IHPTET计划的先进项目管理方法

王巍巍，郭 琦，黄顺洲

(中国燃气涡轮研究院，四川 成都 610500)

1 引言

IHPTET计划是美国国家级航空燃气涡轮发动机预研计划，于1988年正式开始至2005年结束，是迄今为止美国最为成功的预研计划。在该计划开展的18年期间取得了丰硕的科研成果。IHPTET计划之所以能够取得成功，与该计划实施过程中采用科学有效的项目管理方法GOTChA具有密不可分的关系[1]。

2 GOTChA的概念

GOTChA 由目的(Goals)、目标(Objectives)、技术挑战(Technical Challenges)和方法(Approaches)构成[1]。目的，即顶层技术目标，指最终想要得到的结果，即计划要达到的技术水平，这种技术水平与现有技术水平相比有很大的改进，并且这种改进能够量化，通过改进给系统带来的效益与贡献也可以衡量。目标，指计划中研究的具体部件和系统要达到的技术水平，这种技术水平与现有技术水平相比有很大的改进，这种改进也能够量化，通过改进给系统带来的效益与贡献也可以衡量。技术挑战指特定的科学/技术难点，需要新的知识或技术来攻克，以达到既定的技术目标。方法，是指解决技术难点所必需的先进的科学技术方法。

GOTChA项目管理方法要严格遵守计划目的。目的要明确，目标要清晰。目标一旦确定绝不轻易更改，实在有困难，可以延期，但最终要达到的目的决不动摇。GOTChA方法的难点在于准确制定出技术目标，并根据这些目标推断出可能会遇到的技术挑战，通过各种途径和方法来应对技术挑战，克服技术障碍，达到最终目的。图1以军用小涵道比涡扇发动机为例来说明GOTChA方法的流程[2～4]。GOTChA方法首先要明确目的，对于小涵道比军用涡扇发动机而言，关键的参数是推重比、耗油率、成本等，所以在GOTChA流程中，先要列出这些关键参数，并给出最终目的。例如，要提高多少或者改进多大，都要有量化指标。接下来列出对这些关键参数有重大影响和为这些关键参数进一步提高有贡献的部件及系统，对它们提出具体的技术指标。然后确定出为了达到这些技术指标可能遇到的挑战，给出应对方法。为了解决技术难题，可能有很多种方法，众多方法综合比较，最后找出对达到最终想要的结果和既定技术指标有最大贡献的方法。这里的最大贡献，是指子系统的技术指标，既能达到既定水平，同时对实现计划目标又有举足轻重的作用，对其他部件的负面影响最小。

3 GOTChA的制定准则

GOTChA方法的关键是要给出计划的最终目的，是否正确给出直接关系到整个计划管理的成败。在整个计划管理过程中，目的一定要清晰明确。如何合理给出这种长达18年或者持续时间更长的计划的最终目的，是GOTChA方法非常重要的环节。IHPTET计划这样制定最终目的：首先，把即将要开展的计划与前期已开展的众多计划衔接起来，以前期开展的那些计划取得的成果和建立的技术储备为依据；第二，根据当前的技术现状，以已经掌握并可使用的技术的水平为基础；第三，在前期通过验证的先进技术基础上，再考虑未来的发展空间，并同时要具有突破性进展来确定计划目标。下面以IHPTET最终要达到的目的——推重比提高100%的制定为例，来说明GOTChA方法中目的制定准则。

在IHPTET之前，美国开展了多个预研计划，其中包括ATEGG、APSI、JTDE等。IHPTET计划在上世纪80年代初酝酿时，充分考虑了上述计划中军用发动机的技术发展重点。在确定IHPTET最终目的时，管理层借鉴了上述计划已经取得的成果，把最终目的建立在前面计划的基础上，同时重点强调革命性的技术突破。IHPTET把大幅提高推重比列为最终目的，与以前计划中把技术发展重点放在改善耐久性上有了新的突破。IHPTET计划的最终目的是推重比提高100%，是在推重比8的发动机YF119/YF120基础上提高100%[5，6]。为什么会选择推重比8这个量级作为计划最终目的的参考基础呢。从YF119发动机的研制进程不难看出，在1985年IHPTET计划开始制定时，该发动机已经进行了全面的技术验证，完成了地面试验，也就是说在提出推重比目标时，美国已经掌握了达到推重比8所需要的关键技术，尽管当时真正的推重比8这个量级还没有完全达到，但是在可以预知的未来肯定能够达到。这个最终目的，即通常所说的顶层技术目标的确定也正是IHPTET计划中所采用的GOTChA方法进行项目管理的第一步。在确定最终目的这个环节，该方法体系表现出了对基础目标选择的高度重视，选择一个很快就能达到的目标为基础，也就是人们常说的“够得着”的指标为基础，这样才能制定出“跳一跳”就能达到的目标。GOTChA方法最关键的也正是这个目的的确定。

图1 GOTChA项目管理方法的技术路线流程图Fig.1 Technical route diagram for GOTChA

最终目的确定后，GOTChA方法的第二步就是把最终目的分成几个目标，每个目标都将为最终目的做出一定的贡献。IHPTET计划的目标分为三个阶段来实现，下面以第3阶段的目标为例来说明GOTChA目标的确定。对于涡喷/涡扇发动机而言，以计划的第3阶段目标为基础，再分别按部件(压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管)和系统(机械系统和控制系统)来具体分解每个部件和系统为达到总目标所能奉献的比例，落实到每个部件和系统具体的技术指标要求。例如，针对压气机而言，为实现第3阶段目标，首先要求其效率提高5%、压气机出口温度提高152℃、重量减少50%、级负荷增加50%、引气量减少60%、制造、维修成本分别降低55%和65%。对于控制系统和机械系统而言，也需要为达到该阶段目标做出相应的贡献，需要控制系统的重量降低50%，机械系统的重量降低 20%，等等[7，8]。

GOTChA方法的第三步是确定出为达到具体目标所面临的技术挑战。下面仍以IHPTET计划第3阶段为例来说明。在前两个流程结束后，GOTChA方法就要提出要应对的技术挑战，如：燃烧室要实现第3阶段目标，必须面临的技术挑战就包括要缩短燃烧室长度、改善出口温度分布均匀性等；高压涡轮面临的技术挑战包括如何在提高涡轮前燃气温度的情况下减少冷却空气量，提高级做功量的同时要降低高负荷带来的损失等。在GOTChA方法的第三步，要把每个部件和系统可能面临的技术挑战都详细地列举出来。

GOTChA方法的第四步，就是针对前一个流程中确定出的技术难点和所面临的挑战给出解决方法。解决技术难点和应对技术挑战的方法有很多，如：燃烧室需要采用先进的火焰筒技术、陶瓷基复合材料火焰筒、燃油分级结构设计、燃烧室和涡轮耦合气动设计等；高压涡轮要采用先进材料(如陶瓷基复合材料和热障涂层)、整体铸造技术、三维非定常流体力学设计软件、刷式封严和指尖密封等。

目的、技术目标、技术挑战和方法都一一确定后，GOTChA的流程就形成了一个闭环，接下来就按照该方法的每一个流程来实施。IHPTET计划之所以能够取得很多成果，与GOTChA方法的实施有着不可分割的关系。正是借助于该方法一环扣一环的技术目标分解与分阶段、分步骤的实施，使得IHPTET成为目前最成功的预研计划。

4 GOTChA方法在IHPTET计划中的具体应用

IHPTET计划各阶段和各部件都按照GOTChA流程进行管理。首先把IHPTET计划的顶层技术目标分配给各阶段，再按照各阶段的要求分解到各部件，确定出要得到的技术指标、为达到这些技术指标可能遇到的技术挑战，技术挑战确定了要实现IHPTET计划技术目标必须突破的技术障碍，解决问题的方法确定了众多技术途径和先进技术手段，旨在扫除达到该计划既定技术目标时遇到的技术障碍。

在GOTChA流程中，能够清晰地确定出高压部件、低压部件、机械系统、工艺和材料等为实现计划总目标所做的贡献。各个子系统为总目标所做的奉献和为此付出的努力在这个管理流程中都清晰可见。图2给出了高压涡轮部件为IHPTET计划总目标奋斗的历程[8]。

从图2中不难看出，涡轮作为该计划子系统所做的贡献。为了能够使系统达到第2阶段推重比提高60%的目标，涡轮本身需要实现级负荷提高30%、效率提高30%、质量减少30%等若干个具体的子目标，才能为顶层技术目标做出应有的贡献。为达到这些技术指标要面临前所未有的挑战，如在损失不增加的条件下很难再提高级负荷等，为了应对挑战必须运用各种可能的方法以达到最终目的。

GOTChA在IHPTET计划中应用时，不仅能够把系统顶层技术目标分解给子系统，而且能把子系统的目标分给具体的零件或者具体的设计途径上。还以涡轮为例，为实现系统目标，不仅涡轮部件本身要实现若干技术目标，应对很多挑战和采取合适的方法，而且涡轮部件的具体零件(如叶片和盘)也都要为这个顶层技术目标做出奉献。这些奉献可以从结构设计、强度设计、气动设计、工艺与材料设计等几个方面来衡量。图3给出涡轮叶片的强度设计为顶层目标所做贡献的GOTChA流程图[9]。

由图3可见，GOTChA方法不仅适用于大部件，零件与系统同样适用。单个部件可以通过该项目管理方法梳理，单项新技术攻关同样可以采用这样的流程管理。如，针对燃烧室火焰筒采用的陶瓷基复合材料，在新材料研发时，首先要明确研发该材料的目的，开发该材料的目的是为顶层技术目标，即推重比翻一番做出贡献，相应地要提出技术目标——T4提高482℃，为完成这个技术指标面临的技术挑战，即陶瓷基复合材料能够承受的压力和温度，最后给出解决问题的方法，就是研发出能够耐受1315℃的复合材料。

图2 IHPTET计划中涡轮部件的GOTChA流程管理Fig.2 Turbine component GOTChA management in the IHPTET program

图3 GOTChA项目管理方法中子系统的技术流程图Fig.3 Technical flow chart for the sub-system of GOTChA project management

在IHPTET计划中，从整个系统(即发动机)到与整个系统相关的所有子系统(即零部件和子系统)都采用GOTChA方法进行管理。由于采用了这种科学有效的管理方法，使得IHPTET计划中每个阶段的目标都非常明确，为实现目标要走的技术路线非常清楚，能够为各个阶段目标做出贡献的部件和系统也清晰明了，它们要实现的具体技术目标、面对的挑战和克服困难的方法都一目了然，从而使这个庞大的计划管理变得透明化，简单化。

5 GOTChA项目管理方法的启示

5.1 确定一个基准发动机

在开展一项大型预研计划过程中，为了能准确确定计划的最终目的(即顶层技术目标)、制定分阶段目标和分配各阶段关键技术指标以及组织实施等问题，可以借鉴IHPTET计划中的GOTChA方法。在顶层技术目标确定时，可以参考GOTChA中目的的确定流程，确定一个基准发动机，为预研计划顶层技术目标的确定建立一个比较的平台。如，顶层技术目标是在某型航空发动机——确切地说是在某年的某型发动机技术基础之上提高多少比例。不仅顶层技术目标如此，子系统(如高、低压部件等)都应以顶层目标的参照基准为参照对象，制定最终目的。如果没有一个参照对象，即没有一个比较基础，很难制定出具体的技术目标。参照对象，即顶级技术目标的参照基础，在该基础上通过采用先进设计技术和新材料与新工艺，确定出未来5～10年或者10～20年可以实现的最终目的。主系统(发动机)和子系统(部件)等的参照基础应相同，这样主系统与子系统技术的提高比例都可以量化、衡量。

确定基准发动机的前提条件可以参考已经掌握的技术、正在验证的技术以及材料和工艺的攻关情况。而顶层技术目标的确定要在充分考虑基准发动机的基础上，根据技术发展现状、未来的发展趋势以及材料与工艺的发展空间和潜力来最终制定。

5.2 以顶层目标为中心

在GOTChA流程中，顶层技术目标确定后，要确定分系统的目标。所有分系统的目标都要以顶层技术目标为中心，紧密围绕最终目的确定出分系统的指标。分系统的子目标是对顶层技术目标的具体分解，具体落实到部件与系统中。每个部件与系统要达到的目标都是以为最终的顶层技术目标贡献多少来衡量。

分系统目标的确定方法与顶层技术目标的确定方法相同，同样是根据现有技术的发展水平、已经掌握的工艺材料水平制定。目标分解给具体的部件和系统后，再进一步明确出关键技术，为攻克这些关键技术可能会遇到哪些技术挑战，为了应对这些技术挑战，达到最终目的，需要解决哪些关键问题。这样一来，就形成了一个完整而清晰的技术路线图，而这个路线图正是GOTChA流程的精华。在项目管理中，如果能够按照这样的思路来制定顶层技术目标和分目标，整个计划的技术发展脉络就非常清晰，每个阶段要解决的问题和要进行的技术攻关也被梳理得非常清楚。

5.3 自上而下的项目管理流程

GOTChA流程自上而下，层次分明。采用该管理方法使得整个计划目标变得非常完整、清晰，特别有利于管理。首先从顶层设计讲，通过GOTChA流程，使系统顶层技术目标、与顶层技术目标实现有关的分系统、分系统为顶层技术目标贡献的比例、分系统为顶层技术目标做贡献时要面临的技术挑战、为迎接挑战采取的方法等，都变得清晰可见，整个项目管理从上至下，每一个环节都变得可以量化和评估。

[1]The Integrated High Performance Turbine Engine Technology Program[R].ISABE 97-7175，1997.

[2]FY87 Technical Objective Document[R].AD-A 166659，1986.

[3]The Challenge of IHPTET[R].ISABE 93-7001，1993.

[4]Richman M S，Kenyon J A.High Speed and Hypersonic Science and Technology[R].AIAA 2005-4099，2005.

[5]Messersmith N，Castro J H.Future High Mach Propulsion[R].AIAA 2003-2613，2003.

[6]郭 琦，王巍巍.IHPTET计划跟踪分析总结报告[R].四川 成都：中国燃气涡轮研究院情报室，2009.

[7]王巍巍.IHPTET技术成果和应用[R].四川 成都：中国燃气涡轮研究院情报室，2009.

[8]Sehra A K.NASA-DoD-DoE Alliance on Propulsion and Ground-Based Power Systems[R].2000.

[9]Eisert F，O’Brien T，Owen K. Design Tools and Engine Simulation[R].2000.