付春嶺 張熇 吳學(xué)英

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

嫦娥四號(hào)探測器系統(tǒng)包括探測器(含著陸器和巡視器)和中繼衛(wèi)星，實(shí)施了2次發(fā)射，實(shí)現(xiàn)國際首次月球背面軟著陸和巡視勘察，以及首次地月L2點(diǎn)中繼衛(wèi)星對(duì)地對(duì)月的測控、數(shù)傳中繼[1]。嫦娥四號(hào)探測器在充分繼承嫦娥三號(hào)探測器產(chǎn)品和技術(shù)的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)任務(wù)要求開展全新的方案設(shè)計(jì)，解決地月L2平動(dòng)點(diǎn)中繼衛(wèi)星軌道精確設(shè)計(jì)與控制、地月L2點(diǎn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)中繼、復(fù)雜地形環(huán)境條件下的安全著陸、同位素溫差發(fā)電和熱電綜合利用四大難題。因此，研制過程存在探測任務(wù)難、產(chǎn)品狀態(tài)多、搭載管理模式新等特點(diǎn)。如何針對(duì)這些特點(diǎn)采取有效控制措施，確保任務(wù)圓滿成功，是嫦娥四號(hào)研制面臨的主要問題。

產(chǎn)品保證工作是航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、發(fā)射、交付使用等全過程進(jìn)行的一系列有組織、有計(jì)劃的技術(shù)和管理活動(dòng)，重點(diǎn)對(duì)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分地識(shí)別和控制，保證產(chǎn)品滿足要求，保證航天器飛行任務(wù)圓滿成功[2]。相比于傳統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性工作，產(chǎn)品保證工作的體系結(jié)構(gòu)和內(nèi)容要素則更加完備。它包括產(chǎn)品保證管理、質(zhì)量保證、可信性保證(可靠性、可用性和維修性等的統(tǒng)稱)、安全性保證、電子電氣與機(jī)電元器件保證、材料機(jī)械零件與工藝保證、軟件保證等。在方法上，強(qiáng)調(diào)以技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制為核心，通過一套嚴(yán)密的程序和方法，保證產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的任務(wù)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)安全、可用、可靠[3]。

嫦娥四號(hào)探測器的產(chǎn)品保證工作，繼承了嫦娥三號(hào)探測器在關(guān)鍵環(huán)節(jié)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制、精細(xì)化質(zhì)量管控、最終狀態(tài)管控等方面的產(chǎn)品保證工作經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)自身的任務(wù)特點(diǎn)，按首飛標(biāo)準(zhǔn)，全面、規(guī)范、有效地實(shí)施了產(chǎn)品保證工作[4-6]。本文分析了嫦娥四號(hào)探測器研制任務(wù)特點(diǎn)，總結(jié)研制過程針對(duì)任務(wù)特點(diǎn)采取的產(chǎn)品保證控制措施，可為后續(xù)航天器研制過程的產(chǎn)品保證工作提供參考。

1 研制任務(wù)特點(diǎn)分析

嫦娥四號(hào)探測器研制主要具有以下特點(diǎn)。

(1)探測任務(wù)難。嫦娥四號(hào)著陸區(qū)為月球背面南極艾特肯盆地，與整體比較平坦的嫦娥三號(hào)著陸的月球正面虹灣地區(qū)相比，撞擊坑分布更為密集，地勢較為崎嶇，安全著陸、月面工作風(fēng)險(xiǎn)較大；著陸器和巡視器工作在月球背面，無法對(duì)地直接通信，必須采用中繼衛(wèi)星中繼的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力下降過程及月面工作全過程的對(duì)地上下行通信，中繼軌道的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、中繼通信接口設(shè)計(jì)等都是面臨的難題。

(2)產(chǎn)品狀態(tài)多。根據(jù)工程需要，嫦娥四號(hào)探測器大部分平臺(tái)產(chǎn)品和部分載荷產(chǎn)品已于2012年按照嫦娥三號(hào)探測器狀態(tài)完成投產(chǎn)，作為為繼承產(chǎn)品，其發(fā)射時(shí)面臨長達(dá)6年的地面貯存期；為了適應(yīng)新的任務(wù)要求，需要研制同位素溫差電池、月夜溫度采集器和部分科學(xué)載荷，或是對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，為新增或新改產(chǎn)品；還有按原狀態(tài)重新投產(chǎn)的產(chǎn)品。因此，探測器正樣產(chǎn)品包括繼承、新增、新改、新投4類，其中新增和新改產(chǎn)品還投產(chǎn)了電性件和鑒定件，產(chǎn)品狀態(tài)多樣。

(3)搭載管理模式新。在完成高難度、高風(fēng)險(xiǎn)的航天重大專項(xiàng)任務(wù)的同時(shí)，嫦娥四號(hào)探測器還承擔(dān)了國際合作平臺(tái)和公益科普的職責(zé)，其上搭載了國際載荷和全國范圍征集的科普載荷，屬探月工程首次。搭載載荷研制單位的管理模式與航天體制內(nèi)單位差異較大，質(zhì)量管控難度大，搭載載荷一旦發(fā)生故障，可能會(huì)影響到主任務(wù)的安全。

2 產(chǎn)品保證工作主要措施

嫦娥四號(hào)探測器以“關(guān)注關(guān)鍵，嚴(yán)控變化，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)正確性；深究細(xì)節(jié)，嚴(yán)控過程，提升產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性”為理念，將產(chǎn)品保證工作的各個(gè)要素在研制過程中有效貫徹和落實(shí)。針對(duì)探測任務(wù)難，狠抓風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制；針對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)多，實(shí)施差異化質(zhì)量管控重點(diǎn)；針對(duì)搭載管理模式新，嚴(yán)控搭載接口安全性管控。

2.1 狠抓風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制

從嫦娥四號(hào)探測器任務(wù)特點(diǎn)、嫦娥三號(hào)探測器在軌飛行試驗(yàn)結(jié)果、“十新”(新技術(shù)、新材料、新工藝、新狀態(tài)、新環(huán)境、新單位、新崗位、新人員、新設(shè)備、新流程)分析、技術(shù)狀態(tài)更改等方面開展了覆蓋全系統(tǒng)、全過程、全要素的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析工作，向下覆蓋到探測器各組件和單機(jī)設(shè)備，形成技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目清單，制定控制措施。通過仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、完善預(yù)案等方式，以及各方面的檢查、確認(rèn)，結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)把關(guān)、獨(dú)立評(píng)估、技術(shù)回頭看、質(zhì)量復(fù)查等活動(dòng)，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目再分析，對(duì)控制措施的落實(shí)情況進(jìn)行再確認(rèn)。利用信息化手段動(dòng)態(tài)管控，定期檢查風(fēng)險(xiǎn)控制措施落實(shí)情況，持續(xù)監(jiān)督，確?？刂拼胧┞鋵?shí)到位，驗(yàn)證充分。在出廠前組織進(jìn)行技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析與控制專項(xiàng)評(píng)審會(huì)，確保風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別全面、控制措施有效，殘余風(fēng)險(xiǎn)可接受。針對(duì)著陸區(qū)變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)、對(duì)地通信需要中繼轉(zhuǎn)發(fā)等10余項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施并落實(shí)，主要內(nèi)容如下。

1)著陸區(qū)變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

(1)針對(duì)動(dòng)力下降航跡高程差變大的風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化動(dòng)力下降策略，通過對(duì)標(biāo)稱工況、故障工況及動(dòng)力下降參數(shù)拉偏工況進(jìn)行仿真表明，迭代優(yōu)化后的動(dòng)力下降策略可以滿足功能性能指標(biāo)及可靠性安全性要求，單重部件故障不會(huì)影響動(dòng)力下降功能性能，系統(tǒng)具有一定的魯棒性，能夠保證著陸器安全著陸。

(2)針對(duì)南極艾特肯盆地內(nèi)地形條件惡劣的風(fēng)險(xiǎn)，通過在軌標(biāo)定減小7500 N發(fā)動(dòng)機(jī)比沖和推力誤差，環(huán)月增加2次軌道修正等措施，提高著陸精度，縮小著陸區(qū)范圍；精準(zhǔn)選擇面積較小的相對(duì)較平坦的區(qū)域作為主/備著陸區(qū)，降低著陸安全風(fēng)險(xiǎn)。

(3)針對(duì)月球背面物質(zhì)成分影響科學(xué)載荷正常工作的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)微波測距測速敏感器和激光測距敏感器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。更改后，微波測距測速敏感器進(jìn)行暗室零值標(biāo)定試驗(yàn)、吊車試驗(yàn)、掛飛試驗(yàn)；激光測距敏感器進(jìn)行外場精度、靈敏度、威力范圍標(biāo)定試驗(yàn)。另外，對(duì)激光三維成像敏感器進(jìn)行外場精度、威力范圍標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

(4)針對(duì)中繼鏈路遮擋和光照遮擋的風(fēng)險(xiǎn)，制定在軌著陸器使用降落相機(jī)、巡視器使用導(dǎo)航相機(jī)識(shí)別遮擋的方案，并針對(duì)不同階段發(fā)生的遮擋制定應(yīng)對(duì)策略；特別針對(duì)中繼鏈路遮擋對(duì)休眠的影響，增加延時(shí)休眠和自主休眠的功能。在整器上進(jìn)行測試，測試結(jié)果滿足要求。

(5)針對(duì)月球背面特殊地形可能對(duì)巡視器桅桿等多功能復(fù)雜結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)帶來耦合性風(fēng)險(xiǎn)，充分識(shí)別巡視器集成像、導(dǎo)航與指向通信任務(wù)于一體的多功能桅桿構(gòu)型設(shè)計(jì)和線束路徑規(guī)劃技術(shù)特點(diǎn)，從構(gòu)型設(shè)計(jì)、電纜布局和空間潤滑長壽命等方面開展風(fēng)險(xiǎn)控制，有效解決了在月球背面定向天線半球覆蓋率和多維、大范圍精密指向等難題，降低了多機(jī)構(gòu)多功能耦合性因素風(fēng)險(xiǎn)。

2)中繼轉(zhuǎn)發(fā)帶來的風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施

(1)加強(qiáng)兩器一星接口設(shè)計(jì)確認(rèn)，確保設(shè)計(jì)正確性和一定的冗余性，提高鏈路可靠性。中繼衛(wèi)星前向兩路具備4個(gè)頻點(diǎn)支持能力，返向具備三路2個(gè)頻點(diǎn)支持能力。著陸器前向鏈路通過多臺(tái)接收機(jī)熱備份提高前向接收可靠性。返向鏈路包括定向天線與全向天線，其中：定向天線返向鏈路可作為全向天線返向鏈路備份，數(shù)傳調(diào)制器雙機(jī)異頻備份。巡視器前向鏈路通過2臺(tái)接收機(jī)熱備份提高前向接收可靠性；返向建立2條鏈路實(shí)現(xiàn)備份，一條是直接對(duì)中繼衛(wèi)星的X頻段遙測數(shù)傳通道，另一條是與著陸器之間的超高頻(UHF)頻段通信鏈路，可以通過著陸器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(2)開展兩器一星接口驗(yàn)證，確保中繼鏈路驗(yàn)證充分。其中包括：著陸器和巡視器鑒定件與中繼衛(wèi)星電性星地面聯(lián)試，兩器正樣與在軌中繼衛(wèi)星的星地聯(lián)試，中繼鏈路在軌指向標(biāo)定和鏈路性能測試，針對(duì)中繼鏈路故障預(yù)案的試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 實(shí)施差異化質(zhì)量管控重點(diǎn)

1)加強(qiáng)繼承產(chǎn)品長期貯存管理

(1)針對(duì)繼承產(chǎn)品，重點(diǎn)關(guān)注貯存后產(chǎn)品的可靠性。其中包括：開展產(chǎn)品長期貯存可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)研究；開展電子類、機(jī)電類單機(jī)長期貯存產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)要素分析，形成要素檢查單，編制貯存產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)工作指南；開展電子單機(jī)設(shè)備長期貯存可靠性分析，形成貯存設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)方法，完成貯存產(chǎn)品可靠性預(yù)計(jì)。

(2)明確長期貯存要求，對(duì)產(chǎn)品貯存的環(huán)境條件、貯存產(chǎn)品的包裝與放置要求、貯存整個(gè)過程的試驗(yàn)等進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定。明確交付前補(bǔ)充試驗(yàn)要求，針對(duì)探測器先期投產(chǎn)的產(chǎn)品按要求完成相關(guān)試驗(yàn)項(xiàng)目，將產(chǎn)品分為“未作任何修復(fù)、改裝”、“需要更換狀態(tài)相同的部分電路板/部件”和“需更換狀態(tài)不同的部分電路板/部件”3類，分別制定不同試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)量級(jí)的再試驗(yàn)要求。貯存期間，項(xiàng)目辦公室定期組織開展貯存產(chǎn)品質(zhì)量檢查，確認(rèn)產(chǎn)品貯存過程符合要求。各單機(jī)單位通過定期加電測試和力、熱等環(huán)境試驗(yàn)，檢查產(chǎn)品是否存在可能的失效故障，提前暴露產(chǎn)品經(jīng)長期貯存導(dǎo)致的潛在缺陷，確保產(chǎn)品貯存安全可靠。

2)加強(qiáng)新研新改產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證

針對(duì)新研新改產(chǎn)品，重點(diǎn)關(guān)注設(shè)計(jì)正確、鑒定充分，通過設(shè)計(jì)評(píng)審、試驗(yàn)驗(yàn)證、復(fù)核復(fù)審等方法，加強(qiáng)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)各級(jí)的設(shè)計(jì)質(zhì)量控制。

(1)新研新改產(chǎn)品投產(chǎn)了鑒定件，加強(qiáng)鑒定充分性審查，成立檢查組開展鑒定件質(zhì)量審查工作。工作一次落實(shí)到位，從鑒定產(chǎn)品的性能、鑒定產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)有效性、特征阻值數(shù)據(jù)、技術(shù)狀態(tài)及質(zhì)量問題更改措施落實(shí)情況、元器件/工藝/原材料控制、供電安全性設(shè)計(jì)與實(shí)物檢查、遙測遙控接口、軟件和FPGA、可靠性和安全性、數(shù)據(jù)包完整性規(guī)范性、熱平衡試驗(yàn)結(jié)果及分析、產(chǎn)品關(guān)鍵特性及設(shè)計(jì)裕度結(jié)果、產(chǎn)品實(shí)物開蓋檢查等13個(gè)方面進(jìn)行審查，確保鑒定件設(shè)計(jì)、過程控制及試驗(yàn)驗(yàn)證的充分性、有效性和覆蓋性。

(2)通過單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)層面加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證，組織開展月夜溫度采集傳感器與轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)聯(lián)合試驗(yàn)、移動(dòng)裝置電纜擺動(dòng)試驗(yàn)等單機(jī)專項(xiàng)試驗(yàn)，以及控制分系統(tǒng)和數(shù)管分系統(tǒng)間聯(lián)試，著陸器月夜階段熱平衡試驗(yàn)、中繼接口聯(lián)試等系統(tǒng)級(jí)專項(xiàng)試驗(yàn)和大系統(tǒng)測控對(duì)接試驗(yàn)，全面驗(yàn)證新研新改產(chǎn)品的設(shè)計(jì)正確性。

3)開展新投產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)比對(duì)

組織新投單機(jī)產(chǎn)品研制單位確認(rèn)生產(chǎn)基線狀態(tài)的變化，從外協(xié)單位、研制人員、材料(含輔材)、元器件、工藝(含輔助工藝)、試驗(yàn)方法及設(shè)備6個(gè)方面與嫦娥三號(hào)探測器研制過程進(jìn)行比對(duì)和分析，對(duì)有差異的項(xiàng)目(如元器件、工藝)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。加強(qiáng)生產(chǎn)過程質(zhì)量精細(xì)化控制，在高溫隔熱屏、電纜網(wǎng)、巡視器移動(dòng)裝置等產(chǎn)品投產(chǎn)和關(guān)鍵工序開展前，從人員、設(shè)備、物料、生產(chǎn)依據(jù)文件、環(huán)境、檢驗(yàn)檢測6個(gè)方面確認(rèn)產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)基線，組織生產(chǎn)準(zhǔn)備評(píng)審，確保產(chǎn)品投產(chǎn)狀態(tài)正確、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制措施有效[7]。

此外，在探測器總裝、測試和試驗(yàn)過程中，嚴(yán)格量化控制，制定過程量化控制文件。重點(diǎn)針對(duì)安裝、連接、擰緊、綁扎、固定、走向、防護(hù)、開關(guān)、測試等環(huán)節(jié)進(jìn)行量化控制；對(duì)重要試驗(yàn)和測試前狀態(tài)，以及不可逆總裝操作前的狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)；對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行安裝前狀態(tài)確認(rèn)、安裝過程控制、安裝后狀態(tài)確認(rèn)、安裝關(guān)鍵特性確認(rèn)等；對(duì)過程強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)。對(duì)各階段測試數(shù)據(jù)開展“三比”，即縱向比對(duì)(比較同一數(shù)據(jù)在不同測試階段的測試結(jié)果)、橫向比對(duì)(對(duì)比該數(shù)據(jù)對(duì)同類型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的影響性變化情況)和聯(lián)合比對(duì)(對(duì)比該數(shù)據(jù)對(duì)不同類型關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的影響性變化情況)。通過嚴(yán)密的數(shù)據(jù)比對(duì)，關(guān)注測試數(shù)據(jù)的細(xì)微變化趨勢，確保數(shù)據(jù)判讀無遺漏。在整器出廠前、發(fā)射前，組織開展最終狀態(tài)確認(rèn)工作，整器出廠前還進(jìn)行性能指標(biāo)符合性確認(rèn)，確保整器出廠狀態(tài)受控。在發(fā)射場各階段總裝、測試、試驗(yàn)中，嚴(yán)格交接狀態(tài)管理，保證狀態(tài)受控。發(fā)射前的最終狀態(tài)，結(jié)合總裝技術(shù)流程在實(shí)施過程中逐步確認(rèn)，對(duì)所有需要確認(rèn)的項(xiàng)目，采用“總體、相關(guān)分系統(tǒng)、總裝多方聯(lián)合”的方式進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)。

2.3 嚴(yán)格搭載載荷接口安全性控制

針對(duì)搭載的國際載荷、科普載荷研制模式不同、管理體系差異大、協(xié)調(diào)工作繁重、不確定因素多等問題，簽訂搭載協(xié)議，明確搭載載荷交付前應(yīng)完成的試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)條件、交付接口狀態(tài)、交付時(shí)間節(jié)點(diǎn)等內(nèi)容。以“確保搭載載荷在任何情況下不會(huì)影響探測器系統(tǒng)本體安全”為指導(dǎo)思想，將確保兩器一星可靠性和安全性作為搭載放行的首要管控準(zhǔn)則，重點(diǎn)對(duì)搭載載荷的接口安全性進(jìn)行嚴(yán)格控制。編制接口安全性控制要求，提出設(shè)計(jì)控制、過程控制和驗(yàn)收控制3個(gè)方面的具體要求，從機(jī)械強(qiáng)度裕度、熱接口、供電接口安全等方面給出細(xì)化指標(biāo)。通過強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)檢查、審查電路圖與實(shí)物的方式，對(duì)其接口安全性進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。通過正樣產(chǎn)品的驗(yàn)收，確認(rèn)其產(chǎn)品滿足要求。此外，針對(duì)科普載荷的壓力容器安全、接插件防水性能、供配電安全等開展多次專項(xiàng)審查，進(jìn)行多次再復(fù)核、再確認(rèn)。通過嚴(yán)格的接口安全性管控，確保搭載載荷接口匹配滿足要求，不會(huì)發(fā)生危及主任務(wù)安全的情況，圓滿完成搭載任務(wù)。

3 結(jié)束語

嫦娥四號(hào)探測器研制產(chǎn)品保證工作，在借鑒以往經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分分析任務(wù)特點(diǎn)，在狠抓風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制、實(shí)施差異化質(zhì)量管控重點(diǎn)、嚴(yán)格搭載載荷接口安全性控制等方面，制定和實(shí)施針對(duì)性的產(chǎn)品保證措施，通過適時(shí)組織專項(xiàng)產(chǎn)品保證活動(dòng)，將產(chǎn)品保證工作做深、做細(xì)、做實(shí)、做透，有效確保了探測器產(chǎn)品質(zhì)量。嫦娥四號(hào)探測器于2019年1月3日完成月球背面軟著陸和兩器分離，1月11日完成了兩器互拍，至今7個(gè)多月來整器在月球背面超壽命運(yùn)行，溫度條件良好，工作性能穩(wěn)定，探測成果豐碩，標(biāo)志著嫦娥四號(hào)探測器任務(wù)取得了圓滿成功。