星级现场建设与预研创新的融合模式探索

王永海、董超、周炜、王刚、王林林 /北京航天长征飞行器研究所

现场管理是运用科学的管理思想、方法和手段，对生产现场的各种生产要素，如人、机、料、法、环等进行合理配置和优化组合，通过有效的计划、组织、指挥、协调、控制和改进，建立优质、高效、安全、规范的现场管理系统，保证现场按预定的目标实现优质、高效、低耗、均衡、安全、文明生产，提高企业质量、成本、交付能力等各方面的绩效水平，从而更好地满足客户和其他相关方需求，增强企业的核心竞争力。

随着航天事业的不断进步，我国航天工业的特色管理也不断发展，并形成了与之相适应的管理理念、方法和技术。为进一步规范航天产品研制流程、提高航天产品质量，作为北京航天长征飞行器研究所创新体系的核心和预研创新总体部门，系统研发部开展了以星级现场建设为代表的现场管理工作。当前，现场管理主要面向制造业、服务业及建筑业，与生产车间、服务部门和建筑工地相比，研发设计部门涉及更多的人员、技术、文件和制度方面的管理，其现场管理的内容新、范围广、难度大。系统研发部在推进星级现场建设的过程中，实践了以技术成熟度提升为主线的质量管理、多学科协同优化、三维数字化IPT 协同设计等特色管理改进与管理创新措施，对航天产品型号研制工作起到了积极的推进作用。

一、星级现场建设工作实践

1.以技术成熟度提升为主线的研发设计过程质量管理

明确质量控制目标、指标、要求和过程质量控制重点，实现研发设计的输入、输出、验证、评审、确认、变更等全过程管理和控制。在此过程中，结合现场资源和不同专业特点，采用适宜的工具和手段提升全过程质量管理水平，并积极运用信息化手段推行标准化及模块化设计，建立质量数据收集系统，提高研发设计过程的质量和效率，及时发现过程异常，保持质量管理的稳定性。

针对预研设计特点，制定质量管控措施，采用需求分析或设计输入评审、项目建议书评审、接口文件签署确认、技术状态管控、试验验证等系统方法对全过程进行管控。采用FMEA、FTA、单点故障模式、技术风险识别与控制、复核复算、三维IPT 设计流程监控等精细化质量管理工具和手段，提升过程管理质量。

系统研发部通过开展星级现场管理活动，梳理出不同阶段的关键质量控制措施，如图1 所示。

需求分析（TRL2）阶段质量控制。基于世界咖啡法的预研方案论证，面向客户需求的3D打印快速输出系统、设计和开发策划。

方案设计（TRL3）阶段质量控制。包括FMEA 分析、输入及输出管理、技术状态管理、复核复算及软件过程管理。

产品研制与集成演示（TRL4-6）阶段质量控制。大型试验质量管控，基于FTA 方法的飞行试验“双想”质量管理，I、II 单点故障模式及3 类关键特性分析与控制。

研发设计全过程质量控制。包括基于三维数字化的IPT 协同设计，信息化、标准化、模块化，质量数据收集系统。

2.基于多学科协同优化的飞行力学设计流程再造

图1 质量管理过程策划

随着飞行力学规划设计变得越来越复杂，按照上级用户需求设计的飞行力学极有可能超过下游专业约束，从而带来飞行力学和相关专业方案反复。通过对上级用户需求充分分析分解和对下游需求前移2 个措施改造飞行力学设计流程，飞行力学规划设计结果能同时满足上游和下游需求，避免设计方案反复。

飞行力学设计的上游专业主要包括武器总体、再入飞行器总体和气动，其中武器总体、再入飞行器总体对飞行力学设计提出条件和约束，严格设计输入控制，确保设计输入准确及时。

气动设计是飞行力学专业的上游专业，其工作成果的更新和改动直接影响飞行力学设计的及时性和正确性。飞行力学专业经过与气动专业协商，制定了气动与飞行力学的数据格式规范。通过规范输入，确保了飞行力学仿真可靠性，并通过与下游专业共同研究制订的接口规范，将这些专业对飞行力学设计的要求和约束前移，作为飞行力学设计和优化中的约束条件，保证了飞行力学设计兼顾防热、载荷、承力结构、天线罩等专业设计技术要求，优化和简化了飞行力学设计流程。改造后的飞行力学设计流程如图2 所示。

3.三维数字化IPT 协同设计方法创新提升设计效率

图2 改造后的飞行力学设计流程

随着新技术的推陈出新与飞速发展，飞行器的创新研发周期也在不断缩短，使用部门对新产品的需求、对功能集成性的要求，以及工业部门对设计质量、面向制造的设计等方面的高要求都给设计研发部门带来了极大的挑战。近年来，系统研发部针对这一现状推出了基于成熟度的项目研发流程，从需求到方案再到试验等多个过程，以项目孵化池的形式逐步积累，逐渐推进，确保项目由前沿技术向关键技术、再到技术方案、最后转向产品样机及工程应用的顺利推进。

在这个过程中，高效、先进的数字化技术逐步深入到具体的设计环节中，确保基于成熟度的研发流程的高效运转，帮助设计师从重复的输入、整理等工作中解放出来，将更多的时间与精力投入到关键技术攻关与综合方案的集成优化中，为用户提供不同成熟度的产品。通过三维数字化IPT 协同设计方法的创新，系统研发部近年来在项目申报、型号转化及成果申报等工作中取得了丰硕的成果。在系统研发部研发设计现场中，具有代表性的数字化协同设计方法有基于三维可视化的电缆敷设优化设计方法、基于参数化的飞行器舱段吊具快速设计方法、提高三维模型集成装配效率方法以及提升工程图转化效率方法等 。

4.提升气动仿真能力，降低试验成本

在当前的严酷竞争环境态势下，由于客户需求调整等原因，能够进行实时响应的方案论证能力是论证团队必须具备的核心能力。气动布局设计和气动特性分析工作是先进飞行器方案论证阶段的主要工作内容，传统的旋成体外形的气动特性工程计算方法对于复杂外形的新型飞行器不再适用，只能使用数值仿真方法进行分析，需要使用大量的计算资源和时间，一个外形方案往往要花费数周甚至数月时间才能完成。系统研发部气动组针对该矛盾开展了改进工程计算方法适应性的工作，使得工程方法可以适用于某些布局的复杂外形飞行器，极大地提高了气动设计效率，建立了对于新型复杂外形飞行器的方案快速论证能力。气动专业方案设计流程优化见图3。

二、实践效果

1.预研效率效能提升，创新指数连年第一

航天预研创新管理实践自2016 年4 月启动，2017 年4 月开始推广应用。系统研发部依托先进的现场管理理念，注重创新牵引与驱动，直面竞争与挑战，推进项目的型号应用转化，不断提出新问题、新概念、新项目，在多个科研领域连续取得突破，助力研究所连续3年蝉联研究院创新指数榜第一，为研究所和飞行器技术的发展作出了重要贡献。

系统研发部2016 年承担系统级预研创新项目、课题和型号工作共计100 余项，其中新增课题与项目16 项；2017 年承担系统级预研创新项目、课题和型号工作共计近120 项，其中新增课题与项目19 项；2018 年承担系统级预研创新项目、课题和型号工作共计近140 项，其中新增课题与项目30 项。

2.飞行力学流程再造，设计效率提高一倍

优化改造后的流程，将再入飞行器防热、载荷、承力结构、突防、透波罩等多专业的设计技术要求在飞行力学设计和实现中进行了定性分析和优化选择，保证飞行力学设计输出能够满足下游专业需求。如果出现下游专业无法实现总体指标要求的情况，则直接反馈到用户需求、导弹总体需求和再入飞行器总体需求，从基本战标需求上进行改进迭代，避免了基于飞行力学设计的多轮多专业迭代，极大地提升了飞行力学设计效率。

原流程条件下，班组员工飞行力学设计过程平均用时约160工时，改进后班组员工飞行力学设计过程平均用时70 工时，飞行力学设计效率提高1 倍以上；同时，飞行力学设计误差由改造前位置0.01m、速度0.005m/s，降低到位置0.002m、速度0.001m/s，误差减小到原来的1/5。

3.三维IPT 协同设计，大幅提升设计效率

目前，研究所推进的具有代表性的数字化协同设计方法包括：基于三维可视化的电缆敷设优化设计方法、基于参数化的飞行器舱段吊具快速设计方法、提高三维模型集成装配效率方法、提升工程图转化效率方法等。

（1）基于三维可视化的电缆敷设优化设计方法

通过与典型型号设计时间对比的方式，开展测试和时间记录，具体比较项目和效果检查情况见表1，设计效率提高了5 倍。

（2）基于参数化的飞行器舱段吊具快速设计方法

基于新型设计方法与系统实现，吊具设计人员可以利用系统已有的吊具设计知识，通过选择舱段类型、吊具类型及设置各个零件的详细尺寸参数，系统自动调用相关的标准件完成装配模型的生成，减少吊具设计对设计人员设计经验的依赖性。此方法省去相似结构重新绘图的时间，比原方法设计时间减少40%以上。

吊具设计人员对利用本系统生成的模型进行更改时，设计人员只需打开相应的零件参数化界面，更改相关尺寸参数，由尺寸驱动模型自动进行更改，同时模型的父件装配关系自动更新，减少设计人员更改图纸的重绘时间。相对于二维设计更改，减少图纸重绘时间45%以上。

模型设计完毕后，系统自动对零件及装配模型进行三维标注，减少设计员在二维图纸上手动标注的时间，并且模型更改时，尺寸与模型相关联，标注会自动更新，比传统手工标注时间降低60%以上。

（3）提高三维模型集成装配效率设计方法

缩短三维模型集成装配打开时间50%以上，具体效果如图4所示。

（4）提升工程图转化效率设计方法

通过系统的建设与应用，实现了地面设备三维模型向二维模型的自动映射（见图5），进一步简化了地面设备模型的维护过程，极大提升了工作效率。

4.提高气动仿真能力，降低研发设计成本

图5 结构工程图快速设计过程

在气动设计过程中，不断总结研制经验和建立设计准则，有效降低了方案论证阶段各专业对大型地面试验和（半）实物仿真的依赖程度。以某类惯性飞行器为例，前期型号在方案论证阶段开展了8 类12 项风洞试验，试验成本约为790 万元；在后续改进型号研制时，基于已有经验和设计准则，依靠开展数值仿真、复核复算等校验工作，仅开展了3 类3 项风洞试验，试验成本约为240 万元，仅风洞试验一项与前期型号相比减少了成本约550万元。

北京航天长征飞行器研究所通过开展星级现场工作，制定了合理的现场管理措施，通过正确的选择和使用管理工具或方法提升了预研创新现场管理的效率和质量，降低了预研创新的成本。后续，研究所将持续推进“一心、二效、三节”的现场管理理念，通过顶层策划、流程再造、系统实施等一系列举措建立和完善部门现场管理体系，不断增强部门的现场管理水平，促进核心竞争力的提升，深化研究适合预研创新的现场管理工作模式和方法，使研发现场管理能力上升到一个新台阶。