飞行器系统工程

书目信息：书名：飞行器系统工程主编：高存厚，荣明宗作者：荣明宗，高存厚，黄延年，余梦伦，茹家欣，张传基，周政伐出版社：宇航出版社，1996年12月主题词：飞行器，航天系统工程第二章飞行器系统工程本世纪航空航天技术的发展，极大的推动了人类征服空间和征服自然的宏伟斗争，其规模之大，耗资之巨，动员和吸引入力、物力之多，取得成果之丰，都是史无前例的，为世人始料不及，叹为观止。50年代第一颗人造卫星上天；60年代初人类第一次驾驶宇宙飞船邀游太空；60年代末月球探测卫星从40万公里远处向地球发送间月球背面的照片；人类第一次登上月球，在月球表面安装试验仪器、收集岩石标本，然后成功地返回地球；70年代，人类在人造空间站和“天空实验室”中进行了一系列微重力条件下的生物、材料、工艺、冶金试验，为充分利用空间，进行了探索性基础研究；覆盖全球的卫星通情网和电视、广播网的建立，加速了全球的信息传播；资源勘察卫足、气象卫星、导航定位卫星、海事救援卫星的广泛应用；人造太阳系行星探测器对于金星、火星、木星的探测以及空间生命和智能生命的有目、有步骤的探寻等一系列惊人的举止和成就，已经成为20世纪人类的骄傲。导弹和航天系统是—类大型复杂系统，对于这样一类系统的组织建造和运用管理，孕育和产生了—门新型的工程技术——飞行器系统工程。显然，它既是人类从20世纪50年代以来进行大规模导弹核武器竞赛和空前壮观的航天活动的科学总结，也是现代系统思想和系统方法在导弹与航天事业实践中的宝贵结晶。2.1飞行器系统工程的基本概念2.1.1定义飞行器系统工程是关于组织管理飞行器系统的规划研究、设计、制造、试验和使用的科学方法和技术的总称。是昀优设计、昀佳运用和昀佳管理大型现代化飞行器系统的工程技术。2.1.2限定所谓飞行器一般是指能在大气层内或外层空间飞行的、包括有人驾驶或无人驾驶，有动力或无动力的人工制造的飞行器械。因而，一般而言，飞行器应该包括各种气球、气艇、直升机、飞机、导弹、卫星、航天器等等。而本书中的飞行器，则是特指导弹和空间飞行器。这是由于现代系统思想和系统分析方法的发展是几乎与导弹和航天系统的发展同步进行的。而飞机的发展，到50年代，则差不多已经有了半个世纪的历史，它的组织管理已经有了一套成熟的经验，很难改弦更张，吸收新的管理思想。但是，我们深信，飞行器系统工程既然是组织管理大型飞行器系统的基本方法和技术，那么它就一定也适用于航空系统的科学组织和管理。事实上，无论是国外还是国内，航空工业界正在努力吸取系统工程的管理理论和方法论。有鉴于此，所以我们还是使用了飞行器系统工程这个名词。2.1.3系统方法20世纪人类社会在科学技术方面的进步，几乎超过人类有史以来的总和，一个崭新的科学、技术世界矗立在我们面前。伴随着社会的发展、先进科学技术的广泛应用，人口爆炸、资源枯竭、环境污染等全球性问题也日趋严重，人类在18、19两个世纪中建立起来的工程习惯、传统制度，包括社会的、经济的、法律的、政策的、教育的各种初度，已经不适应高度发展起来的科学技术和生产力，必须进行改革和修正，这就产生了科学方法论的巨大转变，即由过去孤立、静止、片面的形而上学方法向相互联系的、动态的、全面的系统方法的转变。在系统方法中，要求人们必须把地球看作一个整体；必须首先弄清人类真正的需求是什么；必须确定由于先进技术的应用，给地球环境造成多大的损害，并以此作为寻求昀优解的基础等等。因此，系统工程师要正确地建立一个系统的硬件设计要求，就必须深刻地研究环境、研究社会关系、研究政策、法律，甚至研究社会心理，当然也需要研究系统内部的机械的、电子的、物理的、化学的各种变化和联系。由此可见，系统方法不仅需要各种专业的工程师，还需要人类学家、政治家、社会学家、经济学家、律师和心理学家等等。简言之，系统方法着眼于系统的全局和整体性，着力解决知识的横向综合问题。2.1.4风险性和系统保证先进技术对于现代系统的影响，一方面是极大地提高了社会劳动生产率和产品质量，另一方面却是使生产和使用费用的急剧增长。像导弹、航天系统这样的大型复杂系统的研究、设计研制、生产、试验和部署使用，常常要花费很长的时间(5~10年以上)，耗费亿万元的投资，而且研制的风险极大。因此，决定是否研制这种大型系统(工程系统、社会系统、技术经济系统等)的昀高决策者，必须得到某种适当的保证，证明和确保新系统的研制是必要的、稳妥可靠的、能够成功的，各种风险在承受能力的限度之内等。提供这种保证的基础就是进行系统(或项目)的可行性论证。此外，还必须建立一整套科学的管理方法、管理机构和决策程序，例如，武器装备采办审查委员会，型号办公室，系统工程部，阶段评审和里程碑决策，矩阵组织；计划协调技术，风险评审技术等。通过这些途径，为新系统的研制提供一种合理的保证，使所研制的系统有较少的风险(包括技术上的风险，费用上的风险和计划进度上的风险)，保证新系统的研制和运行能按预期的方案实施。在这个过程中，需要建设一个数据库(包括许多过去的经验数据)和一个模型库；还要建立系统研制过程中成千上万个事件和活动之间的严格的时序关系和交接关系或隶属关系，并适时地进行调整和控制；要对研制过程中系统的性能参数、费用参数和研制进度进行实时的监测、预测和评估，以便对研制计划和系统的性能、费用、进度和综合技术保障进行总体协调和控制。这个过程，通常称为系统工程的管理过程，它是与系统工程的技术过程并行进行的，对技术过程有监督、保证和控制调节的功能。对于一个具体系统的研制，系统工程的管理过程大致有三方面的内容：1)根据任务需求分析，系统的功能分析，以及使用环境条件的分析，明确提出对所研制的系统的战术技术要求或使用技术要求；2)监督设计过程，进行阶段评审。例如，初步设计评审，技术设计(详细设计)评审，关键设计评审，试验计划大纲评审，设计鉴鉴定试验等，保证设计工作严格遵循系统研制要求；3)通过各种技术途径和手段，验证所设计研制的系统是否符合研制要求。例如，可靠性预测和试验，全寿命费用预测、跟踪和评估，系统的技术性能测定(含各种工程试验，环境试验的验证)系统总体性能验证(飞行试验，野战试验，演习或实弹射击)等。2.1.5战略导弹系统和航天飞行器系统2.1.5.1战略导弹系统为达成战略目的而研制部署的导弹系统称为战略导弹系统。一般战略导弹都有核战斗部，故又称战略核导弹系统；战略导弹系统根据其部署和发射的地点可以分为陆基战略导弹系统、海基(含潜艇)战略导弹系统和空基战略导弹系统三大类。按照导弹的飞行特点，战赂导弹又可分为弹道式导弹和飞航式导弹两种，即弹道式战略导弹系统和飞航式战略导弹系统。战略导弹系统由5个分系统组成：1)运载火箭分系统；2)弹头分系统；3)发射分系统；4)技术保障分系统；5)指挥控制分系统。战略导弹系统和战略轰炸机系统、陆基和天基的战略反导弹系统一起，又构成更高一级的全球战略防御系统。2.1.5.2航天飞行器系统为实现人类的空间飞行和空间利用而部署在外层空间或往返于地球和外层空间的天体或人造天体之间的一切航天飞行器以及它们的运载火箭、发射控制设备、跟踪、通信、指挥设施、着陆及救生设备等，总称为航天飞行器系统。航天飞行器系统一般由6大分系统组成：1)运载火箭分系统；2)航天器(包括各种人造卫星，宇宙飞船，空间站，天空实验室，行星探测器，航天飞机等)分系统；3)地面保障、着陆和救生分系统；4)发射分系统；5)跟踪、测量及数据传输分系统；6)指挥、控制分系统。2.1.6飞行器系统工程的一般方法系统工程的本质就是在特定的资源、技术和环境条件下，寻求大型复杂系统的昀优解或满意解。为此，系统工程必须致力于系统整体的分析和设计，坚持从系统的目标和系统的整体性来解决一切有关问题，考虑系统各组成部分的相互影响和协调关系，并把社会因素和技术因素结合起来。飞行器系统工程的一般方法与系统工程的基本相同，一般由论证、综合、分析、评价、决策、实施等6大环节组成，具体说明如下。1)阐明和确定任务。确认新系统的必要，明确研制新系统的目的，指明新系统研制在资源、时间、环境、投资诸方面的约束，提出对所需研制的新系统的一般设想。这就是通常所说的概念阶段，在这个阶段要明确回答以下问题：①系统是用来于什么的?为什么需要这样的系统?②系统将在什么样的环境条件下工作?③研制新系统的约束条件，包括资源、费用和研制时间等方面的限制。④新系统研制的技术保障条件，包括技术条件、设备条件、技术人才等。2)确定新系统的使用和技术要求以及目标集；初步确定新系统为了满足这些要求和目标所必须具备的能力；确定一组可以反映研制系统的要求和能力的参数和评价准则。这就是论证阶段需要完成的工作。3)根据对所研制系统的要求和目标，进行功能分析，开发各种可能的备选方案，确定各种方案的组成要素及系统结构。4)定量地评估这些备选系统的性能指标，全寿命费用、效能和研制进度，并与系统的要求和目标相比较。5)建立系统的评价准则，对各种备选方案进行权衡和对比研究，进行系统评价。6)通过系统评价，由决策者根据其经验、判断和个人偏好，选择(决策)昀可行的或昀满意的系统方案进行研制。7)组织实施所选定的系统方案的研制工作。必须强调指出，这个过程，不是一步到位的，是一个多次迭代、逐步逼近的过程。(见图2-1)。图2-1方案阶段的系统工程过程2.2飞行器系统工程的发展2.2.1美国喷气推进实验室(JPL)的贡献原美国加州大学的喷气推进实验室(现属美国国家航空航天局NASA)，从40年代起便开始为美军方研制火箭发动机，后来又为陆军研制“下士”和“中士”导弹，它现在是美国无人驾驶宇宙飞行器的总体设计部。它的工作，对于飞行器系统工程的发展有很大的推动。在任务规划、初步设计、研制计划的组织管理、飞行器试验和鉴定、人才组织等方面积累了许多经验，有许多创新、要点如下：1)飞行器系统必须有一个统筹全局、策划、协调的总体设计部门。喷气推进实验室通过总结研制“下士”导弹的教训，认识到把现有的几种设备拼凑起来的系统，往往是一种效率低，而且难于操作和使用的系统，这样的系统，购买和维修都很费钱，效益很差。因此，喷气推进实验室认为，要研制一个大型复杂系统，必须有一个总体设计和总体协调部门来进行设计、协调和控制，以便完整地、有效地贯彻系统的总体目标和总体要求，通过各分系统研制部门的大力协同，达到系统的目标。2)为保证获得一个完美的、优化的系统，必须赋予负责系统总体设计的部门以明确的职责和充分的权威，并充分保证总体设计部门与各分系统的工程技术部门和管理部门之间有畅通的信息渠道，以便保证总体目标和约束条件在各分系统研制中得到贯彻，保证各分系统之间、以及各分系统与总体之间在进度、费用、性能指标的协调。3)在专业人员的组织结构方面，JPL创造了一种矩阵结构形式。即总体设计部可以按照总体设计部的工作任务，按照分系统或学科分设若干个专业性研究室，把各方面的专家和技术人员按其专长分别隶属于这些研究室；另一方面一个总体设计部在同一个时期内，可能交叉或同时进行若干项型号任务，所以，总体设计部又必须分别成立若干个型号室，而型号室的各项业务工作，分别分配到各专业研究室，在研究室内形成对应于各型号室的任务小组，指定或自愿由各研究室的技术人员和专家参加。这种矩阵结构的优点是能够充分发挥技术人员和专家的特长和工作效率，稳定专业技术队伍，又有利于同行业专家的切磋和技术提高。矩阵组织结构见表2-1。表2-1矩阵结构组织空气动力分析室弹道分析室载荷分析室动力研究室控制研究室系统分析室总体室型号AA1A2A3A4A5A6A7型号BB1B2B3B4B5B6B7型号CC1C2C3C4C5C6C7…………………………………………值得指出的是，在前后交叉的两个研制型号的任务组中，可能是由同一个人参加。因为，这两个型号的研制时间是叉开的。一位这个专业领域的专家或技术人员有可能在完成了A任务的主要工作任务以后，接着参加B任务的研制工作，而不必等A任务完全完成之后再去参加另一个任务组；而且，他在参加B任务组工作时，又可充分利用A任务组研制工作中的经验和教训。所以，这种矩阵