航空发动机的研制属于大型复杂系统工程，主要特征包含设计学科广、技术要求高、适应能力强、技术引进难、研制周期长、研制费用高。从遵循系统工程、满足适航安全性及安全设计标准的要求出发，准确分析与定义功能、开展功能架构设计非常有必要。

随着民用航空产品安全性要求越来越高，适航当局、飞机方、航空公司等利益相关方愈发趋向于要求民用航空发动机制造商严格按照美国汽车工程师协会（SAE）《民用飞机及系统研发指南》（ARP 4754A）等要求建立研发体系。国际系统工程协会的《系统工程手册》^[1-2]、SAE ARP 4754^[3]等标准，在分析全球航空产品研发最佳实践的基础上，均提出了强调需求捕获与确认、功能分析、架构定义、需求验证的正向设计过程。此外，航空发动机本身的复杂性以及强耦合性特点，也使得民用航空发动机的研制必须要向正向研发模式转变，而功能作为产品或系统的最基本特征，是产品及其系统的核心价值体现。开展功能分析、准确定义功能，一方面能够有效地牵引需求、提高需求的完整性，另一方面为物理架构设计提供输入。此外，功能作为安全性分析工作的输入，需要基于产品的功能开展故障模式影响分析，确保产品架构设计结果可满足安全性要求，从而实现满足市场及客户要求的在安全水平范围内的产品。

本文通过研究国内外飞机及发动机制造商的功能定义现状与方法，结合民用发动机型号适航审查过程中发现的功能分析工作存在的问题，提出了功能分析与定义的关键要素和基本方法，旨在提升国内民用航空发动机功能分析与定义的准确性。

飞机及发动机制造商功能分析方法

空客公司开展飞机级的顶层功能分析考虑两方面来源：一是基于工程研制经验确定基础的常规功能；二是结合特定型号特点定义专用功能，再分别从基础功能及型号专用功能进行功能分解获得次级功能清单，次级功能代表了飞机系统所需实现的主要功能，同时，提出功能分解工作需要综合考虑飞机不同运行剖面、客户需求以及技术决策等因素。

法鲁兹（Fairuz）^[4]与孙泽鹏等^[5]均提出飞机级的功能定义应结合飞机的使用任务、设计要求并根据工程经验确定，低一级的功能定义基于高一级的功能展开确定；在确定功能时应广泛吸收相似机型的工程经验，并听取工程、适航、使用部门等各方专家的意见和建议；功能分解的程度取决于能够独立完成功能的物理结构节点，无须完全分解到“螺栓和螺母”最小单元，例如由供应商负责子系统的详细设计，相应的子系统功能架构设计可由供应商开展，主制造商仅分析至子系统的顶层功能即可；如果制造商负责全部产品的自研，则需要分解功能至产品的最底层单元。

爱斯德拉（Esdras）等^[6]对飞机复杂系统的功能开发目的进行了研究，提出在概念阶段基于功能开展飞机及其系统安全性评估，可有效地提高产品成熟度、降低后续研发风险，并总结了庞巴迪公司过往的功能分析工作存在的典型问题，如功能的可复用性较差，或将需求或物理解决方案作为 “功能”，此类“功能”会限制方案设计的自由度，还存在功能的追溯性不强等问题。爱斯德拉提出为了牵引飞机系统的新颖设计，在产品概念阶段有必要规范功能清单，对于功能分解的原则应遵循：功能应自上向下分解，可追溯；功能应完整，可衍生于需求；功能定义的层级与描述方式应便于理解，能牵引创新设计，支撑安全性分析。

罗罗公司^[7]在《系统工程方法实践》中提出，功能实现将某种输入转换为输出信息，采用背景环境和功能流图法进行功能分析，识别跨越系统边界的功能流动信息，将各类输入、输出有序地进行组合形成功能清单。

王常亮等^[8]研究了国内军用发动机功能分析工作方法，提出功能分析应从概念维、程序维、任务维、环境维和状态等方面构建发动机的场景集，确保功能定义的完整性，介绍了发动机功能分解与物理架构之间递归的“之”字分解原则，并给出了经典的功能流框图分析案例方法。

国内民用飞机和发动机的发展由于起步较晚，对功能的理解与分析不够准确，导致功能定义的结果往往无法支撑安全性分析工作，典型问题如功能/非功能界定不清楚、部分功能的实质不符合系统工程对“功能”的定义、存在将系统的固有特性/需求定义为“功能”的情况，以及功能分解过程中子功能未能完全解耦，导致部分子功能的失效模式存在重叠。为了有效支撑安全性分析以及提升功能定义的准确性，本文综合系统工程手册、国内外飞机、发动机主流制造商的功能分析工作过程，探索研究了适用于民用航空发动机的功能分析与定义方法。

功能分析与定义方法

功能分析与定义主要包括以下几个步骤。

功能分析工作输入

在发动机功能定义开始之前，首先识别利益相关方，捕获利益相关方需求作为功能分析的初始输入，发动机功能定义所需的初始需求输入包含：飞机对发动机的要求，如飞机的运行包线、功能性要求；适航规章、内外部标准及航线运行等需求；发动机与外部环境、飞机系统之间交互的接口。

系统边界定义

发动机产品的边界范围将决定所需提供的功能边界，系统边界划分主要分析确定产品与外界环境、其他系统之间的接口关系。其中，对于功能分析主要关注的为功能接口，即功能与外部系统之间的逻辑或物理关联，这种关联允许跨越功能边界传输的量（包括物理度量、能量或信息），可以包含电气、液压和气动类，机械能和扭矩类，以及气体类、热量、振动、冲击和载荷等类型。在进行功能分析工作时，需要将系统看作一个整体，分析与外部之间交互的功能接口，航空发动机与外部的功能接口通常包含载荷、振动、电压、电流、噪声、信号，以及气体或流体的相关压力、温度、流量等输入输出信息，如图1所示。

运行场景分析

功能分析对应不同场景，开展运行场景分析的目的是尽可能捕获产品运营阶段各类真实存在的运行场景，进而获得产品所需提供的完整功能清单。通常航空发动机的运行场景从全生命周期、发动机状态/模式、内外部环境等维度考虑，识别各类场景。对于民用航空发动机，还需考虑适航规章规定的一些特殊场景，这些场景往往源于实际运行过程中发生的危害性事故，如鸟撞、单发失效、转子锁定等。此外，可结合同类型在翼发动机在航线运营使用过程中发生的故障案例，进一步细化与完善运行场景，如发动机停车热回浸场景，会导致燃油结焦。因此，可从全生命周期维度、发动机状态/模式维度、外部环境维度、内部环境维度、适航规章，以及航线运营典型问题等方面综合考虑，构建发动机的运行使用场景，如图2所示。

功能初步定义

功能是利益相关者期望的系统行为，功能的建立是基于一组定义的需求，在特定使用场景下，体现一组输入至输出的转换关系，如图3所示。

功能通常包括系统任务使命功能和与外部交互功能两大类，在建立功能清单时这两类功能都要考虑。系统任务使命功能是发动机所承担的任务使命，综合考虑不同运行使用场景，所需实现的功能。对发动机而言与外部交互功能，指与飞机其他系统及运行环境的接口功能，如与飞机进行通信等。

在定义功能时，需要注意以下几点：功能定义不需要太具体，重点强调需要实现 “做什么”，而不是“怎么做”，不需要涉及完成功能的具体方案或结构；尽量用简洁的语言概括出系统整体所需要实现的功能，如“提供正推力及控制”；确保功能是完整的，不重复的，包含了发动机在所有工作状态下所需要提供的各项功能，同时考虑发动机所需满足的安全要求和使用要求；确保所定义的功能是可实现的。

表1为停车场景下的反向吹气系统功能定义，其输入、输出转换过程为当发动机处于停车状态时向飞机发送指令，使用飞机的电能实现舱内气体增压加速后输送至燃烧室。

表1   停车反向吹气系统功能

功能分解

完成功能定义后，需要进一步进行分解，形成可被下层级系统承接的子功能。图4为从飞机到发动机整机、部件及零件的功能分解与物理架构设计对应关系，通过功能分解将复杂顶层功能分解为若干个子功能，并分配至下游子系统承接。

功能分解的基本准则为从上级功能的输入、输出出发，分析功能对应的作用对象的状态/行为转换来开发子功能。其中子功能应满足以下原则：分解后的子功能合集应等价于上层功能；子功能的输入输出应能将上层功能的输入完整地转化成所需的输出；每条子功能边界明确，描述系统做什么，而不描述如何做；功能分解架构与物理架构设计之间互相迭代，确保功能被设计实现。

以实现停车反向吹气功能为例，从为了防止燃烧室喷嘴停车后热回浸的顶层需求出发，开展功能架构分解，如图5所示，每项子功能的输入、输出如表2所示，可以看出子功能的输入与输出与表1中的功能输入、输出匹配一致。

表2   停车反向吹气系统功能分解说明

功能逻辑及接口关系定义

发动机功能逻辑架构是从行为的视角对系统的功能以及功能之间的关系的描述。在功能分解的纵向层级架构基础上，将子功能有次序地整理，定义每条子功能的输入、输出信息流，与其他功能之间的交互关系，分析与确定各子功能之间横向的逻辑关系。功能逻辑关系定义的工具/方法主要有功能数据流图/N2图，图6为功能流图的格式和案例。

功能检查与确认

获得功能分解架构后，参考ARP 4754A需求确认要求，对功能分解架构进行确认，检查功能及分解的子功能的正确性和完整性。表3为功能确认检查清单。在具体型号实施过程中，根据功能的使用方，邀请设计人员、安全性分析人员及同行专家对功能的使用场景、功能内涵及表述等方面进行确认，保证功能描述准确并且可设计实现。

基于表3的检查单，对分解的功能进行了检查，移除了部分“非功能”、对功能表述方式进行了完善，确保符合功能定义的要求，如“降低特殊材料着火风险” 的实质为对结构选材需求，移除非功能类；“减少发动机积液”不符合功能表述方式，修改为“排出多余液体”；“产生并传递飞机所需方向的可控推力”，该功能未解耦范围过大，实质包含了“产生可控推力”与“传递推力”两项独立的功能。应用本文方法将该型号发动机13条顶层功能分解形成73条功能，而每个功能都关联牵引一系列需求，从而促进了型号需求的完整性。

表3   功能正确性与完整性检查清单

结束语

通过研究国内外飞机及发动机制造商功能分析与定义的现状，基于当前国内正向研发的工作基础及提升需求，为了规范功能从产生到分解的全过程，本文探索并研究了民用航空发动机功能定义与分析方法，并通过型号实施应用该方法，有效提升了功能分析与定义结果的准确性，支撑发动机功能危险性评估工作，从而保障了产品的正向研发工作有序开展。

（季雁，中国航发商用航空发动机有限责任公司，高级工程师，主要从事航空发动机需求分析与管理）

参考文献

[1] INCOSE.Systems engineering handbook: a guide for system life cycle processes and activities[M].New York:John Wiley & Sons,2015.

[2] NASA. NASA systems engineering handbook [M].Washington : NASA,2020.

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[4] FAIRUZ I R.Functional analysis for conceptual aircraft design [J].Journal of Advanced Management Science,2013,1(4):349-353.

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[6] ESDRAS G,LISCOUET-HANKE S.Development of core functions for aircraft conceptual design: methodology and results[C]//Canadian Aeronautics and Space Institute AERO 2015 Conference,2015.

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[8] 王常亮,隋岩峰,宁怀松,等.航空发动机功能分析方法研究[J].航空动力,2021,6:62-66.