航空飞行器系统工程概论第2讲

航空飞行器系统工程对象
航空飞行器活动的范围主要是在离地面30公里以下的大 气层内，在大气层内飞行是航空的基本特点。这一特点决 定了航空工程的内容、技术途径和研究工作的方向。 航空工程是为国民经济各部门(如交通运输、农业、地质 勘探)和国防服务的综合性工程。飞行器的研制和使用 （保障，费用、维修等）都是航空工程的核心。 航空和航天的未来发展正在走向 二者融合的空天飞行器，跨大气层 飞行器，吸气式高超声速飞行器。
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系统工程的起源与发展历史
GERT是在PERT（计划评审技术）的基础上，增加决策 节点，将活动的各参数如时间和费用设为随机性分布， 以处理多种复杂随机因素。 各个活动及相互之间的影响关系也具有随机性，按一定 概率可能发生或不发生。
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系统工程的起源与发展历史
例如，某项计划中各道工序的平均用时分布。
在航空飞行器从概念、研制到使用的全寿命周期过程中， 系统工程既是一个技术过程，又是一个管理过程，在系统的 全寿命期内都必须实施这两个过程。
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航空飞行器系统特点
航空工程是为国民经济各部门(如交通运输、农业、地质 勘探)和国防服务的综合性工程。飞行器的研制和使用 （保障，费用、维修等）都是航空工程的核心。
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系统工程的起源与发展历史
美国阿波罗登月工程在计划进度、质量检验、可靠性评 价和管理过程等方面都采用了系统工程方法，应用"计划 评审技术(PERT)"和"图解评审技术(GERT)"，实现了时间进 度、质量技术与经费管理三者的统一。
在实施该工程的过程中及时向各层决策机构提供信息和 方案，供各层决策者使用，保证了各个领域的相互平衡， 如期完成了总体目标。
简称PERT），使北极星导弹提前
两年研制成功。
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示例:一个简单的工程问题
一座办公楼的施工过程和主要事件
怎样施工最好?
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系统工程的起源与发展历史
构建办公楼的PERT网络：
通过追踪网络的关键路线，计算得到完成办公楼建设将需 要50周的时间。该网络的关键路线为：A-B-C-D-G-H-J-K，沿 此路线的任何事件完成时间的延迟，都将延迟整个项目的 完成时间。
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系统工程的起源与发展历史
曼哈顿工程共分为十六个分支工程，其中关键工程有四个：
费米领导的原子反应堆; 核反应铀235材料工厂，82000人; 核反应钚材料工厂，6万人; 位于新墨西哥沙漠的洛斯阿拉莫斯实验室。
实验室由奥本海默负责，代号Y计划。
实验室拥有2000多名文职研究人员和
3000多名军事人员，其中包括1000多
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系统工程定义
钱学森定义 系统工程是组织管理的技术。把极其复杂的研制对
象称为系统，即由相互作用和相互依赖的若干组成部分 结合成具有特定功能的有机整体，而且这个系统本身又 是它所从属的一个更大系统的组成部分。
系统工程是组织管理这种系统的规划、研究、设计、 制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具 有普遍意义的科学方法 。
名科学家。
曼哈顿工程组织结构图
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系统工程的起源与发展历史
曼哈顿工程是小科学向大科学发展里程碑。 19世纪末，随着科学的发展，出现了规模化的集团研究。 相对而言，大科学是解决复杂大问题、进行大规模研究的 科研组织形式，主要表现为投资强度大、多学科交叉、需 要复杂的实验设备和研究目标宏大。 美国的曼哈顿工程是典型的大科学。系统工程对此计划 的实施中起到了决定性作用。这对后来世界范围内科学技 术的发展产生了重要影响。
1940年至1945年，美国制造原子弹的"曼哈顿"计划， 由于应用了系统工程方法进行协调，在较短的时间内取 得了成功。
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系统工程的起源与发展历史
1911年，美国福特首先把泰勒系统工程方法应用于 生产的组织过程,创立了流水线作业体系。
1913年末，福特汽车公司的产量已 经是全国汽车总产量的一半。为了满足 市场需求，福特在工厂实行批量生产。 福特推断如果让每一位工人固定在一个 位置，负责一件工作，而让汽车从一个 工序转到另一个工序，汽车会更快成形， 同时可以节约无数的工时。
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系统工程的起源与发展历史
PERT方法在工程管理中产生的效益促进了系统 工程方法被广泛应用。 PERT方法可以归纳为几个步骤。 1、确定完成项目必须进行的每一项有意义的活动，
2、完成每项活动产生的事件或结果； 3、确定活动完成的先后次序； 4、图形明确表示出每项活动及其它活动的关系; 5、估计和计算每项活动的完成时间；
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系统工程的起源与发展历史
曼哈顿计划是美国陆军部于1942年8月开始实施的 原子弹研制计划。该工程集中了当时西方国家最优秀的 核科学家，动员了10万多人参加这一工程，历时3年，耗 资25亿美元，于1945年7月16日成功地进行了世界上第一 次核爆炸。
这一工程的圆满成功促进了第二次世界大战后系统 工程的发展。
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系统工程定义
1979年，钱学森将系统工程划分为14门系统工程专业
工程系统专业 科研系统工程 企业系统工程 信息系统工程 军事系统工程 经济系统工程 环境系统工程 工程系统工程
相应学科基础 科学学 生产力经济学 信息学、情报学 军事科学 政治经济学 环境科学 工程设计
工程系统专业 社会系统工程 计量系统工程 标准系统工程 农业系统工程 行政系统工程 法治系统工程 教育系统工程
航空工程技术要求复杂，研制周期较长，并需要大量投 资。它以基础科学和技术科学为基础，广泛采用现代科学 技术的最新成就。
例如：1982年美国空军提出先进战术 飞机的技术要求，包括：隐身、高机 动性、不需加力即可作超音速巡航、 有效载重不低于F-15等。 F22 战 机 研 制 过 程 历 时 23 年 。 1990 年 首次试飞，2005年服役。
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航空飞行器系统工程目标
航空飞行器系统工程的目标包括: 通过反复迭代的定义、分析、综合、设计、试验和鉴定过程, 将任务需求转化为对系统性能参数和系统配置的描述，综合 相关的技术参数，保证所有物理的、功能的接口间相容，并 优化整个系统设计方案； 将可靠性、维修性、安全性、保障性、软件工程、人素工程 等工程专业综合到整个工程中去，以达到费用、进度和技术 性能的目标。
相应学科基础 社会学 计量学 标准学 农事学 行政学 法学 教育学
其中，工程系统工程是系统工程最早、最成熟的分支。 我国的“两弹一星”是系统工程的典型案例。
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航空飞行器系统工程范畴
系统的形态和性质各不相同。 系统可以互相包含与被包含，可以互相交叉和融合。 航空飞行器系统工程属于工程系统工程。
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贝尔实验室： 基础研究， 系统工程和应用开发。
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系统工程的起源与发展历史
1958年，美国在北极星导弹系统
研制中采用了计划评审技术——
应用网络模型制订和控制一项工
“北极星”是世界上第一种潜射弹 道导弹。1959正式开始服役，射 程2500~4600km，圆概率927m。
程有关活动的先后顺序和工作进 度 的 计 划 管 理 技 术 （ Program Evaluation and Review Technique,
航空飞行器系统工程概论 第2讲
航空科学与工程学院
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系统工程的起源与发展历史
第二战时期，出现了运筹学。当时英国为防御德国 的突然空袭，研究了雷达报警系统和 飞机降落排队系统取得了很多战果。
在这一时期中，英、美等 国在反潜、反空袭、商船 护航、布置水雷等项军事行动中，应用了系统工程方法， 取得了良 好的效果。
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航空飞行器涉及的学科和技术领域
航空飞行器的研制应用到众多的科学和技术： 空气动力学、飞行器结构强度、材料与制造工艺、发动机、 飞行控制、通信、导航、航空军械、地面及飞行试验、可靠 性与质量控制、安全救生、人机环境控制、航空仪表、飞机 维护修理及电子对抗技术、隐身技术等。
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航空飞行器系统工程的发展
21D3’17’’
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系统工程的起源与发展历史
在1950~60年代，系统论、控制论、信息学等学科相互渗 透融合，对系统工程的发展发挥的巨大的推动作用。其 中比较关键的有：
创始人 冯.贝塔朗菲 N.维纳 冯.贝塔朗菲 钱学森 A.H.哥德 R.别依曼
分支学科名称 一般系统论 控制论 开放系统理论 工程控制论 系统工程 动态规划论
美国
NASA系统工程过程与要求体系的建立起始于 上世纪80年代后期。1986年挑战者号航天飞 机失事后，NASA在反思中意识到，每一项航 空航天项目作为一项艰巨而复杂的系统工程， 如果没有一套完整、规范的关于系统工程过 程与要求的规章、标准和手册，很难保证任 务的成功。因此，在80年代后期。由NASA总 工程师直接负责和领导，开始全面制定系统 工程过程与要求的规章、标准和手册。并在 后续工作中不断修订、完善和发展，如系统 工程手册已经历3次修订。
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航空飞行器系统工程的发展
中国 国内开展产品研制的过程和将要开展的活动与美国NASA、航 空航天工业部门基本相同。但是在标准化建设方面有差距： 缺乏系统的规划和系统的管理，系统化和规范化方面与国 外有一定差距； 提供开展系统工程活动的工具和方法方面及技术深度和可 操作性还不足； 至今尚没有关于“系统工程过程与要求”文件或手册。
时间 1945 1949 1954 1957 1957 1961
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系统工程定义
钱学森(1978) 钱学森在1978年文汇报上发表文章《组织管理的技术-系统 工程》，第一次在媒体上宣传系统工程这门科学技术。
“怎样把比较笼统的初始研制要求逐步地变为成千上 万个研制任务参加者的具体工作，以及怎样把这些工作最 终综合成为一个技术上合理、经济上合算、研制周期短、 能协调运转的实际系统，并使这个系统成为它所从属的更 大系统的有效组成部分。”
事件内容
计划(天/时/分)
实际(天/时/分)
偏差(分)
飞船发射
16D20’32’’
16D20’32’’
0
进人飞向月球轨道
16D23’16’’
பைடு நூலகம்
16D23’16’
0
进人绕球的椭圆轨道 20D0’26’’
20D0’4’’
4
进人接近月面轨道
21D2’10’’
21D2’8’’
2
登月舱在月面登陆
21D3’19’’
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系统工程的起源与发展历史
借助包含活动时间估计的网络图，能够制定出包括每项 活动开始和结束日期的全部项目的日程计划。在关键路 线上没有松弛时间，沿关键路线的任何延迟都直接延迟 整个项目的完成期限。
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系统工程的起源与发展历史
阿波罗计划，开始于1961年5月，至1972年12月第6次登 月成功结束，是世界航天史上具有划时代意义的一项成 就。工程耗资255亿美元。在工程高峰时期，参加工程的 有2万家企业、200多所大学和80多个科研机构，总人数 超过30万人。
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系统工程的起源与发展历史
1940年，美国贝尔实验室的莫利纳(E·C·Molina)首次提出 “系统工程” （system engineering） 概念。 在研制电话自动交换机时，意识到不能只注意电话机和 交换台设备技术的研究，还耍从通信网络总体上进行研究。 把研制工作分为规划、研究、开发、应用和通用工程等 五个阶段，应用到电话通信网络系统中。
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系统工程定义
系统工程定义可归纳为: 以大型复杂系统为研究对象，按一定目的进行设计、
开发、管理与控制，以期达到总体效果最优的理论与方法。 系统工程是一门科学技术，用以改造客观世界并取得
实际成果，这与一般工程技术问题有共同之处。 但是，系统工程又是一类包括了许多类工程技术的一
大工程技术门类，与一般工程比较，系统工程研究的是处 理复杂问题的理论、方法和手段，使人们在处理问题时有 系统的整体的观点。
阿波罗登月计划从1961年开始，持续了11 年。 该工程有三百多万个部件，耗资244亿美元，在 工程高峰时期，参加工程的有2万家企业、200多 所大学和80多个科研机构，总人数超过30万人。
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系统工程的起源与发展历史
图解评审技术GERT (Graphical Evaluation and Review Technique)是网络理论、概率论、模拟技术和信号流图的 结合； 是由美国学者A.Pritsker研究提出应用于系统分析的一 种近代化方法。被用于阿波罗空间系统的最终发射时间 计算； 通过解析方法及蒙特卡罗模拟方法，最终求出项目成本 和工期的概率分布曲线。
我国航空航天工业经过50余年的发展。摸索和总结了一套具 有中国特色的航空航天系统工程过程的技术和管理方法。