高超聲速飛行器研制系統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)概率分析

沈作軍， 柳青， 肖佳平

1. 北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京　100083

2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院， 北京　100074

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高超聲速飛行器研制系統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)概率分析

沈作軍1, *， 柳青2， 肖佳平1

1. 北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京100083

2. 中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院， 北京100074

摘要:針對(duì)高超聲速飛行器研制工程的高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，對(duì)工程決策方和研制方面臨的不同類型風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了建模分析?；谙到y(tǒng)方案或關(guān)鍵技術(shù)的固有風(fēng)險(xiǎn)概率和抽象化的研發(fā)與驗(yàn)證過(guò)程，分別計(jì)算分析了工程決策方誤判驗(yàn)收通過(guò)不合格產(chǎn)品和研制方過(guò)度研發(fā)或重復(fù)驗(yàn)證較低失敗概率產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)概率，進(jìn)而提出了高風(fēng)險(xiǎn)研發(fā)項(xiàng)目中研制方過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的概念，明確了工程決策誤判風(fēng)險(xiǎn)與研制方過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的相互影響規(guī)律，并基于概率方法建立了一種可以綜合權(quán)衡決策方風(fēng)險(xiǎn)和研制方風(fēng)險(xiǎn)、合理確定研制周期的系統(tǒng)工程優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞:高超聲速飛行器； 研制工程； 過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)； 決策方風(fēng)險(xiǎn)； 風(fēng)險(xiǎn)概率； 系統(tǒng)工程優(yōu)化

高超聲速飛行器一般指能以5倍以上聲速在稠密大氣內(nèi)持續(xù)巡航的飛行器。這類飛行器的研制難度大大超過(guò)傳統(tǒng)飛行器。從半個(gè)世紀(jì)前美國(guó)X-15飛行器算起，主要航空航天國(guó)家在高超聲速飛行器領(lǐng)域啟動(dòng)過(guò)大量的研發(fā)計(jì)劃，但目前尚未成功研發(fā)出一款實(shí)用的高超聲速飛行器。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐表明，此類飛行器從基礎(chǔ)理論、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證手段到飛行試驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)均存在較大的研制風(fēng)險(xiǎn)和較多的不確定因素。尤其過(guò)去十多年來(lái)，以美國(guó)X-43A和X-51為代表的吸氣式高超聲速飛行器，以及以HTV-2為代表的高超聲速滑翔飛行器都在其飛行試驗(yàn)中經(jīng)歷了一系列失敗[1]。根據(jù)美國(guó)工程審查委員會(huì)的調(diào)查結(jié)果，盡管失敗的原因各不相同，但分析共性問(wèn)題表明，現(xiàn)有的基于傳統(tǒng)飛機(jī)和軌道航天器的飛行器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及系統(tǒng)研發(fā)體系并不完全適用于臨近空間高超聲速飛行器[2]。正如美國(guó)NASA前局長(zhǎng)針對(duì)日益增多的復(fù)雜系統(tǒng)研制失敗或研制周期拖延的現(xiàn)狀所表述的，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)和復(fù)雜程度日益增加的飛行器系統(tǒng)研制，嚴(yán)格按傳統(tǒng)系統(tǒng)工程過(guò)程做了每一件該做的事情，但依然不可避免研制失敗或延誤[3]。這意味著在航空航天復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)中屢試不爽的系統(tǒng)工程方法面臨著新的挑戰(zhàn)。

由于高超聲速飛行器在航空航天領(lǐng)域和國(guó)防方面的重大意義，這類飛行器的研制往往以國(guó)家工程的形式進(jìn)行，如美國(guó)的NASP計(jì)劃等。高超聲速飛行器因此受到更多的關(guān)注，研發(fā)計(jì)劃或工程決策方對(duì)研制過(guò)程中的失敗也更加敏感。這一特點(diǎn)往往導(dǎo)致傳統(tǒng)型號(hào)研制中的風(fēng)險(xiǎn)控制辦法被更加嚴(yán)格地應(yīng)用于高超聲速飛行器研發(fā)，“萬(wàn)無(wú)一失”的觀念時(shí)常成為貫穿研發(fā)過(guò)程的主線。然而，高超聲速飛行器鮮明的高風(fēng)險(xiǎn)和探索性特點(diǎn)，以及對(duì)研發(fā)資金投入和研制周期日益苛刻的約束，都要求我們必須從更全面的角度來(lái)審視研發(fā)過(guò)程是否具有更高的效率。

高超聲速飛行器不同于傳統(tǒng)飛行器的一個(gè)主要特點(diǎn)在于其研發(fā)過(guò)程中不可避免的高風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)，而針對(duì)傳統(tǒng)復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的系統(tǒng)工程理論和方法更加適合應(yīng)對(duì)具有確定設(shè)計(jì)結(jié)果的系統(tǒng)，通過(guò)研制階段劃分和系統(tǒng)工程過(guò)程控制[2]，在劃定的階段和環(huán)節(jié)完成了規(guī)定的工作事項(xiàng)就可得到預(yù)期的結(jié)果。在飛行器研制系統(tǒng)工程研究領(lǐng)域，相關(guān)成果大多具有定性的特點(diǎn)[4-7]，或針對(duì)特定技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析[8-10]。風(fēng)險(xiǎn)分析方法在系統(tǒng)工程領(lǐng)域也得到了廣泛的研究[11-15]，但這些研究大多圍繞飛行器研制中的特定技術(shù)性風(fēng)險(xiǎn)，或圍繞技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)權(quán)衡分析[16-18]。

高超聲速飛行器研制工程的風(fēng)險(xiǎn)不僅存在于基礎(chǔ)理論和技術(shù)領(lǐng)域，而且也存在于對(duì)階段性研發(fā)結(jié)果的判斷和決策。另外，研發(fā)周期延誤和費(fèi)用超限也是決定工程前景的風(fēng)險(xiǎn)因素。因此，如何將技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和決策判斷風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合分析，并同時(shí)考慮研發(fā)周期因素，是系統(tǒng)工程領(lǐng)域值得深入研究的內(nèi)容。這方面公開(kāi)見(jiàn)諸文獻(xiàn)的研究不多。針對(duì)這一目標(biāo)，本文借鑒航天制導(dǎo)領(lǐng)域的蒙特卡羅隨機(jī)仿真技術(shù)[19]，將隨機(jī)過(guò)程中的概率計(jì)算方法[20]擴(kuò)展應(yīng)用到高風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)研制中的決策性和技術(shù)性風(fēng)險(xiǎn)分析與權(quán)衡，并基于抽象化的研制性試驗(yàn)驗(yàn)證失敗概率模型，在綜合考慮各類風(fēng)險(xiǎn)因素的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)研制過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

1基于概率的決策方驗(yàn)收準(zhǔn)則

假設(shè)某系統(tǒng)或某項(xiàng)待試驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)尚未完全成熟，在實(shí)際條件下發(fā)生失效/失敗的概率為p，根據(jù)伯努利公式，n次試驗(yàn)中發(fā)生k次失效/失敗的概率為

(1)

(2)

式(2)亦可理解為，如果以n次試驗(yàn)中不超K次失效/失敗為系統(tǒng)滿足技術(shù)要求的接受標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(n，K)標(biāo)準(zhǔn))，則系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生失效/失敗次數(shù)超出這一標(biāo)準(zhǔn)的可能性為1-Pn,K。因此，式(2)代表了實(shí)際系統(tǒng)滿足技術(shù)要求的置信度(以下由q表示)。型號(hào)研制工程中，這一基于概率的接受標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目決策方判斷系統(tǒng)研制是否滿足相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

表1為系統(tǒng)固有失敗概率為5%、置信度為90%的(n，K)標(biāo)準(zhǔn)示例。

表1　(n，K)標(biāo)準(zhǔn)示例(p=5%，q=90%)

由于90%置信度的要求，表1顯示的可接受失敗次數(shù)顯著低于概率p與試驗(yàn)總次數(shù)n的乘積。圖1給出了n=133、p=5%時(shí)不同失敗次數(shù)的發(fā)生概率。

圖1失效/失敗次數(shù)及其發(fā)生概率(n=133，p=5%)
Fig. 1Number of failures and corresponding probabilities(n=133，p=5%)

表1所示的樣本總數(shù)n與可接受失敗次數(shù)上限K通常成為系統(tǒng)研發(fā)結(jié)果的驗(yàn)收準(zhǔn)則。圖2為針對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)p=5%、q=90%的試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程，亦即系統(tǒng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的接受標(biāo)準(zhǔn)為以90%置信度驗(yàn)證系統(tǒng)滿足不超過(guò)5%的失效/失敗概率。由圖2可知：在進(jìn)行第18、49和78次試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了失敗，但這3次失敗后，直到第133次試驗(yàn)均告成功，即累計(jì)試驗(yàn)133次中發(fā)生3次失敗。這時(shí)，根據(jù)式(2)可以計(jì)算確定系統(tǒng)滿足了失敗概率不超過(guò)5%、置信度90%的設(shè)計(jì)要求。圖2中顯示，每次發(fā)生的失敗都必須通過(guò)增加試驗(yàn)次數(shù)來(lái)作進(jìn)一步驗(yàn)證，尤其首次失敗將導(dǎo)致置信度的大幅下降。隨著試驗(yàn)樣本總數(shù)的增加，后續(xù)過(guò)程中再次發(fā)生失敗對(duì)置信度的影響逐漸減小。

圖2試驗(yàn)要求總次數(shù)隨失敗次數(shù)的增長(zhǎng)規(guī)律(p=5%，
q=90%)
Fig. 2Required total number of tests grows as more failures occuring (p=5%, q=90%)

最終從第3次失敗開(kāi)始，到第133次試驗(yàn)均保持成功，此時(shí)可得到系統(tǒng)成功概率95%、置信度90%的結(jié)論。

2決策方風(fēng)險(xiǎn)與研制方風(fēng)險(xiǎn)

從前述(n，K)標(biāo)準(zhǔn)可知，在根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中的失敗次數(shù)進(jìn)行決策時(shí)，存在著系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生失效/失敗的概率超過(guò)設(shè)計(jì)要求的風(fēng)險(xiǎn)。這可以理解為置信度問(wèn)題，也可以理解為系統(tǒng)的固有失敗概率大于設(shè)計(jì)值的問(wèn)題。例如，通過(guò)前述n=133、K=3試驗(yàn)方案驗(yàn)證的系統(tǒng)，其實(shí)際失效/失敗概率有10%的可能會(huì)大于5%。但另一方面，如果系統(tǒng)實(shí)際固有失敗概率超過(guò)5%，比如當(dāng)p=6%時(shí)，計(jì)算可知系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)發(fā)生少于3次失效/失敗的可能性約為4%。這意味著由于被驗(yàn)證的系統(tǒng)或技術(shù)“運(yùn)氣”較好，雖然其固有性能并沒(méi)有達(dá)到5%失效/失敗概率的設(shè)計(jì)要求，但因?yàn)樵?33次試驗(yàn)中失敗次數(shù)沒(méi)有超過(guò)3次而被確認(rèn)滿足要求。這無(wú)疑給后續(xù)研制和系統(tǒng)集成帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)。這類風(fēng)險(xiǎn)同決策方基于試驗(yàn)結(jié)果判斷系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求相關(guān)，誤判將可能導(dǎo)致決策失誤，故可稱其為決策方風(fēng)險(xiǎn)。

平行于上述風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)固有失效/失敗概率也可能低于設(shè)計(jì)值。發(fā)生這種情況時(shí)，則存在著過(guò)度研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，付出的代價(jià)是研制方投入過(guò)多的研發(fā)資源和更長(zhǎng)的研發(fā)周期。對(duì)于高超聲速飛行器等高風(fēng)險(xiǎn)研發(fā)項(xiàng)目而言，過(guò)度研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)給全系統(tǒng)研制帶來(lái)的影響可能更大。

(3)

圖3多于K次失敗概率隨p的變化規(guī)律
Fig. 3Probabilities of more than K failures versus p

3系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)綜合權(quán)衡

通過(guò)前文分析，可以明確在高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目研發(fā)中存在著決策方風(fēng)險(xiǎn)、研制方風(fēng)險(xiǎn)和時(shí)間周期風(fēng)險(xiǎn)等3類主要風(fēng)險(xiǎn)形式,如何進(jìn)行三者間的權(quán)衡和優(yōu)化直接關(guān)系到能否在有限資源和時(shí)間條件下取得最佳研發(fā)效果。為進(jìn)一步量化分析三者的關(guān)系，定義研制方過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)為

(4)

同理可以定義決策方風(fēng)險(xiǎn)為

(5)

式中：RA為決策風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)于圖3中黑實(shí)線上方和5%概率線右側(cè)所圍成面積占5%概率線右邊總面積的百分比。

針對(duì)給定的概率p和置信度q，可以計(jì)算得到RA和RD隨試驗(yàn)樣本或失敗次數(shù)的變化規(guī)律。值得注意的是，試驗(yàn)總次數(shù)n的增長(zhǎng)本身也意味著研制周期延誤的風(fēng)險(xiǎn)在增大。

基于計(jì)算得到的決策風(fēng)險(xiǎn)、研制風(fēng)險(xiǎn)和周期風(fēng)險(xiǎn)，可以對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)研發(fā)的綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。任何一類風(fēng)險(xiǎn)的增大或減小都直接體現(xiàn)在整體風(fēng)險(xiǎn)中。為說(shuō)明這一概念，假設(shè)系統(tǒng)研制的整體風(fēng)險(xiǎn)可表達(dá)為這3項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)之和，而其中研制周期時(shí)間延誤風(fēng)險(xiǎn)不妨直接以試驗(yàn)總次數(shù)為其量化指標(biāo)，因此可將系統(tǒng)研發(fā)的綜合風(fēng)險(xiǎn)RS定義為

RS=RD+ωARA+ωCRC

(6)

式中：RC為同研制周期時(shí)間延誤相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到研發(fā)周期時(shí)間同試驗(yàn)次數(shù)的相關(guān)性，可以認(rèn)為其同試驗(yàn)總次數(shù)成正比，并定義為

RC=n/N

(7)

式中：N為研發(fā)計(jì)劃預(yù)期的試驗(yàn)次數(shù)。根據(jù)式(3)，隨著試驗(yàn)總次數(shù)n增大到接近甚至超過(guò)預(yù)期值N，研制周期風(fēng)險(xiǎn)將持續(xù)增大。為權(quán)衡考慮研制風(fēng)險(xiǎn)、決策風(fēng)險(xiǎn)和周期風(fēng)險(xiǎn)，可以引入各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)權(quán)重因子，式(6)中ωA和ωC分別為決策風(fēng)險(xiǎn)和周期時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于研制方風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重因子。

顯然，ωA和ωC的取值直接關(guān)系到系統(tǒng)研發(fā)綜合風(fēng)險(xiǎn)RS的大小。但注意到定義RS的意義在于給出了一種可以進(jìn)行研制過(guò)程優(yōu)化的量化方法，而這一優(yōu)化方法的關(guān)鍵在于決策方和研制方之間合理地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分擔(dān)，使得研制工程的整體風(fēng)險(xiǎn)最小，片面強(qiáng)調(diào)減小某一方的風(fēng)險(xiǎn)都將導(dǎo)致系統(tǒng)研發(fā)綜合風(fēng)險(xiǎn)的增大。因此，在確定風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重因子時(shí)，需要考慮的是各方可接受風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小，以及對(duì)不同類型風(fēng)險(xiǎn)的控制對(duì)系統(tǒng)研發(fā)的重要程度。通過(guò)改變?chǔ)谹和ωC的取值，可以調(diào)節(jié)決策方風(fēng)險(xiǎn)和研制周期風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)于研制方過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的大小，從而可以適應(yīng)不同系統(tǒng)研發(fā)中的具體情況。

圖4顯示了按式(4)、式(5)和式(7)計(jì)算得到的決策方風(fēng)險(xiǎn)和研制方風(fēng)險(xiǎn)隨n、p和q的變化規(guī)律。由圖4可知，隨著試驗(yàn)總次數(shù)的增長(zhǎng)，無(wú)論是決策方風(fēng)險(xiǎn)還是研制方風(fēng)險(xiǎn)都呈下降趨勢(shì)，而隨著p、q等設(shè)計(jì)目標(biāo)值的變化，決策方風(fēng)險(xiǎn)和研制方風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)大小發(fā)生變化，尤其適當(dāng)降低過(guò)高的失敗概率設(shè)計(jì)目標(biāo)p和q值，可以顯著減小研制方過(guò)度研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4決策風(fēng)險(xiǎn)和過(guò)度研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)變化規(guī)律
Fig. 4Variation patterns of decision risk and developer’s risk

表2和表3分別給出了采用不同的p和q設(shè)計(jì)值時(shí)的各類風(fēng)險(xiǎn)情況。取權(quán)重值為ωA=2、ωC=1，并取N=200，可以按式(6)得到系統(tǒng)研制綜合風(fēng)險(xiǎn)值RS。注意到ωA、ωC和N的取值并不唯一，在此僅為說(shuō)明相關(guān)概念。

表2　p=10%, q=80%時(shí)不同試驗(yàn)方案的風(fēng)險(xiǎn)

表3　p=5%,q=90%時(shí)不同試驗(yàn)方案的風(fēng)險(xiǎn)

表2和表3中的數(shù)據(jù)表明，對(duì)于基于式(6)的系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)構(gòu)成方式，系統(tǒng)固有風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)(p、q)和試驗(yàn)方案(n，K)都對(duì)系統(tǒng)研發(fā)整體風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生顯著影響。合理地選擇風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)方案，可以有效地降低系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)。表中結(jié)果顯示，當(dāng)采用p=10%，置信度80%，累計(jì)42次試驗(yàn)中最多2次失敗的方案可以獲得顯著優(yōu)于其他方案的結(jié)果，系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)值為0.686。值得注意的是，表2和表3結(jié)果并非意味著p越小系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)就越小。事實(shí)上，當(dāng)p進(jìn)一步減小時(shí)，決策風(fēng)險(xiǎn)RA將快速增大，進(jìn)而使系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)RS增大。雖然不同類型的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)的貢獻(xiàn)取決于風(fēng)險(xiǎn)之間的權(quán)重關(guān)系，但上述分析和計(jì)算結(jié)果表明可以通過(guò)構(gòu)建基于概率分析方法的數(shù)學(xué)模型，建立可用于優(yōu)化權(quán)衡決策方、研制方及研制周期風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)工程量化方法。如何選擇相關(guān)參數(shù)需要基于對(duì)單項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)的量化建模，如研制周期風(fēng)險(xiǎn)同試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系，決策風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)和研制方投入成本之間的關(guān)系等。

4結(jié)論

高超聲速飛行器研制是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)工程，其風(fēng)險(xiǎn)不僅存在于研制方是否能在給定的研制周期內(nèi)攻克相關(guān)技術(shù)屏障，同時(shí)也存在于研制工程或計(jì)劃決策方能否基于研制進(jìn)展做出科學(xué)的判斷和決策，動(dòng)態(tài)地優(yōu)化調(diào)節(jié)研制計(jì)劃和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。基于決策方風(fēng)險(xiǎn)、研制方風(fēng)險(xiǎn)及研制周期等3個(gè)方面因素的風(fēng)險(xiǎn)概率分析為高超聲速飛行器研制系統(tǒng)工程提供了一種可行的優(yōu)化方法。

參考文獻(xiàn)

[1]張蒙正, 鄒宇. 美國(guó)典型高超飛行器項(xiàng)目研發(fā)及啟示[J]. 火箭推進(jìn), 2012, 38(2): 1-8.

ZHANG M Z, ZOU Y. Development of American typical hyper-sonic flight vehicles and its enlightenment[J]. Journal of Rocket Propulsion, 2012, 38(2): 1-8 (in Chinese).

[2]NASA Systems Engineering Handbook. NASA center for aerospace information： NASA/SP-2007-6105[R]. Washington, D.C.: NASA, 2007: 15-35.

[3]GRINFFIN M D. System engineering and the “Two cultures” of engineering (Boeing lecture presented at Purdue University)[R]. Lafayette: Purdue University, 2007: 1-3.

[4]徐志磊. 以科學(xué)為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)工程研制[J].中國(guó)工程科學(xué), 2002, 4(10): 1-12.

XU Z L. Science-based engineering R & D of complex systems[J]. Engineering Science, 2002, 4(10): 1-12 (in Chinese).

[5]GRAVES R E. An analytics-based methodology for assessing aerospace system uncertainty to augment risk-informed systems engineering processes: AIAA-2013-0723[R]. Reston: AIAA, 2013.

[6]余后滿, 林益明, 陳虎, 等. 航天器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)模式研究[J]. 航天器工程, 2010, 19(3): 1-6.

YU H M, LIN Y M, CHEN H, et al. Improved mode for spacecraft system scheme design[J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(3): 1-6 (in Chinese).

[7]SOLISH B, COOKE B, COX N, et al. Verification & validation by risk class: Understanding how risk classes affect the V&V process: AIAA-2013-5527[R]. Reston: AIAA, 2013.

[8]LUM C W, WAGGONER B. A risk based paradigm and model for unmanned aerial systems in the national airspace: AIAA-2011-1424[R]. Reston: AIAA, 2011.

[9]PATRIC S, SHAWN G, TIM G. Probabilistic risk analysis methodology on inadvertent laser illumination of satellite optical systems[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51(6): 1994-2007.

[10]GAMBLE K B, LIGHTSEY E G. Decision analysis applied to small satellite risk management: AIAA-2015-1863[R]. Reston: AIAA, 2015.

[11]JIMENEZ H, SCHUTTE J, MAVRIS D. System readiness and risk assessment for advanced vehicle concepts-discussion of fundamental concepts: AIAA-2011-0423[R]. Reston: AIAA, 2011.

[12]沈小明, 張彤, 揭裕文. 航空產(chǎn)品研制階段的技術(shù)性能風(fēng)險(xiǎn)研究[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2014, 16(1): 64-71.

SHEN X M, ZHANG T, JIE Y W. Research on technical performance risk during aero-product development[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics (Social Sciences), 2014, 16(1): 64-71 (in Chinese).

[13]徐哲, 馮允成, 魯大偉. 武器裝備研制項(xiàng)目的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2005, 27(6): 1123-1127.

XU Z, FENG Y C, LU D W. Appraisement model of technical risk for weapon system development[J]. Systems Engineering and Electronics, 2005, 27(6): 1123-1127 (in Chinese).

[14]SIEVERS M, MADNI A M. Defining “Credible Faults,” a risk-based approach: AIAA-2015-4528[R]. Reston: AIAA, 2015.

[15]ENRIGHT M P, LIANG W W. Development of risk contours for assessment of aircraft engine components: AIAA-2010-2846[R]. Reston: AIAA, 2010.

[16]BOUDALI H, SáNCHEZ A H. A conceptual design phase risk assessment methodology for space-based system of systems: AIAA-2010-8738[R]. Reston: AIAA, 2010.

[17]HAMLIN T L, THIGPEN E, KAHN J, et al. Shuttle risk progression: Use of the shuttle probabilistic risk assessment (PRA) to show reliability growth: AIAA-2011-7353[R]. Reston: AIAA, 2011.

[18]趙凈凈. 民用飛機(jī)研發(fā)過(guò)程中的權(quán)衡研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)， 2011(34)： 5-14.

ZHAO J J. Trade study of civil aircraft development [J]. Science and Technology Innovation Herald, 2011(34): 5-14 (in Chinese).

[19]HANSON J M, BEARD B B. Applying monte carlo simulation to launch vehicle design and requirements verification[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2012, 49: 136-144.

[20]盛驟， 謝式千， 潘承毅.概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)[M]. 北京： 高等教育出版社， 2001: 25-145.

SHENG Z, XIE S Q, PAN C Y. Probability theory and mathematical statistics[M]. Beijing： Higher Education Press， 2001: 25-145 (in Chinese).

沈作軍男， 博士， 教授。主要研究方向： 高超聲速飛行器系統(tǒng)研發(fā), 臨近空間制導(dǎo)控制技術(shù)， 飛行力學(xué)。

Tel: 010-82316572

E-mail: shenzuojun@buaa.edu.cn

柳青女， 高級(jí)工程師， 博士研究生。主要研究方向： 高超聲速飛行器制導(dǎo)控制系統(tǒng)研制， 飛行控制技術(shù)。

Tel: 010-681920755

E-mail: liuliu_lock@126.com

肖佳平男， 碩士研究生。主要研究方向： 導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)， 臨近空間大氣環(huán)境建模。

Tel: 010-82316894

E-mail: xjpmail@126.com

Received： 2015-10-19; Revised: 2015-11-16; Accepted: 2015-11-22; Published online: 2015-12-0414:04

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.018.html

Probability-based risk analysis of hypersonic vehicle systems engineering

SHEN Zuojun1, *, LIU Qing2, XIAO Jiaping1

1. School of Aeronautic Science and Engineering, Beihang University, Beijing100083, China 2. The Third Research Institute, China Aerospace Science and Technology Corp., Beijing100074, China

Abstract:Different risks associated with decision party and system developer are modeled and analyzed aiming at the high risk characteristics of hypersonic vehicle development. Based upon the inherent probabilistic risks of system design and critical technologies, a generic test and verification process is adopted to calculate the probabilities of accepting unqualified systems by the decision party, or over-testing low risk systems or technologies by the developer. The relation between decision risk and developer’s risk is studied, and then a system engineering approach for balancing the risks as well as optimizing the development cycle is proposed based on probability calculation.

Key words:hypersonic vehicle; engineering development; developer’s risk; decision risk; risk probability; systems engineering optimization

*Corresponding author. Tel.： 010-82316572E-mail: shenzuojun@buaa.edu.cn

作者簡(jiǎn)介：

中圖分類號(hào)：V37

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6893(2016)01-0317-07

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0316

*通訊作者.Tel.： 010-82316572E-mail: shenzuojun@buaa.edu.cn

收稿日期：2015-10-19; 退修日期: 2015-11-16; 錄用日期: 2015-11-22; 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間: 2015-12-0414:04

網(wǎng)絡(luò)出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151204.1404.018.html

引用格式： 沈作軍， 柳青， 肖佳平． 高超聲速飛行器研制系統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)概率分析[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(1): 317-323. SHEN Z J, LIU Q, XIAO J M. Probability-based risk analysis of hypersonic vehicle systems engineering[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 317-323.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn