康文文 李浩敏

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

0 引言

飛機(jī)設(shè)計(jì)的本質(zhì)是“系統(tǒng)綜合”，單科性的知識(shí)不能概括綜合設(shè)計(jì)中的全部規(guī)律，飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)是一項(xiàng)典型的多目標(biāo)決策工作?；谙到y(tǒng)工程的正向設(shè)計(jì)思路在飛機(jī)設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了多年，但飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)依然是一個(gè)難點(diǎn)。

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的應(yīng)用集成鏈路很長(zhǎng)，覆蓋數(shù)學(xué)/物理等基礎(chǔ)學(xué)科、電子設(shè)計(jì)/機(jī)械設(shè)計(jì)/軟件設(shè)計(jì)等應(yīng)用學(xué)科，同時(shí)覆蓋某個(gè)具體設(shè)備的設(shè)計(jì)、某個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及飛機(jī)系統(tǒng)的整機(jī)集成設(shè)計(jì)等多個(gè)設(shè)計(jì)層級(jí)。一直以來，飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師都是從基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用學(xué)科入手，逐漸擴(kuò)大范圍，其事業(yè)大多止步于某個(gè)飛機(jī)子系統(tǒng)或者系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，沒有途徑了解或者參與更大范圍的多系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，而更加綜合和困難的飛機(jī)層系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，往往只掌握在少數(shù)幾個(gè)總設(shè)計(jì)師手中。以基礎(chǔ)學(xué)科為起點(diǎn)，缺乏對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的全局了解，工程師很難掌握飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的能力，這是導(dǎo)致正向的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)始終是個(gè)難點(diǎn)的根本原因之一。工程師的一個(gè)迫切訴求是了解“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容有哪些”。

不同政府機(jī)構(gòu)或組織發(fā)布了多種系統(tǒng)工程理論參考材料和標(biāo)準(zhǔn)，包括FAA(美國聯(lián)邦航空管理局)的《NAS系統(tǒng)工程手冊(cè)》、NASA(美國國家航空航天局)的《系統(tǒng)工程手冊(cè)》、INCOSE(系統(tǒng)工程國際委員會(huì))的《系統(tǒng)工程手冊(cè)》、DoD(美國國防部)的《系統(tǒng)工程基礎(chǔ)》、ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的《ISO15288 系統(tǒng)和軟件工程-系統(tǒng)全生命周期過程》、EIA(電子工業(yè)協(xié)會(huì))的《EIA-632 系統(tǒng)工程過程》等，均要求在復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行“系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”(synthesis)，但都只給出了框架性的步驟指導(dǎo)，需要結(jié)合具體復(fù)雜系統(tǒng)比如飛機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)由工程單位自行定義系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)規(guī)范；在明確了系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵和步驟后，飛機(jī)研制工程單位面臨的第一個(gè)關(guān)鍵問題也是“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容有哪些”。

Ian Moir先生在《飛機(jī)系統(tǒng)-機(jī)械、電氣和航電子系統(tǒng)集成》和《民用航空電子系統(tǒng)》書中詳細(xì)介紹了飛控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及各種航空電子系統(tǒng)的組成和原理，并在《飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)》一書中將系統(tǒng)工程思想與飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了充分融合，指出了飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要全面考慮機(jī)體系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、航電系統(tǒng)等的綜合設(shè)計(jì)和集成，并指出了系統(tǒng)集成的多個(gè)層級(jí)，包括組件層、系統(tǒng)層、過程層、功能層等，而功能層集成需要考慮對(duì)利益攸關(guān)方訴求的滿足，是抽象層面的集成。Ian Moir先生將系統(tǒng)工程思想貫徹到了飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，但依然沒有回答“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容有哪些”這個(gè)問題。

國內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵參考材料《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，全方位介紹了飛機(jī)總體、系統(tǒng)、可靠性等飛機(jī)工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，但手冊(cè)僅離散講述了推進(jìn)系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)，缺乏飛機(jī)層系統(tǒng)綜合相關(guān)的內(nèi)容。

工信部發(fā)布的《HB8525-2017 民用飛機(jī)研制程序》標(biāo)準(zhǔn)中，指出了在不同的飛機(jī)研制階段要開展相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，比如在G6初步設(shè)計(jì)審查前要完成系統(tǒng)架構(gòu)定義工作，在G7詳細(xì)設(shè)計(jì)審查前要完成機(jī)載系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)等，但并沒有指出“機(jī)載系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)”包含哪些內(nèi)容。

飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了要解決系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)本身的復(fù)雜性問題，還要滿足適航要求比如CCAR25部；適航要求是飛機(jī)的最低安全要求，但其嚴(yán)格程度遠(yuǎn)超其他復(fù)雜系統(tǒng)產(chǎn)品。適航要求中部分條款的目標(biāo)系統(tǒng)比較具體，比如針對(duì)空速測(cè)量系統(tǒng)的25.1303條款，但部分條款的目標(biāo)系統(tǒng)是飛機(jī)整機(jī)，比如25.1309條款。對(duì)于整機(jī)性條款，需要針對(duì)“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容”提供清晰完備的“設(shè)計(jì)過程材料”才能表明符合性。這些“綜合設(shè)計(jì)的過程材料”需要滿足SAE ARP4754A《民用飛機(jī)和系統(tǒng)研制指南》給出的研制過程保證要求。ARP4754A要求在飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)過程中要依據(jù)SAE ARP4761《民用機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備安全性評(píng)估過程的指南和方法》充分開展飛機(jī)和系統(tǒng)的安全性評(píng)估工作，但除了安全性評(píng)估，ARP4754A并沒有指出飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)需要考慮的其他內(nèi)容。

工程中設(shè)計(jì)某個(gè)具體設(shè)備往往是最容易的，因?yàn)槟繕?biāo)小、邊界清晰，且存在大量的國際/國內(nèi)/行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)材料可以參考。航電系統(tǒng)綜合(包括IMA綜合模塊化航電的綜合、飛行導(dǎo)引模式的綜合等)的工作就比較困難了，涉及到多個(gè)系統(tǒng)(飛行管理、導(dǎo)航、通信、機(jī)載維護(hù)、IMA等)，橫跨多個(gè)學(xué)科，大系統(tǒng)綜合層級(jí)的設(shè)計(jì)必須進(jìn)行抽象才能開展，是各系統(tǒng)供應(yīng)商的核心技術(shù)，相關(guān)參考材料急劇減少，開展相關(guān)研究的科研機(jī)構(gòu)也不多。飛機(jī)總體層面的系統(tǒng)綜合就非常困難了，涉及整機(jī)30多個(gè)大系統(tǒng)，近140個(gè)子系統(tǒng)，橫跨航空工業(yè)領(lǐng)域的所有學(xué)科，在飛機(jī)級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)需要很高的抽象程度，否則很難掌控如此多的交叉學(xué)科和相應(yīng)的技術(shù)專業(yè)。

為了建立飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容分解結(jié)構(gòu)，工程中目前在用的是“自底向上”的梳理總結(jié)方法，隨著飛機(jī)研制過程的推進(jìn)，綜合設(shè)計(jì)主題的產(chǎn)生呈現(xiàn)出涌現(xiàn)性，經(jīng)常打亂研制計(jì)劃，為各系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)的工程師造成了極大困擾?！白缘紫蛏稀弊R(shí)別飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的方式帶來的關(guān)鍵問題是綜合設(shè)計(jì)工作的規(guī)劃無法開展，導(dǎo)致飛機(jī)級(jí)綜合性設(shè)計(jì)工作質(zhì)量不高，進(jìn)度遲緩。

本文的第一個(gè)目的是采用“正向的、自頂向下的”方法對(duì)工程領(lǐng)域的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行推演生成，為工程單位提供參考，支持開展飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)工作的提前規(guī)劃。

飛機(jī)多系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)要求工程師同時(shí)具備多個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力，并且具備公共技術(shù)專業(yè)比如安全性和可靠性分析專業(yè)的技術(shù)能力，但實(shí)際上工程單位中掌握這種飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力的工程師并不多。

飛機(jī)研制工程單位需要了解“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容有哪些”，才能更加有針對(duì)性地開展交叉專業(yè)的設(shè)置和培訓(xùn)體系的搭建。系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程理論的核心組成部分，德克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的Armand J.教授指出了在飛機(jī)設(shè)計(jì)專業(yè)開設(shè)“系統(tǒng)工程”教學(xué)的必要性，幫助工程類研究人員掌握復(fù)雜系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的規(guī)范性方法。

本文的第二個(gè)目的是將工程單位面臨的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)化梳理，為飛機(jī)研制單位中系統(tǒng)工程類的培訓(xùn)課程設(shè)置提供參考。

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)本質(zhì)上是一個(gè)“多學(xué)科優(yōu)化過程”，需要采用MDO多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法來開展，并且需要根據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)需要分層抽象設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行多層級(jí)參數(shù)迭代優(yōu)化。圍繞飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，許多學(xué)者使用MDO方法進(jìn)行了提高燃油經(jīng)濟(jì)性的飛機(jī)總體設(shè)計(jì)研究，或者降低整機(jī)消耗的飛機(jī)能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，這些MDO研究的目標(biāo)都是降低油耗并提高經(jīng)濟(jì)性，綜合設(shè)計(jì)的目標(biāo)過于單一；在MDO算法方面，NASA給出了BLISS雙層集成系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方法，指出對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的綜合優(yōu)化需要結(jié)合系統(tǒng)的抽象層次分解，不同層級(jí)迭代進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；之后有多名學(xué)者對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的多學(xué)科設(shè)計(jì)進(jìn)行了多層參數(shù)迭代優(yōu)化的研究，為本文后續(xù)找到飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)問題的具體解決方法提供了指導(dǎo)。

本文首先提出適用于工程的基于系統(tǒng)工程的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程；其次全面推演飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容；然后構(gòu)建了飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的追溯鏈路，并指出其重要作用。同時(shí)指出部分關(guān)鍵的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)主題和未來有可能成為飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)工程領(lǐng)域主要設(shè)計(jì)手段的SysML建模方法。

1 飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的定義

綜合設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程理論的重要組成部分。系統(tǒng)工程理論的三大支柱分別是“需求分析”、“功能分析”和“綜合設(shè)計(jì)”。

FAA系統(tǒng)工程手冊(cè)中關(guān)于“系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)”的定義：系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)是一個(gè)創(chuàng)新性的過程，將需求轉(zhuǎn)化成備選的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案體現(xiàn)為具有“最優(yōu)指標(biāo)”的系統(tǒng)物理架構(gòu)。落實(shí)到飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中，該創(chuàng)新性的過程將利益攸關(guān)方的頂層訴求轉(zhuǎn)化為飛機(jī)系統(tǒng)的物理方案。

2 正向的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的起點(diǎn)是“利益攸關(guān)方訴求”，即最高層級(jí)的飛機(jī)設(shè)計(jì)需求，終點(diǎn)是“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)方案”，中間是“飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程”。

例如，ICAO(國際民航組織)是全球航空運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)則制定者，而飛機(jī)作為航空運(yùn)輸系統(tǒng)的核心組成部分，ICAO是飛機(jī)系統(tǒng)及其綜合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵利益攸關(guān)方。為了保持航空運(yùn)輸?shù)陌踩?，并提高航空運(yùn)輸?shù)男?，ICAO發(fā)布了Doc 9750《全球空中導(dǎo)航計(jì)劃》，并開發(fā)了航空系統(tǒng)塊升級(jí)框架ASBU，指出了提高航空運(yùn)輸效率的四個(gè)運(yùn)行概念，分別是“機(jī)場(chǎng)運(yùn)行”、“全球系統(tǒng)和數(shù)據(jù)交互”、“空域容量?jī)?yōu)化和靈活飛行”、“高效飛行路徑”，這些頂層的運(yùn)行概念都需要轉(zhuǎn)化為飛機(jī)的綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，并通過飛機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；為了響應(yīng)ICAO的要求，F(xiàn)AA主持開展了NextGen項(xiàng)目，EASA主持開展了SESAR項(xiàng)目，主要目的是通過提升CNS/ATM空中交通管理能力，對(duì)ICAO的運(yùn)行概念進(jìn)行細(xì)化和落實(shí)；為了響應(yīng)ICAO的要求，CAAC(中國民用航空局)發(fā)布了《中國民航航空系統(tǒng)組塊升級(jí)(ASBU)發(fā)展與實(shí)施策略》和《CAAC 中國民航基于性能的導(dǎo)航實(shí)施路線圖》，推動(dòng)國內(nèi)航空系統(tǒng)的升級(jí)以及飛機(jī)系統(tǒng)研制的進(jìn)步；ARINC(美國航空無線電公司)作為航空電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)制定者，發(fā)布了ARINC 660B《支持NextGen和SESAR概念的CNS-ATM航空電子架構(gòu)》標(biāo)準(zhǔn)，要求飛機(jī)主制造商和航空電子系統(tǒng)供應(yīng)商在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮對(duì)下一代空管系統(tǒng)的支持。ARINC 660B標(biāo)準(zhǔn)在下一代空管運(yùn)行概念的基礎(chǔ)上，提出了多項(xiàng)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)包括引入PBN(基于性能的導(dǎo)航)運(yùn)行能力等，同時(shí)針對(duì)這些目標(biāo)對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)提出了許多內(nèi)容主題，包括支持PBN運(yùn)行的飛機(jī)導(dǎo)引綜合設(shè)計(jì)、支持低能見度運(yùn)行的自動(dòng)飛行設(shè)計(jì)、支持空中防撞/地面防撞/防撞地的飛機(jī)綜合監(jiān)視設(shè)計(jì)等。

從示例可以看出，正向的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程應(yīng)該包括利益攸關(guān)方運(yùn)行概念識(shí)別、綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)提煉、綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容識(shí)別等環(huán)節(jié)；同時(shí)為了在飛機(jī)研制工程單位內(nèi)部進(jìn)行落實(shí)，還需要將飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容與工程技術(shù)專業(yè)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分配，并開展飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)工作的管控。 工程中的正向飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程中，主干流程是“綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的產(chǎn)生”和“綜合設(shè)計(jì)管控”，主干流程的開展需要通過“功能和需求定義”流程進(jìn)行規(guī)范化。

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)主干流程的步驟如下：

1) 識(shí)別飛機(jī)系統(tǒng)的利益攸關(guān)方，并識(shí)別其訴求，即期望的運(yùn)行概念，比如飛行和地面運(yùn)行、支持航空公司高效運(yùn)營等；

2) 根據(jù)運(yùn)行概念，提煉并定義飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如針對(duì)支持航空公司高效運(yùn)營運(yùn)行概念，可以提出支持低能見度運(yùn)行和支持高密度運(yùn)行等綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)；

3) 有機(jī)整合綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，結(jié)合先進(jìn)的飛機(jī)設(shè)計(jì)理念和ICAO關(guān)于航空系統(tǒng)升級(jí)計(jì)劃的要求等，識(shí)別并分解必要的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，比如針對(duì)“支持低能見度運(yùn)行和高密度運(yùn)行”的目標(biāo)，需要開展“飛機(jī)導(dǎo)引綜合設(shè)計(jì)”和“多場(chǎng)景綜合的自動(dòng)飛行設(shè)計(jì)”等綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容；

4) 結(jié)合工程技術(shù)專業(yè)的定位，對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容與工程技術(shù)專業(yè)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，明確每項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容由哪些技術(shù)專業(yè)承擔(dān)，比如“飛機(jī)導(dǎo)引綜合設(shè)計(jì)”由導(dǎo)航系統(tǒng)、飛管系統(tǒng)、自動(dòng)飛行系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)等共同承擔(dān)；

5) 針對(duì)每項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，管控相應(yīng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的完成情況；

6) 針對(duì)每項(xiàng)運(yùn)行概念，管控相應(yīng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)的完成情況。

3 飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的推演生成

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程中，“綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容產(chǎn)生部分”包含5個(gè)元素，即利益攸關(guān)方、運(yùn)行概念、綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)、綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容和技術(shù)專業(yè)，它們之間的關(guān)系是：

1) 利益攸關(guān)方期望飛機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一些運(yùn)行概念；

2) 運(yùn)行概念經(jīng)過飛機(jī)總體設(shè)計(jì)師的提煉總結(jié)形成一些綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)；

3) 針對(duì)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，工程單位計(jì)劃開展多項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容；

4) 綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容被分配給具體的技術(shù)專業(yè)進(jìn)行落實(shí)。

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的關(guān)鍵利益攸關(guān)方如表1所示。

表1 關(guān)鍵利益攸關(guān)方

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的利益攸關(guān)方有很多，每個(gè)利益相關(guān)方對(duì)于飛機(jī)的訴求也不同，比如乘客比較關(guān)心客艙內(nèi)的舒適性，航空公司比較關(guān)心飛機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，各國民航局非常關(guān)心飛機(jī)運(yùn)行的安全性，ICAO比較關(guān)心全球空域系統(tǒng)運(yùn)行的效率等。這些不同利益攸關(guān)方的訴求經(jīng)過具體化均可以轉(zhuǎn)化為一些“運(yùn)行概念”。

不同利益攸關(guān)方關(guān)心的關(guān)鍵運(yùn)行概念如表2所示。

表2 關(guān)鍵運(yùn)行概念

運(yùn)行概念一般比較寬泛，需要進(jìn)行工程化分析和表達(dá)，形成飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

運(yùn)行概念關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)如表3所示。

表3 關(guān)鍵綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)

續(xù)表3

飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的最終目的是形成一套方案，能夠全面且平衡地滿足以上這些有可能相互矛盾的目標(biāo)，所以飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)是一個(gè)典型的“多目標(biāo)權(quán)衡分析過程”，需要采用MDO多學(xué)科優(yōu)化的方法開展工作。

針對(duì)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要開展必要的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)工作進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這些綜合設(shè)計(jì)工作可以聚類為一些綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的主題。在識(shí)別飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的主題時(shí)，需要考慮航空工業(yè)界的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)/水平和國際上先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，比如“IMA綜合模塊化航電設(shè)計(jì)”等。

關(guān)聯(lián)多項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容主題如表4所示。

表4 飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的主題

續(xù)表4

以上飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的主題基本都橫跨多個(gè)系統(tǒng)和學(xué)科，需要在飛機(jī)層面對(duì)技術(shù)專業(yè)進(jìn)行協(xié)同才能有效開展。工程技術(shù)專業(yè)除了負(fù)責(zé)自己專業(yè)內(nèi)部的系統(tǒng)本體設(shè)計(jì)外，還需要支持飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的落實(shí)，每個(gè)技術(shù)專業(yè)基本都需要參與部分飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容。

工程中飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)相關(guān)的技術(shù)專業(yè)和參與的部分綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容如表5所示，該表同時(shí)給出了各技術(shù)專業(yè)的設(shè)計(jì)手段現(xiàn)狀和趨勢(shì)。

各工程技術(shù)專業(yè)之間的工作在跨系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的約束下需要充分協(xié)同。其中，“飛機(jī)系統(tǒng)綜合”技術(shù)專業(yè)對(duì)各項(xiàng)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行分工和統(tǒng)籌管控，各系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)(從ATA21到ATA71)對(duì)各項(xiàng)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容中的負(fù)責(zé)部分進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

表5 飛機(jī)設(shè)計(jì)工程技術(shù)專業(yè)

續(xù)表5

從表5可以明確各技術(shù)專業(yè)所需要參與的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)而明確各專業(yè)的技術(shù)內(nèi)涵；可以看出部分專業(yè)需要參與的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容比較多，比如總體、飛控、自動(dòng)飛行、導(dǎo)航、動(dòng)力裝置等，這些系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)的設(shè)計(jì)決策往往是影響全局的，需要通過整機(jī)影響分析進(jìn)行支持。

從各技術(shù)專業(yè)現(xiàn)有的設(shè)計(jì)手段和發(fā)展趨勢(shì)中可以看出，目前飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)中主要采用的設(shè)計(jì)手段包括三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、多物理場(chǎng)仿真(氣體、流體、熱、電磁、噪聲等)、SysML系統(tǒng)建模、Simulink仿真、Modelica仿真、MDO多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)、半物理試驗(yàn)臺(tái)、工程樣機(jī)、飛行模擬器等；其中SysML系統(tǒng)建模主要支持在較高抽象層級(jí)進(jìn)行系統(tǒng)靜態(tài)架構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為分析，是飛機(jī)研制工程領(lǐng)域正在快速發(fā)展和應(yīng)用的一個(gè)手段，可能成為未來飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的主要手段。

3.2 綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的追溯鏈路

各技術(shù)專業(yè)的工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)由于距離“客戶”(即利益攸關(guān)方)太遠(yuǎn)，而導(dǎo)致對(duì)負(fù)責(zé)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求理解不清，為了解決這個(gè)問題，可以圍繞某個(gè)具體的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)主題建立技術(shù)專業(yè)到利益攸關(guān)方的追溯鏈路，為工程師提供所負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的直觀認(rèn)識(shí)。圍繞“飛機(jī)導(dǎo)引綜合設(shè)計(jì)”，ATA34導(dǎo)航專業(yè)對(duì)利益攸關(guān)方的追溯鏈路如圖2所示。

圖2 導(dǎo)航專業(yè)對(duì)利益攸關(guān)方的追溯鏈路

隨著技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)上的導(dǎo)引模式越來越多，飛行員在不同導(dǎo)引模式之間進(jìn)行切換控制的操縱負(fù)擔(dān)越來越重，已經(jīng)影響了安全飛行，飛機(jī)導(dǎo)引綜合設(shè)計(jì)必須考慮提高人機(jī)交互的自動(dòng)化程度并使得操作程序簡(jiǎn)潔清晰，根據(jù)以上追溯鏈路，ATA34導(dǎo)航技術(shù)專業(yè)的工程師可以直觀地了解到飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的利益攸關(guān)方包括機(jī)組和ICAO等，以及他們所關(guān)心的運(yùn)行概念包括提供良好的人機(jī)交互等，可以明確綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)的來源和內(nèi)涵，包括操作程序簡(jiǎn)潔清晰等，進(jìn)而開展更加有效的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

飛機(jī)設(shè)計(jì)工程師往往會(huì)存在“技術(shù)至上”的潛意識(shí)，對(duì)客戶訴求的忽視帶來的問題非常嚴(yán)重(影響設(shè)計(jì)成本、進(jìn)度、市場(chǎng)聲譽(yù)等)。飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的追溯鏈路可以將設(shè)計(jì)鏈路壓縮，將各系統(tǒng)技術(shù)專業(yè)需要對(duì)接的“客戶”及其訴求直觀地呈現(xiàn)出來，支持工程師在設(shè)計(jì)工作中加強(qiáng)“客戶至上”觀念，這在工程設(shè)計(jì)中是非常重要的。

3.3 關(guān)鍵的綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容及其難點(diǎn)

從發(fā)展趨勢(shì)、緊迫性、技術(shù)成熟度需求和難度、技術(shù)先進(jìn)性和競(jìng)爭(zhēng)能力、安全性分析影響等角度對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行篩選，可以識(shí)別到目前工程領(lǐng)域優(yōu)先級(jí)最高的幾項(xiàng)關(guān)鍵綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，如下所示：

1) 面向復(fù)材的綜合設(shè)計(jì)

復(fù)合材料由于其低密度高強(qiáng)度特性，是飛機(jī)上材料選用的發(fā)展趨勢(shì)，能充分提高飛機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性，是體現(xiàn)飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)能力的關(guān)鍵點(diǎn)。

相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)：復(fù)材的材料特性研究等。

2) 多電架構(gòu)綜合設(shè)計(jì)

采用多電能源系統(tǒng)架構(gòu)或者全電能源系統(tǒng)架構(gòu)是飛機(jī)能源系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，能充分提高整機(jī)能源效率，提高經(jīng)濟(jì)性。

相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)：多電架構(gòu)的安全性分析，多電架構(gòu)的能源供給架構(gòu)和重構(gòu)策略，以及多電架構(gòu)的負(fù)載管理設(shè)計(jì)等。

3) IMA綜合模塊化航電設(shè)計(jì)

采用高度集成的模塊化航電設(shè)備，同時(shí)采用軟件密集的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，是飛機(jī)航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，能充分提高信息傳輸效率，支持實(shí)現(xiàn)更加智能的飛行。

相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)：IMA系統(tǒng)架構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)安全性分析等。

4) 飛機(jī)健康管理綜合設(shè)計(jì)

采用健康管理理念，是降低維修成本并提高飛機(jī)可用性的必然途徑，引入機(jī)載健康管理系統(tǒng)是飛機(jī)航電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)：基于有限數(shù)據(jù)的飛機(jī)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估等。

5) 面向下一代CNS/ATM的航電綜合設(shè)計(jì)

ICAO、FAA、EASA都發(fā)布了空管系統(tǒng)升級(jí)的規(guī)劃，CAAC也做出了相關(guān)跟進(jìn)舉措，面向下一代空管系統(tǒng)的飛機(jī)航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)升級(jí)是未來民機(jī)準(zhǔn)入的門檻。

相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)：PBN能力的適航符合性驗(yàn)證、PBN能力的仿真分析等。

4 結(jié)論

本文首先提出了“正向的，自頂向下的”基于系統(tǒng)工程的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)流程，并根據(jù)流程全面推演了飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容；為工程單位中的技術(shù)專業(yè)和工程師提供參考，支持開展飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)工作的提前規(guī)劃。飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的內(nèi)容總結(jié)如下：

1) 利益攸關(guān)方所期望的運(yùn)行概念比如ICAO和航空公司要求的“支持高效運(yùn)營”是飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，本文識(shí)別到關(guān)鍵利益攸關(guān)方9項(xiàng)，關(guān)鍵運(yùn)行概念8項(xiàng)；

2) 針對(duì)運(yùn)行概念，飛機(jī)研制工程單位需要進(jìn)行權(quán)衡分析并提煉出可行的綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，比如“提供全生命周期的經(jīng)濟(jì)性”，本文識(shí)別到關(guān)鍵的綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)15項(xiàng)；

3) 針對(duì)綜合設(shè)計(jì)目標(biāo)，飛機(jī)系統(tǒng)綜合技術(shù)專業(yè)需要結(jié)合先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和競(jìng)爭(zhēng)能力要求提出需要開展的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，比如“多電架構(gòu)綜合設(shè)計(jì)”，并將各項(xiàng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容分配給相關(guān)的工程技術(shù)專業(yè)，本文識(shí)別到飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容25項(xiàng)，并將其分配給了29個(gè)技術(shù)專業(yè)；

4) 針對(duì)各工程技術(shù)專業(yè)所參與的飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，本文給出了目前工程領(lǐng)域在用的設(shè)計(jì)手段和趨勢(shì)，指出了SysML建模可能是未來飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的主要手段。

其次，本文給出了飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容的追溯鏈路，幫助技術(shù)專業(yè)的工程師清晰直觀的理解系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求；本文同時(shí)給出了最為關(guān)鍵的5項(xiàng)飛機(jī)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)內(nèi)容，并指出了相關(guān)研究的難點(diǎn)，為飛機(jī)研制工程單位提供參考。