關(guān)鍵事件矩陣分析方法在運(yùn)載火箭研制中的實(shí)踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 劉秉等

關(guān)鍵事件矩陣分析方法在運(yùn)載火箭研制中的實(shí)踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 劉秉等*

以新一代運(yùn)載火箭的具體實(shí)踐為例，介紹了關(guān)鍵事件矩陣分析的工作流程、實(shí)施細(xì)節(jié)、實(shí)踐效果及后續(xù)工作思路。關(guān)鍵事件矩陣分析方法采用“1條主線、4個(gè)層面、5個(gè)要素、4個(gè)閉合”的具體工作模式，并成功應(yīng)用到其它型號研制實(shí)踐工作中。

運(yùn)載火箭全箭測試及飛行過程狀態(tài)復(fù)雜，一個(gè)指令從發(fā)出到執(zhí)行往往需要多個(gè)系統(tǒng)（單機(jī)）之間配合，涉及電、液、氣等多種物理狀態(tài)之間的信息傳遞。設(shè)計(jì)人員一般是在以往的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，沒有形成系統(tǒng)的分析方法，會(huì)造成質(zhì)量問題多發(fā)的現(xiàn)象。為確保全箭方案設(shè)計(jì)的正確性與接口設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性，提前暴露薄弱環(huán)節(jié)，新一代運(yùn)載火箭開展了測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析工作。

關(guān)鍵事件矩陣分析方法的運(yùn)用是確保型號研制順利進(jìn)行的有效措施之一，通過該工作模式可以系統(tǒng)分析和梳理各單機(jī)、系統(tǒng)間接口及信息流的傳遞過程，對于某一事件或信息流由哪個(gè)單機(jī)或系統(tǒng)產(chǎn)生，經(jīng)過哪些單機(jī)或系統(tǒng)最終完成事件或信息流的傳遞，均可以從關(guān)鍵事件矩陣分析工作中進(jìn)行檢查和梳理。通過這項(xiàng)工作，檢查所有接口外圍條件是否閉合，“動(dòng)態(tài)”地細(xì)化和梳理接口關(guān)系。因此，通過關(guān)鍵事件矩陣分析可以達(dá)到全箭再協(xié)調(diào)、技術(shù)細(xì)節(jié)再認(rèn)識、量化控制再深化、全箭動(dòng)態(tài)仿真、型號設(shè)計(jì)再閉合的目的。

一、新一代火箭測試及飛行過程的特點(diǎn)

新一代大型運(yùn)載火箭在新技術(shù)應(yīng)用、運(yùn)載能力提升等方面均實(shí)現(xiàn)了較大的跨越，隨之而來的是運(yùn)載火箭研制難度的增加。綜合分析新一代運(yùn)載火箭技術(shù)方案，其呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

一是時(shí)序動(dòng)作多、電磁閥多、火工品多。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，新一代運(yùn)載火箭的火工品數(shù)量（不含分離火箭）分別約為CZ-3B、CZ-2F火箭 的1.85和1.71倍；新一代運(yùn)載火箭的閥門及電磁閥數(shù)量分別約為CZ-3B火箭的4.54和44.2倍。電磁閥和火工品的數(shù)量增多直接導(dǎo)致測試發(fā)射與飛行過程時(shí)序動(dòng)作增加。

二是火箭核心的點(diǎn)火、分離、增壓等時(shí)序涉及的環(huán)節(jié)多。點(diǎn)火時(shí)序涉及到箭上及地面若干系統(tǒng)，且系統(tǒng)間有一定的配合關(guān)系，如發(fā)射前增壓和加注控制涉及到測量、動(dòng)力測控、加注控制、發(fā)射平臺等若干系統(tǒng)與設(shè)備，信息傳輸鏈路長。同一個(gè)時(shí)序的完成涉及的專業(yè)多，如一個(gè)增壓動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)需要測量系統(tǒng)的傳感器進(jìn)行壓力測量，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和增壓控制，增壓系統(tǒng)完成閥門動(dòng)作。

三是火箭的系統(tǒng)接口復(fù)雜。火箭測試發(fā)射和飛行控制過程有控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力測控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)等多系統(tǒng)參與，雖然已經(jīng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡化了系統(tǒng)接口，但仍然呈現(xiàn)出系統(tǒng)接口復(fù)雜的特點(diǎn)。

二、關(guān)鍵事件矩陣分析工作方法

1．工作流程

關(guān)鍵事件矩陣分析工作遵循“總體牽頭，分系統(tǒng)參與，共同確認(rèn)”的原則，總體提出測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析的具體要求，分系統(tǒng)分析本系統(tǒng)在關(guān)鍵事件中的輸入輸出及具體工作，總體確認(rèn)分系統(tǒng)間接口正確性，確保關(guān)鍵事件系統(tǒng)間工作協(xié)調(diào)、閉合，滿足型號要求。詳細(xì)工作流程如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵事件矩陣分析工作流程圖

2．關(guān)鍵事件矩陣分析思路

測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析工作遵循“1條主線、4個(gè)層面、5個(gè)要素、4個(gè)閉合”的工作方法，實(shí)現(xiàn)再分析、再設(shè)計(jì)、再閉合的管控。

1條主線以測試和發(fā)射關(guān)鍵事件為主線，總體系統(tǒng)梳理測試和發(fā)射過程關(guān)鍵事件，以此作為矩陣分析的輸入條件。

4個(gè)層面是圍繞主線界定分析工作的層面。一是時(shí)段層面。時(shí)段是人為劃分的時(shí)間區(qū)域，即將全箭測試發(fā)射和飛行過程分為若干個(gè)時(shí)段，包括加注、點(diǎn)火、一級飛行、助推關(guān)機(jī)、助推分離、級間分離、整流罩分離、二級飛行等時(shí)段。二是事件層面。事件是某一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生的若干個(gè)“動(dòng)作”的集合，即相對于某一統(tǒng)一的時(shí)刻，全箭各系統(tǒng)在此時(shí)刻需要完成的動(dòng)作。三是時(shí)序?qū)用妗r(shí)序是在某一時(shí)刻某系統(tǒng)所需要完成的指令，即在火箭發(fā)射流中某一時(shí)刻發(fā)生的以單獨(dú)代號命名的一個(gè)指令，其包含了一系列信息流的傳遞，往往需要2個(gè)或2個(gè)以上的系統(tǒng)參與其中才能完成。四是動(dòng)作層面。動(dòng)作是系統(tǒng)和單機(jī)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，如繼電器的動(dòng)作等。過程層面考慮的是動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)和過程。

5個(gè)要素在關(guān)鍵事件矩陣分析工作中實(shí)現(xiàn)五維矩陣的交叉分析。一是物理要素，各系統(tǒng)、各單機(jī)要闡述具體動(dòng)作的物理意義，即該動(dòng)作在物理上的具體實(shí)現(xiàn)過程。二是時(shí)間要素，即矩陣分析的一個(gè)坐標(biāo)軸，尤其要考慮時(shí)序的精度對動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程的影響。三是信息要素，圍繞信息傳遞開展矩陣分析，量化信息流的方向。四是動(dòng)作要素，圍繞每一個(gè)動(dòng)作詳細(xì)闡述動(dòng)作的輸入、響應(yīng)和輸出過程。五是硬件要素，圍繞過程層面開展技術(shù)細(xì)節(jié)梳理，闡述動(dòng)作實(shí)現(xiàn)過程所涉及的硬件。

4個(gè)閉合是矩陣分析工作實(shí)現(xiàn)4個(gè)層面的閉合，最終目的是發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。一是功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的閉合，在基本的接口設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)上實(shí)現(xiàn)閉合。二是設(shè)計(jì)余度保障的閉合，針對飛行中的關(guān)鍵動(dòng)作，系統(tǒng)和單機(jī)要明確設(shè)計(jì)余度。三是可靠性措施的閉合，針對分析發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)和單機(jī)要落實(shí)可靠性措施。四是驗(yàn)證環(huán)節(jié)落實(shí)的閉合，針對事件、動(dòng)作、過程等不同層面，總體、系統(tǒng)和單機(jī)均需落實(shí)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。

3．命名規(guī)范及表格說明

筆者在此以點(diǎn)火時(shí)間段為典型分析對象，說明關(guān)鍵事件矩陣分析命名規(guī)范及矩陣分析方法。

（1）點(diǎn)火時(shí)間段關(guān)鍵事件分析對象的建立

依據(jù)新一代運(yùn)載火箭初樣階段的E構(gòu)型飛行時(shí)序以及動(dòng)力系統(tǒng)工作程序等有關(guān)設(shè)計(jì)文件，從點(diǎn)火到起飛時(shí)間段的關(guān)鍵事件矩陣時(shí)序（包含箭上、地面的動(dòng)作）如圖2所示。

（2）測試發(fā)射過程的命名規(guī)范

圖2表示了點(diǎn)火段的時(shí)序（局部），每個(gè)時(shí)刻用一根豎線來表示，每個(gè)時(shí)刻所發(fā)生動(dòng)作的全體被稱為一個(gè)事件，一個(gè)事件可以包含多個(gè)時(shí)序和動(dòng)作。點(diǎn)火時(shí)段包含了從點(diǎn)火0秒到火箭起飛指令發(fā)出為止的時(shí)間區(qū)域，命名為DH。

按照時(shí)間順序，點(diǎn)火時(shí)段第一個(gè)發(fā)生的事件命名為DH110，第二個(gè)發(fā)生的事件命名為DH120，以此類推。DH110和DH120之間間隔10個(gè)序列，特殊、臨時(shí)增加的事件可補(bǔ)充在這10個(gè)序列之間，備后續(xù)分析中添加事件。例如，隨著分析工作的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)在事件DH110和DH120之間的時(shí)間段還有若干個(gè)事件發(fā)生，那么可以將這些事件命名為DH111至DH119。需要說明的是，數(shù)字編號僅反映時(shí)序發(fā)生的先后時(shí)間關(guān)系，與數(shù)字本身數(shù)值的大小無關(guān)。

圖2 點(diǎn)火段關(guān)鍵事件矩陣分析時(shí)序

事件以發(fā)生時(shí)間排序，同一時(shí)間發(fā)生的為一個(gè)事件，如1D3C、1D4/6C等10個(gè)時(shí)序均在同一時(shí)刻發(fā)出，那么編號為DH110，每一個(gè)時(shí)序分別編號為DH110.1D3C、DH110.1D4/6C等。

時(shí)序的概念是某一時(shí)刻同時(shí)發(fā)生的若干個(gè)動(dòng)作的集合，點(diǎn)火段共有58個(gè)時(shí)序發(fā)生。例如，點(diǎn)火時(shí)段圖2中第一根豎線所表示時(shí)刻發(fā)生動(dòng)作的全體被命名為事件DH110，其包含10個(gè)時(shí)序（見表1）；事件DH120包含3個(gè)時(shí)序（見表1）。涉及到電磁閥、氣路閥門和火工品的開閉，在事件代號后面標(biāo)注↑、↓分別表示時(shí)序發(fā)出時(shí)為通電和斷電。

總結(jié)上述分析，時(shí)段、事件、時(shí)序之間的相互關(guān)系如圖3所示（由于動(dòng)作含在每一個(gè)具體時(shí)序中，因此沒有在圖中表示）。動(dòng)作與時(shí)序之間關(guān)系詳見表2。

表1 點(diǎn)火時(shí)段所包含事件列表(部分)

圖3 時(shí)段、事件、時(shí)序之間的相互關(guān)系示意圖

三、實(shí)踐效果與后續(xù)工作思路

1．實(shí)施效果

新一代運(yùn)載火箭目前完成了全箭飛行過程的關(guān)鍵事件矩陣分析，解決了功能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)余度和可靠性措施的閉合問題。

以D110.1TOC為例，點(diǎn)火段關(guān)鍵事件矩陣分析情況見表2。按照此方法，以每一個(gè)動(dòng)作涉及的系統(tǒng)為單位，對點(diǎn)火時(shí)段的58個(gè)時(shí)序均進(jìn)行了詳細(xì)分析。DH110.1TOC為編號DH110事件中的一個(gè)時(shí)序，該時(shí)序涉及3個(gè)動(dòng)作，分別由控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、測量系統(tǒng)完成信息傳遞。每個(gè)系統(tǒng)（單機(jī)）均獨(dú)自進(jìn)行本系統(tǒng)（單機(jī)）的事件信息傳遞分析，包括本系統(tǒng)（單機(jī)）的輸入接口、動(dòng)作輸出及動(dòng)作時(shí)間精度、輸出接口。

表2 點(diǎn)火段關(guān)鍵事件矩陣分析表（局部）

按照信息流的傳遞順序，經(jīng)過總體歸納分析和比對可以發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)間接口是否匹配，計(jì)算出從時(shí)序發(fā)生到執(zhí)行結(jié)束總共需要的時(shí)間。針對測試發(fā)射過程的每一個(gè)發(fā)生的時(shí)序均進(jìn)行如此分析和比對，徹底清查各系統(tǒng)（單機(jī)）之間的接口是否匹配，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2．今后的工作設(shè)想

針對新一代運(yùn)載火箭，后續(xù)將完善并固化測試發(fā)射和飛行關(guān)鍵事件矩陣分析方法，并以此為基礎(chǔ)開展加注和預(yù)冷時(shí)段的分析工作。

在設(shè)計(jì)階段運(yùn)用該工作方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)全箭設(shè)計(jì)閉合，對設(shè)計(jì)質(zhì)量進(jìn)行全面檢查，明顯減少設(shè)計(jì)質(zhì)量問題，并可進(jìn)一步推廣到其它型號借鑒使用。目前，關(guān)鍵事件矩陣分析方法不僅在新一代大、中型運(yùn)載火箭研制中成功進(jìn)行了實(shí)踐，同時(shí)，該方法還對戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器型號的技術(shù)狀態(tài)復(fù)查和質(zhì)量管控有著積極的實(shí)踐意義。在武器型號分別進(jìn)行了飛行時(shí)序動(dòng)作分析確認(rèn)工作，以每一個(gè)飛行時(shí)序動(dòng)作為牽引，對影響成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)的輸入條件、輸出結(jié)果、設(shè)計(jì)指標(biāo)及滿足等情況進(jìn)行系統(tǒng)梳理，查找需要進(jìn)一步分析和確認(rèn)的問題，從而辨識和控制技術(shù)上可能存在的風(fēng)險(xiǎn)與隱患，最終得出從動(dòng)作要求、動(dòng)作實(shí)現(xiàn)到動(dòng)作執(zhí)行能夠完整閉合的推演分析結(jié)論。

關(guān)鍵事件矩陣分析的工作實(shí)踐表明，該方法可作為設(shè)計(jì)的閉環(huán)確認(rèn)和潛在風(fēng)險(xiǎn)的辨識及控制的一種有效方法，為后續(xù)型號研制借鑒使用。?

*其他作者：李東、婁路亮、何巍、陳海鵬、牟宇