPT 協同設計方法創新提升設計效率

圖2 改造后的飛行力學設計流程

隨著新技術的推陳出新與飛速發展，飛行器的創新研發周期也在不斷縮短，使用部門對新產品的需求、對功能集成性的要求，以及工業部門對設計質量、面向制造的設計等方面的高要求都給設計研發部門帶來了極大的挑戰。近年來，系統研發部針對這一現狀推出了基于成熟度的項目研發流程，從需求到方案再到試驗等多個過程，以項目孵化池的形式逐步積累，逐漸推進，確保項目由前沿技術向關鍵技術、再到技術方案、最后轉向產品樣機及工程應用的順利推進。

在這個過程中，高效、先進的數字化技術逐步深入到具體的設計環節中，確?；诔墒於鹊难邪l流程的高效運轉，幫助設計師從重復的輸入、整理等工作中解放出來，將更多的時間與精力投入到關鍵技術攻關與綜合方案的集成優化中，為用戶提供不同成熟度的產品。通過三維數字化IPT 協同設計方法的創新，系統研發部近年來在項目申報、型號轉化及成果申報等工作中取得了豐碩的成果。在系統研發部研發設計現場中，具有代表性的數字化協同設計方法有基于三維可視化的電纜敷設優化設計方法、基于參數化的飛行器艙段吊具快速設計方法、提高三維模型集成裝配效率方法以及提升工程圖轉化效率方法等 。

4.提升氣動仿真能力，降低試驗成本

在當前的嚴酷競爭環境態勢下，由于客戶需求調整等原因，能夠進行實時響應的方案論證能力是論證團隊必須具備的核心能力。氣動布局設計和氣動特性分析工作是先進飛行器方案論證階段的主要工作內容，傳統的旋成體外形的氣動特性工程計算方法對于復雜外形的新型飛行器不再適用，只能使用數值仿真方法進行分析，需要使用大量的計算資源和時間，一個外形方案往往要花費數周甚至數月時間才能完成。系統研發部氣動組針對該矛盾開展了改進工程計算方法適應性的工作，使得工程方法可以適用于某些布局的復雜外形飛行器，極大地提高了氣動設計效率，建立了對于新型復雜外形飛行器的方案快速論證能力。氣動專業方案設計流程優化見圖3。

二、實踐效果

1.預研效率效能提升，創新指數連年第一

航天預研創新管理實踐自2016 年4 月啟動，2017 年4 月開始推廣應用。系統研發部依托先進的現場管理理念，注重創新牽引與驅動，直面競爭與挑戰，推進項目的型號應用轉化，不斷提出新問題、新概念、新項目，在多個科研領域連續取得突破，助力研究所連續3年蟬聯研究院創新指數榜第一，為研究所和飛行器技術的發展作出了重要貢獻。

系統研發部2016 年承擔系統級預研創新項目、課題和型號工作共計100 余項，其中新增課題與項目16 項；2017 年承擔系統級預研創新項目、課題和型號工作共計近120 項，其中新增課題與項目19 項；2018 年承擔系統級預研創新項目、課題和型號工作共計近140 項，其中新增課題與項目30 項。

2.飛行力學流程再造，設計效率提高一倍

優化改造后的流程，將再入飛行器防熱、載荷、承力結構、突防、透波罩等多專業的設計技術要求在飛行力學設計和實現中進行了定性分析和優化選擇，保證飛行力學設計輸出能夠滿足下游專業需求。如果出現下游專業無法實現總體指標要求的情況，則直接反饋到用戶需求、導彈總體需求和再入飛行器總體需求，從基本戰標需求上進行改進迭代，避免了基于飛行力學設計的多輪多專業迭代，極大地提升了飛行力學設計效率。

原流程條件下，班組員工飛行力學設計過程平均用時約160工時，改進后班組員工飛行力學設計過程平均用時70 工時，飛行力學設計效率提高1 倍以上；同時，飛行力學設計誤差由改造前位置0.01m、速度0.005m/s，降低到位置0.002m、速度0.001m/s，誤差減小到原來的1/5。

3.三維IPT 協同設計，大幅提升設計效率

目前，研究所推進的具有代表性的數字化協同設計方法包括：基于三維可視化的電纜敷設優化設計方法、基于參數化的飛行器艙段吊具快速設計方法、提高三維模型集成裝配效率方法、提升工程圖轉化效率方法等。

（1）基于三維可視化的電纜敷設優化設計方法

通過與典型型號設計時間對比的方式，開展測試和時間記錄，具體比較項目和效果檢查情況見表1，設計效率提高了5 倍。

（2）基于參數化的飛行器艙段吊具快速設計方法

基于新型設計方法與系統實現，吊具設計人員可以利用系統已有的吊具設計知識，通過選擇艙段類型、吊具類型及設置各個零件的詳細尺寸參數，系統自動調用相關的標準件完成裝配模型的生成，減少吊具設計對設計人員設計經驗的依賴性。此方法省去相似結構重新繪圖的時間，比原方法設計時間減少40%以上。

吊具設計人員對利用本系統生成的模型進行更改時，設計人員只需打開相應的零件參數化界面，更改相關尺寸參數，由尺寸驅動模型自動進行更改，同時模型的父件裝配關系自動更新，減少設計人員更改圖紙的重繪時間。相對于二維設計更改，減少圖紙重繪時間45%以上。

模型設計完畢后，系統自動對零件及裝配模型進行三維標注，減少設計員在二維圖紙上手動標注的時間，并且模型更改時，尺寸與模型相關聯，標注會自動更新，比傳統手工標注時間降低60%以上。

（3）提高三維模型集成裝配效率設計方法

縮短三維模型集成裝配打開時間50%以上，具體效果如圖4所示。

（4）提升工程圖轉化效率設計方法

通過系統的建設與應用，實現了地面設備三維模型向二維模型的自動映射（見圖5），進一步簡化了地面設備模型的維護過程，極大提升了工作效率。

4.提高氣動仿真能力，降低研發設計成本

圖5 結構工程圖快速設計過程

在氣動設計過程中，不斷總結研制經驗和建立設計準則，有效降低了方案論證階段各專業對大型地面試驗和（半）實物仿真的依賴程度。以某類慣性飛行器為例，前期型號在方案論證階段開展了8 類12 項風洞試驗，試驗成本約為790 萬元；在后續改進型號研制時，基于已有經驗和設計準則，依靠開展數值仿真、復核復算等校驗工作，僅開展了3 類3 項風洞試驗，試驗成本約為240 萬元，僅風洞試驗一項與前期型號相比減少了成本約550萬元。

北京航天長征飛行器研究所通過開展星級現場工作，制定了合理的現場管理措施，通過正確的選擇和使用管理工具或方法提升了預研創新現場管理的效率和質量，降低了預研創新的成本。后續，研究所將持續推進“一心、二效、三節”的現場管理理念，通過頂層策劃、流程再造、系統實施等一系列舉措建立和完善部門現場管理體系，不斷增強部門的現場管理水平，促進核心競爭力的提升，深化研究適合預研創新的現場管理工作模式和方法，使研發現場管理能力上升到一個新臺階。