В статье представлены некоторые возможности развития существующей системы разработки газотурбинного двигателя (ГТД) с помощью системно-инженерного подхода. Выявлены наиболее важные параметры, влияющие на сроки и стоимость разработки авиадвигателя.
Ключевые слова: газотурбинный двигатель, системный инжиниринг, системная инженерия, архитектура системы, разработка, эскизный проект
Введение
Создание газотурбинного двигателя согласно действующему со времен СССР ГОСТ 2.103–2013 на стадии разработки включает этапы:
‒ разработка технического задания на проектирование (ТЗ);
‒ разработка технического предложения;
‒ выполнение эскизного проекта;
‒ выполнение технического проекта;
‒ разработка конструкторской документации.
Здесь нет описания связей между этапами и процессами разработки двигателей. На отечественных предприятиях происходит разделение на отделы по специальности, которые связаны между собой только за счет множества совещаний, которые зачастую противоречат друг другу, в зависимости от организатора и состава. Каждое предприятие методом проб и ошибок самостоятельно разрабатывало ГТД, опираясь на авторитарное мнение одного человека — главного (генерального) конструктора, отвечающего не только за разработку, но и за сроки, бюджет и т. д. Как известно из психологии, один человек может держать в голове одновременно не более 7 задач. Тогда как количество задач, которые одновременно необходимо решать при разработке газотурбинного двигателя, доходит до нескольких тысяч. Нетрудно понять, что одному человеку, даже очень хорошо подготовленному, такая задача не по силам. Большинство задач возникают и решаются «по ходу дела». Отсюда возникают огромные затраты по времени, средствам и человеческим ресурсам.
Системно-инженерный подход
Есть необходимость упорядочить и систематизировать отношения между участниками процесса разработки двигателя. Для решения такой задачи возможно применить системно-инженерный подход к разработке новых продуктов, в нашем случае к разработке ГТД, где предусмотрена методология эффективного использования имеющегося инструментария и технологий взаимосвязей.
На начальном этапе проекта нужно создать единую дорожную карту разработки двигателя, все шаги в ней зависят от опыта предприятия и располагаемых ресурсов. В общем виде схема разработки представлена ниже [1].
Рис. 1. Схема разработки ГТД
Область, выделенная пунктиром, является одной из самых важных составляющих в разработке двигателя, ошибки на этом этапе ведут к многократному увеличению сроков, бюджета и, при неудачном выборе исходных решений, к возможному закрытию проекта нового двигателя. Одной из причин таких ошибок является недостаточная проработка требований к двигателю и, как следствие, к его подсистемам, что ведет к неоднозначной трактовке требований со стороны участников процесса разработки.
При классическом подходе к разработке заказчик передает ТЗ на двигатель исполнителям, ТЗ согласуется по пунктам, предложенным заказчиком, и исполнитель приступает к разработке на основе полученных «базовых» требований. Далее, их нужно переформатировать в технические требования (т. е. непосредственно реализуемые в конструкции), а также декомпозировать на требования к входящим подсистемам и компонентам будущего изделия.
В результате происходит пересогласование требований на стадии проектирования, далее испытаний и т. д. Это происходит в связи с тем, что заказчик, безусловно, знает общие принципы, возможности, структуру ГТД и т. п., но при этом его знания являются «пользовательскими», он не может смотреть на возможность выполнения требований «со стороны разработчика». Например, заданный им вес изделия выявляется после конструктивной проработки проекта, с учетом выполнения в конструкции большого количества других параметров.
В системно-инженерном подходе (СИ) требования являются системообразующим началом. Без четкой формулировки всей пирамиды (иерархии) требований нет возможности успешно продолжать работу. Требования подразделяются на внешние (заказчика) и внутренние (системные). Должны быть учтены даже те требования, о которых заказчикна стадии предложенного ТЗещё не знает. Важно понимать, что ответственность за невыполнение лежит не на заказчике, а на инженерах, исполнителях. Поэтому в формулировке и документировании требований должны участвовать все заинтересованные стороны без исключений. На схеме ниже (рис. 2) представлен предварительный этап процесса разработки в СИ, на нем можно увидеть важность вышесказанного, связь фундаментальных и детализированных требований на всех уровнях подготовки к проектированию ГТД.
Рис. 2. Подготовка к процессу разработки в СИ
На представленной схеме упоминается ещё одно базовое понятие процесса разработки — архитектура системы. Первоначально её определяют требования и ограничения верхних уровней — архитектурные требования (вес двигателя, габариты, удельный расход топлива и т. д.). Архитектура проекта/системы представляет собой пространство, ограниченное периметром, все дальнейшие решения могут быть только внутри заданного периметра. Предположим структура двигателя определена: компрессор, камера сгорания, турбина и т. д., турбина может быть двухступенчатая, а может быть и трехступенчатая, главное она должна удовлетворять требованиям и ограничениям, описывающим упомянутое выше пространство. Архитектурное описание содержит элементы привычного нам эскизного проекта, служит базой для выдачи заданий ниже по структурной декомпозиции работ.
Архитектура системы включает:
‒ физические характеристики (структура);
‒ функции (поведение);
‒ параметры (производительность);
‒ технологию;
‒ стоимость;
‒ риски;
‒ ограничения;
‒ границы системы;
‒ интерфейсы системы.
В рамках данной статьи рассматриваются пункты, не используемые в традиционных подходах проектирования.
Дальнейшая разработка продукта на каждом этапе, после каждой итерации, «сверху вниз» (декомпозиция) и «снизу вверх» (синтез решения), обязательно проверяется на соответствие архитектуре системы. Тем самым минимизируются потери с начальных стадий разработки до конечных, мобилизуя большие ресурсы на выработку проектных решений на первоначальном этапе. Такая схема разработки в системной инженерии контролируется процессами верификации и валидации. Наглядно представить эти процессы, наряду с вышесказанными описаниями требований и архитектуры двигателя, возможно в виде V-диаграммы/V-модели (рис. 3), широко известной в системном инжиниринге [2].
В этой диаграмме наглядно показаны описанные выше составляющие и преимущества системно-инженерного подхода. Каждый этап верифицируется. Процесс верификации и валидации занимает около 30 % затрат на разработку, но эти затраты оправданы, так как позволяют пошагово фиксировать соответствие требованиям на всех уровнях разработки. В настоящее время, с активным развитием в сторону качества соответствующего программного обеспечения, существует возможность снизить эти затраты — некоторые испытания и тесты можно проводить на виртуальных моделях двигателя или подсистем. Соответствие таких тестов натурным испытаниям контролируется по ограниченному объему натурных испытаний, и по некоторым позициям достигает 99 %. Отсутствие верификации хотя бы на одном из нижних уровней может привести далее к многократному увеличению стоимости и сроков всей разработки. Важно отметить, что процесс валидации (приемки) должен не только удовлетворить ТЗ на двигатель, но и удовлетворять использующей системе (воздушному судну) в состав которой входит разработанная система (двигатель), являющаяся в этом случае подсистемой.
Рис. 3. V-модель процесса разработки ГТД
Заключение.
В статье представлены возможности усовершенствования существующей системы разработки ГТД с помощью системно-инженерного подхода. Указаны рекомендации к определению требований к системе с акцентом на их важность, понятие архитектуры системы. Представлена схема разработки двигателя с верификационно-валидационными процессами. Всё вышеперечисленное является первоначальными шагами, фундаментом к построению системы разработки двигателей, позволяющей быть конкурентоспособной на рынке авиации, за счет снижения затрат и времени на разработку, и, как следствие, снижению стоимости газотурбинного двигателя и его жизненного цикла.
Используемые сокращения
ГТД — газотурбинный двигатель,
ТЗ — техническое задание,
ППО — послепродажное обслуживание,
КС — камера сгорания,
СИ — системный инжиниринг.
Литература:
- Aircraft engine design / Jack D. Mattingly, William H. Heiser, David T. Pratt. 2nd ed. p. cm. (AIAA education series). — 21p.
- Guide to the Systems Engineering Body of Knowledge, INCOSE SEBoK v. 1.5.1, released 18.12.2015–264p.
