飞机发动机一体化设计

**篇基础知识 飞发一体化设计涉及两大复杂的工程体系——飞机研发工程和发动机研发工程，它所遇到的问题和解决问题的途径，都在这两大体系的交集部分。飞发一体化设计的基本解题思路是运用专业知识解决飞机与发动机之间功能、性能及物理界面交联出现的问题。本书**篇的4章介绍属于入门基础的飞发一体化设计知识，实际工作中应该不限于这些知识。 第1章，飞发一体化设计应知悉的系统工程学概念，介绍系统工程学中的系统层级结构、项目流程、需求分析、验证与认证、风险管理等概念，建立飞发一体化设计的宏观解题思路。 第2章，飞行性能计算中的发动机性能分析，介绍飞机性能分析中发动机特性的计算／修正方法，以及飞机气动特性、重量特性的计算和分析方法，展现发动机推力／耗油率等参数对典型飞行性能计算结果的影响。 第3章，飞机总体方案中的推进系统设计，介绍飞机总体设计中对动力系统的选择、气动布局和总体布置设计对推进系统的考虑，以及作为飞机能源中心和关键设备必须要考虑的发动机安装／控制等要素，展示出飞发一体化设计是一项要思考多种要求的综合工作。 第4章，新研航空发动机总体设计指标可行性分析方法，介绍用户和飞机研制方对发动机总体的要求、发动机为满足这些要求应该具备的基线能力，以及将整机基线能力转化为部件方案的基线能力时所显示出的核心技术先进性。展示出共同工作的发动机各部件性能的合集才是整体功能／性能，发动机总体方案的技术可行性本身就包含着技术的先进性和产品的工程可行性。 通过基础知识的学习，希望设计师建立这样的基本概念，即解决飞发一体化问题首先应该清楚飞行条件、飞机装机环境和发动机工况等参数，并按照系统工程的思维、流程和判别准则开展设计和验证活动。 飞发一体化设计活动涉及的信息既包含飞机的总体、气动、结构和分系统信息，还包含发动机的总体、部件及子系统信息，具有多学科参与、多专业约束的特点。 受到生产的社会分工关系的影响，飞发一体化设计的结果受多方关注和多维度判别，经常遇到的情况是，面对同样的结果会出现不同的评价。所以，飞发一体化设计必须建立上层大系统寻优、下层子系统避险的评判标准。 第1章飞发一体化设计应知悉的系统工程学概念 1978年，钱学森等学者共同发表《组织管理的技术——系统工程》一文，成为系统工程中国学派创建的一个重要标志［1］。进入21世纪，在中国航空工业、中国航空发动机内部的研究单位兴起了系统工程学热潮，出版了大量学术著作。系统工程学应对大规模、复杂工程问题的工作思路、方法和流程逻辑与飞发一体化设计的解题思路几乎无缝对接，这就是本书开篇第1章就将这种方法介绍给读者的初衷。 本章介绍的系统工程学定义主要取自《系统工程手册系统生命周期流程和活动指南》［2］和《ＮＡSＡ系统工程手册》［3］： （1）系统工程学是专注于整体（系统）而绝不是各个部分的设计和应用的学科； （2）系统工程是一种自上而下的综合、开发和运行真实系统的迭代过程，以接近*优的方式满足系统的全部要求； （3）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，它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。 飞发一体化设计的解题思路，就是运用系统工程学的概念和方法，将飞机、发动机项目研发需要中相互关联的部分，建立一个综合的工程模型，根据系统层级关系、物理学／数学等学科的方法工具，赋予相关的工作内涵。这里的工程模型，是指如果在下一层级系统设计中提出了一体化设计问题，应该在其上一层级建立综合的工程模型，从中寻找答案。这里必须提醒注意的是，飞发一体化设计不是一个特立独行的工作活动，它不可避免地要遵循飞机、发动机两大工程体系的制约： （1）飞机产品、发动机产品都是可以独立运行的系统； （2）飞机系统、发动机系统都有各自的生命周期； （3）在飞机和发动机项目的研发初期，对彼此的需求并非十分明确，随着研制工作的深入，系统元素不断成熟，需求也逐渐清晰；但是，在飞机和发动机产品的全寿命周期中，相互的需求会不断地更新； （4）飞机和发动机工作界面在详细设计阶段都应有清晰的定义，但在初步设计阶段工作界面可能是模糊的，飞发一体化设计时要避免造成人为混乱； （5）飞发一体化设计的复杂性随必须考虑的系统元素数量的增加而增长，必须定义完整的接口标准来保证系统元素之间的数据交换； （6）飞机和发动机项目管理与工程研发相辅相成。 1.1系统与系统内部的层级结构 系统工程学中的系统定义： 系统是由多个相互联系、相互制约的组成部分构成的总体。引用这个概念，可以很好地理解复杂工程问题中技术层面的制约关系和研发管理层面的组织逻辑。如图1.1所示，运输系统是由航空运输系统、地面运输系统和海上运输系统等构成的总体；航空运输系统是由飞机系统、机场系统、空中交通管制系统、售票系统和燃油分配系统等组成的总体；飞机系统是由机体系统、推进系统、飞行控制系统、导航系统、生命保障系统和空乘机组等组成的总体。这里需要注意的是，引用系统这个概念不是要将本就复杂的组织变得更为庞杂，而是要把控总体内部各组成部分的相互联系，通过适当的解耦来有效解决问题。 图1.1运输系统与系统内的飞机系统及其他系统关系示意图［2］系统由不同的元素组成，系统元素包括人员、硬件、软件、设施、规范和文档等为产生系统级结果所需的事物。图1.2显示的是美国国防部发表的《联合服务规范指南》文件系统［4］，它由十余份文件组成，每一份文件针对不同的专业领域，各份文件之间具有清晰的层次关系，对应于武器装备系统工作分解结构。图1.2可以很好地帮助读者理解系统与系统元素之间的关系，每份文件都是一个系统元素，它们的总和构成一个完整的系统。各份文件之间不是相互独立的，而是自上而下逐层细化的。其中，处于第二层的航空器（JSSG.2001）是对处于**层的航空器系统（JSSG.2000）的扩展和细化；而处于第三层的航空电子系统（JSSG.2005）、飞机结构（JSSG.2006）、航空涡轮发动机（JSSG.2007）、航空器控制与管理（JSSG.2008）、航空器子系统（JSSG.2009）和机组系统（JSSG.2010）是对航空器（JSSG.2001）的扩展和细化。这个规范系统作为系统工程的一种工具，其结果是指导武器装备的采办方与生产方按标准化策略编制相应的规范文件，其中**层、第二层JSSG文件用于编制系统规范，第三层JSSG文件用于编制产品研制规范。 图1.2《联合服务规范指南》文件系统示意图［4］那些实物类的系统元素通常指的是系统层级结构中层级递减的子系统、组件、部件和零件等，于是需要引入系统内部层级结构的概念。系统内部的层级结构可以理解为，将系统元素分解到可理解、可管理的程度，并可由另一方制作、购买或使用。系统内部的层级结构是管理大规模、复杂工程的设计和制造活动的保证，产品的需求通过层级结构逐级分解到*底层，使项目团队中的每一个成员都知道需要做什么，以及如何去做。 系统内部的层级结构划分规则可以按需要进行设置，例如，在民用航空领域，飞机系统设计要求的层级结构可以按照美国航空运输协会（Air Transport Association， ATA）ATA 100规范的章节系统进行划分，不同飞机系统特定的功能要求在各个章节中表述［5］，图1.3是这种商用飞机系统顶层文件对应的ATA 100规范章节示意图，它使复杂的系统要求条目化，更方便分析和管理。飞机系统*顶层的设计要求以及必须遵循的设计约束由顶层飞机要求文件（Top Level Aircraft Requirement Document， TLARD)规定；向下一级分解成顶层系统要求文件(Top Level System Requirement Document， TLSRD)和顶层结构要求文件(Top Level Structural Requirement Document， TLStrRD)；再向下一级TLSRD分解成环境系统、航空电子、电器系统、客舱系统、机械系统、推进系统、辅助系统等系统设计要求，TLStrRD分解成机体等结构设计要求；再向下一级还可以细分，如推进系统要求可以分解成燃油系统、挂架、动力装置和功率控制等设计要求。 图1.3商用飞机系统顶层文件及对应的ATA 100规范章节示意图［5］也有按系统的功能模块划分系统内部的层级结构的，见图1.4，它显示的是飞机动力装置系统的功能框图［6］，飞机动力装置系统是指包含发动机本体以及实现发动机在飞机上的安装、使用和可靠工作的系统和装置的总称，从框图上可以看到发动机工作、传力、环境、防火功能等与飞机子系统、装置的交联关系。图1.4飞机动力装置系统的功能框图［6］还可以看出影响发动机工作的因素包括进气道、发动机、尾喷管、燃油控制等；影响发动机控制的主要因素包括油门操纵、