以需求為牽引的航空發動機型號問題分析方法研究及應用

■ 劉海年 / 中國航發動力所 柳鑫 / 中國人民解放軍93128部隊

發動機的研制和使用過程中會暴露大量的故障和問題，嚴重影響發動機的使用安全，明確發動機產品研制需求以及研發活動的完整性和符合性，是提升發動機研制質量的有效方法。

航空發動機正向研發是一項復雜的系統工程。傳統的航空發動機研制通常采用“設計—試驗驗證—修改設計—再試驗”反復迭代的串行研制模式[1]。我國航空發動機研制初期，由于技術認知和研制能力有限，在研發體系不完備的條件下開始了型號研制，產品研制過程中存在需求內容、設計活動和驗證活動不完整，需求符合性不確定等問題。伴隨“兩機”專項工作的落地實施，航空發動機自主研發能力得到持續提升，產品研發流程持續完善，支撐流程活動運行的流程文件（規范、指導書、檢查單和模板）持續豐富。通過以需求為牽引的航空發動機型號問題分析方法，應用產品研發體系建設的最新成果，全面審視以往型號研發過程的完整性和符合性，分析產品研制過程中的型號問題，對產品進行改進和專項攻關，可以全面提升產品研制質量。

現狀分析

自20世紀80年代以來，歐美航空企業先后引入了全生命周期管理理念，建立了基于系統工程方法和集成產品開發理念的產品研發體系，顯著提升了產品研制質量和研制效率。例如，空客公司提出基于需求的工程，并借助于IBM DOORS RMF需求管理平臺，在A380/A350等飛機研制中進行應用，實現了基于需求的產品設計和驗證，在減少研制后期的缺陷、減少額外費用、提高客戶滿意度方面取得了良好的效果[2]；GE公司建立了完整的產品設計流程體系，強調需求驅動，基于產品需求開展設計和驗證[3]；羅羅公司依據INCOSE系統工程手冊制定了系統工程能力框架，產品研發過程中以需求為牽引實現了從航空動力系統到子系統再到部件的需求定義、分解和驗證[4]。

2010年，國內航空工業開始推進基于系統工程的產品正向研發工作，逐步建立了飛機需求分析、功能分析和架構設計等正向設計方法[5-6]，并在型號研制中得到應用。“十三五”期間，中國航空發動機集團有限公司大力推進運營管理體系（AEOS）建設，旨在打造全集團統一的高效產品研發體系。在實踐過程中，通過引入系統工程方法和集成產品開發理念，建立了完整的研發體系架構，完成了產品研發主流程、基礎支撐流程和職能支撐流程建設[7]，推進了集成產品研發團隊（IPT）和信息技術（IT）系統建設，集團內部各研究院所也開展了發動機研發所需的規范、指導書、檢查單和模板等流程文件建設，并嘗試在重點型號中推進需求管理[8]，航空發動機自主研發能力得到顯著提升，為復查以往型號研制中存在的型號問題奠定了基礎。

航空發動機型號問題分析方法

航空發動機型號問題分析方法主要依據發動機各層級研發對象的需求清單，分析需求和技術活動的完整性和符合性，識別型號存在的問題，通過型號設計改進提升產品研制質量。首先，基于各研發對象的通用需求清單和發動機研制需求（型號規范、技術要求等），梳理形成各研發對象的型號需求清單；其次，依據產品研發流程，梳理需求實現所需開展的設計活動、設計驗證活動和實物驗證活動，形成型號的技術活動清單；再次，復查型號研發過程中的技術活動的完成情況并進行完整性分析；最后，依據型號的設計結果和驗證結果，分析需求的符合性，形成型號問題清單，支撐型號的設計改進。航空發動機型號問題分析工作流程如圖1所示。

圖1 航空發動機型號問題分析工作流程

構建型號需求清單

首先，需要構建研發對象通用需求清單。需求定義的完整性直接影響產品設計活動和驗證活動的完整性，最終決定了產品交付是否滿足用戶要求。為了保證盡可能地捕獲完整的需求，通過總結型號的研制經驗、整理外文標準和資料、對外合作經驗、解讀發動機適航標準和軍標要求等方式對需求內容進行總結和提煉，從發動機功能、性能、結構完整性、可靠性、安全性和保障性等22個方面形成發動機各研發對象的通用需求清單，各研發對象通用需求清單中需求項統計結果如圖2所示。

圖2 各研發對象通用需求項統計結果

其次，構建研發對象型號需求清單。依據發動機各研發對象通用需求清單，結合型號發動機的研制特點，分析通用需求清單的適用性，針對不適用的通用需求內容說明不適用的原因；同時，依據發動機的型號規范和發動機整機對部件系統的技術要求，明確各通用需求項的技術指標和具體要求，形成型號需求清單。

型號需求完整性分析

需求完整性分析主要基于通用需求清單適用性分析的結果，針對型號研制要求中缺失的需求內容，結合型號的設計和驗證結果，開展需求符合性分析，針對不符合的需求內容分析型號存在的問題。

型號技術活動梳理

型號技術活動梳理基于各研發對象的型號需求清單，建立需求和產品研發流程中技術活動的關聯關系，明確需求實現所需開展的設計活動、設計驗證和實物驗證活動。其中，設計活動主要是實現需求本身需要開展的計算分析活動；設計驗證活動主要是通過計算、仿真分析和類比的方式驗證需求的符合性；實物驗證主要通過試驗驗證、裝配驗證、檢測和產品使用等方式確認驗證需求的符合性。

技術活動梳理過程中要綜合考慮設計活動是否足夠支撐由需求到方案的實現過程，基于需求梳理的設計驗證活動是否能夠有效支撐對需求的設計驗證，基于需求梳理的實物驗證活動是否體現了從零件到部件再到整機的不同層級驗證方式。

型號技術活動完整性分析

型號技術活動完整性分析主要基于型號技術活動的梳理清單，逐項分析需求實現所需完成的技術活動是否開展，針對已經開展的技術活動，需要提供技術活動開展的證明文件，分析技術活動的符合性分析結果；針對沒有開展的技術活動說明可能存在的問題。

型號技術活動符合性分析

首先，要明確技術活動的技術要點。技術要點是完成技術活動所需掌握的重要、關鍵的方法和準則，是否按照方法要求和準則開展技術活動是判斷技術活動實施符合性的依據。依據技術活動的規范或指導書，從設計方法/準則、計算模型準確性、試驗件狀態準確性、試驗模擬條件準確性等方面提煉總結技術要點，才能有效保證技術活動的符合性，為開展技術活動的符合性分析提供支撐。

然后，依據技術活動對應技術要點的梳理結果，針對已經開展的技術活動分析是否滿足規范要求，是否考慮了全部的技術要點，判斷技術活動的符合性，在DOORS軟件中完成技術活動符合性分析，針對技術活動符合性分析結果為不符合的技術活動分析存在的問題和風險。

型號需求符合性分析

需要形成需求的驗證準則，需求的驗證準則是證明需求滿足的標準，產品研發過程中必須遵循該驗證原則確保需求的符合性，主要包括設計驗證準則和實物驗證準則，明確各項需求對應的設計驗證和實物驗證準則，為評估需求的符合性提供有效支撐。依據產品設計、試驗規范，逐項分析并確定型號研制需求的設計驗證準則和實物驗證準則。

以發動機零件的高周疲勞壽命需求為例，該項需求的設計驗證準則為“依據發動機強度設計規范，采用有限元的靜頻和動頻計算方法以及線彈性應力分析方法計算組件的振動特性，避免發生常用停留轉速下的組件低階共振”。實物驗證準則為“常溫或加溫條件下構件振動疲勞試驗，確保構件具有可靠的疲勞強度”。以此為例，逐條完成發動機型號需求的驗證準則，為開展需求的符合性分析奠定基礎。

需求符合性主要對照型號需求清單，基于型號的設計和驗證結果，證明對設計驗證準則和實物驗證準則的滿足情況，說明各研發對象需求的設計驗證和實物驗證的符合性結果，并針對設計驗證結果或實物驗證結果不符合的需求內容，說明可能存在的問題，提出處理意見。

型號問題清單編制

基于型號需求和技術活動符合性分析結果，針對需求的不符合項和技術活動的不符合項，從發動機功能、性能、可靠性、使用安全和維護保障等方面明確型號研制中存在的問題，分析問題可能產生的影響，明確后續的改進措施，完成型號問題清單編制。

應用效果

為了對航空發動機型號問題分析方法進行驗證，針對已經交付使用的發動機開展了型號問題分析工作。按照發動機全層級的研發對象，發動機研發單位完成了涵蓋發動機整機、全部部件/系統和典型零組件的24個研發對象的型號問題分析；需求完整性和符合性分析方面，形成全層級研發對象型號需求清單2800余項，識別需求缺失項217項，需求不符合項80余項；技術活動完整性和符合性方面，識別技術活動缺失項280項，技術活動不符合項95項；針對需求和技術活動不符合項進行型號問題分析，識別145項型號問題，明確了型號問題的改進措施，為支撐型號設計改進奠定基礎。

需求完整性和符合性分析結果

發動機全層級各研發對象需求完整性和符合性分析結果如圖3所示，在需求完整性方面，部件系統層主要缺少進氣機匣焊接應力控制要求、風扇可調葉片超調和響應時間等需求；零組件層主要缺少軸承不對中、錯度等需求。在需求符合性分析方面，整機層面主要存在可靠性指標、推力響應速度指標等不符合需求；部件系統層存在控制系統控制精度指標不符合需求；零組件層主要存在葉片壽命指標不滿足要求等。

圖3 需求完整性和符合性分析結果

技術活動完整性和符合性分析結果

發動機各研發對象技術活動完整性和符合性分析結果如圖4所示，在技術活動完整性方面，整機層主要缺少整機熱分析、整機安全性設計等技術活動；部件系統層缺少運動機構仿真分析和耐久性驗證等技術活動；零件層面主要缺少軸承承載能力評估及驗證、軸承腔溫度場分析等。在技術活動符合性分析方面，整機層面主要存在接通、切斷加力性能計算等技術活動不符合；部件系統層主要存在故障模式影響及危害性分析（FMECA）等技術活動不符合；零組件層主要是極限載荷條件下壽命點評估等技術活動不符合。

圖4 技術活動完整性和符合性分析結果

型號問題分析結果

分析發動機需求和技術活動的不符合性，累計識別型號問題145項，如圖5所示，整機層主要存在推力瞬變過程推力響應慢、可靠性低等問題；部件系統層主要存在進氣機匣焊縫裂紋、渦輪部件掉塊、燒蝕等問題；零組件層主要存在葉片壽命不足等問題。型號問題的分析結果與發動機整機試車和外場使用過程中暴露問題基本一致，驗證了本文提出的型號問題分析方法的有效性。

圖5 發動機型號問題統計結果

結束語

建立以需求為牽引的航空發動機型號問題分析方法，一方面能夠加強研發人員對產品研發需求的關注，有利于提升產品研制需求的完整性；另一方面基于產品研制需求開展型號研發，有利于提升型號研發活動的完整性，最終為提供滿足用戶需求的高質量航空發動機產品提供有力支撐。