劉慶東，史妍妍，張 明

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動機研究所，沈陽110015；2.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，沈陽110031）

0 引言

航空發(fā)動機研制具有技術風險大、研制周期長、研制經(jīng)費高的特點，是1 項復雜的系統(tǒng)工程[1]。20 世紀60 年代以來，美國持續(xù)總結F100 等發(fā)動機使用中的可靠性、耐久性和維修性問題，在產(chǎn)品全生命周期研制程序、管理體系、設計權衡等方面采取一系列措施，開發(fā)了以“技術驗證機→工程驗證機→原型機”為核心的迭代演進、逐步成熟的產(chǎn)品研制途徑[2]。中國也逐漸接受了上述研制途徑，“在GJB 8113 武器裝備研制系統(tǒng)工程通用要求”中，通過“V 模型”定義了技術驗證機、工程驗證機、原型機在產(chǎn)品全生命周期中的應用模式，并作為軍方管控產(chǎn)品研制過程的基礎。

然而，國內(nèi)航空發(fā)動機行業(yè)受到長期測繪仿制思路的影響，對這3 類樣機研制的過程、特點、成果研究不夠，導致型號應用中經(jīng)常出現(xiàn)重大設計返工，成為型號“拖、降、漲”的重要原因[3-5]。本文從這3 類樣機的技術特點出發(fā)，提出了相應的研制過程模型，分析了各樣機在復雜發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)中的研制特點及研制成果。

1 技術特點分析

在航空發(fā)動機產(chǎn)品全生命周期中，技術驗證機（又稱模型機或原理樣機）、工程驗證機（又稱初樣機或地面樣機）、原型機（又稱正樣機或飛行樣機）通常依次出現(xiàn)[6-8]（如圖1 所示），是集中體現(xiàn)產(chǎn)品研制進程的載體。

圖1 產(chǎn)品全生命周期（GJB 8113）

1.1 技術驗證機的技術特點

技術驗證機是為研究或評價型號總體技術方案的可行性而研制的產(chǎn)品，主要驗證新材料、新結構、新工藝等擬采用的關鍵技術在整機環(huán)境下的可行性，可不考慮最終的產(chǎn)品技術狀態(tài)。技術驗證機的周期規(guī)劃通常不超過6 a，試驗時數(shù)為100～500 h。

1.2 工程驗證機的技術特點

工程驗證機是針對型號戰(zhàn)技指標開發(fā)的初級產(chǎn)品，通過設計、試制及地面聯(lián)試，驗證產(chǎn)品設計的合理性并獲取進一步研制的工程數(shù)據(jù)，應接近產(chǎn)品的最終技術狀態(tài)。工程驗證機的周期規(guī)劃通常不超過5 a，試驗時數(shù)為200～1000 h。

1.3 原型機的技術特點

原型機是用于全面考核評價產(chǎn)品性能、質(zhì)量、適應性的正式產(chǎn)品，其考核試驗（試飛）的環(huán)境代表了產(chǎn)品預定使用的真實環(huán)境，代表了產(chǎn)品的最終技術狀態(tài)。原型機的周期規(guī)劃通常不超過13 a，零部件試驗應達到100000 h ，系統(tǒng)試驗應達到40000～50000 h，整機試驗應達到8000～10000 h ，高空模擬試驗應達到500～2000 h，設計定型前發(fā)動機試飛應達到2000～5000 h，發(fā)動機小批領先使用的試飛應達到100000 h。

2 技術驗證機的研制過程分析

2.1 研制過程模型

在型號正式立項后，即可啟動技術驗證機研制，研制過程如圖2 所示?；谲姺阶鲬?zhàn)任務開展需求分析，確定產(chǎn)品全生命周期、全包線運行功能，研究并建立發(fā)動機總體技術方案，搭建技術驗證機并驗證關鍵技術。

圖2 技術驗證機研制過程模型

2.2 研制特點分析

通過技術驗證機全面識別并評價總體技術方案所采用的關鍵技術，尤其是由各產(chǎn)品分解結構（Product Breakdown Structure，PBS）單元之間匹配而產(chǎn)生的關鍵技術（如大改風扇與已有核心機之間的匹配技術），其研制具有如下特點：

（1）根據(jù)總體技術方案初步建立了產(chǎn)品PBS，相對于預研及前期論證階段，此時的關鍵技術有明確的技術載體，可進一步避免關鍵技術遺漏；

（2）對于技術成熟度等級低于5 的關鍵技術，應組織開展關鍵技術攻關以提高成熟度等級，避免型號進入工程研制階段后出現(xiàn)嚴重故障或重大設計反復；

（3）不僅整機級的關鍵技術需要通過技術驗證機的充分驗證，部分零組件級、部件/分系統(tǒng)級的關鍵技術，在經(jīng)過試驗器驗證后，為確定該關鍵技術對整機及其他部件的影響，也應通過技術驗證機的充分驗證，具體試驗項目根據(jù)型號特點確定、差別較大；

（4）改進及派生型號的技術驗證機的總體技術方案具有一定的繼承性，產(chǎn)品PBS 改變較小，其技術驗證機可通過改裝原型號或基于已有工程數(shù)據(jù)的高精度仿真實現(xiàn)。

此外，以PBS 為基礎，綜合考慮執(zhí)行中的技術、成本、企業(yè)合作關系、風險等因素，可建立型號的工作分解結構（Work Breakdown Structure，WBS）、成本分解結構（Cost Breakdown Structure，CBS）、技術分解結構（Technology Breakdown Structure，TBS）、風險分解結構（Risk Breakdown Structure，RBS）、合同分解結構（Contract Breakdown Structure，CBS）、組織分解結構（Organization Breakdown Structure，OBS）[9-11]。可見，技術驗證機不僅是型號研制的技術基礎，也是型號項目組織管理的基礎。

2.3 研制成果分析

技術驗證機的研制成果是型號由方案階段轉入工程研制階段的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）確定產(chǎn)品研制需求，建立型號規(guī)范及產(chǎn)品的功能基線；

（2）驗證總體技術方案的可行性；

（3）關鍵技術成熟度等級提升到5 以上；

（4）配合軍方完成《研制總要求》的報批，簽訂工程研制合同。

3 工程驗證機的研制過程分析

3.1 研制過程模型

在美國“國防采辦系統(tǒng)運行DOD 5000.02”中[8]，將工程驗證機和原型機合并，僅規(guī)劃1 輪研制過程，代表了研制模式的變革趨勢。而中國仍規(guī)劃開展工程驗證機和原型機2 輪研制，是考慮到目前中國的工業(yè)基礎和技術儲備不足，擬通過工程驗證機基本達到“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標，并降低原型機研制的技術風險。

而且，根據(jù)發(fā)動機的產(chǎn)品復雜程度、工藝因素及擬達到的戰(zhàn)技指標，工程驗證機又可細分為若干批次，以逐步達到研制目的。此時，必須遵循前一批次試制、試驗完成并通過評審后，方可轉入后一批次試制、試驗的原則。工程驗證機研制在工程研制階段初期開始，研制過程如圖3 所示。

3.2 研制特點分析

工程驗證機（尤其是首批工程驗證機）是型號新結構、新材料、新工藝等關鍵技術的首次集成驗證，也是型號設計、試制、試驗等全業(yè)務鏈的首次協(xié)同，其研制具有如下特點：

圖3 工程驗證機研制過程模型

（1）基于產(chǎn)品PBS 選定了全部技術狀態(tài)項（Configuration Item，CI），而每個CI 項的開發(fā)都需完整履行設計、試制、試驗過程；

（2）在設計過程中，各CI 項承接“型號規(guī)范”等功能基線文件要求、優(yōu)化技術方案及接口關系，編制研制規(guī)范、設計圖紙、設計報告、生產(chǎn)及試驗要求等文件；

（3）在試制過程中，完成試制工藝工裝設計、確定生產(chǎn)過程檢驗、檢測及質(zhì)量控制要求，開展工藝攻關提高制造成熟度，以及必要的首件鑒定工作；

（4）在試驗過程中，完成驗證產(chǎn)品設計思路及結果的全部科研性試驗，考慮到技術成熟度提升及相應的風險控制要求，部分原型機考核試驗也可以先期開展。試驗類別主要包括：

a.整機性能調(diào)試試驗，如穩(wěn)態(tài)性能、過渡態(tài)性能、功能試車的調(diào)試；

b.地面性能達標試驗；

c.性能修正系數(shù)驗證試驗；

d.整機功能驗證試驗；

e.專項測試試驗，如全流程參數(shù)、整機振動、軸向力、級間參數(shù)、葉片葉尖徑向間隙、轉子葉片振動應力、外部放熱特性、外部管路振動應力、潤滑系統(tǒng)參數(shù)、空氣系統(tǒng)參數(shù)、關鍵零部件壁溫等的測量；

f.整機結構完整性試驗；

g.整機可靠性和耐久性累積試驗；

h.高空性能摸底試驗；

i.高空性能達標試驗。

（5）后續(xù)批次工程驗證機的研制要求，一方面來自型號已策劃的批次性目標，另一方面來自于前一批次工程驗證機遺留的技術問題。根據(jù)研制需求差異，各批次雖然也按設計、試制、試驗的過程開展工作，但具體工作內(nèi)容相對于首批工程驗證機有所裁剪。

3.3 研制成果分析

工程驗證機的研制成果是型號轉入原型機研制的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）功能基線中的每項功能都已經(jīng)被分配給1 個或多個CI 項，制定了研制規(guī)范，研制主管部門按“整機→部件/分系統(tǒng)→零組件”的順序，完成各層級的初步設計評審（Preliminary Design Review，PDR），建立分配基線；

（2）驗證了產(chǎn)品設計的合理性，基本達到了“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標；

（3）關鍵技術成熟度等級提升到6 以上；

（4）試制、試驗中暴露的技術問題已經(jīng)解決或有切實可行的解決措施；

（5）通過轉入原型機研制的轉段評審。

4 原型機研制過程分析

4.1 研制過程模型

原型機研制在工程研制階段后期開始、在設計定型階段完成，研制過程如圖4 所示。原型機研制是在工程驗證機的基礎上進一步完善設計、工藝以提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性，并通過首飛前考核試驗、科研試飛、定型試驗，證明產(chǎn)品已全面達到型號戰(zhàn)技指標要求。

4.2 研制特點分析

原型機研制是基于工程驗證機研制成果開展的，因此原則上僅通過1 輪研制即達到產(chǎn)品最終技術狀態(tài)，工作重點在于開展型號的一系列考核試驗，其研制具有如下特點：

（1）原型機設計，主要針對工程驗證機研制中暴露出的技術問題完善或優(yōu)化設計，確定各CI 項的最終技術狀態(tài)；

圖4 原型機研制過程模型

（2）原型機試制，主要解決工程驗證機暴露出的工藝問題、提高生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，保證試驗件、試驗樣機符合原型機技術狀態(tài)，且能夠代表承制單位的工藝水平、生產(chǎn)質(zhì)量；

（3）原型機科研性試驗，主要驗證是否達到對工程驗證機改進的目的，是否解決工程驗證機遺留的技術問題；

（4）首飛前考核試驗、科研試飛和設計定型試驗都屬于原型機考核試驗，主要依據(jù)“GJB 241A 航空渦輪噴氣和渦輪風扇發(fā)動機通用規(guī)范”開展，且依據(jù)型號規(guī)范適當補充試驗科目。

首飛前考核試驗主要包括關鍵零部件的結構完整性試驗、成附件“六性”試驗、整機70 h 持久試車及高空臺試驗等，試驗后應給出型號能否進行科研試飛的結論；科研試飛指在真實飛行條件和有限飛行包線內(nèi)，初步考核產(chǎn)品的性能、功能特性及“六性”指標，試飛結論是型號能否轉入設計定型階段的重要依據(jù)；定型試驗既包括關鍵零部件和整機的地面及高空臺試驗，也包括定型試飛，目的是全面考核驗證產(chǎn)品的全包線使用特性。

4.3 研制成果分析

原型機的研制成果是型號是否具備設計定型條件的重要依據(jù)，主要包括[12-15]：

（1）完成CI 項的全部設計工作，研制主管部門按“零組件→部件/分系統(tǒng)→整機”的順序，完成各層級的詳細設計評審（Critical Design Review，CDR），建立初始產(chǎn)品基線；

（2）建立原型機及其配套保障設備的全套生產(chǎn)工藝，制定產(chǎn)品的工藝、材料和軟件的規(guī)范，基本確定生產(chǎn)全過程；

（3）通過設計定型試驗，證明產(chǎn)品全面達到“研制總要求”規(guī)定的戰(zhàn)技指標；

（4）關鍵技術成熟度等級提升到7 以上；

（5）通過產(chǎn)品設計定型審查。

5 總結

（1）本文基于GJB 8113 定義的產(chǎn)品全生命周期，分析了技術驗證機、工程驗證機、原型機的技術特點，提出這3 類樣機是集中體現(xiàn)產(chǎn)品研制進程的載體；

（2）從技術特點出發(fā)，研究并建立了技術驗證機、工程驗證機、原型機的研制過程模型，明確了發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)中的相應工作內(nèi)容及其實現(xiàn)途徑，以及3 類樣機之間迭代演進、逐步實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的過程；

（3）依托研制過程模型，分析了各樣機在復雜發(fā)動機產(chǎn)品開發(fā)中的研制特點及研制成果，為加強發(fā)動機產(chǎn)品研制過程管控、提高研制質(zhì)量和效率奠定了基礎。