某大型運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射流程優(yōu)化策略

鐘文安，張俊新，李智斌，朱良平，晏 政

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，?？?，570203）

0 引 言

測(cè)試發(fā)射流程是組織指揮運(yùn)載器和航天器發(fā)射任務(wù)最重要的總體技術(shù)方案，是工程各系統(tǒng)在發(fā)射場(chǎng)開(kāi)展各項(xiàng)工作的基本依據(jù)[1,2]。優(yōu)化的流程對(duì)于縮短測(cè)試發(fā)射周期、提高發(fā)射場(chǎng)年發(fā)射能力、更好地完成重大航天工程具有重要意義。目前，中國(guó)某大型運(yùn)載火箭采用新“三垂”測(cè)發(fā)模式，其測(cè)試發(fā)射工藝流程滿足現(xiàn)階段測(cè)試覆蓋性，以及對(duì)測(cè)試發(fā)射安全可靠的要求，但存在測(cè)試發(fā)射周期長(zhǎng)、場(chǎng)區(qū)總裝操作多、發(fā)射區(qū)占位時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，導(dǎo)致年發(fā)射率不高，亟需開(kāi)展流程優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，中國(guó)運(yùn)載火箭流程優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合采用了價(jià)值鏈分析法、重要性矩陣法、關(guān)鍵路徑法、流程再造法（Business Process Reengineering，BPR）、漸進(jìn)式流程優(yōu)化（Business Process Improvement，BPI）和層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[2～6]等方法，對(duì)成熟型號(hào)運(yùn)載火箭開(kāi)展了有效的流程優(yōu)化工作。針對(duì)大型運(yùn)載火箭在新型測(cè)發(fā)模式下的流程優(yōu)化，尚有多種制約因素需具體分析。

1 現(xiàn)流程基本情況

有別于美國(guó)土星5火箭等采用的子級(jí)測(cè)試模式，中國(guó)運(yùn)載火箭大多采用子系統(tǒng)測(cè)試模式，測(cè)試發(fā)射工藝流程分為總裝與單元測(cè)試、分系統(tǒng)匹配測(cè)試、總檢查測(cè)試和加注發(fā)射4個(gè)階段。

中國(guó)某大型運(yùn)載火箭現(xiàn)階段流程較長(zhǎng)，見(jiàn)圖1，總流程達(dá)60天左右，該測(cè)試流程周期遠(yuǎn)超中國(guó)現(xiàn)役成熟型號(hào)運(yùn)載火箭。

圖1 現(xiàn)階段基本流程Fig.1 Current Basic Process

2 現(xiàn)流程存在的問(wèn)題和不足

結(jié)合運(yùn)載火箭的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)際任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)階段流程主要存在以下不足：

a）發(fā)射場(chǎng)總裝項(xiàng)目多。

運(yùn)載火箭需分模塊運(yùn)輸至發(fā)射場(chǎng)，在發(fā)射場(chǎng)區(qū)完成垂直總裝。與以往型號(hào)不同的是，新一代大型運(yùn)載火箭由于工藝不成熟，尚有大量總裝操作需在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行，如低溫發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管及相應(yīng)管路、傳感器的安裝等，導(dǎo)致火箭在發(fā)射場(chǎng)的總裝流程冗長(zhǎng)。

b）測(cè)試狀態(tài)轉(zhuǎn)換頻繁。

火箭子級(jí)模塊總裝和儀器設(shè)備安裝狀態(tài)既有水平狀態(tài)又有垂直狀態(tài)，如一級(jí)和二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)分別在水平和垂直狀態(tài)執(zhí)行安裝操作；箭地匹配度不夠，如工作平臺(tái)為適應(yīng)操作可達(dá)性，頻繁上下調(diào)整位置等。

c）部分測(cè)試項(xiàng)目重復(fù)。

在型號(hào)研制和飛行試驗(yàn)初期，由于任務(wù)數(shù)量相對(duì)較少，并未考慮測(cè)試效率問(wèn)題，存在部分測(cè)試項(xiàng)目的重復(fù)設(shè)置，如在各次總檢查中，多次進(jìn)行加注信號(hào)聯(lián)試工作，控制系統(tǒng)在小轉(zhuǎn)臺(tái)和慣組上箭狀態(tài)開(kāi)展相同測(cè)試項(xiàng)目等。

d）測(cè)試操作自動(dòng)化程度低。

電氣系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試尚未實(shí)現(xiàn)“一鍵測(cè)試”，且各測(cè)試狀態(tài)準(zhǔn)備工作多、時(shí)間長(zhǎng)；動(dòng)力系統(tǒng)多種連接器的連接操作均為手動(dòng)操作，特別是發(fā)射區(qū)氣液管路連接工作時(shí)間長(zhǎng)，連接后需要開(kāi)展大范圍置換氣檢工作等。

e）串行測(cè)試項(xiàng)目多。

在子樣偏少的情形下，考慮技術(shù)成熟度和人員操作熟練度，安排了許多串行測(cè)試，盡量減少系統(tǒng)間并行工作，降低相互干擾造成的失誤。如產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)、恢復(fù)、交接工作串行進(jìn)行，避免出現(xiàn)誤操作；安排動(dòng)力、測(cè)量、控制分系統(tǒng)串行測(cè)試，防止各分系統(tǒng)相互干擾。

3 關(guān)鍵路徑法+ECRS方法

根據(jù)現(xiàn)階段流程存在的制約因素，采用“關(guān)鍵路徑法+ECRS方法”迭代使用的思路，有針對(duì)性地消除流程優(yōu)化制約，以達(dá)到預(yù)期的流程優(yōu)化效果。

3.1 關(guān)鍵路徑法

關(guān)鍵路徑法是在價(jià)值鏈分析和重要性分析的基礎(chǔ)上，識(shí)別測(cè)試發(fā)射核心工作的方法。其重點(diǎn)是區(qū)分輔線工作和保障性工作，將重要性程度高、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)的項(xiàng)目識(shí)別為測(cè)試發(fā)射的核心工作。按照5分制打分，對(duì)測(cè)試項(xiàng)目對(duì)產(chǎn)品功能、系統(tǒng)性能、發(fā)射成敗的影響，以及對(duì)系統(tǒng)的影響和對(duì)流程的影響進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試項(xiàng)目重要性分析評(píng)價(jià)Tab.1 Analysis and Evaluation of Test Item Importance

關(guān)鍵路徑法的優(yōu)點(diǎn)是便于發(fā)現(xiàn)影響流程優(yōu)化的重點(diǎn)，適于在多系統(tǒng)、多項(xiàng)目、復(fù)雜技術(shù)狀態(tài)和配合條件的工藝流程制定和優(yōu)化過(guò)程中使用。中國(guó)載人航天任務(wù)工藝流程即以飛船在發(fā)射場(chǎng)工作流程為主線，有效把握了流程編排的重點(diǎn)。

3.2 ECRS方法

對(duì)某大型運(yùn)載火箭現(xiàn)階段流程采用關(guān)鍵路徑法后，識(shí)別出流程關(guān)鍵路徑（主線項(xiàng)目），進(jìn)一步采用取消、合并、重排、簡(jiǎn)化（Eliminate Combine Rearrange &Simplify，ECRS）方法，破除制約現(xiàn)階段流程進(jìn)一步優(yōu)化的5大制約因素，對(duì)流程進(jìn)行階段優(yōu)化；階段優(yōu)化后，重新識(shí)別關(guān)鍵路徑，重復(fù)上述步驟，不斷迭代。流程迭代優(yōu)化示意如圖2所示。

圖2 流程迭代優(yōu)化示意Fig.2 Process Iteration Optimization

4 流程優(yōu)化分析

4.1 關(guān)鍵路徑識(shí)別

對(duì)現(xiàn)流程進(jìn)行深入分析，識(shí)別流程中重要的、測(cè)試操作時(shí)間長(zhǎng)的項(xiàng)目，即關(guān)鍵路徑。以垂直總裝及單元測(cè)試階段工藝流程為例，火箭進(jìn)場(chǎng)后各模塊總裝、設(shè)備單元測(cè)試等工作多線展開(kāi)，通過(guò)梳理，測(cè)試工作基本按3條工作線展開(kāi)，即圍繞芯一級(jí)和助推箭體交接總裝、二級(jí)箭體交接總裝和單元測(cè)試工作線。通過(guò)分析，芯一級(jí)和助推交接、測(cè)試、總裝、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝和相關(guān)測(cè)試工作是本階段的主線工作，相關(guān)工作項(xiàng)目是本階段流程的關(guān)鍵路徑。

同樣方法識(shí)別工藝流程中其他子階段的全部主線項(xiàng)目，形成某大型運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射的關(guān)鍵路徑。

4.2 ECRS法流程優(yōu)化

a）取消與合并。

隨著產(chǎn)品技術(shù)成熟度的提高，測(cè)試覆蓋性和可靠性、安全性分析的不斷深入，部分項(xiàng)目在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試子樣得到一定積累的情況下，可以取消在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試工作，將相關(guān)工作提前至火箭出廠前開(kāi)展，或合并狀態(tài)相近的項(xiàng)目，集中至相近時(shí)間節(jié)點(diǎn)開(kāi)展，減少技術(shù)狀態(tài)頻繁改變。優(yōu)化的主要方向包括：

1）提升單機(jī)產(chǎn)品隨箭運(yùn)輸能力，取消大量總裝工作，如發(fā)動(dòng)機(jī)噴管安裝等。

2）取消部分重復(fù)測(cè)試項(xiàng)目，如蓄壓器水平狀態(tài)測(cè)試（可在后續(xù)工作中覆蓋相關(guān)測(cè)試內(nèi)容）、重復(fù)的總檢查測(cè)試、重復(fù)的控制分系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目等。

3）將現(xiàn)階段各次總檢查前均開(kāi)展信號(hào)聯(lián)試工作，合并保留一次，并覆蓋所有技術(shù)狀態(tài)測(cè)試需求。

4）合并控制分系部分重復(fù)測(cè)試項(xiàng)目。目前部分項(xiàng)目在慣組轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài)和上箭狀態(tài)均開(kāi)展測(cè)試，可通過(guò)合理設(shè)置，在滿足測(cè)試覆蓋性條件下進(jìn)行合并。

b）重排。

針對(duì)串行項(xiàng)目，在項(xiàng)目間邏輯關(guān)系不變的前提下，開(kāi)展并行和交叉并行項(xiàng)目重排，從而減少占用主線流程時(shí)間；將發(fā)射區(qū)項(xiàng)目盡量移至技術(shù)區(qū)完成，縮短火箭在發(fā)射區(qū)的占位時(shí)間。優(yōu)化的主要方向包括：

1）優(yōu)化火箭進(jìn)場(chǎng)卸車、箭體恢復(fù)、產(chǎn)品交接至垂直總裝工作流程?，F(xiàn)有流程按照各項(xiàng)工作串行安排，占主線流程較長(zhǎng)，采用交叉并行方式重新規(guī)劃，則可縮短進(jìn)場(chǎng)卸車的時(shí)間。

2）優(yōu)化分系統(tǒng)測(cè)試流程。目前電氣分系統(tǒng)測(cè)試與動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試串行安排，同樣可采用交叉并行方式開(kāi)展進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)項(xiàng)目重排，可以將技術(shù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)集中到同一時(shí)段，以減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)。

3）部分并行安排控制與動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目。目前控制與動(dòng)力分系統(tǒng)測(cè)試基本串行開(kāi)展，在滿足測(cè)試互不干涉的前提下，可通過(guò)合理安排部分并行開(kāi)展相關(guān)測(cè)試項(xiàng)目。

4）射后恢復(fù)與任務(wù)工作并行條件建設(shè)?；顒?dòng)發(fā)射平臺(tái)是新“三垂”模式中核心測(cè)試單元，其射后恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)，是制約年發(fā)射能力提升的關(guān)鍵。若增加一個(gè)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)，則在理想狀態(tài)下，對(duì)于相同型號(hào)運(yùn)載火箭，在前一枚火箭吊裝轉(zhuǎn)入垂直總裝測(cè)試廠房后，另一枚火箭即可進(jìn)場(chǎng)開(kāi)展相關(guān)工作，任務(wù)間隔大幅縮短。產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)至總裝流程優(yōu)化示意如圖3所示，增加1個(gè)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)流程優(yōu)化示意如圖4所示。

圖3 產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)至總裝流程優(yōu)化示意Fig.3 Process Optimization from Mobilization to Assembly

圖4 增加1個(gè)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)流程優(yōu)化示意Fig.4 Add a Mobile Launch Platform for Process Optimization

（5）開(kāi)展技術(shù)區(qū)貯箱氮?dú)庵脫Q條件建設(shè)，將發(fā)射區(qū)氮?dú)庵脫Q工作移至技術(shù)區(qū)完成，縮短發(fā)射區(qū)的占位時(shí)間。

c）簡(jiǎn)化。

隨著自動(dòng)化、智能化測(cè)試發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步，采用機(jī)內(nèi)測(cè)試（Built-in Test，BIT）技術(shù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)快速測(cè)試技術(shù)[7,8]，簡(jiǎn)化測(cè)試操作程序，研制專用智能機(jī)械裝置，減少人力資源浪費(fèi)。優(yōu)化的主要方向包括：

1）對(duì)某大型運(yùn)載火箭總檢查測(cè)試階段后尾翼安裝工作，開(kāi)展智能安裝機(jī)構(gòu)研制工作，使安裝時(shí)間減少，且不再占用主線流程。

2）優(yōu)化電氣分系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)一鍵測(cè)試程序，減少測(cè)試時(shí)間。

3）研制快速對(duì)接裝置，減少人工對(duì)接工作，縮短轉(zhuǎn)入發(fā)射區(qū)箭地氣液電接口連接工作時(shí)間；同時(shí)采用局部置換技術(shù)，完成管路接口處局部環(huán)境置換工作，避免重新連接后串聯(lián)大系統(tǒng)開(kāi)展復(fù)雜的置換工作。

4.3 迭 代

對(duì)優(yōu)化后流程再次識(shí)別關(guān)鍵路徑，開(kāi)展ECRS優(yōu)化，通過(guò)實(shí)際操作子樣積累，完成流程優(yōu)化不斷迭代。

通過(guò)重新識(shí)別，對(duì)新關(guān)鍵路徑的項(xiàng)目進(jìn)行著重分析后，通過(guò)開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)或條件建設(shè)，使得原有無(wú)法簡(jiǎn)化的項(xiàng)目可以簡(jiǎn)化，或具備并行操作或縮短測(cè)試時(shí)間的條件。如隨著火箭自進(jìn)場(chǎng)至發(fā)射流程不斷迭代優(yōu)化，測(cè)發(fā)周期大幅減少，發(fā)射場(chǎng)的特燃特氣保障等輔線工作逐漸變?yōu)楹臅r(shí)更長(zhǎng)的主線工作。此時(shí)制約年發(fā)射能力進(jìn)一步提升的關(guān)鍵是提升特燃特氣籌措能力，包括增加產(chǎn)能、增加貯運(yùn)設(shè)備設(shè)施等。

5 優(yōu)化計(jì)劃與效果評(píng)估

根據(jù)某大型運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射工藝流程現(xiàn)狀和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用關(guān)鍵路徑分析與ECRS方法梳理出“電氣系統(tǒng)分系統(tǒng)測(cè)試與動(dòng)力分系統(tǒng)部分項(xiàng)目并行開(kāi)展”、“優(yōu)化箭體尾翼安裝”等20項(xiàng)流程優(yōu)化項(xiàng)目，考慮技術(shù)攻關(guān)難度和建設(shè)投入規(guī)模，分階段落實(shí)優(yōu)化舉措：

a）近期工藝流程優(yōu)化計(jì)劃，指在近1～2年，通過(guò)產(chǎn)品技術(shù)成熟度和人員測(cè)試熟練度提高，通過(guò)重排流程，調(diào)整測(cè)試方案，不新增測(cè)試條件建設(shè)的優(yōu)化項(xiàng)目。主要包括“交叉并行安排火箭進(jìn)場(chǎng)、卸車、交接”、“發(fā)動(dòng)機(jī)部分安裝操作并行開(kāi)展”等5項(xiàng)；

b）中期工藝流程優(yōu)化計(jì)劃，指在未來(lái)3～5年，通過(guò)少量技術(shù)攻關(guān)，適當(dāng)?shù)臈l件建設(shè)，對(duì)較為明確，可行性較強(qiáng)的優(yōu)化項(xiàng)目。主要包括“優(yōu)化尾翼安裝”、“實(shí)現(xiàn)箭地接口快速對(duì)接”、“增加活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)”等5項(xiàng)；

c）遠(yuǎn)期工藝流程優(yōu)化計(jì)劃，指隨著任務(wù)密度進(jìn)一步提升，需開(kāi)展較大規(guī)模技術(shù)攻關(guān)和條件建設(shè)的項(xiàng)目。主要包括“增加箭體運(yùn)輸車”、“優(yōu)化吊裝流程”、“優(yōu)化射前流程”和“提升特燃特氣籌措能力”等10項(xiàng)。

分階段對(duì)落實(shí)優(yōu)化項(xiàng)后工藝流程開(kāi)展重排和周期計(jì)算，評(píng)估優(yōu)化效果如表2所示，遠(yuǎn)期優(yōu)化效果可將年發(fā)射能力提升至13.5發(fā)。

表2 近中遠(yuǎn)期優(yōu)化效果評(píng)估Tab.2 Evaluation of Short, Medium and Long Term Optimization Effect

6 結(jié) 論

迭代使用“關(guān)鍵路徑法+ECRS”方法，分步實(shí)施，初步制定了運(yùn)載火箭近、中、遠(yuǎn)期流程優(yōu)化計(jì)劃，可逐步將火箭測(cè)試發(fā)射周期優(yōu)化至27天以內(nèi)，達(dá)到年發(fā)射能力提升至13.5發(fā)的目標(biāo)?，F(xiàn)階段，低溫液體發(fā)動(dòng)機(jī)大噴管隨箭運(yùn)輸?shù)却胧┘夹g(shù)攻關(guān)難度較大，增加活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)和檢修廠房等措施建設(shè)投入較高，工藝流程大幅優(yōu)化難度大。而自動(dòng)化測(cè)試發(fā)射、遠(yuǎn)程異地?cái)?shù)據(jù)判讀等技術(shù)進(jìn)步將有利于流程進(jìn)一步優(yōu)化。大力推動(dòng)大型運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射工藝流程的優(yōu)化是發(fā)射場(chǎng)能力提升的重中之重，需要持續(xù)不斷迭代完善，是更好地完成后續(xù)高密度航天發(fā)射任務(wù)的關(guān)鍵舉措。