航空飞行器系统工程概论第3-4讲XXXX0402

航空飞行器系统工程概论第3/4讲1沈作军航空科学与工程学院北京航空航天大学2015.3.27-4.3航空飞行器系统工程航空飞行器工程系统与系统工程的关系2飞行器总体设计系统工程工程系统飞行器任务需求系统综合传统工程技术:力学,机械,结构材料,发动机,电,气,液压,…工程专业:可靠性,维修性,保障性,安全性,测试性,…试验工程,生产制造,使用保障,后勤支援,..经费管理技术状态管理与性能度量系统工程管理计划计划管理系统分析与控制风险管理性能与效能分析系统工程组成3系统工程管理研制阶段划分系统工程过程全寿命周期综合与系统/故障/寿命周期相关的工程专业可靠性维修性安全性保障性测试性可用性经济性环境适应性……系统工程涉及系统工程管理和工程专业两大领域。Systemengineeringconsistsoftwosignificantdisciplines:thetechnicalknowledgedomaininwhichsystemsengineeroperatesandsystemengineeringmanagement.（DoD5000）我国航空飞行器研制程序我国航空工业自创建以来，生产的飞机绝大多数是军用飞机，航空器的研制和生产主要采用国家制订的军用规范及标准，对于军机的审查也是由国防科工委进行审查、鉴定以及对最后的设计或生产定型机进行批准。我国航空飞行器的研制程序大多依据《常规武器装备研制程序》，将研制程序划分为五个阶段。论证阶段、方案设计阶段、工程研制阶段、设计定型阶段、生产定型阶段。依据装备研制程序，具体门类航空飞行器通常根据其自身特点，制定了专门的系统研制程序，如飞航导弹武器系统研制程序。4我国航空飞行器研制程序我国航空飞行器的研制程序的五个阶段。5方案论证方案设计工程研制设计定型生产定型使命任务要求技术方案设计关键技术攻关样机设计制造研制总要求研制任务书详细设计鉴定试验我国航空飞行器研制程序6军用飞机研制程序我国航空飞行器研制程序7飞航导弹武器系统研制程序方案阶段的研制费用应占研制总费用的25%左右。使前期工作，尤其是关键技术的演示验证工作做得充分，将大大降低型号研制的后期风险。前期经费的投入将最终降低研制总费用。据国外大量的飞行器研制统计数据表明：方案阶段研制经费和研制总经费超支呈反比关系。8方案阶段的特点例如：英国台风战斗机研制费用超支75%•输入用户/使用部门的任务需求书/战术技术指标；约束条件（如资金限额，研制周期要求，环境条件等）。•主要任务将用户的任务需求，通过一系列规范化的程序转化为飞行器的系统技术要求及满足这些要求的基本系统方案，亦即定义所研制的飞行器系统。•核心工作确定系统是干什么的？（Whattodo?不回答Howtodo?），•输出飞行器系统研制总要求（一般以系统规范，或技术要求文件表述）；飞行器基本方案9方案论证阶段要点•输入阶段1的输出：即飞行器系统技术要求和基本方案。•主要任务对初步选定的基本方案进行深入的分析、研究及必要的演示验证，以便最终确定方案。•核心工作确定系统是如何构成的？从顶到下的系统功能分解和技术要求分解从底向上的系统综合•输出被确定方案的体系结构（功能体系结构、物理体系结构）；系统设计规范。10方案设计阶段要点第一阶段论证论证任务：进行战术技术指标、总体技术方案论证及研制经费、研制周期、保障条件预测，形成《飞机研制总要求》。论证组织：根据使用部门的要求，进行技术、经济可行性研究及必要的验证试验，对战术技术要求、技术和经济可行性、研制周期、保障条件等因素进行综合权衡，向使用部门提交初步总体技术方案、研制经费、保障条件、研制周期预测报告，提出保障条件要求。论证内容：作战使命、任务、环境和对象；战术技术性能指标要求及综合后勤保障要求；初步装备编制方案、计划装备数量、基地、位置和服役年限；采购经费及使用经费估算；研制进度和交付要求。11(1)战术技术要求论证进行作战对象、作战环境分析，论证新机作战使用性能；与使用部门进行作战使用要求协调；论证新机战术技术指标要求，并与使用部门进行指标协调；根据初步战术技术要求及使用要求，设想几种飞机技术方案及配套方案。(2)经济可行性论证根据技术可行性进行经济可行性分析，测算单机成本、研制费用和装备费用，盈亏平衡点。如F-22和B-2：F-22单机成本约2亿美元。加上研发费用每架成本约3.5亿美元。B-2每架飞机约合6亿美元，最终加上研制费用，每架超过20亿美元。12第一阶段论证(3)技术可行性论证根据初步的战术技术要求及使用要求，设想几种飞机技术方案及配套方案，对相关技术储备、预研成果、设计、试验、生产能力、工艺技术、设备水平和配套成品现状进行调查研究；初步提出为满足战术技术要求必须突破的新技术、新产品、新材料、新工艺、新标准；通过对使用方式、作战任务进行分析，测算飞机寿命剖面、任务剖面、环境剖面，提出综合保障初始方案和要求;提出研制保障条件，包括设计条件、试验条件和生产条件。13第一阶段论证(4)测算研制周期初步测算研制周期，初步编制研制计划，绘制零级网络图。例如(5)进行风险辨识要尽量判明关键技术；攻克技术关键项目所需条件、经费、周期估算的风险，避免经费测算、研制周期测箅不足对工程研制造成重大肜响；对国外合作项自，应考虑可能的政治、经济风险。14第一阶段论证航空飞行器型号论证中，继承与发展是永恒的主题！大飞机大飞机一般是指起飞总重超过100吨的运输类飞机，包括军用、民用大型运输机和包括150座以上的干线客机。目前只有美国、欧洲四国和俄罗斯有制造大飞机的能力，而占领国际市场的只有美国的波音和欧洲的空客。我国大飞机研发的基础15第一阶段论证案例运10ARJ21立项考虑因素：政治上，大飞机体现能反映一个国家和民族的能力，将增强中国的影响力。经济上，巨大的市场盈利空间。到2050年，我国大约还需要更新和新增干线客机3000多架，总价值在3000亿美元以上。国防上，将使中国实现大型军用飞机的国产化，进一步增强国防实力。技术上，处于产业链的顶端，将有力拉动中国的技术进步和产业升级，提升中国在国际产业分工中的地位。学科上，研制大飞机涉及多个学科，空气动力学、材料、航空电子……工业上，大飞机产业带动化工、电子、冶金、机械等工业部门升级换代。16第一阶段论证案例大飞机2003年11月，第一次论证由科技部组织，论证内容为是否将大飞机列为国家重大科技专项。争论焦点为中国需要民用大型客机还是军用大型运输机。2006年7月，大飞机项目开始第二次立项论证。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》重大科技专项的统一部署，成立了由来自各方面的19位专家组成的方案论证委员会。经过7个月的集中论证，专家们从国家利益和全局需要出发，完成了《大型飞机方案论证报告》。17第一阶段论证案例大飞机2007年2月26日，国务院通过了《方案论证报告》，3月大飞机正式立项。整个大型飞机项目国家将投入500亿-600亿元，用于大型运输机、大型客机和发动机。项目分成大型运输机项目和大型客机项目同步发展。2008年中国商用飞机有限责任公司正式启动大型客机COMAC919项目论证工作，邀请国内外47家单位468位专家组成了大型客机联合工程队，成立了由20位院士、专家组成的大型客机专家咨询组，形成了大型客机的初步总体技术方案，完成了大型客机项目技术经济可行性研究报告，梳理出了第一批需要启动的14项专项技术攻关项目。2009年2月，中国大飞机研制工作完成初步总体技术方案。18第一阶段论证案例初步总体技术方案基本型全经济布局为168座，混合级布局为156座。包括标准航程型(STD)和增大航程型(ER)两种构型。各为为2000海里和3000海里，以满足航空公司对不同航线的运营需求。“安全性”、“经济性”、“舒适性”、“环保性”；飞机的设计寿命为9万小时，每天8小时飞行可使用30年。将采用超临界下单翼、翼吊两台先进涡扇发动机、常规平尾、前三点式起落架布局形式。驾驶舱将采用两人制，航电系统采用高速总线技术和大型数字化液晶平板显示器，飞行控制系统采用电传操纵技术并考虑主动控制技术。19第一阶段论证案例运10：1970年8月，我国第一个大飞机项目“运10”启动，累计投入5～6亿RMB。1980年9月，首架“运10”成功试飞。“运10”先后在北京、乌鲁木齐、昆明等地起落，并先后7次飞抵起降难度最大的西藏拉萨机场。运10采用四台发动机，起飞重量110吨、航程8300公里、时速974km/h、升限1.2万米。发动机向国外采购，航电和机械系统国产化率超96％。20第一阶段论证案例运10：1985年，“运10”项目终止，原因：国家战略由以备战为中心发展到以经济建设为中心，经济性考虑；民航明确表示要进口更为安全和先进的外国飞机，认为运10刚达到60年代初期国外第一代喷气客机的水平。同时提出大飞机发展“三步走”计划：第一步是装配和部分制造支干线飞机；第二步是与国外合作，联合设计研制100座级飞机；第三步是2010年实现自行设计、制造180座级干线飞机。1985年，上海飞机制造厂与美国麦道公司合作组装生产MD82客机。至1997年8月麦道公司被波音公司并购，合作终止。上海麦道组装共生产了35架MD82客机、2架MD90客机。1996年，我国和空客公司开始联合研制AE－100型客机。1998年，空客终止了AE－100项目。我国大飞机的研制工作彻底停止。从“运10”到麦道合作项目，再到空客合作项目，国家研制大飞机的努力遭遇了三度夭折。21第一阶段论证案例运10方案的继承性：主要参考波音707，相同发动机；波音707和前苏联的“图104”、欧洲英国的“三叉戟”。22波音707是1950年代发展的首架四喷射引擎发动民航客机。是世界第一部在商业上取得成功的喷气民航客机。B-47“同温层喷气”是世界上第一种大规模生产、实用的中程喷气式战略轰炸机。1944，美国波音C-97运输机B-29轰炸机，更换大直径机身气动特性C-135军用运输机E-3预警机波音727机体设计第一阶段论证案例运10方案的继承性：波音707和前苏联的图104、欧洲英国的三叉戟。23图-104是前苏联研制的双发动机喷气式客机，是世界上是继英国的彗星客机之后第二款投入使用的商用喷气式客机。三叉戟（Trident）客机是由原英国德·哈维兰公司（后合并入英国航宇公司）根据英国欧洲航空公司（BEA）的需求而研制的三发动机中近程喷气式民航客机。第一阶段论证案例ARJ-21ARJ21（AdvancedRegionalJetforthe21stCentury）是我国研制，拥有自主知识产权的70~90座级中、短航程双发动机新支线客机。ARJ21的研制道路是中国研制大飞机的预演和奠基。ARJ21考虑中国航空运输发展的需要，兼顾国际支线航空运输市场的需求，确定了“适应性、舒适性、经济性、共同性和系列化”即“四性一化”的产品发展理念。ARJ21按民航运输类飞机适航规章CCAR25部、和美国适航规章FAR25部条款设计。ARJ21飞机2000年底立项，计划2003年首飞，后推迟到2006年。2007年12月份总装下线，首飞时间推迟到08年3月，再次被推迟到11月28日。原因：飞机关键系统供应商未能按时提供试验条件。24第一阶段论证案例研制历程ARJ21的国产化率不到10%，该项目有19个全球合作商，ARJ21-700整架飞机的生产分工，由中国、巴西、西班牙、比利时和智利等国家的供应商共同完成的。ARJ21-700项目招揽了许多世界知名的民航设备供应商：霍尼韦尔和帕克的飞控系统，罗-科的航电设备、美国通用电气公司发动机。ARJ21-700盈亏平衡点：10年之内出售200至250架飞机。按照波音公司的测算，未来20年中国所需的中小型支线飞机的比例只有12%，即总量不超过230架运十研制是100%的计划经济模式，几乎全部立足中国制造；ARJ21采用全球供应链配套。