載人航天器產品質量改進的探索與實踐

聶小亮 王國軍 禹頌耕 王靜

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094) (2 中國空間技術研究院,北京 100094)

載人航天器是中國航天領域迄今規模最龐大、系統最復雜、關鍵技術最多、可靠性和安全性要求最高、極具風險性的一項國家重點系統工程項目[1]。自1992年載人航天工程立項啟動以來,通過30年的不懈努力,先后突破并掌握了載人天地往返運輸、航天員出艙、在軌交會對接等關鍵技術,并圓滿完成空間站建造任務,實現了載人航天“三步走”完美收官[2]。載人航天工程以保證航天員的生命安全為第一要素[3],要求載人航天器在充分繼承已有成功飛行經歷的產品和技術基礎上,結合每次飛行任務特點,深入開展產品和技術任務適應性分析,確保滿足任務要求。如神舟五號針對首次載人環境、神舟七號針對首次出艙、神舟八號針對首次太空交會對接、神舟十二號針對長期在軌停靠[4-7]開展了大量的設計迭代、設計仿真及試驗驗證。同時,結合在軌飛行結果持續改進和提升,如針對神舟五號8 Hz基頻問題,后續飛船進行了設計改進,并將整艙結構基頻作為關鍵指標進行控制。

“再分析、再設計、再驗證”工作,其核心是吃透技術、抓住關鍵點、改進設計,從產品設計可靠性、環境適應性和生產制造等方面不斷提高產品的固有可靠性[8-9]。

本文結合載人航天器自身特點,充分運用“再分析、再設計、再驗證”的質量復查確認的思維,深入開展產品特性再識別、依據標準現行有效性再復核、在軌使用狀態再分析、設計裕度再復核、產品鑒定試驗有效性再確認、關鍵時序再復核以及質量問題和舉一反三再復核,識別產品研制過程存在的薄弱環節和風險隱患,并進行針對性的再設計和再驗證,持續提升產品質量。同時在產品交付、航天器出廠及發射場階段進行產品實物質量再確認,從而實現載人航天型號產品小子樣情況下的高可靠和高安全,實現載人航天器發射和在軌任務連續圓滿成功。

1 進行“再分析”

再分析是再設計與再驗證的關鍵,核心思想是通過正向設計分析來識別產品所有關鍵特性和環節以及反向梳理分析產品存在的風險和隱患,為后續的再設計和再驗證奠定基礎。結合載人航天器特點,從以下七個方面開展“再分析”工作。

1.1 產品特性再識別

從設計參數的合理性、協調性,工藝控制參數的穩定性、可測試性,過程控制參數的確定性、可追溯性等進行分析,對產品關鍵特性的全面性進行再識別再確認。

設計關鍵特性方面,按照飛行任務剖面,組織系統、分系統、單機自上而下開展功能指標分解合理性和覆蓋性,自下而上開展要求滿足性復核,從設計角度進一步細化和完善設計關鍵特性項目及控制措施。

工藝關鍵特性方面,對產品生產工藝方案和工藝規程的可操作性,對易錯和不可測環節識別的全面性,控制措施的有效性,實施結果的可檢測性和量化標準進行分析,確定工藝是否穩定、可靠。

過程控制關鍵特性方面,對產品實現過程進行再分析,對生產過程關鍵參數和檢驗點設置的合理性、全面性,風險操作和多余物控制措施的有效性進行分析。

如,對于電子產品,從電路設計的規范性、冗余設計的有效性、匹配參數的合理性、測試狀態的真實性進行分析,并重點分析電裝工藝的規范性、供電安全間距控制的符合性、地面測試設備狀態的合理性;復查產品裝配過程是否存在導線異常受力,受擠壓的風險,是否存在帶電導體與其他金屬搭接的風險;復查電路設計是否存在元器件過電應力風險;復查地面測試設備是否存在短路、過壓、產生反電動勢、引入靜電等風險。

1.2 標準現行有效性再復核

針對載人航天器技術和產品繼承性強的特點,產品研制過程中所依據和執行的標準規范可能存在更新情況,因此組織各承研單位對產品設計、研制、生產執行的各項標準的全面性和有效性進行確認,對新標準和要求的落實情況進行復查。對于標準規范更新內容,需逐項進行分析影響。

如,《鋁及鋁合金熔焊通用技術條件》(QJ2698-95)已更新為《鋁及鋁合金熔焊通用技術要求》(QJ2698A-2011),增加了5.5.3.1“缺陷未經排除和清理不允許進行補焊”,同時明確了5.5.3.2.2“允許補焊的界定方法”等要求,因此需要組織各承研單位針對焊接工藝以及已制品進行復查,確認是否滿足新標準的規定。

1.3 在軌使用狀態再分析

根據載人航天器在軌飛行任務剖面,分析產品實際在軌的使用條件和工作環境,并對地面驗證(包括產品設計狀態、產品安裝狀態、試驗條件、工質狀態等)與在軌使用工況的一致性進行分析,識別存在的差異。

如,通過對針對空間站任務階段載人飛船在軌飛行任務剖面分析,識別到在在軌飛行階段,載人飛船會出現攝像機受太陽直射情況。為確保攝像機更換圖像傳感器后在受太陽直射的狀態下傳感器性能滿足任務要求,需要補充開展太陽直射的驗證試驗。因此,利用攝像機鑒定件產品開展了太陽直射試驗,經長時間太陽直射,傳感器可正常工作。

1.4 設計裕度再復核

產品設計裕度越大,可靠性越高,付出的資源和成本也相應增大[10]。為了實現產品滿足飛行任務需求與投入的資源、成本之間的平衡,空間站任務階段,載人航天器基于產品在軌使用狀態(包括各種極限、邊界工況),對產品的設計裕度進行了再復核,包括強度裕度、驅動裕度、壽命裕度等同時對模型仿真、拉偏試驗、壽命試驗等設計裕度驗證情況進行了再確認。

如,針對空間站建造階段,載人飛船在軌對接目標相對以往飛行任務存在較大變化特點,組織對飛行器間對接機構捕獲、緩沖和分離功能適應性進行了設計裕度和驗證結果進行了再復核。經復核確認,可滿足空間站建造階段各次飛行任務需求。

1.5 產品鑒定試驗有效性再確認

對產品鑒定試驗狀態與當前正樣產品一致性,鑒定試驗項目和條件正確性,鑒定試驗實際試驗工況正確性,鑒定試驗時產品功能性能測試項目全面性和結果正確性,鑒定試驗后的開蓋檢查情況進行復查,分析試驗過程中是否存在異常問題、是否有難以解釋的現象,同時重點關注是否有片面利用鑒定級環境試驗代替材料、工藝、組件鑒定,從而影響鑒定有效性的情況。

如,空間站通過開展鑒定狀態與正樣產品一致性復核,發現存在部分產品鑒定件與正樣件元器件在外形尺寸、封裝形式、管腳定義存在差異,為此下發了補充鑒定工作通知,并組織相關單位補充開展了6臺產品補充鑒定試驗,從而保證了鑒定狀態完全覆蓋正樣產品狀態。

1.6 關鍵時序再復核

按照飛行任務剖面,對關鍵工作模式的動作時序進行復核,檢查工作(包括正常和故障模式)時序的正確性和極限時間偏差下的協調性以及試驗測試的覆蓋性。

如,針對載人飛船快速返回任務需求,開展了返回過程中的主要工作時序復核,包括彈傘艙蓋(開引導傘、減速傘)、脫減速傘(開主傘)、拋防熱大底、轉垂掛、著陸反推發動機工作、著陸等過程[11],開展了正常返回、救生工作程序以及故障模式等12種回收工作程序下的時序和測試性,并對主備降落傘系統轉換協調性、火工品點火時序進行了復核,有效保證了后續空間站建造階段多次飛船快速返回安全。

1.7 問題歸零和“舉一反三”再復核

對載人航天器器研制過程中出現的質量問題、本飛行器出現的質量問題、載人航天領域其他飛行器發生的質量問題及其他航天器重大質量問題“舉一反三”的情況進行確認分析。分析產品質量問題反映出在設計、生產、測試方面存在的薄弱環節,對已完成歸零的質量問題,重新審視問題定位的準確性、措施的有效性,并重點分析是否存在由于條件限制未能采取徹底歸零措施的問題以及偶發性問題,從而梳理和識別出需進一步開展的工作。

2 進行“再設計”

針對“再分析”辨識出的新的關鍵特性以及發現的薄弱環節開展產品“再設計”工作,并從產品方案設計、工藝方案和過程控制措施等方面明確改進方案。

在產品方案“再設計”方面,深入開展產品可靠性、環境適應性以及可測試性的改進設計;在工藝方案“再設計”方面,開展工藝流程和工藝方法優化,并將新識別出的關鍵特性控制措施納入相關工藝文件以及質量記錄表格中。

如,通過對空間站建造任務剖面再分析,識別出空間站組裝建造任務關鍵環節實驗艙轉位任務的關鍵產品轉位機構,在極限情況下若存在多余物,將使得轉位機構卡滯,并影響后續轉位任務的順利實施。因此將轉位機構轉臂關節卡滯確定為單點故障。為此,總體圍繞該單點故障控制措施開展了再設計,包括:①制定了后續整流罩清潔要求,防止后續外部多余物的引入;②制定轉位機構卡滯后,反轉再正轉的在軌預案;③修改在軌飛行程序,在實驗艙入軌后提前開展轉位機構轉動能能在軌測試,確認產品狀態。

3 進行“再驗證”

針對“再設計”過程中識別和確定的改進方案,對技術狀態發生變化或新使用條件的產品,以及發生變化的生產工藝、細化完善的控制措施開展“再驗證”工作。

“再驗證”試驗條件覆蓋產品的各種工作工況、使用條件,以保證設計改進單機的可靠應用;試驗項目包括環境適應性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗。如果驗證結果滿足要求,則重新固化飛行產品生產基線,并按照該基線進行相應飛行產品研制;如果驗證結果不滿足要求,則針對該環節再次開展“再分析、再設計和再驗證”工作,進一步提升產品質量與可靠性。試驗驗證形式可采取物理驗證、半物理驗證、仿真驗證等方式,從而摸清產品設計余量和裕度。

如,針對轉位機構轉臂關節卡滯單點故障,通過開展“再設計”確定的控制措施,開展了以下的再驗證實驗,從而確保控制措施有效:①利用地面鑒定件開展了轉位機構卡滯后反轉再正轉的地面驗證試驗,確定了在軌預案的正確性;②利用地面電性艙,開展了修改后的飛行程序測試驗證,確認飛行程序的正確性。

4 進行“再確認”

對“再驗證”后的設計改進在飛行產品上的落實情況進行“再確認”以及系統集成后出廠和發射前實物狀態進行再確認,從而進一步確保產品出廠和發射狀態滿足任務要求。

1)設計改進落實情況再確認

重點是在單機產品交付前,對產品設計改進過程的影像資料、生產過程記錄進行檢查,對測試和試驗結果進行確認,確保各項改進工作落實到位。

2)系統出廠和發射前實物狀態再確認

組織供配電、工藝、熱控、機構類專家對載人航天器出廠和發射前實物狀態進行檢查確認。

(1)供配電產品檢查:重點對主功率電纜網實施狀態記錄,包括電纜插接、二次絕緣防護、分類走線進行確認,對太陽翼和驅動機構測試報告及實施狀態記錄審查。

(2)總裝狀態檢查:重點檢查總裝過程照相記錄、總裝工藝實施情況、各階段狀態檢查記錄、總裝強制檢驗點實施情況、不可測試項目控制、極性測試情況,并對火工品實施過程記錄進行檢查確認。

(3)機構及火工產品檢查:重點對中繼天線、對接機構、太陽翼驅動機構、火工品安裝及測試情況進行審查。

(4)熱控產品狀態檢查:重點對熱敏電阻、加熱片、熱控多層包覆實施結果,內、外回路加注情況進行審查。

如,針對轉位機構轉臂關節卡滯單點故障中多余物控制措施,在扣火箭整流罩前,組織結構與機構、熱控及工藝專家對轉位機構周圍電纜、熱控多層以及轉位機構運動包絡進行了確認;同時對火箭整流罩清潔結果進行了確認,確保不會引入多余物。

5 結束語

載人航天器在研制過程中,結合每次飛行任務特點,充分利用“再分析、再設計、再驗證、再確認”的方法和思路,對產品研制全過程進行再審視和再梳理,持續識別產品存在的薄弱環節和風險隱患,不斷完善產品設計,持續提升產品固有可靠性,實現航天產品小子樣情況下的成熟度提升,從而有效降低和規避各類風險,保證了從神舟五號載人飛船至神舟十四號載人飛船連續九次載人飛行任務的連續成功,保證了航天員安全返回,同時實現了中國空間站建造組裝建造任務圓滿完成。