聶小亮 王國軍 禹頌耕 王靜

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094) (2 中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

載人航天器是中國航天領(lǐng)域迄今規(guī)模最龐大、系統(tǒng)最復(fù)雜、關(guān)鍵技術(shù)最多、可靠性和安全性要求最高、極具風(fēng)險(xiǎn)性的一項(xiàng)國家重點(diǎn)系統(tǒng)工程項(xiàng)目[1]。自1992年載人航天工程立項(xiàng)啟動(dòng)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(yùn)輸、航天員出艙、在軌交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù),并圓滿完成空間站建造任務(wù),實(shí)現(xiàn)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(jīng)歷的產(chǎn)品和技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合每次飛行任務(wù)特點(diǎn),深入開展產(chǎn)品和技術(shù)任務(wù)適應(yīng)性分析,確保滿足任務(wù)要求。如神舟五號(hào)針對(duì)首次載人環(huán)境、神舟七號(hào)針對(duì)首次出艙、神舟八號(hào)針對(duì)首次太空交會(huì)對(duì)接、神舟十二號(hào)針對(duì)長期在軌停靠[4-7]開展了大量的設(shè)計(jì)迭代、設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí),結(jié)合在軌飛行結(jié)果持續(xù)改進(jìn)和提升,如針對(duì)神舟五號(hào)8 Hz基頻問題,后續(xù)飛船進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn),并將整艙結(jié)構(gòu)基頻作為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制。

“再分析、再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證”工作,其核心是吃透技術(shù)、抓住關(guān)鍵點(diǎn)、改進(jìn)設(shè)計(jì),從產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性、環(huán)境適應(yīng)性和生產(chǎn)制造等方面不斷提高產(chǎn)品的固有可靠性[8-9]。

本文結(jié)合載人航天器自身特點(diǎn),充分運(yùn)用“再分析、再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證”的質(zhì)量復(fù)查確認(rèn)的思維,深入開展產(chǎn)品特性再識(shí)別、依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行有效性再復(fù)核、在軌使用狀態(tài)再分析、設(shè)計(jì)裕度再復(fù)核、產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)有效性再確認(rèn)、關(guān)鍵時(shí)序再復(fù)核以及質(zhì)量問題和舉一反三再復(fù)核,識(shí)別產(chǎn)品研制過程存在的薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)隱患,并進(jìn)行針對(duì)性的再設(shè)計(jì)和再驗(yàn)證,持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)在產(chǎn)品交付、航天器出廠及發(fā)射場階段進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量再確認(rèn),從而實(shí)現(xiàn)載人航天型號(hào)產(chǎn)品小子樣情況下的高可靠和高安全,實(shí)現(xiàn)載人航天器發(fā)射和在軌任務(wù)連續(xù)圓滿成功。

1 進(jìn)行“再分析”

再分析是再設(shè)計(jì)與再驗(yàn)證的關(guān)鍵,核心思想是通過正向設(shè)計(jì)分析來識(shí)別產(chǎn)品所有關(guān)鍵特性和環(huán)節(jié)以及反向梳理分析產(chǎn)品存在的風(fēng)險(xiǎn)和隱患,為后續(xù)的再設(shè)計(jì)和再驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。結(jié)合載人航天器特點(diǎn),從以下七個(gè)方面開展“再分析”工作。

1.1 產(chǎn)品特性再識(shí)別

從設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性、協(xié)調(diào)性,工藝控制參數(shù)的穩(wěn)定性、可測試性,過程控制參數(shù)的確定性、可追溯性等進(jìn)行分析,對(duì)產(chǎn)品關(guān)鍵特性的全面性進(jìn)行再識(shí)別再確認(rèn)。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性方面,按照飛行任務(wù)剖面,組織系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)自上而下開展功能指標(biāo)分解合理性和覆蓋性,自下而上開展要求滿足性復(fù)核,從設(shè)計(jì)角度進(jìn)一步細(xì)化和完善設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性項(xiàng)目及控制措施。

工藝關(guān)鍵特性方面,對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)工藝方案和工藝規(guī)程的可操作性,對(duì)易錯(cuò)和不可測環(huán)節(jié)識(shí)別的全面性,控制措施的有效性,實(shí)施結(jié)果的可檢測性和量化標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析,確定工藝是否穩(wěn)定、可靠。

過程控制關(guān)鍵特性方面,對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行再分析,對(duì)生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)和檢驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置的合理性、全面性,風(fēng)險(xiǎn)操作和多余物控制措施的有效性進(jìn)行分析。

如,對(duì)于電子產(chǎn)品,從電路設(shè)計(jì)的規(guī)范性、冗余設(shè)計(jì)的有效性、匹配參數(shù)的合理性、測試狀態(tài)的真實(shí)性進(jìn)行分析,并重點(diǎn)分析電裝工藝的規(guī)范性、供電安全間距控制的符合性、地面測試設(shè)備狀態(tài)的合理性;復(fù)查產(chǎn)品裝配過程是否存在導(dǎo)線異常受力,受擠壓的風(fēng)險(xiǎn),是否存在帶電導(dǎo)體與其他金屬搭接的風(fēng)險(xiǎn);復(fù)查電路設(shè)計(jì)是否存在元器件過電應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn);復(fù)查地面測試設(shè)備是否存在短路、過壓、產(chǎn)生反電動(dòng)勢、引入靜電等風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行有效性再復(fù)核

針對(duì)載人航天器技術(shù)和產(chǎn)品繼承性強(qiáng)的特點(diǎn),產(chǎn)品研制過程中所依據(jù)和執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可能存在更新情況,因此組織各承研單位對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)執(zhí)行的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的全面性和有效性進(jìn)行確認(rèn),對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)和要求的落實(shí)情況進(jìn)行復(fù)查。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范更新內(nèi)容,需逐項(xiàng)進(jìn)行分析影響。

如,《鋁及鋁合金熔焊通用技術(shù)條件》(QJ2698-95)已更新為《鋁及鋁合金熔焊通用技術(shù)要求》(QJ2698A-2011),增加了5.5.3.1“缺陷未經(jīng)排除和清理不允許進(jìn)行補(bǔ)焊”,同時(shí)明確了5.5.3.2.2“允許補(bǔ)焊的界定方法”等要求,因此需要組織各承研單位針對(duì)焊接工藝以及已制品進(jìn)行復(fù)查,確認(rèn)是否滿足新標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.3 在軌使用狀態(tài)再分析

根據(jù)載人航天器在軌飛行任務(wù)剖面,分析產(chǎn)品實(shí)際在軌的使用條件和工作環(huán)境,并對(duì)地面驗(yàn)證(包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)、產(chǎn)品安裝狀態(tài)、試驗(yàn)條件、工質(zhì)狀態(tài)等)與在軌使用工況的一致性進(jìn)行分析,識(shí)別存在的差異。

如,通過對(duì)針對(duì)空間站任務(wù)階段載人飛船在軌飛行任務(wù)剖面分析,識(shí)別到在在軌飛行階段,載人飛船會(huì)出現(xiàn)攝像機(jī)受太陽直射情況。為確保攝像機(jī)更換圖像傳感器后在受太陽直射的狀態(tài)下傳感器性能滿足任務(wù)要求,需要補(bǔ)充開展太陽直射的驗(yàn)證試驗(yàn)。因此,利用攝像機(jī)鑒定件產(chǎn)品開展了太陽直射試驗(yàn),經(jīng)長時(shí)間太陽直射,傳感器可正常工作。

1.4 設(shè)計(jì)裕度再復(fù)核

產(chǎn)品設(shè)計(jì)裕度越大,可靠性越高,付出的資源和成本也相應(yīng)增大[10]。為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品滿足飛行任務(wù)需求與投入的資源、成本之間的平衡,空間站任務(wù)階段,載人航天器基于產(chǎn)品在軌使用狀態(tài)(包括各種極限、邊界工況),對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)裕度進(jìn)行了再復(fù)核,包括強(qiáng)度裕度、驅(qū)動(dòng)裕度、壽命裕度等同時(shí)對(duì)模型仿真、拉偏試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)等設(shè)計(jì)裕度驗(yàn)證情況進(jìn)行了再確認(rèn)。

如,針對(duì)空間站建造階段,載人飛船在軌對(duì)接目標(biāo)相對(duì)以往飛行任務(wù)存在較大變化特點(diǎn),組織對(duì)飛行器間對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲、緩沖和分離功能適應(yīng)性進(jìn)行了設(shè)計(jì)裕度和驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了再復(fù)核。經(jīng)復(fù)核確認(rèn),可滿足空間站建造階段各次飛行任務(wù)需求。

1.5 產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)有效性再確認(rèn)

對(duì)產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)狀態(tài)與當(dāng)前正樣產(chǎn)品一致性,鑒定試驗(yàn)項(xiàng)目和條件正確性,鑒定試驗(yàn)實(shí)際試驗(yàn)工況正確性,鑒定試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)品功能性能測試項(xiàng)目全面性和結(jié)果正確性,鑒定試驗(yàn)后的開蓋檢查情況進(jìn)行復(fù)查,分析試驗(yàn)過程中是否存在異常問題、是否有難以解釋的現(xiàn)象,同時(shí)重點(diǎn)關(guān)注是否有片面利用鑒定級(jí)環(huán)境試驗(yàn)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(tài)與正樣產(chǎn)品一致性復(fù)核,發(fā)現(xiàn)存在部分產(chǎn)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(fā)了補(bǔ)充鑒定工作通知,并組織相關(guān)單位補(bǔ)充開展了6臺(tái)產(chǎn)品補(bǔ)充鑒定試驗(yàn),從而保證了鑒定狀態(tài)完全覆蓋正樣產(chǎn)品狀態(tài)。

1.6 關(guān)鍵時(shí)序再復(fù)核

按照飛行任務(wù)剖面,對(duì)關(guān)鍵工作模式的動(dòng)作時(shí)序進(jìn)行復(fù)核,檢查工作(包括正常和故障模式)時(shí)序的正確性和極限時(shí)間偏差下的協(xié)調(diào)性以及試驗(yàn)測試的覆蓋性。

如,針對(duì)載人飛船快速返回任務(wù)需求,開展了返回過程中的主要工作時(shí)序復(fù)核,包括彈傘艙蓋(開引導(dǎo)傘、減速傘)、脫減速傘(開主傘)、拋防熱大底、轉(zhuǎn)垂掛、著陸反推發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)序和測試性,并對(duì)主備降落傘系統(tǒng)轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)性、火工品點(diǎn)火時(shí)序進(jìn)行了復(fù)核,有效保證了后續(xù)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(fù)核

對(duì)載人航天器器研制過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題、本飛行器出現(xiàn)的質(zhì)量問題、載人航天領(lǐng)域其他飛行器發(fā)生的質(zhì)量問題及其他航天器重大質(zhì)量問題“舉一反三”的情況進(jìn)行確認(rèn)分析。分析產(chǎn)品質(zhì)量問題反映出在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試方面存在的薄弱環(huán)節(jié),對(duì)已完成歸零的質(zhì)量問題,重新審視問題定位的準(zhǔn)確性、措施的有效性,并重點(diǎn)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(fā)性問題,從而梳理和識(shí)別出需進(jìn)一步開展的工作。

2 進(jìn)行“再設(shè)計(jì)”

針對(duì)“再分析”辨識(shí)出的新的關(guān)鍵特性以及發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)開展產(chǎn)品“再設(shè)計(jì)”工作,并從產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、工藝方案和過程控制措施等方面明確改進(jìn)方案。

在產(chǎn)品方案“再設(shè)計(jì)”方面,深入開展產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應(yīng)性以及可測試性的改進(jìn)設(shè)計(jì);在工藝方案“再設(shè)計(jì)”方面,開展工藝流程和工藝方法優(yōu)化,并將新識(shí)別出的關(guān)鍵特性控制措施納入相關(guān)工藝文件以及質(zhì)量記錄表格中。

如,通過對(duì)空間站建造任務(wù)剖面再分析,識(shí)別出空間站組裝建造任務(wù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)艙轉(zhuǎn)位任務(wù)的關(guān)鍵產(chǎn)品轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu),在極限情況下若存在多余物,將使得轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)卡滯,并影響后續(xù)轉(zhuǎn)位任務(wù)的順利實(shí)施。因此將轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯確定為單點(diǎn)故障。為此,總體圍繞該單點(diǎn)故障控制措施開展了再設(shè)計(jì),包括:①制定了后續(xù)整流罩清潔要求,防止后續(xù)外部多余物的引入;②制定轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)卡滯后,反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)的在軌預(yù)案;③修改在軌飛行程序,在實(shí)驗(yàn)艙入軌后提前開展轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)能能在軌測試,確認(rèn)產(chǎn)品狀態(tài)。

3 進(jìn)行“再驗(yàn)證”

針對(duì)“再設(shè)計(jì)”過程中識(shí)別和確定的改進(jìn)方案,對(duì)技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化或新使用條件的產(chǎn)品,以及發(fā)生變化的生產(chǎn)工藝、細(xì)化完善的控制措施開展“再驗(yàn)證”工作。

“再驗(yàn)證”試驗(yàn)條件覆蓋產(chǎn)品的各種工作工況、使用條件,以保證設(shè)計(jì)改進(jìn)單機(jī)的可靠應(yīng)用;試驗(yàn)項(xiàng)目包括環(huán)境適應(yīng)性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗(yàn)。如果驗(yàn)證結(jié)果滿足要求,則重新固化飛行產(chǎn)品生產(chǎn)基線,并按照該基線進(jìn)行相應(yīng)飛行產(chǎn)品研制;如果驗(yàn)證結(jié)果不滿足要求,則針對(duì)該環(huán)節(jié)再次開展“再分析、再設(shè)計(jì)和再驗(yàn)證”工作,進(jìn)一步提升產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。試驗(yàn)驗(yàn)證形式可采取物理驗(yàn)證、半物理驗(yàn)證、仿真驗(yàn)證等方式,從而摸清產(chǎn)品設(shè)計(jì)余量和裕度。

如,針對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯單點(diǎn)故障,通過開展“再設(shè)計(jì)”確定的控制措施,開展了以下的再驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),從而確保控制措施有效:①利用地面鑒定件開展了轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)卡滯后反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)的地面驗(yàn)證試驗(yàn),確定了在軌預(yù)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(yàn)證,確認(rèn)飛行程序的正確性。

4 進(jìn)行“再確認(rèn)”

對(duì)“再驗(yàn)證”后的設(shè)計(jì)改進(jìn)在飛行產(chǎn)品上的落實(shí)情況進(jìn)行“再確認(rèn)”以及系統(tǒng)集成后出廠和發(fā)射前實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行再確認(rèn),從而進(jìn)一步確保產(chǎn)品出廠和發(fā)射狀態(tài)滿足任務(wù)要求。

1)設(shè)計(jì)改進(jìn)落實(shí)情況再確認(rèn)

重點(diǎn)是在單機(jī)產(chǎn)品交付前,對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)過程的影像資料、生產(chǎn)過程記錄進(jìn)行檢查,對(duì)測試和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確認(rèn),確保各項(xiàng)改進(jìn)工作落實(shí)到位。

2)系統(tǒng)出廠和發(fā)射前實(shí)物狀態(tài)再確認(rèn)

組織供配電、工藝、熱控、機(jī)構(gòu)類專家對(duì)載人航天器出廠和發(fā)射前實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行檢查確認(rèn)。

(1)供配電產(chǎn)品檢查:重點(diǎn)對(duì)主功率電纜網(wǎng)實(shí)施狀態(tài)記錄,包括電纜插接、二次絕緣防護(hù)、分類走線進(jìn)行確認(rèn),對(duì)太陽翼和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)測試報(bào)告及實(shí)施狀態(tài)記錄審查。

(2)總裝狀態(tài)檢查:重點(diǎn)檢查總裝過程照相記錄、總裝工藝實(shí)施情況、各階段狀態(tài)檢查記錄、總裝強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)實(shí)施情況、不可測試項(xiàng)目控制、極性測試情況,并對(duì)火工品實(shí)施過程記錄進(jìn)行檢查確認(rèn)。

(3)機(jī)構(gòu)及火工產(chǎn)品檢查:重點(diǎn)對(duì)中繼天線、對(duì)接機(jī)構(gòu)、太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、火工品安裝及測試情況進(jìn)行審查。

(4)熱控產(chǎn)品狀態(tài)檢查:重點(diǎn)對(duì)熱敏電阻、加熱片、熱控多層包覆實(shí)施結(jié)果,內(nèi)、外回路加注情況進(jìn)行審查。

如,針對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯單點(diǎn)故障中多余物控制措施,在扣火箭整流罩前,組織結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控及工藝專家對(duì)轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)周圍電纜、熱控多層以及轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)包絡(luò)進(jìn)行了確認(rèn);同時(shí)對(duì)火箭整流罩清潔結(jié)果進(jìn)行了確認(rèn),確保不會(huì)引入多余物。

5 結(jié)束語

載人航天器在研制過程中,結(jié)合每次飛行任務(wù)特點(diǎn),充分利用“再分析、再設(shè)計(jì)、再驗(yàn)證、再確認(rèn)”的方法和思路,對(duì)產(chǎn)品研制全過程進(jìn)行再審視和再梳理,持續(xù)識(shí)別產(chǎn)品存在的薄弱環(huán)節(jié)和風(fēng)險(xiǎn)隱患,不斷完善產(chǎn)品設(shè)計(jì),持續(xù)提升產(chǎn)品固有可靠性,實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品小子樣情況下的成熟度提升,從而有效降低和規(guī)避各類風(fēng)險(xiǎn),保證了從神舟五號(hào)載人飛船至神舟十四號(hào)載人飛船連續(xù)九次載人飛行任務(wù)的連續(xù)成功,保證了航天員安全返回,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了中國空間站建造組裝建造任務(wù)圓滿完成。