某新型復雜火工裝置質量控制的方法與實踐

/北京航天長征飛行器研究所

航天火工裝置具有一次性使用、功能不可檢測、關系成敗的特點。北京航天長征飛行器研究所應用的火工裝置數量多,種類全,功能復雜,可靠性要求高。據不完全統計,型號應用于各種火工裝置多達一百余種,可謂“百花齊放”。其中,最為耀眼的正是某新型復雜火工裝置。

某新型復雜火工裝置歷經近十年研制,目前已配套我國新一代重點導彈武器型號。基于其技術的同類產品也在多型重點型號上得到廣泛應用。該裝置的設計參數要求嚴苛,力學、熱學環境復雜,研制難度極大,具有功能多樣性、元件集成性、結構復雜性的特點,同時,在外形尺寸、質量上又做到了小型、輕量,堪稱我國目前最復雜的火工裝置。

該裝置集成的火工元件包含電點火器、隔板起爆器、作動裝置、微型火箭、延期點火具、氣體發生器、傳火藥盒、慢旋火箭等;集成的機械機構包括多級活塞展開機構、徑向活塞展開機構、減震緩沖機構等;涉及的裝藥種類包括起爆藥、點火藥、產氣藥、煙火藥、推進劑等多種藥劑;涉及上百道各種關鍵工序。為了保證產品質量,需要有效使用大量質量控制措施,筆者從設計、生產、試驗、驗收4個方面介紹了該裝置的質量控制方法和實踐經驗。

一、 工作與實踐

1.設計質量保證方法

(1)“三化”設計

火工裝置的“三化”是指產品的通用化、系列化、組合化。通用化利于充分利用成熟產品獲得的可靠性子樣;系列化利于拓展產品應用范圍,形成標準件;組合化可以大幅降低復雜火工系統的設計難度。

落實“三化”可分3步。第一,分類整理各型號應用的火工裝置,形成產品數據庫。第二,按照“三化”的要求,形成產品手冊。按照“制定規范、統一條件、壓縮品種、形成型譜、規范選用”的實施思路,將火工裝置中成熟度高、環境適應性好、通用性強的基礎類產品列入手冊,為后續型號選用提供有力支撐。第三,從產品手冊選用和組合形成新的火工裝置。選用目錄內產品可以大幅降低研制試驗成本、減少方案反復的可能性、提高系統可靠性。

該裝置設計之初就按照“三化”設計考慮,電點火器直接選用貨架產品,隔板起爆器借用定型產品的裝藥結構,延期點火具選用定型產品的藥劑,不同延期時間的延期點火具按照系列化設計,僅裝藥長度不同。

(2)冗余設計

冗余設計是指采用多個起爆、傳爆序列起爆一個最終實現功能的終端。各爆炸序列之間應完全獨立,互不干擾。在結構尺寸、設計質量允許的條件下,采用冗余設計可以大幅提高產品可靠性,保證產品實現最終功能。經過分析,對該裝置的軸向伸展、徑向展開功能起決定作用的延期點火具I進行了冗余設計,并且2個延期點火具位置對稱,在提高可靠度的同時對產品的旋轉穩定性不產生任何影響。

(3)裕度設計

裕度設計是指對火工裝置各級點火、傳火、傳爆序列之間的點傳火能力在設計上留有一定的余量,能夠克服各種裝藥性能散差、藥量散差、裝配間隙散差、高低溫以及力學環境散差、裝配散差、操作散差等帶來的不利影響,確保最終功能的實現。裕度設計的基本要求是滿足GJB1307A-2004《航天火工裝置通用規范》。該裝置在對標規范的基礎上,又對關鍵性能如釋放速度、軸向展開速度進行了極限拉偏試驗,真正摸到邊界、摸到底線,充分吃透了產品的裕度。

(4)失效模式分析

失效模式分析是指對能造成產品失效的各種可能性進行分析、分類、分級。該裝置在設計過程中,按照零件、元件、整機對組成產品的單點失效故障模式進行分析辨識,對同類產品故障問題進行了動態的舉一反三分析,不斷擴充故障模式庫。按照GJB/Z768A-98《故障樹分析指南》以及Q/QJA304《航天型號產品不可檢測項目與識別要求》,對產品進行FTA及FMEA分析,確認I,II類單點故障模式,確定3類關鍵特性及其控制手段。

典型的延期點火具FTA分析例子如圖1所示,典型的整機級FMEA分析如表1所示。經過分析,延期點火具識別出14種導致故障的底事件,整機級梳理出5種控制故障的措施。通過故障模式的識別和防止措施的實施,有效解決了火工裝置最終功能不可檢測的問題。

2.生產質量保證方法

(1)多余物預防與控制

該裝置零件、元件、整機產品在加工、裝配過程中,嚴格控制了多余物,總的原則包括:合理選用零件的表面鍍覆材料和熱處理、表面處理方法,保證產品在規定的使用期限和環境內不脫漆、不脫鍍層、不氧化生銹和發生脆斷;在螺紋連接部位,合理選用墊圈材料規格,防止其斷裂產生多余物;在涂膠、涂脂位置,嚴格量化控制膠、脂用量,防止膠、脂與藥劑接觸,或堵塞通道;合理設計密封結構,防止工作前多余物進入產品內部;產品均進行100% 射線檢查,判斷是否存在多余物。

點火器/隔板起爆器類產品多余物控制。機械加工環節重點針對靜放電通道的部位如殼體內孔、放電小孔、瓷芯、絕緣墊外圓,100%檢查無飛邊、毛刺、劃痕、積屑瘤,防止裝配過程產生刮屑。對塑壓、封接、鍍覆等可能影響產品電性能的環節,主要是防止金屬多余物的引入,并通過超聲波清洗等手段將玻璃粉、殘余槽液等雜質清洗干凈。裝配環節進行嚴格裝前檢查,采用顯微鏡檢查確認放電通道相關部位無飛邊、毛刺等多余物。電焊橋帶通過試焊,在保證不虛焊的條件下盡可能降低焊接電壓,減少電焊飛濺物的產生;對焊橋件和藥室組件均100%振動篩選,剔除電阻不穩定產品;涂膠、灌膠后及時進行清查,100%檢查極針、孔壁、鍵等部位,確保無殘留膠膜。裝配過程進行多媒體記錄,成品100%進行射線無損檢測,確保產品裝配正確,無多余物。

固體火箭類多余物控制。裝配前,檢查密封面、密封圈表面清潔無污染物,涂膠涂脂時不能產生堆積和污染其他非涂脂區域的污染物。100%檢查點傳火通道螺紋、通孔處無飛邊、毛刺,保證塞規順利通過,傳火孔涂膠前量化涂膠量,發火接頭擰入火箭殼體前用內窺鏡檢查傳火通道,確定無多余物后立即擰入發火接頭,封閉傳火通道。裝配過程均進行多媒體記錄,點火藥盒、藥柱、火箭成品均100%進行射線無損檢測,確保產品裝配正確,無多余物。

索類多余物控制。對原始空管和拉伸后空管進行清擦和100% 檢查,確保金屬管內壁無雜質損傷,無油污、纖維等雜質。烘藥過程用專用蓋板遮蓋,烘藥后用劃格法檢查藥劑無可見雜質。篩藥時用清擦干凈的鋁塑薄膜遮蓋分樣篩,使用橡皮耙輔助過篩,禁止使用毛刷等;裝藥前用藥勺翻動檢查藥劑篩下物中無夾雜及其他異常情況。裝配過程進行多媒體記錄,成品100% 進行射線無損檢測,確保產品裝配正確,無多余物。

作動裝置多余物控制。正式裝配前,先試裝和磨合,檢查零件相互之間運動無卡滯,配對放置;采用測力計測量并記錄2根作動筒之間的拉力數值,配對好的2個作動筒之間的摩擦力應滿足設計要求。試裝和磨合后,將

零件上附著的細小金屬屑清洗干凈;避免螺紋膠液流入運動面。裝配過程中,在需要涂油脂的O型圈表面,量化控制涂油脂量,并將多余油脂清擦干凈,防止油脂與藥劑表面接觸。防止O型圈損傷、產生多余物,內外筒安裝后檢查有無多余物擠出。裝配過程進行多媒體記錄,成品100%進行射線無損檢查,確保裝配正確,無多余物。

(2)電子裝聯質量控制

起爆裝置用電點火器。采用橋帶式電點火器,其發火元件部分的加工工藝為焊接。

點焊橋帶過程控制措施。焊接前極針端頭去氧化層;試焊接5～10發,并進行破壞性檢查;首檢5～10發焊接牢固,每20發一組,取每組最后一發作破壞性檢查;100% 自檢電焊無虛焊、擊穿和突尖;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100%自檢,10%抽檢。

焊導線過程工藝控制措施。焊接前先對極針與導線芯線分別進行掛錫;控制焊接溫度應滿足260～300℃,焊接時間不大于3s;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100% 自檢,10% 抽檢。

鍍金元器件焊接部位除金質量控制。用電烙鐵在鍍金極針進行重復性上錫;焊接時用電烙鐵沾焊錫對鍍金極針進行重復性上錫;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100% 自檢,10% 抽檢。

(3)防錯、漏裝質量控制

該裝置由3種速度系列組成,不同代號的裝置之間、內零部件、內裝火工元件除可相互借用的產品外,均加以區分。從產品標識、外觀、結構等方面進行有效的防差錯設計。

電點火器、隔板起爆器通過外形和螺紋規格不同加以區分,延期點火器通過長度和外觀防差錯結構不同加以區分,作動機構通過外形不同加以區分,燃氣機構通過外觀標識不同加以區分。該裝置在明顯位置采用不同顏色區分工作速度:低速度黃色,中速度藍色,大速度黑色。

元件級、整機級在裝配前,對每一道工序進行配盤、多媒體記錄。確保這道工序的零件數量和裝配總數量能夠對應。裝配完成后,交付前每個元件和裝置均需要進行射線檢查,逐一確認零件種類、數量。

(4)外包質量控制

該裝置涉及一定數量的零件、藥劑為外協、外購件。在外協、外購產品投產前,生產廠家組織相關技術人員對產品技術狀態進行梳理,確保將產品技術狀態變化、工藝禁限用、多余物控制等要求及時準確地傳達給外購廠家,在合同中明確技術、質量保證要求。

外協加工中,對試驗外協工序,派試驗檢測人員到外協廠進行現場監督和檢驗,確保外協過程得到控制;對外協零件進行100%入廠復驗,必要時進行首件檢驗和破壞性檢查。

對于推進劑等外協產品,工廠應提出明確的驗收項目,包括理化性能、爆熱、水分、密度、化學安定性、靜態燃速、常溫比沖性能等。

3.試驗質量保證方法

及時。為確保試驗及時性,整機級產品緊前策劃制定試驗大綱,各級產品根據整機級試驗大綱,結合自身特點分別制定各自試驗大綱。每級產品在開展考核性試驗前,均進行充分摸底試驗。確保提前考核,將風險暴露在本級產品中。

真實。為確保試驗真實性,所有試驗均按照接近真實邊界條件來確定試驗環境和試驗工裝狀態。為保證測量釋放速度、旋轉速度的準確性,所有整機釋放試驗、展開成形試驗均在特別設計的真空、失重試驗系統內進行考核。

全面覆蓋。為保證試驗的全面、覆蓋性,嚴格對標總體環境試驗條件和國軍標等相關標準,對元件級考核全面、覆蓋、加嚴,對整機級考核全面、覆蓋。通過對各級產品試驗狀態的控制,確保了產品研制階段考核充分。

過程正確,結果有效。為保證試驗過程正確、結果有效,對參加試驗的測試人員、操作人員進行技術交底和事故預想,對操作人員進行崗前培訓,確定每個操作步驟的量化要求。每級產品正式試驗前,再次確認產品的安裝固定狀態,并對產品外觀進行拍照記錄。試驗過程中,對需要采集的數據進行提前、全程記錄。試驗完成后,對試驗數據進行記錄,保存原始文件,并對完成試驗的產品進行再次拍照記錄。如果出現意外情況,則對試驗件殘骸進行保護、收集和分析,仔細記錄能提供故障分析線索的每個環節。

4.驗收質量保證方法

該裝置的電點火器選用貨架產品,除本型號外,也被其它多型號借用。該產品按照“型號管理與產品管理并重”的思路開展組批驗收工作。具體分4步:第一,組織成立基于產品的驗收隊伍;第二,去型號化,各型號統一驗收技術要求;第三,按照產品驗收隊伍對質量負責、型號隊伍對技術負責的原則,組織驗收;第四,驗收完成的產品不改變原有的配套關系和齊套路線,分型號交付使用。該項工作的開展,避免了重復性試驗和驗收,解放了型號設計人員,大幅提高驗收效率,節約驗收周期和成本,保證了產品交付進度。

二、 實踐效果

1.可靠性提升，成本降低

通過冗余設計和裕度設計,可靠性大幅提升。通過通用化、系列化、組合化的“三化”設計,該裝置火工元件都實現了種類和數量的壓縮。在產品整體結構復雜的條件下,火工裝置內部的元件變的相對“簡單”,使設計、生產、特別是試驗過程簡化、試驗子樣數量減少,大幅度降低了研制成本。

2.全流程控制，規范化管理

該裝置結合失效分析,實現全流程質量控制。解決最終功能不可檢、不可測問題,提高裝置工作可靠性。在失效分析的基礎上,對分解出的底事件采取針對性措施。對設計、研制試驗、生產、驗收、交付、使用環節的控制措施全部進行量化,并形成規范性文件。采用全流程質量控制手段后落實了對外包單位質量的把控,細化了顆粒度,大幅提高產品質量。最后,形成設計及研制環節控制表、生產過程控制表、驗收試驗狀態檢查控制表、驗收交付使用環節控制表。在產品驗收和使用環節,由任務書提出方牽頭,設計、生產、使用方配合,對照檢查實施,實現對產品的全流程控制。這一系列措施大幅度提升了產品的生產質量,保證了按時交付。

3.零死角防控，確保成功

該裝置在零件、元件、整機級產品的生產中,落實了多余物防控,電子裝聯控制,防錯、漏裝控制以及外包質量控制。這些措施的有效實施,確保了零件、火工元件、整機在各環節中的質量。使對最終功能可能造成不利影響的環節得到了有效控制,保證了該裝置的質量。

4.組批驗收，高效率，低成本

在通用產品中創新開展去型號化組批驗收工作。在保證滿足不同型號技術要求的前提下,大幅提高產品驗收效率,保證了質量,避免了重復性試驗和驗收,解放了型號設計人員,節約了驗收周期和成本,保證了產品交付進度。

三、 后續思路

為繼續引領火工技術發展,進一步提升質量,應對不斷涌現的新型號、新需求,未來可圍繞以下幾個方面開展工作:

一是加強組批驗收管理能力。在進一步推進火工裝置產品化工作的基礎上,大力開展去型號化技術研究、通用驗收規范編制、基于產品的驗收隊伍建設等工作。對接上游任務提出方和下游配套產品生產廠,為更多產品開展組批驗收工作打通關鍵環節,鋪平道路。

二是加強知識管理能力。對相關火工裝置設計、使用單位的故障案例、失效模式進行收集整理,完善故障案例集。進一步加快建設標準體系,在目前已有所標、院標的基礎上,按照火工裝置分類細化各產品的設計、驗收、試驗標準,再編寫一批高水平的標準群,提升質量控制能力。

三是加強試驗能力。在充分挖掘現有試驗廠家試驗能力的基礎上,在地面試驗中最大限度的模擬真空、失重、深冷、高溫等環境,不斷將環境適應性問題暴露并解決在研制過程之中。

四是加強仿真能力。在提高筒內釋放仿真技術準確度的基礎上,進一步推廣火工裝置裝藥燃燒、傳熱、內外流場機理的研究及仿真應用。提高設計效率,使發火試驗更具有針對性、結構優化更合理、裕度分析更準確,實現設計質量再上臺階。