航空發動機功能分析方法研究

■ 王常亮 隋巖峰 寧懷松 李昌紅 谷艷萍 談夢妮 / 中國航發動力所

功能是產品價值的核心體現，對功能的定義和設計往往可以開拓產品的創新空間，不同的功能架構會導致最終產品的多樣性。在航空發動機研發領域，功能分析是實施正向研發的核心技術過程，是連接需求分析和架構設計的橋梁。

發動機的功能是為滿足用戶、飛機等利益相關方的期望而執行的動作或活動的抽象描述。功能分析則是一個將利益相關方需求轉換為系統的功能性特征和功能架構的過程。功能分析的主要研究內容就是系統的功能以及功能之間的關聯。一般在具體的型號/項目開發過程中，從頂層任務分析和利益相關方需求的捕獲開始，針對其中的功能性需求開展產品的頂層功能識別和定義，再將頂層功能按一定的解構思路分解成子功能，并定義功能運行的邏輯關系，進而形成系統的功能架構。對于功能分析方法的研究，可以為中國航發運營管理體系（AEOS）中的架構設計活動提供面向功能邏輯的分析方法支撐，并與其他的流程活動的開展構建廣泛的關聯。

功能分析的重要性

功能分析在提高需求完整性、生成功能架構、拓展創新思路等方面具有重要作用。各企業結合技術領域發展趨勢分析和工程實踐，相繼推出基于模型的系統工程（MBSE）方法論和過程定義，但無論是基于文本的還是基于模型的系統工程，并未降低功能分析的必要性?；谀Ｐ突男枨?，借助建模語言和工具軟件的引入，使得功能分析、功能定義或者功能/邏輯架構的設計過程的內容不斷豐富，對系統功能的描述更加規范統一，功能分析過程的效率得到顯著提升，功能架構的權衡得以更系統地開展。

以圖1所示的美國軍標MILSTD-499B《系統工程草案》中定義的橢圓形系統工程過程模型為例，反映出功能分析是需求分析、設計綜合過程迭代循環的關鍵一環，即功能分析通過與需求分析的循環迭代不斷提升需求的完整性，通過與設計綜合的迭代完成功能架構的定義與確認。從系統工程過程演進來看，功能分析始終是其中的關鍵環節。在2015年最新發布的ISO/IEC/IEEE 15288標準和國際系統工程協會（INCOSE）發布的系統工程手冊（V4.0）中，更是把功能識別、功能定義和架構定義等作為相關技術過程的重要活動。

圖1 美國軍標中的系統工程過程橢圓形模型

近年來，尤其是面對航空發動機這種高度復雜的系統，由于用戶要求不斷提升，產品的功能邏輯日益復雜，在體系化、模型化趨勢加速發展的背景下，對技術創新的需求比以往任何時期都更加迫切。而要實現需求牽引的研發創新，與功能分析相關的技術能力的培養是必備環節，圖2反映了羅羅公司的系統工程能力框架，可以看到功能分析涉及的建模能力、系統架構能力、接口管理能力等，是確保研發過程得以實施的關鍵能力項，尤其是功能工程主管這一角色的設置，從側面反映了功能分析和建模能力在航空發動機研發過程和相應的職能角色定位中存在重要意義。

圖2 羅羅公司的系統工程能力框架

航空發動機功能分析流程

通過系統工程領域關于功能分析過程的通用定義和描述，結合發動機研發過程，可將發動機功能分析流程初步劃分為發動機頂層功能識別、功能分解及邏輯分析、功能分配3大子過程。

頂層功能識別是基于收集到的利益相關方需求或者設計輸入，從利益相關方視角，識別出軍方、飛機、法律法規（如項目需遵循的適航標準、國家標準、軍用標準等）對發動機產品的頂層功能需求，初步定義發動機與外部交互內容，定義利益相關方指定的發動機運行狀態或功能模式。

功能分解過程是基于已定義的頂層功能項，從發動機的視角按照一定的分解方法，完成頂層功能的分解細化。在發動機整機層，功能分解的主要結果是發動機功能清單。邏輯分析過程是結合功能分解過程，剖析功能之間的邏輯關系，開展功能流分析、功能時序分析，并在外部功能接口定義的基礎上，細化定義內部功能接口等。同時，基于前序階段定義的發動機狀態/模式，分析與功能項的關聯以及是否有必要對這些狀態/模式做進一步的分解細化。

功能分配是基于已定義的功能子集，開展功能的群組劃分及優化。這里的功能群組優化是指基于功能的可實現性和當前技術基礎，將已分解的子功能進行適當的群組優化配置，為功能分配做好準備。功能的分配過程，也是對功能分解結果的一種權衡分析過程。如果所分解的功能無法實現順利的分配，則應重新對其進行分解；如果存在多種備選分配方式，則應進行相應的權衡。在分析過程中往往需要構建一些分配的準則，例如，基于功能間接口的復雜程度的考慮等，往往趨向于將交互關系密切，交互行為復雜的功能項盡量封閉在一個功能群組中，進而映射內聚到某一特定的邏輯組件中，實現功能到邏輯組成單元的分配。但功能的最終實現，還是要依賴物理實體。因此，對于功能分解和邏輯分配的結果，還需要通過物理可實現性分析、技術先進性分析等多維度的權衡。

發動機功能分析方法

從上述過程來看，發動機功能分析是一個綜合的技術過程，需要多樣的分析方法支撐。以下主要就具體分析方法進行說明。

在發動機的功能識別方面，場景是捕獲識別需求及功能的有效技術手段，對于航空發動機來說，所有的功能都運行在特定的場景之中，因此，在開展功能識別時，需要考慮定義場景。在分析航空發動機全生命周期主要功能運行場景的基礎上，將概念維、程序維、任務維定義為場景集構建的基準維度，將環境維和狀態維定義為附加維度。基準維度用于定義場景集的主體框架，確保其主干結構的完整性和相對穩定，附加維度通常可以與基準維度疊加，形成更為具體且限定條件更明確的細化場景，各維度具體說明如下。

概念維：涵蓋發動機全生命周期概念的考慮，將發動機測試、發動機制造/裝配/分解、發動機運輸、運行使用、維護保障、退役處置設置為具體的概念場景。

程序維：在每類概念維度之下，必然存在相應的運行或者執行流程，遵循相應的程序或者階段劃分，例如，發動機制造/裝配概念之下，必然涉及發動機制造和裝配的流程，而每個流程又可以根據內容復雜程度繼續劃分其子流程，如裝配可以依據其工藝規程進行細分。

任務維：是利益相關方明確提出的任務要求內容，例如，基于發動機的常規運行程序，或者飛機方提出的飛行剖面要求（包含了滑行、起飛、爬升、巡航等任務段），可以細化出發動機的任務內容，用以支撐上層飛機運行任務的實現。

環境維：包含了除發動機以外，所有與發動機存在關聯的外部環境要素，涵蓋了人員、自然環境、人造環境、相關的系統設備等，這些要素都處于發動機的外部，并通過各種方式與發動機產生交互或者造成影響，并且與發動機之間存在接口和約束。

狀態維：包括發動機運行的狀態/模式，如慢車狀態、全加力狀態、防喘模式、防冰模式、故障模式等，這些狀態和模式可以是復合的，也可以是單一的，取決于具體項目的定義。

依據上述基準維度構建的發動機場景集框架如圖3所示。

圖3 一種基于維度概念的航空發動機典型場景集框架示意

發動機功能分解

基于上述識別的頂層功能，需要按照一定的分解原則和方法，完成發動機功能的分解細化。功能分解的主要結果是功能清單或者功能分解結構。

功能分解應遵循基本的流拼接原則，如圖4所示。即當一個總功能或者頂層功能被分解成子功能的集合時，必須保證上層功能的輸入和輸出，能夠被下層子功能完全承接，并在子功能之間建立起相應的“流”動，這樣才能確保功能分解過程是完整的和可執行的。

圖4 發動機功能分解的拼接原則示意

由于發動機具有復雜的組成單元和結構層級，在自頂向下的開發過程中，要實現功能域到物理域的轉換不可能一蹴而就，即無法完全獨立于物理方案的考慮而完成自頂向下完整的功能分解過程，所謂功能獨立于技術實現也只是在本層級而言。因此，對于發動機來說，其功能的分解需要一個“之”字形的逐層分解過程（見圖5），即在整機、系統/部件、零組件不同的層級，分別開展功能分解，并確定可實現的物理架構或解決方案，當功能分解或解決方案的顆粒度不滿足要求時，則需要在下一層級遞歸開展這一分析和映射過程，直至分解的功能能夠由具體可實現的機械結構、電子電氣和軟件等承接實施。

圖5 發動機功能分解的“之”字分解過程

發動機的功能邏輯分析

發動機的功能邏輯主要應用功能流框圖、功能時序、狀態/模式定義及功能關聯等方法開展分析。

其中，功能流框圖法是經典的功能流分析方法，其目的是顯示系統所有功能的邏輯順序關系，引導功能邏輯分析過程。功能流框圖自頂向下開發，將高層的單一功能分解為低層功能。在每個層次展示所有功能的邏輯和順序關系，并且可以實現自下而上的追溯，圖6給出了航空發動機轉速控制功能的分析示例。功能流框圖顯示了功能的邏輯順序，是功能架構的主要表達視圖。當采用模型視圖表達時，通常可用活動圖的方式呈現。

圖6 發動機“控制N2 轉速”功能流分析示例

功能時序分析法增加了對功能持續時間的考慮，特別適用于功能執行過程有嚴格的時序邏輯的情況，發動機的時序分析多用于控制指令時序、響應時間、執行間隔等存在嚴格要求的功能活動分析過程，此類過程基本都有控制器參與，或者從功能映射的角度說，在航空發動機上需要精確地執行時序或響應特性的控制功能，一般都是由控制器這個物理實體完成的。通常情況下，分析功能的邏輯時序可以有多種方式，例如文字描述、圖表、模型語言（序列圖）等。

狀態/模式的定義以及功能的關聯分析是依據飛機的要求和發動機研發需求，通常會定義一些狀態/模式，并與功能構建起相應的關聯。在發動機研發過程，該狀態/模式的定義和關聯分析過程是非常必要的，因為先進發動機的工作狀態和模式復雜多變，功能邏輯復雜度顯著增加，如果沒有清晰而嚴格的狀態/模式定義，很容易在復雜的運行條件和工況下出現功能性問題，甚至有可能導致嚴重的功能失效故障。因此，通過早期的狀態/模式與功能的關聯分析，明確指定狀態/模式下應該或者禁止執行的功能等，有助于在設計早期階段發現問題。

結束語

綜上所述，功能分析工作在航空發動機研發過程中意義重大，是實現基于系統工程的正向研發的關鍵一環。近年來，功能分析在發動機需求迭代和架構生成方面的作用越發凸顯，尤其是在技術創新層面，功能組合的變化可能直接影響到發動機物理架構的選擇。可以預見，隨著系統工程技術領域基于文檔向基于模型的技術變革推進過程，功能分析將會在發動機功能邏輯建模和架構設計方面發揮越來越重要的作用。