基于跨組織IPT的民用飛機發動機一體化工作模式研究

■ 曾濤 / 中國航發商發 李婧 / 中國商飛上海飛機設計研究院

為了進一步提高性能、降低風險，通過飛發一體化的工作模式開展飛發聯合設計工作已經成為必然的趨勢。基于飛發一體化工作的特點，由飛機和發動機雙方研發人員共同組成的跨組織集成項目團隊（IPT）工作模式是保障飛發一體化工作順利開展的有效手段。

飛機與發動機之間的集成，并非簡單的安裝關系，而是需要充分考慮飛發氣動匹配、機械安裝、功能定義、系統接口等因素的強耦合關系。但飛機和發動機又是兩個相對獨立的復雜系統，因此必須通過大量的設計和驗證工作才能實現飛機和發動機的良好集成匹配。飛發集成方案對飛機的安全性和經濟性有著決定性的影響，如何實現飛機與發動機之間的最優化匹配，是飛機和發動機工程師需共同解決的問題。

民用航空發動機研制一般過程

飛發一體化

飛發之間的集成設計是飛機和發動機設計的天然組成部分。飛機和發動機分別作為獨立的復雜系統，同時又存在強耦合關系。在早期的設計中，飛機和發動機的研制相對獨立，由此也衍生出兩種典型的工作模式，即為飛機設計合適的發動機和圍繞發動機設計合適的飛機。

為了實現飛發匹配，傳統設計中一般是將飛機和發動機解耦，飛發需求通過指標分解至發動機制造商。發動機制造商根據飛機需求獨立完成發動機的研制，而后將發動機交付給飛機制造商進行飛發集成。這種設計方法使得飛機和發動機制造商可以分別專注于自己的領域，但也使得設計匹配無法進行充分迭代和溝通，導致飛機和發動機集成后不能充分挖掘飛機和發動機的潛力，在一定程度上削弱了整個飛機系統的性能甚至是安全性。

隨著航空產品的發展，飛機和發動機之間的互相影響和融合進一步加深。飛發聯合設計將對發動機的尺寸、質量、性能、接口等產生直接影響，發動機的構型在和飛機制造商完成聯合定義之后才能最終確定。而只有當發動機的設計構型確定后，才能完成發動機的CCAR-33部取證。換言之，飛發聯合定義工作不僅僅是為了實現發動機到飛機的安裝，同時也是發動機確定最終構型開展CCAR-33部適航取證的前置條件之一。

飛行試驗臺上的LEAP-1C推進系統

由于飛機和發動機之間集成度的不斷提高，為了進一步提高性能、降低風險，采用飛發一體化的工作模式開展飛發聯合設計工作已經成為必然的趨勢。與傳統方法相比，飛發一體化是通過系統論的方法和全局的視野來將飛機和發動機的研制、使用過程視為一個整體，尋求飛發組合的全局最優化。在C919項目中，CFM國際公司即提出了一體化推進系統的概念，希望將發動機、短艙和吊掛集成為一個大工作包與飛機開展聯合定義。

綜合以上過程，可將飛機和發動機之間的聯合研制工作劃分為3個逐步深化的層次。

第一層是飛發協調。飛發協調是指通過飛機和發動機間數據、方案、安裝、驗證需求等的充分溝通，實現飛機和發動機設計中對于另一方的充分考慮，飛機和發動機有著清晰的工作界面，各自的主要工作均在自己的工作域內完成，飛機和發動機間的集成更多地體現在指標、接口的匹配上。

第二層是飛發集成。飛發集成是指在綜合方案定義、系統構架、功能構架、項目進展等因素的前提下，以發動機和飛機共同的新產品引入過程為工作域，在設計方案、項目安排等方面進行充分迭代，發動機和飛機各自的主要工作仍是在自己工作域內完成，但各自的方案和項目計劃均是迭代后的結果，發動機和飛機之間的集成體現在系統方案、系統構架、項目匹配等各個方面。現有的民用航空飛機研制，一般遵循此流程。

第三層是飛發一體化。在飛發集成的基礎上，業界進一步提出并實施了飛發一體化的概念和工作模式。飛發一體化，是指采用系統論的方法和全局的視野來實現飛機和發動機項目的一體化融合設計的理念。飛機和發動機之間通過持續的一體化迭代融合過程實現優化匹配，在技術、項目的多重維度下實現飛機和發動機的優化組合，以保證雙方的共贏。飛發一體化的工作域覆蓋飛機和發動機雙方從概念設計到客戶服務的全生命周期，目標是充分挖掘飛機和發動機各自潛力，實現飛發間的全局化最優解。對比傳統的飛發協調和飛發集成工作，飛發一體化具備的特點包括設計邊界的雙向延伸，設計定義和迭代的提前開展以及項目管理上的強融合。

IPT工作模式

飛發一體化意味著飛機制造商和發動機制造商要更緊密地聯合在一起開展研制工作，因此有必要引入新的工作模式以支持一體化工作的開展。目前，航空業廣泛采用了集成項目團隊（IPT）工作模式。波音公司在開發777時成立了238個IPT以完成整個飛機的開發任務。中國商用飛機有限責任公司（中國商飛）在C919項目的研制中也采用了IPT團隊的工作模式。

IPT是一個由少量的能力互補的人員組成的小組，所有成員被委托以共同的目的、行為目標和工作方法，并相互負責。由于產品開發的復雜性和多樣性，不同的開發團隊有不同的組織模式，一般而言，IPT自身的組織結構包括分形組織結構和扁平網絡結構兩種典型形式。

分形組織結構

IPT 組織的最直觀結構是根據產品分解結構（PBS）進行團隊的組建與分解，將多個IPT 組成一個多層次的階梯型組織結構。在團隊內部組織上，該框架是一個分形組織結構。一層的團隊領導是上一層的團員。底層IPT 由相關各個專業的人員組成，上層IPT 的成員包括來自所對應下層IPT 的領導和相應的其他人員。在這種體系結構中，上層IPT 具有領導和協調的作用，對底層進行初步設計和總體設計，定義底層IPT 涉及的零部件之間的接口關系。

飛機研發分形組織結構示例

扁平網絡結構

扁平網絡模式將產品開發沿全生命周期和工作分解結構進行徹底的分解，形成一個扁平網狀的IPT小組群。它的優點是可以將IPT 團隊嵌入已有的組織框架結構中，對企業的沖擊比較小，但由于IPT 之間沒有固定的關系，其協作效率將受到一定的影響。

以上兩種結構模式各有優缺點，對于新產品的開發和已成熟產品的改型，階梯形的分形組織結構具有明顯的優點。當企業原有組織框架結構非常穩固時，使用扁平化的網絡結構能很快提高產品開發的效率，避免對原組織結構進行調整所帶來的風險和阻礙。在實際操作中，這兩種結構模式單獨使用，也可以混合使用。對于大型復雜項目，在大的組織層級可采用扁平結構，向下分解采用分形結構。

飛機研發扁平網絡結構示例

飛發協同IPT組織構架

飛發一體化的跨組織IPT應用實踐

如前述，由于飛機和發動機各自在不同的工作域由不同的責任主體負責，原有的組織構架已較難適應飛發一體化工作的開展。為了開展國產動力裝置與國產大型客機間的飛發一體化工作，中國航發商發與中國商飛共同成立了跨組織的飛發協同設計IPT。

飛發協同設計IPT構架

為了減少對雙方原有單位組織的影響，保證一體化研發工作的開展，飛發協同設計IPT采用扁平網絡IPT組織結構形式。

一級IPT由中國航發商發與中國商飛的技術及項目管理人員共同組成。二級IPT 4個，分別為總體集成IPT、吊掛設計IPT、短艙設計IPT和控制集成及驗證IPT，每個二級IPT均由兩個單位的設計人員共同組成。

基于現階段飛發一體化設計需求，飛發協同IPT對工作進行了歸并和分配，二級IPT的技術責任設置如下：總體集成IPT負責飛發需求、性能、布局、四性、適航、噪聲和飛發接口設計定義；吊掛設計IPT負責吊掛結構、系統布置、靜強度、動強度設計定義；短艙設計IPT負責氣動、結構、強度、載荷、系統（短艙防冰系統、液壓系統、滅火探測系統、反推作動系統等）設計定義；控制集成及驗證IPT負責發動機控制集成、飛發電氣集成、航電半物理仿真臺（mini-rig）設計。

為了實現飛發協同IPT與飛發方各自原有設計組織的協調工作，保證一體化工作的開展，飛發協同IPT與飛發原有設計組織的分工是：飛發協同IPT負責集成方案、接口設計和設計迭代控制，飛機和發動機原有組織機構負責具體方案的實現。

飛發協同IPT負責一體化方案的集成設計和迭代，飛發協同IPT由飛發雙方的工程技術人員和項目管理人員參與，可以對飛發各自的需求和初始方案進行直接對接和快速迭代，挖掘飛發各自的潛力。一體化方案形成后，分發至飛機方和發動機方原有設計組織進行實現，實現過程中的問題和迭代實時反饋至協同IPT進行處理。換言之，飛發協同IPT并非取代原有的設計組織，而是通過對一體化方案及過程的控制實現飛發兩個不同設計組織間的有效融合。

飛發一體化實施情況

自2019年成立以來，依托國產民用噴氣發動機和國產民用飛機的聯合定義工作，飛發協同IPT開展了一體化計劃管控、一體化方案設計、飛發接口設計等工作，實現了飛發間的直接快速對接，有效地提高了飛發一體化設計效率。

一體化計劃由飛發IPT制訂覆蓋雙方的一體化集成計劃，而后將相關計劃拆分為兩份實施計劃，計劃的實施由飛發雙方各自完成，實施結果和調整需求反饋至飛發IPT進行統一調配和控制。

一體化方案設計以二級IPT為核心，依托飛發各自技術組織，開展了初步的飛發一體化氣動方案設計、飛發一體化安裝方案設計權衡、飛發一體化性能評估、飛發噪聲集成評估等一體化設計和評估工作，形成了初步的集成方案。

飛發之間的接口包括功能接口、機械接口和電氣接口3個主要類型。由飛發協同IPT負責飛發接口設計，對以上3種接口進行管控。其中，功能接口是對系統功能構架、硬件分工、接口需求、接口參數、設計方案進行定義；機械接口是對系統間的機械安裝、尺寸特征進行定義；電氣接口是對系統間的電氣針腳、供電方案進行定義。通過飛發協同IPT，飛發間形成了一系列功能接口文件的初稿，并清理出了飛發接口的重大偏離項，為飛機方的相關方案更改評估和發動機方的相關方案設計提供了基礎。

通過飛發一體化IPT的運行有效提高了組織間的集成水平，項目研制獲得了如下收益：飛機需求的及時澄清和更新；飛機方設計和試驗試飛經驗的實時共享和導入；飛發一體化方案的快速迭代；飛發接口偏離項的早期識別和評估。

跨組織飛發一體化IPT運行注意事項

飛發一體化IPT加快了飛發聯合定義的設計迭代過程，但由于是不同組織在不同設計領域聯合開展工作，須注意相關事項以保證工作的順利開展。結合飛發協同IPT的運行經驗，總結相關注意事項如下。

一是設計語言的統一。不同設計組織在文件體系、設計流程、文件控制、術語、階段門設置等方面存在不同，容易導致設計和管理上的誤解，跨組織IPT應注意通過設計接口和文件傳遞實現設計流程的融合，通過術語對照表等減少溝通上的誤解。

二是計劃管理。飛發間存在大量的設計迭代和數據交互工作，飛發一體化的工作必須基于合理的計劃開展。同時，由于大量具體設計和評估工作分別在飛發兩個組織內開展，如何保證計劃如期開展，如何實現對計劃進展的控制，是飛發一體化IPT必須注意的問題。飛發一體化IPT應實現計劃的統一管理以保證一體化工作的正常開展。

三是設計數據控制。飛發之間的設計迭代和數據交互將產生大量數據，而這些數據又包括了多種類型，如協調數模、氣動數模、有限元模型、性能數據等。如何對數據的有效性和狀態變更進行控制，如何實現數據的高效傳遞和存儲是飛發一體化工作必須注意的問題。

四是組織構架的動態管理。隨著飛發聯合定義項目的進展，飛發一體化的工作內容和參與人員出現變化。例如，概念設計階段以設計人員為主，試飛驗證階段則需要有設計人員、試驗試飛人員、制造人員等的共同參與。飛發一體化的組織也應實現隨工作內容和項目階段的動態化管理。

結束語

采用跨組織的IPT工作模式是保障飛發一體化工作有效開展的重要手段。跨組織IPT應由飛發雙方共同組建，開展統一的技術和項目協同工作。初步實踐表明，通過飛發協同IPT可以實現飛發間的直接快速對接，有效提高設計效率。同時，跨組織的飛發一體化IPT也應注意設計語言、計劃管理、設計數據和組織動態管理等問題，以保證飛發一體化工作的良好開展。