基于系统工程的航空发动机标准体系建设研究

李 伟

（中国航发研究院，北京 101304）

基于系统工程的航空发动机标准体系建设研究

李 伟

（中国航发研究院，北京 101304）

介绍了标准体系发展趋势，指出标准体系的建设方向逐渐由单一的二维视图理论发展到分层的、多维的架构理论，基于系统工程理论，系统阐述了建立正向研制流程驱动的航空发动机标准体系的建设思路，保障我国航空发动机的自主研发。

标准体系；系统工程；航空发动机

标准作为重要的共性技术之一，对整个产业的技术水平、产品质量和生产效率发挥迅速的带动作用，具有巨大的经济和社会效益。航空发动机的研究与发展是复杂的系统工程，标准是其中至为关键的核心要素，作为研发技术体系的承载，以及技术发展与型号研制的保障，有着举足轻重的作用。国外先进航空发动机研制企业，如罗罗、普惠、GE等都建立了基于系统工程的产品正向研发体系，相应的建立了服务于这个研发体系的航空发动机标准体系，其建设的指导思想就是系统工程理论。国内航空发动机标准体系建设也应该在系统工程的理论指导下开展，更好的保障航空发动机产品研制。

1 标准体系发展分析

GB/T 20000.1-2014《标准化工作指南 第1部分：标准化和相关活动的通用术语》和GB/T 13016-2009《标准体系表编制原则和要求》中给出了标准体系的定义：一定范围内的标准按其内在联系形成的科学的有机整体。

标准体系从一开始就是不断进化的，而不是过度规划的。总体而言，技术经济社会发展水平决定了标准化管理模式的变化。

世界发达国家工业发展水平较高，市场经济成熟，标准化活动已经形成“自下而上”的发展轨迹，认为标准是自愿性的，标准的存在和制定是由市场决定的，已经初步实现了基于系统工程的标准体系建设[1]。

而我国还处在社会主义市场经济的初期阶段，经济和技术水平还处在上升发展期，目前大多数标准化活动的发展轨迹是“自上而下”的，依靠编制标准体系表来规划标准体系的建设。

GB/T 20000.1-2014中给出了标准体系表的定义：指一定范围的标准体系内的标准按一定形式排列起来的图表。标准体系表是依据标准体系框架规划的，属于二维视图理论的应用。对于复杂系统来说，用一个形式单调的体系表来满足所有各方的需求是不可能的。

对于复杂系统，标准体系的描述应接近真实的系统，呈现方式应符合相应层次对要素的识别和分析的需求。所以标准体系的建设方向逐渐由单一的二维视图理论发展到分层的、多维的架构理论，标准体系由简单到复杂，呈现渐近渐明的多视图。

2 系统工程理论

当前国际上对于系统工程的定义比较多，但其中最有影响的是国际系统工程协会的定义[2]：系统工程是一种使系统能成功实现的跨学科的方法和手段。系统工程专注于在开发周期的早期阶段，就定义客户需求与所要求的功能，将需求文件化；然后再考虑完整问题，即运行、成本、进度、性能、培训、保障、试验、制造和退出时，进行设计综合和系统确认。系统工程以提供满足用户需求的高质量产品为目的，同时考虑了所有用户的业务和技术需求。

GJB 8113-2013《武器装备研制系统工程通用要求》首次系统阐述了装备研制的系统工程内容，其中定义：系统工程是逐步发展并验证含装备、人和过程且满足用户需求的全寿命周期综合平衡解决方案的跨学科方法。是涉及设计、制造、试验、培训、使用、保障、退役处理等相关内容的技术活动综合机制，由技术过程和技术管理过程构成。

无论是国际系统工程协会的定义，还是国军标的定义，都可以看出系统工程是一个跨学科、多流程、多要素的问题。系统工程过程模型的主体内容称为“V模型”，如图1所示。在“V模型”中，时间和系统成熟度从左向右推进，“V模型”左侧说明逐级分解和定义，右侧说明逐级集成和验证。系统工程技术过程在产品研制中循环迭代，技术管理过程贯穿于产品研制项目全寿命周期。

3 基于系统工程的航空发动机标准体系

3.1 标准体系构建设想

常规武器装备研制一般在方案阶段开展模型机或原理样机的研制与试验，工程研制阶段开展初样机和正样机（或试样机）的研制与试验，且在设计定型阶段开展定型试验。每次样机研制与试验遵循系统工程过程“V模型”。批量生产、使用保障阶段的武器装备升级改进，亦同样遵循系统工程过程“V模型”。由此，系统工程过程在武器装备全寿命周期内可以多次循环应用。

航空发动机产品研制全寿命周期也遵循这样的过程，对于其中每一个系统工程研制过程，又遵循“V”模型。顶层通用流程依据产品的构型对系统进行层层分解，按照需求分解→解决方案实现→解决方案验证的顺序来完成研发过程，其中需求管理和技术状态管理的内容见图2。

图1 系统工程过程“V模型”

图2 系统架构分解

整机层面上的主机研发流程是牵引子系统层面上的研发流程和零件层面上的研发流程工作的“火车头”。整机层面上的主机研发流程的输出是对子系统的要求，并且这些要求将以输入形式启动子系统层面上的研发流程。首先，从发展战略、商业角度、客户需求、适航等不同方面定义整机层面的需求，其次，根据项目层—产品层—系统层—子系统层—零件层进行逐层分解，最终得到与设计、制造、售后服务以及采购供应等相关的不同阶段不同层次的需求。

子系统层面的研发流程的输出是针对零件的要求，并且这些要求将以输入形式启动零件层面上的研发流程。

零件层面的研发流程的输出是启动子系统层面上的研发流程中的下游工作的输入，依次递推，子系统层面上的研发流程的输出是启动整机层面上主机和其他研发流程中的下游工作中的输入。

基于上述正向研制流程分析，对每个阶段、每个系统层级的研制活动进行定义和描述，如图3所示，可以得到所需的标准需求。基于这样的分析就能得到相应的基于架构的航空发动机标准体系。

图3 零件级标准需求分析

图4 传统航空发动机标准体系框架[3]

3.2 与传统标准体系的对比

常规的航空发动机标准体系有两种架构搭建方式：一种是按功能划分，根据航空发动机产品研发活动分为：设计标准、试验标准、制造标准、材料标准、通用标准5类；另一种是按结构划分，根据航空发动机产品物料清单（Bill of Materials，BOM）结构分为：总体标准、部件标准、系统标准。由于航空发动机标准体系是航空发动机研制、生产、使用活动中所需标准组成的科学有机整体，综合性很强，单纯的一种划分形式的标准体系已经难以涵盖产品全寿命周期研制活动的所需标准，通常会选择这两种结构形式的叠加形式的标准体系，如图4所示，既涵盖了产品BOM结构特征，又包含了研制活动的功能特征。

然而随着我国航空发动机由测绘仿制向自主研发的跨越发展，传统的航空发动机标准体系已经不能够满足航空发动机正向自主研发的需求。主要表现为以下几个方面。

3.2.1 传统航空发动机标准体系缺乏产品实现的系统工程类规范标准

航空发动机作为复杂系统产品，在正向设计之初就要开展详细的需求定义与系统工程设计，并进行架构设计与综合，生成系统需求、功能与架构基线，产生需求规格、产品规范、接口控制，然后开展系统仿真和产品详细设计，指导和控制各个工程技术、专业领域的设计、综合与验证，将构成系统的元素加以合理的定义和配置，达到系统的整体功能和性能指标的优化。然而传统航空发动机标准体系并不是基于系统工程的角度建立的，虽然在可靠性、维修性、安全性、保障性、测试性、环境适应性等六性设计方面，从指标分解、系统集成验证等方面体现了系统工程的思想，但是还是缺乏系统工程的整体实现方面的策划，并没有考虑到需求分析、需求管理、架构设计、综合验证等系统工程类标准。

航空发动机自主研发更注重客户需求分析。航空发动机作为一个为飞机配套系统，需要了解飞机的需求。而飞机需求来源于客户需求：军用航空发动机关注的是技战指标，高推重比、高马赫数；民用航空发动机关注的是安全性、经济性，满足适航要求。由客户需求分解出飞机需求，再由飞机需求分解出发动机需求，经过发动机总体分析分解出各个部件、系统的需求，一直分解到零件级需求，最后体现技术要求上，落实到研制的各个环节，实现需求的综合管理。整个需求分析和管理的过程并不是随意开展的，每一步工作都需要需求标准的规范和指导。

3.2.2 传统航空发动机标准体系硬性的将设计、制造等活动进行了区别，不利于设计、制造等多学科协同研发活动的开展

航空发动机自主研发注重多学科协同。当发动机零件的设计方案确定后，需按照该方案进行研制试验，按照不同的公差和不同的细节加工等进行差异制造，并开展试验考核，不仅确定最终工程设计图纸中的公差，还包括对其它重要因素通过差异产品的试验结果以确定最优的工程化要求，最终完成的工程化图纸是设计和制造等专业共同开发研究完成的。但是传统的航空发动机标准体系并不是基于系统工程的正向研制流程建立的，无法支持航空发动机产品研发时设计制造的协同迭代。

3.2.3 传统航空发动机标准体系难以保证覆盖航空发动机自主研制的各个环节

航空发动机产品研制是基于系统工程的研制流程实现的，对于每一个研制流程的研发活动都可以设计通用标准进行规范指导。但是传统航空发动机标准体系并没有将标准与研发体系进行有效地关联，并且实际上传统标准体系的架构也很难与正向研发流程关联，这样也就难以判断标准的全面性。目前而言，航空发动机领域行业级以上的标准只有不到250项，不能有效地支持航空发动机自主研发。

4 结论

航空发动机的研究与发展是一项极其复杂的系统工程，标准是其中至为关键的核心要素。我国航空发动机标准体系建设应该遵循系统工程理论进行系统研究，建立正向研制流程驱动的航空发动机标准体系，以保障航空发动机的自主研发。

基于系统工程架构分解理论，对航空发动机全寿命周期研制特点进行分析，明确各阶段输入、输出的区别，以及约束条件和资源、工具、技术等需求条件。从而基于需求、流程、工具、方法以及技术要求的状态，提出标准建设需求。

基于系统架构理论，将标准与系统层级和系统流程进行关联。基于相关方分析描述特征，一般而言，有多少个相关方，就可以有多少个视角，每个视角又可以有无数个视图，从而建立分层的、多维的标准体系架构。

[1]J Holt，P Mcneillis.The role of systems engineering in global standardization [J].Insight，2007，10（1）：8-16.

[2]张新国译.系统工程手册[M].北京：机械工程出版社，2013.

[3]刘启国，代冰，于宏军等.关于航空发动机标准体系建设的思考与探讨 [J].航空标准化与质量，2010（2）.

（编辑：劳边）

T-65

C

1003-6660（2016）06-0010-05

10.13237/j.cnki.asq.2016.06.002