質(zhì)量與可靠性工程在新研火箭設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 徐文彬 馬驥 李彩霞 郭雷

質(zhì)量與可靠性工程在新研火箭設(shè)計(jì)中的實(shí)踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 徐文彬 馬驥 李彩霞 郭雷

正在研制的新一代運(yùn)載火箭將承擔(dān)我國(guó)載人空間站建設(shè)過(guò)程中的重要發(fā)射任務(wù)，無(wú)論從總體方案設(shè)計(jì)，還是技術(shù)指標(biāo)要求，都具有跨越式的提升，對(duì)新一代運(yùn)載火箭的發(fā)射和飛行可靠性提出了更高的要求。其中，火箭發(fā)射可靠性不低于0.92，飛行可靠性不低于0.98。為此，新一代運(yùn)載火箭從立項(xiàng)之初，即以“高可靠、高安全、高質(zhì)量”為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以全壽命、全要素的可靠性工程的方法和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)、規(guī)范地開(kāi)展質(zhì)量與可靠性工作，并結(jié)合新一代運(yùn)載火箭技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)多、研制難度大的特點(diǎn)，提出面向全系統(tǒng)、全壽命、全過(guò)程，涵蓋設(shè)計(jì)、研制和生產(chǎn)單位的“2+9+2”質(zhì)量與可靠性工作方法的實(shí)踐，通過(guò)這種研制模式實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)工程、質(zhì)量工作、標(biāo)準(zhǔn)化工作、產(chǎn)品化工作以及基礎(chǔ)可靠性工作的相互結(jié)合。

一、新一代運(yùn)載火箭可靠性工作的思路

新一代運(yùn)載火箭以“一度故障工作，二度故障安全”為最高設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，以“高可靠、高安全、高質(zhì)量、高性能”為目標(biāo)，并充分吸收、借鑒成熟研制成果和國(guó)際主流先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)開(kāi)展質(zhì)量與可靠性工程的實(shí)踐，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品零缺陷、無(wú)故障。

1.與系統(tǒng)工程相結(jié)合

通過(guò)系統(tǒng)策劃和細(xì)化全箭的可靠性分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，從系統(tǒng)工程的角度綜合考慮研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)等方面的約束，綜合策劃、系統(tǒng)實(shí)施，優(yōu)化和細(xì)化可靠性頂層要求，加強(qiáng)制定可靠性管控措施，嚴(yán)格落實(shí)工作計(jì)劃等手段，將可靠性分析工作閉環(huán)、可靠性設(shè)計(jì)工作成效以及可靠性試驗(yàn)工作落實(shí)到位。

2.與質(zhì)量工作相結(jié)合

將可靠性研制與質(zhì)量管控手段相結(jié)合，如將量化控制手段納入可靠性研制過(guò)程中，具體包括：箭上所有單機(jī)和地面前段單機(jī)產(chǎn)品均要通過(guò)可靠性指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)來(lái)定量回答產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)；對(duì)裕度及降額等設(shè)計(jì)和分析采用具體數(shù)值進(jìn)行量化；將單點(diǎn)失效分析、可靠性關(guān)鍵項(xiàng)目與復(fù)核復(fù)算、風(fēng)險(xiǎn)分析、特性分析、強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置、試驗(yàn)充分性、測(cè)試覆蓋性相結(jié)合；將可靠性研制要求納入產(chǎn)品驗(yàn)收要求等。

3.與產(chǎn)品化工作相結(jié)合

充分借鑒產(chǎn)品化工作的思想，如除了在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中充分借鑒成熟型號(hào)相似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)之外，在全箭各系統(tǒng)單機(jī)的指標(biāo)研制試驗(yàn)及配套中充分考慮其它型號(hào)的相似產(chǎn)品，力求做到所有型號(hào)相似產(chǎn)品共同驗(yàn)證評(píng)估產(chǎn)品可靠性，從而縮短可靠性研制周期，減少火箭研制經(jīng)費(fèi)等。

針對(duì)相似產(chǎn)品的歷史故障，對(duì)新一代運(yùn)載火箭實(shí)施進(jìn)一步的分析并舉一反三，從可靠性分析、設(shè)計(jì)和試驗(yàn)方面采取措施，控制相似產(chǎn)品的歷史問(wèn)題再現(xiàn)。

4.與標(biāo)準(zhǔn)化工作相結(jié)合

探索利用標(biāo)準(zhǔn)化手段規(guī)范設(shè)計(jì)和試驗(yàn)等可靠性工作，主要包括梳理型號(hào)研制過(guò)程中的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，并策劃制定型號(hào)可靠性研制標(biāo)準(zhǔn)體系框架等；對(duì)各項(xiàng)可靠性工作的要求，研究利用模板的手段開(kāi)展可靠性工作，既能幫助設(shè)計(jì)人員加深對(duì)可靠性要求的理解，降低了設(shè)計(jì)人員進(jìn)行可靠性工作的難度，又保證了準(zhǔn)確、完整地落實(shí)新一代運(yùn)載火箭的可靠性要求。

5.與基礎(chǔ)可靠性工作相結(jié)合

結(jié)合型號(hào)可靠性工作的研制，強(qiáng)化基礎(chǔ)可靠性專業(yè)工作，如研究故障診斷技術(shù)，利用數(shù)字化手段實(shí)現(xiàn)故障模式的檢測(cè)、預(yù)防和控制；建立動(dòng)態(tài)的故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)故障模式進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和更新等。

二、研制模式的內(nèi)容

“2+9+2”質(zhì)量與可靠性工作方法即為兩分析、九要素設(shè)計(jì)、雙量化管理，通過(guò)設(shè)計(jì)確定、生產(chǎn)保證、試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量控制的工作內(nèi)容保證產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。

1.兩分析

故障樹(shù)分析（FTA）以飛行任務(wù)失敗為頂事件，從總體、分系統(tǒng)、單機(jī)自上而下開(kāi)展全箭的故障樹(shù)分析，全箭形成一階最小割集，并通過(guò)三類(lèi)關(guān)鍵特性等對(duì)設(shè)計(jì)、工藝和過(guò)程進(jìn)行控制。

故障模式及影響分析（FMEA）依據(jù)時(shí)序、彈道、功能、性能、環(huán)境條件五要素細(xì)化發(fā)生可能性判別準(zhǔn)則、嚴(yán)酷度類(lèi)別、量化故障檢測(cè)等，從單機(jī)、分系統(tǒng)、總體自下而上開(kāi)展全箭的故障模式及影響分析，形成可靠性關(guān)鍵項(xiàng)目和設(shè)備、系統(tǒng)雙層次兩類(lèi)單點(diǎn)模式，并實(shí)施設(shè)計(jì)、工藝和過(guò)程控制等。

2.九要素設(shè)計(jì)

九要素設(shè)計(jì)包含元器件與原材料選用設(shè)計(jì)，力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性與機(jī)械設(shè)計(jì)，真空、熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，防水、防潮、防鹽霧、防霉菌設(shè)計(jì)，電磁兼容性設(shè)計(jì)，冗余設(shè)計(jì)，裕度和降額設(shè)計(jì)，防差錯(cuò)與可測(cè)試設(shè)計(jì)以及氣液密封設(shè)計(jì)。其中，元器件與原材料選用設(shè)計(jì)要對(duì)所選用的元器件和原材料進(jìn)行周密考慮，為保證產(chǎn)品可靠性打下基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)上將防潮、防鹽霧、防霉菌稱為“三防”設(shè)計(jì)，鑒于新一代運(yùn)載火箭在海南發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，環(huán)境濕度大，且新一代運(yùn)載火箭采用低溫液氧，要具備中雨發(fā)射能力，必須加強(qiáng)防水設(shè)計(jì)。

對(duì)于液體火箭而言，氣、液密封設(shè)計(jì)是火箭可靠性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力系統(tǒng)的許多產(chǎn)品（貯箱、氣瓶、輸送管、增壓管、測(cè)壓管、各類(lèi)閥門(mén)等），氣體或液體非正常泄漏將有可能導(dǎo)致火箭飛行失敗，嚴(yán)重時(shí)甚至誘發(fā)安全事故。

3.雙量化管理

在“2+9” 可靠性分析和設(shè)計(jì)完成后，要通過(guò)可靠性研制定量驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)可靠性設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，包括可靠性定性設(shè)計(jì)和可靠性指標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

可靠性定性設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證是對(duì)采取的九要素設(shè)計(jì)開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)鑒定試驗(yàn)對(duì)抗力學(xué)環(huán)境、真空和熱設(shè)計(jì)以及防水、防潮、防鹽霧、防霉菌設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；通過(guò)電磁兼容性試驗(yàn)對(duì)電磁兼容性設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證；通過(guò)裕度（拉偏）試驗(yàn)對(duì)裕度設(shè)計(jì)情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證等。尤其要求研究采用可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法來(lái)摸清產(chǎn)品余量、快速暴露設(shè)計(jì)和工藝的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。

可靠性指標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證是通過(guò)四應(yīng)力綜合的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)進(jìn)行可靠性指標(biāo)的定量驗(yàn)證，驗(yàn)證產(chǎn)品以不低于一定水平的概率在所規(guī)定的時(shí)間、環(huán)境和工作條件范圍內(nèi)正常工作，通過(guò)成功的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證各系統(tǒng)單機(jī)、分系統(tǒng)及全箭的發(fā)射可靠性和飛行可靠性指標(biāo)。

質(zhì)量量化控制是對(duì)產(chǎn)品研制過(guò)程中所采取的質(zhì)量管控措施的定量控制，通過(guò)量化的質(zhì)量控制手段對(duì)產(chǎn)品研制質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，如不同產(chǎn)品擰緊力矩的量化要求；電氣產(chǎn)品飛行前總通電時(shí)間的量化要求。

三、實(shí)施可靠性工程的研制流程

依據(jù)新一代運(yùn)載火箭研制的不同階段，可靠性工程的研制過(guò)程可分解為可行性論證、方案、工程研制（初樣和試樣）、應(yīng)用發(fā)射4個(gè)階段，各階段可靠性工程的研制流程如圖1所示。

圖1 可靠性工程的研制流程

1.可行性論證階段

可靠性工程研制過(guò)程主要是進(jìn)行任務(wù)可靠性定量指標(biāo)和可靠性定性要求的合理性與可行性論證，并提出型號(hào)可靠性研制要求。

2.方案階段

明確全壽命周期剖面時(shí)間、地點(diǎn)、功能、性能、環(huán)境條件五要素，制定新一代運(yùn)載火箭故障模式與影響分析實(shí)施指南，按照單機(jī)、分系統(tǒng)、總體自下而上開(kāi)展FMEA，全面識(shí)別全箭故障模式、風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)。

結(jié)合歷史故障模式、火箭典型故障模式等確定底事件，制定新一代運(yùn)載火箭故障樹(shù)分析要求，按照總體、系統(tǒng)、單機(jī)自上而下開(kāi)展FTA，輔助識(shí)別全箭總體級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和單機(jī)級(jí)故障模式、風(fēng)險(xiǎn)環(huán)節(jié)。

以可靠性定性分析結(jié)果和可靠性定量指標(biāo)為依據(jù)，在產(chǎn)品功能、性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，總體、分系統(tǒng)和單機(jī)開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)。可靠性設(shè)計(jì)包括可靠性定性和定量設(shè)計(jì)，其中定性設(shè)計(jì)主要依據(jù)可靠性設(shè)計(jì)實(shí)施指南進(jìn)行，定量設(shè)計(jì)依據(jù)可靠性指標(biāo)分配結(jié)果。

“2+9”可靠性分析與設(shè)計(jì)工作完成后，形成方案階段可靠性設(shè)計(jì)基線。

3.初樣階段

在方案階段可靠性工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行初樣產(chǎn)品“2+9”可靠性分析與設(shè)計(jì)。以FMEA+FTA為手段，進(jìn)一步識(shí)別Ⅰ、Ⅱ類(lèi)單點(diǎn)故障模式和確定可靠性關(guān)鍵項(xiàng)目。以可靠性九要素設(shè)計(jì)實(shí)施指南為依據(jù)規(guī)范產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)。通過(guò)分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)的反復(fù)迭代，形成初樣階段可靠性設(shè)計(jì)基線。

可靠性設(shè)計(jì)完成后開(kāi)展雙量化管理工作，確保可靠性指標(biāo)驗(yàn)證和落實(shí)?？煽啃粤炕?yàn)證包括可靠性定量和定性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，前者主要通過(guò)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，后者主要通過(guò)裕度試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)和分析計(jì)算等實(shí)現(xiàn)。質(zhì)量量化控制包括以“流程圖”為索引的全過(guò)程質(zhì)量量化控制要求，以及對(duì)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)三大環(huán)節(jié)全過(guò)程的質(zhì)量控制措施。

在開(kāi)展質(zhì)量與可靠性雙量化管理的同時(shí)，對(duì)全過(guò)程各環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)和控制，形成初樣階段可靠性生產(chǎn)基線。

4.試樣階段

在初樣階段可靠性工作的基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展試樣“2+9”可靠性分析與設(shè)計(jì)。持續(xù)開(kāi)展質(zhì)量與可靠性雙量化管理工作，通過(guò)可靠性指標(biāo)量化驗(yàn)證獲得產(chǎn)品可靠性指標(biāo)，通過(guò)全面推進(jìn)強(qiáng)化質(zhì)量量化控制管理，穩(wěn)步提升新一代運(yùn)載火箭質(zhì)量管理水平，形成試樣階段型號(hào)可靠性產(chǎn)品基線。

5.應(yīng)用發(fā)射階段

重點(diǎn)對(duì)技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化的產(chǎn)品繼續(xù)開(kāi)展“2+9+2”可靠性工程的研制，結(jié)合可靠性增長(zhǎng)穩(wěn)步提升火箭可靠性指標(biāo)，持續(xù)推進(jìn)全過(guò)程質(zhì)量量化控制，提升質(zhì)量與可靠性管理水平。

可靠性工程已發(fā)展成為系統(tǒng)性很強(qiáng)的工程技術(shù)學(xué)科，只有“科學(xué)、規(guī)范、高效”地實(shí)施系統(tǒng)管理，才能全面落實(shí)高可靠性指標(biāo)。以“2+9+2”可靠性工程方法為手段，以質(zhì)量與可靠性工作的“系統(tǒng)性、充分性、有效性”為重點(diǎn)，對(duì)新一代運(yùn)載火箭全系統(tǒng)、全過(guò)程的質(zhì)量與可靠性分析設(shè)計(jì)反復(fù)迭代，以確保產(chǎn)品固有可靠性得到充分保證。