航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能分析方法研究

功能是產(chǎn)品價(jià)值的核心體現(xiàn)，對(duì)功能的定義和設(shè)計(jì)往往可以開拓產(chǎn)品的創(chuàng)新空間，不同的功能架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品的多樣性。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)領(lǐng)域，功能分析是實(shí)施正向研發(fā)的核心技術(shù)過(guò)程，是連接需求分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)的橋梁。發(fā)動(dòng)機(jī)的功能是為滿足用戶、飛機(jī)等利益相關(guān)方的期望而執(zhí)行的動(dòng)作或活動(dòng)的抽象描述。功能分析則是一個(gè)將利益相關(guān)方需求轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)的功能性特征和功能架構(gòu)的過(guò)程。功能分析的主要研究?jī)?nèi)容就是系統(tǒng)的功能以及功能之間的關(guān)聯(lián)。一般在具體的型號(hào)/項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中，從頂層任務(wù)分析和利益相關(guān)方需求的捕獲開始，針對(duì)其中的功能性需求開展產(chǎn)品的頂層功能識(shí)別和定義，再將頂層功能按一定的解構(gòu)思路分解成子功能，并定義功能運(yùn)行的邏輯關(guān)系，進(jìn)而形成系統(tǒng)的功能架構(gòu)。對(duì)于功能分析方法的研究，可以為中國(guó)航發(fā)運(yùn)營(yíng)管理體系（AEOS）中的架構(gòu)設(shè)計(jì)活動(dòng)提供面向功能邏輯的分析方法支撐，并與其他的流程活動(dòng)的開展構(gòu)建廣泛的關(guān)聯(lián)。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(gòu)、拓展創(chuàng)新思路等方面具有重要作用。各企業(yè)結(jié)合技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì)分析和工程實(shí)踐，相繼推出基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論和過(guò)程定義，但無(wú)論是基于文本的還是基于模型的系統(tǒng)工程，并未降低功能分析的必要性?；谀Ｐ突男枨螅柚ＵZ(yǔ)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(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程的內(nèi)容不斷豐富，對(duì)系統(tǒng)功能的描述更加規(guī)范統(tǒng)一，功能分析過(guò)程的效率得到顯著提升，功能架構(gòu)的權(quán)衡得以更系統(tǒng)地開展。以圖1所示的美國(guó)軍標(biāo)MIL-STD-499B《系統(tǒng)工程草案》中定義的橢圓形系統(tǒng)工程過(guò)程模型為例，反映出功能分析是需求分析、設(shè)計(jì)綜合過(guò)程迭代循環(huán)的關(guān)鍵一環(huán)，即功能分析通過(guò)與需求分析的循環(huán)迭代不斷提升需求的完整性，通過(guò)與設(shè)計(jì)綜合的迭代完成功能架構(gòu)的定義與確認(rèn)。從系統(tǒng)工程過(guò)程演進(jìn)來(lái)看，功能分析始終是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在2015年最新發(fā)布的ISO/IEC/IEEE15288標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)（INCOSE）發(fā)布的系統(tǒng)工程手冊(cè)（V4.0）中，更是把功能識(shí)別、功能定義和架構(gòu)定義等作為相關(guān)技術(shù)過(guò)程的重要活動(dòng)。圖1

美國(guó)軍標(biāo)中的系統(tǒng)工程過(guò)程橢圓形模型近年來(lái)，尤其是面對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)這種高度復(fù)雜的系統(tǒng)，由于用戶要求不斷提升，產(chǎn)品的功能邏輯日益復(fù)雜，在體系化、模型化趨勢(shì)加速發(fā)展的背景下，對(duì)技術(shù)創(chuàng)新的需求比以往任何時(shí)期都更加迫切。而要實(shí)現(xiàn)需求牽引的研發(fā)創(chuàng)新，與功能分析相關(guān)的技術(shù)能力的培養(yǎng)是必備環(huán)節(jié)，圖2反映了羅羅公司的系統(tǒng)工程能力框架，可以看到功能分析涉及的建模能力、系統(tǒng)架構(gòu)能力、接口管理能力等，是確保研發(fā)過(guò)程得以實(shí)施的關(guān)鍵能力項(xiàng)，尤其是功能工程主管這一角色的設(shè)置，從側(cè)面反映了功能分析和建模能力在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程和相應(yīng)的職能角色定位中存在重要意義。圖2

羅羅公司的系統(tǒng)工程能力框架航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能分析流程通過(guò)系統(tǒng)工程領(lǐng)域關(guān)于功能分析過(guò)程的通用定義和描述，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程，可將發(fā)動(dòng)機(jī)功能分析流程初步劃分為發(fā)動(dòng)機(jī)頂層功能識(shí)別、功能分解及邏輯分析、功能分配3大子過(guò)程。頂層功能識(shí)別是基于收集到的利益相關(guān)方需求或者設(shè)計(jì)輸入，從利益相關(guān)方視角，識(shí)別出軍方、飛機(jī)、法律法規(guī)（如項(xiàng)目需遵循的適航標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)等）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的頂層功能需求，初步定義發(fā)動(dòng)機(jī)與外部交互內(nèi)容，定義利益相關(guān)方指定的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)或功能模式。功能分解過(guò)程是基于已定義的頂層功能項(xiàng)，從發(fā)動(dòng)機(jī)的視角按照一定的分解方法，完成頂層功能的分解細(xì)化。在發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)層，功能分解的主要結(jié)果是發(fā)動(dòng)機(jī)功能清單。邏輯分析過(guò)程是結(jié)合功能分解過(guò)程，剖析功能之間的邏輯關(guān)系，開展功能流分析、功能時(shí)序分析，并在外部功能接口定義的基礎(chǔ)上，細(xì)化定義內(nèi)部功能接口等。同時(shí)，基于前序階段定義的發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)/模式，分析與功能項(xiàng)的關(guān)聯(lián)以及是否有必要對(duì)這些狀態(tài)/模式做進(jìn)一步的分解細(xì)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(yōu)化。這里的功能群組優(yōu)化是指基于功能的可實(shí)現(xiàn)性和當(dāng)前技術(shù)基礎(chǔ)，將已分解的子功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜航M優(yōu)化配置，為功能分配做好準(zhǔn)備。功能的分配過(guò)程，也是對(duì)功能分解結(jié)果的一種權(quán)衡分析過(guò)程。如果所分解的功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)順利的分配，則應(yīng)重新對(duì)其進(jìn)行分解；如果存在多種備選分配方式，則應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的權(quán)衡。在分析過(guò)程中往往需要構(gòu)建一些分配的準(zhǔn)則，例如，基于功能間接口的復(fù)雜程度的考慮等，往往趨向于將交互關(guān)系密切，交互行為復(fù)雜的功能項(xiàng)盡量封閉在一個(gè)功能群組中，進(jìn)而映射內(nèi)聚到某一特定的邏輯組件中，實(shí)現(xiàn)功能到邏輯組成單元的分配。但功能的最終實(shí)現(xiàn)，還是要依賴物理實(shí)體。因此，對(duì)于功能分解和邏輯分配的結(jié)果，還需要通過(guò)物理可實(shí)現(xiàn)性分析、技術(shù)先進(jìn)性分析等多維度的權(quán)衡。發(fā)動(dòng)機(jī)功能分析方法從上述過(guò)程來(lái)看，發(fā)動(dòng)機(jī)功能分析是一個(gè)綜合的技術(shù)過(guò)程，需要多樣的分析方法支撐。以下主要就具體分析方法進(jìn)行說(shuō)明。在發(fā)動(dòng)機(jī)的功能識(shí)別方面，場(chǎng)景是捕獲識(shí)別需求及功能的有效技術(shù)手段，對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，所有的功能都運(yùn)行在特定的場(chǎng)景之中，因此，在開展功能識(shí)別時(shí)，需要考慮定義場(chǎng)景。在分析航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期主要功能運(yùn)行場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，將概念維、程序維、任務(wù)維定義為場(chǎng)景集構(gòu)建的基準(zhǔn)維度，將環(huán)境維和狀態(tài)維定義為附加維度?；鶞?zhǔn)維度用于定義場(chǎng)景集的主體框架，確保其主干結(jié)構(gòu)的完整性和相對(duì)穩(wěn)定，附加維度通?？梢耘c基準(zhǔn)維度疊加，形成更為具體且限定條件更明確的細(xì)化場(chǎng)景，各維度具體說(shuō)明如下。概念維：涵蓋發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期概念的考慮，將發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試、發(fā)動(dòng)機(jī)制造/裝配/分解、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)輸、運(yùn)行使用、維護(hù)保障、退役處置設(shè)置為具體的概念場(chǎng)景。程序維：在每類概念維度之下，必然存在相應(yīng)的運(yùn)行或者執(zhí)行流程，遵循相應(yīng)的程序或者階段劃分，例如，發(fā)動(dòng)機(jī)制造/裝配概念之下，必然涉及發(fā)動(dòng)機(jī)制造和裝配的流程，而每個(gè)流程又可以根據(jù)內(nèi)容復(fù)雜程度繼續(xù)劃分其子流程，如裝配可以依據(jù)其工藝規(guī)程進(jìn)行細(xì)分。任務(wù)維：是利益相關(guān)方明確提出的任務(wù)要求內(nèi)容，例如，基于發(fā)動(dòng)機(jī)的常規(guī)運(yùn)行程序，或者飛機(jī)方提出的飛行剖面要求（包含了滑行、起飛、爬升、巡航等任務(wù)段），可以細(xì)化出發(fā)動(dòng)機(jī)的任務(wù)內(nèi)容，用以支撐上層飛機(jī)運(yùn)行任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。環(huán)境維：包含了除發(fā)動(dòng)機(jī)以外，所有與發(fā)動(dòng)機(jī)存在關(guān)聯(lián)的外部環(huán)境要素，涵蓋了人員、自然環(huán)境、人造環(huán)境、相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備等，這些要素都處于發(fā)動(dòng)機(jī)的外部，并通過(guò)各種方式與發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生交互或者造成影響，并且與發(fā)動(dòng)機(jī)之間存在接口和約束。狀態(tài)維：包括發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)/模式，如慢車狀態(tài)、全加力狀態(tài)、防喘模式、防冰模式、故障模式等，這些狀態(tài)和模式可以是復(fù)合的，也可以是單一的，取決于具體項(xiàng)目的定義。依據(jù)上述基準(zhǔn)維度構(gòu)建的發(fā)動(dòng)機(jī)場(chǎng)景集框架如圖3所示。圖3

一種基于維度概念的航空發(fā)動(dòng)機(jī)典型場(chǎng)景集框架示意發(fā)動(dòng)機(jī)功能分解基于上述識(shí)別的頂層功能，需要按照一定的分解原則和方法，完成發(fā)動(dòng)機(jī)功能的分解細(xì)化。功能分解的主要結(jié)果是功能清單或者功能分解結(jié)構(gòu)。功能分解應(yīng)遵循基本的流拼接原則，如圖4所示。即當(dāng)一個(gè)總功能或者頂層功能被分解成子功能的集合時(shí)，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(yīng)的“流”動(dòng)，這樣才能確保功能分解過(guò)程是完整的和可執(zhí)行的。圖4

發(fā)動(dòng)機(jī)功能分解的拼接原則示意由于發(fā)動(dòng)機(jī)具有復(fù)雜的組成單元和結(jié)構(gòu)層級(jí)，在自頂向下的開發(fā)過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)功能域到物理域的轉(zhuǎn)換不可能一蹴而就，即無(wú)法完全獨(dú)立于物理方案的考慮而完成自頂向下完整的功能分解過(guò)程，所謂功能獨(dú)立于技術(shù)實(shí)現(xiàn)也只是在本層級(jí)而言。因此，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其功能的分解需要一個(gè)“之”字形的逐層分解過(guò)程（見圖5），即在整機(jī)、系統(tǒng)/部件、零組件不同的層級(jí)，分別開展功能分解，并確定可實(shí)現(xiàn)的物理架構(gòu)或解決方案，當(dāng)功能分解或解決方案的顆粒度不滿足要求時(shí)，則需要在下一層級(jí)遞歸開展這一分析和映射過(guò)程，直至分解的功能能夠由具體可實(shí)現(xiàn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子電氣和軟件等承接實(shí)施。圖5

發(fā)動(dòng)機(jī)功能分解的“之”字分解過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)的功能邏輯分析發(fā)動(dòng)機(jī)的功能邏輯主要應(yīng)用功能流框圖、功能時(shí)序、狀態(tài)/模式定義及功能關(guān)聯(lián)等方法開展分析。其中，功能流框圖法是經(jīng)典的功能流分析方法，其目的是顯示系統(tǒng)所有功能的邏輯順序關(guān)系，引導(dǎo)功能邏輯分析過(guò)程。功能流框圖自頂向下開發(fā)，將高層的單一功能分解為低層功能。在每個(gè)層次展示所有功能的邏輯和順序關(guān)系，并且可以實(shí)現(xiàn)自下而上的追溯，圖6給出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(gòu)的主要表達(dá)視圖。當(dāng)采用模型視圖表達(dá)時(shí)，通?？捎没顒?dòng)圖的方式呈現(xiàn)。圖6

發(fā)動(dòng)機(jī)“控制N2轉(zhuǎn)速”功能流分析示例功能時(shí)序分析法增加了對(duì)功能持續(xù)時(shí)間的考慮，特別適用于功能執(zhí)行過(guò)程有嚴(yán)格的時(shí)序邏輯的情況，發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)序分析多用于控制指令時(shí)序、響應(yīng)時(shí)間、執(zhí)行間隔等存在嚴(yán)格要求的功能活動(dòng)分析過(guò)程，此類過(guò)程基本都有控制器參與，或者從功能映射的角度說(shuō)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上需要精確地執(zhí)行時(shí)序或響應(yīng)特性的控制功能，一般都是由控制器這個(gè)物理實(shí)體完成的。通常情況下，分析功能的邏輯時(shí)序可以有多種方式，例如文字描述、圖表、模型語(yǔ)言（序列圖）等。狀態(tài)/模式的定義以及功能的關(guān)聯(lián)分析是依據(jù)飛機(jī)的要求和發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)需求，通常會(huì)定義一些狀態(tài)/模式，并與功能構(gòu)建起相應(yīng)的關(guān)聯(lián)。在發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)過(guò)程，該狀態(tài)/模式的定義和關(guān)聯(lián)分析過(guò)程是非常必要的，因?yàn)橄冗M(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)和模式復(fù)雜多變，功能邏輯復(fù)雜度顯著增加，如果沒(méi)有清晰而嚴(yán)格的狀態(tài)/模式定義，很容易在復(fù)雜的運(yùn)行條件和工況下出現(xiàn)功能性問(wèn)題，甚至有可能導(dǎo)致嚴(yán)重的功能失效故障。因此，通過(guò)早期的狀態(tài)/模式與功能的關(guān)聯(lián)分析，明確指定狀態(tài)/模式下應(yīng)該或者禁止執(zhí)