0 引言

飞机设计的本质是“系统综合”,单科性的知识不能概括综合设计中的全部规律,飞机系统综合设计是一项典型的多目标决策工作^[1]。基于系统工程的正向设计思路在飞机设计工程领域已经应用了多年,但飞机系统综合设计依然是一个难点。

飞机系统综合设计对基础学科的应用集成链路很长,覆盖数学/物理等基础学科、电子设计/机械设计/软件设计等应用学科,同时覆盖某个具体设备的设计、某个系统的设计以及飞机系统的整机集成设计等多个设计层级。一直以来,飞机设计工程师都是从基础学科和应用学科入手,逐渐扩大范围,其事业大多止步于某个飞机子系统或者系统的设计,没有途径了解或者参与更大范围的多系统综合设计,而更加综合和困难的飞机层系统集成设计,往往只掌握在少数几个总设计师手中。以基础学科为起点,缺乏对飞机系统综合设计的全局了解,工程师很难掌握飞机系统综合设计的能力,这是导致正向的飞机系统综合设计始终是个难点的根本原因之一。工程师的一个迫切诉求是了解“飞机系统综合设计内容有哪些”。

不同政府机构或组织发布了多种系统工程理论参考材料和标准,包括FAA(美国联邦航空管理局)的《NAS系统工程手册》^[2]、NASA(美国国家航空航天局)的《系统工程手册》^[3]、INCOSE(系统工程国际委员会)的《系统工程手册》^[4]、DoD(美国国防部)的《系统工程基础》^[5]、ISO(国际标准化组织)的《ISO15288系统和软件工程系统全生命周期过程》^[6]、EIA(电子工业协会)的《EIA-632系统工程过程》^[7]等,均要求在复杂系统的设计过程中进行“系统综合设计”(synthesis),但都只给出了框架性的步骤指导,需要结合具体复杂系统比如飞机系统的特点由工程单位自行定义系统综合设计规范;在明确了系统综合设计的基本内涵和步骤后,飞机研制工程单位面临的第一个关键问题也是“飞机系统综合设计的内容有哪些”。

Ian Moir先生在《飞机系统机械、电气和航电子系统集成》^[8]和《民用航空电子系统》^[9]书中详细介绍了飞控系统、液压系统、电气系统以及各种航空电子系统的组成和原理,并在《飞机系统的设计和开发》^[10]一书中将系统工程思想与飞机系统的设计进行了充分融合,指出了飞机系统设计需要全面考虑机体系统、机械系统、航电系统等的综合设计和集成,并指出了系统集成的多个层级,包括组件层、系统层、过程层、功能层等,而功能层集成需要考虑对利益攸关方诉求的满足,是抽象层面的集成。Ian Moir先生将系统工程思想贯彻到了飞机系统设计中,但依然没有回答“飞机系统综合设计的内容有哪些”这个问题。

国内飞机设计工程领域的关键参考材料《飞机设计手册》^[11],全方位介绍了飞机总体、系统、可靠性等飞机工程设计内容,但手册仅离散讲述了推进系统、起落架系统等系统设计,缺乏飞机层系统综合相关的内容。

工信部发布的《HB8525-2017民用飞机研制程序》^[12]标准中,指出了在不同的飞机研制阶段要开展相应的系统设计工作,比如在G6初步设计审查前要完成系统架构定义工作,在G7详细设计审查前要完成机载系统的详细设计等,但并没有指出“机载系统的详细设计”包含哪些内容。

飞机系统设计除了要解决系统综合设计本身的复杂性问题,还要满足适航要求比如CCAR25部^[13];适航要求是飞机的最低安全要求,但其严格程度远超其他复杂系统产品。适航要求中部分条款的目标系统比较具体,比如针对空速测量系统的25.1303条款,但部分条款的目标系统是飞机整机,比如25.1309条款。对于整机性条款,需要针对“飞机系统综合设计内容”提供清晰完备的“设计过程材料”才能表明符合性。这些“综合设计的过程材料”需要满足SAE ARP4754A《民用飞机和系统研制指南》给出的研制过程保证要求^[14]。ARP4754A要求在飞机系统综合设计过程中要依据SAE ARP4761《民用机载系统和设备安全性评估过程的指南和方法》^[15]充分开展飞机和系统的安全性评估工作,但除了安全性评估,ARP4754A并没有指出飞机系统综合设计需要考虑的其他内容。

工程中设计某个具体设备往往是最容易的,因为目标小、边界清晰,且存在大量的国际/国内/行业标准和指导材料可以参考。航电系统综合(包括IMA综合模块化航电的综合^[16]、飞行导引模式的综合等)的工作就比较困难了,涉及到多个系统(飞行管理、导航、通信、机载维护、IMA等),横跨多个学科,大系统综合层级的设计必须进行抽象才能开展,是各系统供应商的核心技术,相关参考材料急剧减少,开展相关研究的科研机构也不多。飞机总体层面的系统综合就非常困难了,涉及整机30多个大系统,近140个子系统^[17],横跨航空工业领域的所有学科,在飞机级进行系统综合设计需要很高的抽象程度,否则很难掌控如此多的交叉学科和相应的技术专业。

为了建立飞机系统综合设计的内容分解结构,工程中目前在用的是“自底向上”的梳理总结方法,随着飞机研制过程的推进,综合设计主题的产生呈现出涌现性,经常打乱研制计划,为各系统技术专业的工程师造成了极大困扰。“自底向上”识别飞机系统综合设计内容的方式带来的关键问题是综合设计工作的规划无法开展,导致飞机级综合性设计工作质量不高,进度迟缓。

本文的第一个目的是采用“正向的、自顶向下的”方法对工程领域的飞机系统综合设计内容进行推演生成,为工程单位提供参考,支持开展飞机系统综合设计工作的提前规划。

飞机多系统综合设计要求工程师同时具备多个系统的设计能力,并且具备公共技术专业比如安全性和可靠性分析专业的技术能力,但实际上工程单位中掌握这种飞机系统综合设计能力的工程师并不多。

飞机研制工程单位需要了解“飞机系统综合设计内容有哪些”,才能更加有针对性地开展交叉专业的设置和培训体系的搭建。系统综合设计是系统工程理论的核心组成部分,德克萨斯大学奥斯丁分校的Armand J.教授指出了在飞机设计专业开设“系统工程”教学的必要性,帮助工程类研究人员掌握复杂系统综合设计的规范性方法^[18]。

本文的第二个目的是将工程单位面临的系统综合设计内容进行结构化梳理,为飞机研制单位中系统工程类的培训课程设置提供参考。

飞机系统综合设计本质上是一个“多学科优化过程”,需要采用MDO多学科优化设计的方法来开展,并且需要根据复杂系统需要分层抽象设计的特点进行多层级参数迭代优化。围绕飞机系统综合设计,许多学者使用MDO方法进行了提高燃油经济性的飞机总体设计^[19-21]研究,或者降低整机消耗的飞机能源系统设计研究^[22-24],这些MDO研究的目标都是降低油耗并提高经济性,综合设计的目标过于单一;在MDO算法方面,NASA给出了BLISS双层集成系统综合设计方法^[25],指出对于复杂系统的综合优化需要结合系统的抽象层次分解,不同层级迭代进行优化设计;之后有多名学者对复杂系统的多学科设计进行了多层参数迭代优化的研究^[26-27],为本文后续找到飞机系统综合设计问题的具体解决方法提供了指导。

本文首先提出适用于工程的基于系统工程的飞机系统综合设计流程;其次全面推演飞机系统综合设计的内容;然后构建了飞机系统综合设计内容的追溯链路,并指出其重要作用。同时指出部分关键的飞机系统综合设计主题和未来有可能成为飞机系统综合设计工程领域主要设计手段的SysML建模方法。

1 飞机系统综合设计的定义

综合设计是系统工程理论的重要组成部分。系统工程理论的三大支柱分别是“需求分析”、“功能分析”和“综合设计”。

FAA系统工程手册^[2]中关于“系统综合设计”的定义:系统综合设计是一个创新性的过程,将需求转化成备选的系统设计方案,该方案体现为具有“最优指标”的系统物理架构。落实到飞机系统综合设计中,该创新性的过程将利益攸关方的顶层诉求转化为飞机系统的物理方案。

2 正向的飞机系统综合设计流程

飞机系统综合设计的起点是“利益攸关方诉求”,即最高层级的飞机设计需求,终点是“飞机系统综合设计方案”,中间是“飞机系统综合设计流程”。

例如,ICAO(国际民航组织)是全球航空运输系统的规则制定者,而飞机作为航空运输系统的核心组成部分,ICAO是飞机系统及其综合设计的关键利益攸关方。为了保持航空运输的安全性,并提高航空运输的效率,ICAO发布了Doc 9750《全球空中导航计划》^[28],并开发了航空系统块升级框架ASBU^[29],指出了提高航空运输效率的四个运行概念,分别是“机场运行”、“全球系统和数据交互”、“空域容量优化和灵活飞行”、“高效飞行路径”,这些顶层的运行概念都需要转化为飞机的综合设计目标,并通过飞机系统的综合设计进行实现;为了响应ICAO的要求,FAA主持开展了NextGen项目^[30],EASA主持开展了SESAR项目^[31],主要目的是通过提升CNS/ATM空中交通管理能力,对ICAO的运行概念进行细化和落实;为了响应ICAO的要求,CAAC(中国民用航空局)发布了《中国民航航空系统组块升级(ASBU)发展与实施策略》^[32]和《CAAC中国民航基于性能的导航实施路线图》^[33],推动国内航空系统的升级以及飞机系统研制的进步;ARINC(美国航空无线电公司)作为航空电子设备的标准制定者,发布了ARINC 660B《支持NextGen和SESAR概念的CNS-ATM航空电子架构》标准^[34],要求飞机主制造商和航空电子系统供应商在进行系统设计时要考虑对下一代空管系统的支持。ARINC 660B标准在下一代空管运行概念的基础上,提出了多项飞机系统综合设计目标包括引入PBN(基于性能的导航)运行能力等,同时针对这些目标对飞机系统的综合设计提出了许多内容主题,包括支持PBN运行的飞机导引综合设计、支持低能见度运行的自动飞行设计、支持空中防撞/地面防撞/防撞地的飞机综合监视设计等。

从示例可以看出,正向的飞机系统综合设计流程应该包括利益攸关方运行概念识别、综合设计目标提炼、综合设计内容识别等环节;同时为了在飞机研制工程单位内部进行落实,还需要将飞机系统综合设计内容与工程技术专业进行关联分配,并开展飞机系统综合设计工作的管控。工程中的正向飞机系统综合设计流程如图1所示。

飞机系统综合设计流程中,主干流程是“综合设计内容的产生”和“综合设计管控”,主干流程的开展需要通过“功能和需求定义”流程进行规范化。

飞机系统综合设计主干流程的步骤如下:

1) 识别飞机系统的利益攸关方,并识别其诉求,即期望的运行概念,比如飞行和地面运行、支持航空公司高效运营等;

2) 根据运行概念,提炼并定义飞机系统综合设计目标,比如针对支持航空公司高效运营运行概念,可以提出支持低能见度运行和支持高密度运行等综合设计目标;

3) 有机整合综合设计目标,结合先进的飞机设计理念和ICAO关于航空系统升级计划的要求等,识别并分解必要的飞机系统综合设计内容,比如针对“支持低能见度运行和高密度运行”的目标,需要开展“飞机导引综合设计”和“多场景综合的自动飞行设计”等综合设计内容;

4) 结合工程技术专业的定位,对飞机系统综合设计内容与工程技术专业建立关联关系,明确每项综合设计内容由哪些技术专业承担,比如“飞机导引综合设计”由导航系统、飞管系统、自动飞行系统技术专业等共同承担;

5) 针对每项综合设计目标,管控相应综合设计内容的完成情况;

6) 针对每项运行概念,管控相应综合设计目标的完成情况。

3 飞机系统综合设计内容

3.1 综合设计内容的推演生成

飞机系统综合设计流程中,“综合设计内容产生部分”包含5个元素,即利益攸关方、运行概念、综合设计目标、综合设计内容和技术专业,它们之间的关系是:

1) 利益攸关方期望飞机系统实现一些运行概念;

2) 运行概念经过飞机总体设计师的提炼总结形成一些综合设计目标;

3) 针对综合设计目标,工程单位计划开展多项综合设计内容;

4) 综合设计内容被分配给具体的技术专业进行落实。

飞机系统综合设计的关键利益攸关方如表1所示。

飞机系统综合设计的利益攸关方有很多,每个利益相关方对于飞机的诉求也不同,比如乘客比较关心客舱内的舒适性,航空公司比较关心飞机运行的经济性,各国民航局非常关心飞机运行的安全性,ICAO比较关心全球空域系统运行的效率等。这些不同利益攸关方的诉求经过具体化均可以转化为一些“运行概念”。

不同利益攸关方关心的关键运行概念如表2所示。

注:N/A代表“不再展开”。

运行概念一般比较宽泛,需要进行工程化分析和表达,形成飞机系统综合设计的目标。

运行概念关联的关键飞机系统综合设计目标如表3所示。

续表3

飞机系统综合设计的最终目的是形成一套方案,能够全面且平衡地满足以上这些有可能相互矛盾的目标,所以飞机系统综合设计是一个典型的“多目标权衡分析过程”,需要采用MDO多学科优化的方法开展工作。

针对综合设计目标,需要开展必要的飞机系统综合设计工作进行实现,这些综合设计工作可以聚类为一些综合设计内容的主题。在识别飞机系统综合设计内容的主题时,需要考虑航空工业界的技术发展趋势/水平和国际上先进的系统设计理念,比如“IMA综合模块化航电设计”等。

关联多项综合设计目标的飞机系统综合设计内容主题如表4所示。

续表4

以上飞机系统综合设计内容的主题基本都横跨多个系统和学科,需要在飞机层面对技术专业进行协同才能有效开展。工程技术专业除了负责自己专业内部的系统本体设计外,还需要支持飞机系统综合设计内容的落实,每个技术专业基本都需要参与部分飞机系统综合设计内容。

工程中飞机系统综合设计相关的技术专业和参与的部分综合设计内容如表5所示,该表同时给出了各技术专业的设计手段现状和趋势。

各工程技术专业之间的工作在跨系统综合设计内容的约束下需要充分协同。其中,“飞机系统综合”技术专业对各项飞机系统综合设计内容进行分工和统筹管控,各系统技术专业(从ATA21到ATA71)对各项系统综合设计内容中的负责部分进行具体实现。

续表5

从表5可以明确各技术专业所需要参与的飞机系统综合设计内容,进而明确各专业的技术内涵;可以看出部分专业需要参与的飞机系统综合设计内容比较多,比如总体、飞控、自动飞行、导航、动力装置等,这些系统技术专业的设计决策往往是影响全局的,需要通过整机影响分析进行支持。

从各技术专业现有的设计手段和发展趋势中可以看出,目前飞机系统综合设计中主要采用的设计手段包括三维结构设计、多物理场仿真(气体、流体、热、电磁、噪声等)、SysML系统建模、Simulink仿真、Modelica仿真、MDO多学科优化设计、半物理试验台、工程样机、飞行模拟器等;其中SysML系统建模主要支持在较高抽象层级进行系统静态架构和动态行为分析,是飞机研制工程领域正在快速发展和应用的一个手段,可能成为未来飞机系统综合设计的主要手段。

3.2 综合设计内容的追溯链路

各技术专业的工程师在进行系统设计时,往往会由于距离“客户”(即利益攸关方)太远,而导致对负责的系统设计需求理解不清,为了解决这个问题,可以围绕某个具体的飞机系统综合设计主题建立技术专业到利益攸关方的追溯链路,为工程师提供所负责系统设计要求的直观认识。围绕“飞机导引综合设计”,ATA34导航专业对利益攸关方的追溯链路如图2所示。

随着技术的发展,飞机上的导引模式越来越多,飞行员在不同导引模式之间进行切换控制的操纵负担越来越重,已经影响了安全飞行,飞机导引综合设计必须考虑提高人机交互的自动化程度并使得操作程序简洁清晰,根据以上追溯链路,ATA34导航技术专业的工程师可以直观地了解到飞机系统综合设计的利益攸关方包括机组和ICAO等,以及他们所关心的运行概念包括提供良好的人机交互等,可以明确综合设计目标的来源和内涵,包括操作程序简洁清晰等,进而开展更加有效的导航系统设计。

飞机设计工程师往往会存在“技术至上”的潜意识,对客户诉求的忽视带来的问题非常严重(影响设计成本、进度、市场声誉等)。飞机系统综合设计内容的追溯链路可以将设计链路压缩,将各系统技术专业需要对接的“客户”及其诉求直观地呈现出来,支持工程师在设计工作中加强“客户至上”观念,这在工程设计中是非常重要的。

3.3 关键的综合设计内容及其难点

从发展趋势、紧迫性、技术成熟度需求和难度、技术先进性和竞争能力、安全性分析影响等角度对飞机系统综合设计内容进行筛选,可以识别到目前工程领域优先级最高的几项关键综合设计内容,如下所示:

1) 面向复材的综合设计

复合材料由于其低密度高强度特性,是飞机上材料选用的发展趋势,能充分提高飞机的燃油经济性,是体现飞机竞争能力的关键点。相关技术难点:复材的材料特性研究等。

2) 多电架构综合设计

采用多电能源系统架构或者全电能源系统架构是飞机能源系统的发展趋势,能充分提高整机能源效率,提高经济性。

相关技术难点:多电架构的安全性分析,多电架构的能源供给架构和重构策略,以及多电架构的负载管理设计等。

3) IMA综合模块化航电设计

采用高度集成的模块化航电设备,同时采用软件密集的系统设计方案,是飞机航电系统的发展趋势,能充分提高信息传输效率,支持实现更加智能的飞行。

相关技术难点:IMA系统架构的静态和动态安全性分析等。

4) 飞机健康管理综合设计

采用健康管理理念,是降低维修成本并提高飞机可用性的必然途径,引入机载健康管理系统是飞机航电系统的发展趋势。

相关技术难点:基于有限数据的飞机系统健康状态评估等。

5) 面向下一代CNS/ATM的航电综合设计

ICAO、FAA、EASA都发布了空管系统升级的规划,CAAC也做出了相关跟进举措,面向下一代空管系统的飞机航电系统设计升级是未来民机准入的门槛。

相关技术难点:PBN能力的适航符合性验证、PBN能力的仿真分析等。

4 结论

本文首先提出了“正向的,自顶向下的”基于系统工程的飞机系统综合设计流程,并根据流程全面推演了飞机系统综合设计的内容;为工程单位中的技术专业和工程师提供参考,支持开展飞机系统综合设计工作的提前规划。飞机系统综合设计的内容总结如下:

1) 利益攸关方所期望的运行概念比如ICAO和航空公司要求的“支持高效运营”是飞机系统综合设计的起点,本文识别到关键利益攸关方9项,关键运行概念8项;

2) 针对运行概念,飞机研制工程单位需要进行权衡分析并提炼出可行的综合设计目标,比如“提供全生命周期的经济性”,本文识别到关键的综合设计目标15项;

3) 针对综合设计目标,飞机系统综合技术专业需要结合先进的设计理念和竞争能力要求提出需要开展的飞机系统综合设计内容,比如“多电架构综合设计”,并将各项综合设计内容分配给相关的工程技术专业,本文识别到飞机系统综合设计内容25项,并将其分配给了29个技术专业;

4) 针对各工程技术专业所参与的飞机系统综合设计,本文给出了目前工程领域在用的设计手段和趋势,指出了SysML建模可能是未来飞机系统综合设计的主要手段。

其次,本文给出了飞机系统综合设计内容的追溯链路,帮助技术专业的工程师清晰直观的理解系统设计要求;本文同时给出了最为关键的5项飞机系统综合设计内容,并指出了相关研究的难点,为飞机研制工程单位提供参考。

参考文献