基于4754A及设计保证要求的发动机研发适航需求管理

蔡彬 汤勇

摘要：在民用飞机及发动机研发的行业标准中，以美国汽车工程师协会（SAE）颁布的SAE ARP 4754A《Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems》最为权威，标准强调产品的研制过程。随着CCAR-21R4版的发布，建立设计保证系统是大型航空发动机研发企业开展产品适航取证的必经之路。本文通过分别梳理4754A和设计保证系统要求，并结合大型航空发动机研发的实际情况，提出了适用于大型航空发动机研发过程适航需求管理模型，可作为企业体系建设的参考。

关键词：4754A 设计保证系统 大型航空发动机。

中图分类号：v233 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）03 （A）-0000-00

1 SAEARP 4754A

1.1 SAE ARP 4754A概述

4754A遵循的是系统工程理论和方法，所提出的开发过程，就是典型的“V”模型，包括至上而下的需求定义与分配、至下而上的系统实施与集成，以及需求确认、需求验证过程等。对发动机研制有很多的借鉴价值。

1.2 SAE ARP 4754A的主要思想

4754A 的主体内容分别是策划过程、系统的正向研发技术过程、系统研发的综合过程，4754A 的主体思想在于：需求自顶向下逐渐进行分解分配和定义，再自底向上逐级进行验证；所有活动都以策划为基础，先制定策划，再实施策划，谋定而后动。

2 设计保证系统DAS要求

2.1 设计保证系统定义

《型号合格审定程序》（AP-21-03）对设计保证的定义为：有能力在设计中充分考虑适航及环保要求；有能力验证对这些要求的符合性；有能力向局方演示这种符合性。

设计保证系统是指为实现设计保证所需要的组织机构、职责、程序和资源。

2.2 设计保证系统法规要求

2017年5月24日，《民用航空产品和零部件合格审定规定》（CCAR-21R4）正式换版发布。法规明确提出了设计保证系统的建设要求。大型航空发动机产品如需取得型号合格证，顺利获得市场准入，前提是必须建立起满足法规要求的设计保证系统。

3 基于4754A的大型航空发动机研发过程的适航需求管理

大型航空发动机研发过程中涉及的适航需求是《航空发动机适航规定》（CCAR-33部）等适航法规要求中适用的适航技术条款。本文主要围绕以上适航需求在大型航空发动机研发过程中的管理过程。4754A对需求的管理主要体现在需求的定义、验证和确认过程。

3.1 适航需求的定义

适航需求是大型航空发动机研制活动的牵引之一。发动机研制周期的顶层过程包括识别发动机适航条款级需求，并分解形成整机功能及其相关适航需求，进一步分解形成系统/部件级适航需求，这个识别、并分解需求的过程即是需求定义的过程。它是建立系统架构的基础。架构的选择确立了实施该架构所需的衍生需求。在需求识别和分配过程的每个阶段，都需要确定现有需求和新的衍生需求。系统实施过程中所做的选择和遇到的问题是衍生需求的主要来源，且可能产生新的系统安全性需求。详细的设计活动总是产生新的需求或对现有的需求进行更改。

3.2 适航需求的验证与确认

需求的验证与确认的主要目的是为了保证需求的一致性，是确保需求的正确性和完整性的过程，保证上层需求与下层需求，需求与审计、需求与测试、需求与最终的工作产品之间的一致性，使产品符合利益攸关者的需要。对适航需求的验证与确认是为了满足适航法规提出的对民用航空产品的安全性的要求。

验证与确认通常是贯穿整个研制周期的阶段性过程。在每个阶段，验证和确认活动使得需求的完整性和正确性的置信度不断提高。经验表明，重视需求的定义与确认过可以在研制周期的早期识别错误和遗漏，并且减少随之带来的重新设计和系统无法满足需求的风险。当利用上一层级的系统运行结果作为确认过程的一部分时，该活动可以同时用于验证和确认。

4 基于設计保证系统的大型航空发动机研发过程的体系要求

4.1 设计保证系统三大职能

CCAR-21部明确设计保证系统应当能够确保民用航空产品和零部件的设计或者设计更改符合适用的适航规章和环境保护要求；独立地监督对设计保证手册规定的程序的符合性和充分性；确保设计机构向局方提交符合性声明和相关文件之前，独立地核查符合性声明的有效性和文件的符合性的功能等要求。

设计保证系统的运行是围绕设计职能、适航职能和独立监督职能等三大职能展开，并通过企业的资源、职责、组织机构和程序等几方面落实。

设计职能主要活动。设计职能应进行型号设计或型号设计更改，实施所有试验，记录并保存所有型号设计资料以及符合性验证资料。设计职能相关活动主要包含，设计、分析和试验活动；设计评审活动、构型管理活动等；任务分配和计划管理；质量控制活动等。

适航职能主要活动。适航职能应开展包括核查符合性验证资料在内的，覆盖其设计全寿命的所有有关适航方面的活动。适航职能相关活动主要包含，梳理项目研制适航条款需求，确认适航需求落实；核查并确保型号设计和设计更改满足适航规章和环境保护要求。

独立监督职能主要活动。独立监督职能的职责是监督设计保证系统中《设计保证手册》及其相关的工作程序的符合性和充分性，以及其执行情况。

4.2 设计保证系统三大职能的落实

根据CCAR21部、AP-21-03等适航规章，对大型航空发动机研发企业设计保证系统有如下主要要求：

支持建立设计职能：按SAE ARP4754A要求开展设计活动，确保设计与验证活动的独立开展，配备相应的设计人员以及项目管理、质量管理人员等。

支持建立适航职能：设立适航工程师，识别并形成适航需求，并跟踪适航需求在发动机研发过程中的落实。设立适航符合性核查工程师，建立具有独立的设计符合性核查功能，核查申请人内部生成的型号资料，确保型号设计和设计更改满足适航规章和环境保护要求。

支持建立独立监督职能：配备符合资质的适航管理人员，开展适航体系建设，并监督体系运行情况。

基于以上人员设置，按以下概要过程开展工作：由适航工程师对适航需求进行定义；由设计师系统开展独立的设计与验证活动；由适航符合性核查工程师开展独立的内部核查；最终提交局方确认。同时，在此过程中通过质量、构型、项目管理等管控工作确保项目按质完成。

5 大型航空发动机研发过程适航需求管理模型

基于上述SAE ARP 4754A对研发过程中需求管理要求，并结合设计保证系统建设的要求，对大型航空发动机研发过程中的适航需求管理如下：对适航条款需求开展定义，与验证工作，并通过适航符合性核查完成内部确认，最终提交局方确认。

5.1 适航条款需求定义

由条款级适航工程人员，梳理并形成条款级适航研制需求。由专业级适航工程人员，开展适航需求的分析分解与传递，确保适航条款要求落入发动机研制总要求中，分解细化形成设计需求，并分配至发动机各系统部件的设计技术要求中。同时各级适航工程人員对相应层级适航条款需求开展管理，直至需求的关闭。

此过程中的需求管理：定义发动机级功能、功能需求、功能界面及假设；将发动机级功能分配给各系统；定义系统需求，包括假设和系统界面；定义并合理解释系统衍生需求（包括安全性相关的衍生需求）；定义系统架构；将系统级需求分配到要素；开展从要素、系统到发动机整机的集成。

产出物：含有适航要求的研制总要求、各级设计技术要求；条款级、发动机整机及系统/部件级适航要求纳入相应设计技术要求的符合性说明。

5.2 适航条款的验证

由设计师系统人员，在发动机型号设计中贯彻适航条款要求，并对适航需求开展独立的符合性验证工作（设计与验证人员相互独立），形成设计/验证过程中的相应型号资料（含型号设计资料及符合性验证资料）。

验证过程中的需求管理：确保试验或验证程序的正确性；能验证预期的功能和非预期功能对安全性影响的置信度；确保产品的实施过程符合整机、系统需求；验证安全性求；编制验证符合性证明；识别评估设计的不足之处及其对安全性影响。

确认过程中的需求管理：对整机、系统、要素需求的完整性及正确性进行评估；对假设的正确性及有效性进行评估；对衍生需求的正确性及有效性进行评估；确保需求的可追溯性；提供确认符合性的证明材料。

产出物：发动机整机及系统/部件级符合性设计资料；发动机整机及系统/部件级符合性验证资料；符合性综述报告。（注：符合性设计资料及验证资料统称型号设计资料。）

5.3 适航需求的确认

适航符合性核查。按照设计保证系统符合性核查工作要求，相关工作在局方检查前，需开展适航符合性核查，确保其充分符合适航规章和环境保护要求。符合性核查由符合性核查工程师执行。适航符合性核查工程师不能参加其自身参与的特定设计的符合性核查活动。

产出物：对上述交付物的符合性核查信息。

局方确认。向审定方提交相应材料，以证明对大型航空发动机相关适航技术法规要求的符合性。

产出物：局方审核信息。

其他活动。按照设计保证系统三大职能的要求，通过设计职能中的质量管控、构型控制、项目管理、供应商管理等活动工作确保项目按质完成。同时通过独立监督职能开展设计保证系统程序的运行符合性的审核，确保设计保证系统的良好运行。

产出物：供应商管理要求，以及基于要求形成的供应商清单、供应商资格认证材料、供应商评估结论等；项目管控要求，以及基于要求形成的项目计划、合同等；构型管理要求，以及基于要求形成的构型控制信息等；质量管理要求，以及基于要求形成的首件检验、不合格品、产品验收信息等；独立监督要求，以及基于要求形成的体系运行检查记录等。

上述过程形成大型航空发动机研发过程适航需求管理模型，见下图所示：

6 结语

伴随着大型航空发动机及其系统的复杂程度的提高，除了硬件的失效会引发发动机整机、系统、软硬件的失效继而影响系统安全性外，各层级的研发差错也会导致发动机整机、系统、软硬件的失效。对于此类研发差错，很难用量化的概率去衡量和要求。所以在大型航空发动机及系统的研制过程中，有必要充分贯彻4754A 的需求，减小由于研发差错而造成的安全性事件概率。本文同时研究并明确了大型航空发动机企业必须建设设计保证系统的法规要求，通过设计保证系统的三大职能的梳理，形成了需开展的相应活动和及其内涵。基于上述两方面要求，结合大型航空发动机研发过程适航需求的特点，形成大型航空发动机研发过程适航需求管理模型，可供相应单位作为体系建设的参考。

参考文献

[1] CCAR-21-R4民用航空产品和零部件合格审定规定

[2] AP-21-03型号合格审定程序

[3] EASA Part-21

[4] SAE ARP 4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems