泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度模型研究

◎航天推進(jìn)技術(shù)研究院 李新波 劉禾

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度模型研究

◎航天推進(jìn)技術(shù)研究院 李新波 劉禾

分析和研究液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)一般單機(jī)的區(qū)別，進(jìn)一步探索適合液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟度評(píng)價(jià)工作模式，根據(jù)泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)等方面的特點(diǎn)，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵部組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和驗(yàn)收工作對(duì)整機(jī)成熟度的影響，從整機(jī)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵子產(chǎn)品控制、總裝總測(cè)、應(yīng)用管理等方面確定要素和子要素內(nèi)涵，并制定相應(yīng)的定級(jí)細(xì)則，運(yùn)用成熟度理論加強(qiáng)質(zhì)量過(guò)程管控，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。

近年來(lái)，隨著我國(guó)航天科技工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品成熟度理論和方法得到了持續(xù)應(yīng)用和完善，形成了大量理論研究和工程應(yīng)用成果。實(shí)踐證明，產(chǎn)品成熟度理論及配套方法工具能夠有效支持航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的持續(xù)提升，為推進(jìn)航天科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)揮重要作用。

通過(guò)先期研究發(fā)現(xiàn)，泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在很多方面區(qū)別于傳統(tǒng)單機(jī)，同時(shí)由于系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品不同，單機(jī)產(chǎn)品成熟度定級(jí)實(shí)施細(xì)則中所規(guī)定的定級(jí)準(zhǔn)則有不適用的地方，筆者在充分研究已有產(chǎn)品成熟度定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)對(duì)定級(jí)模型和準(zhǔn)則進(jìn)行了適應(yīng)性修改與完善，以期更有針對(duì)性地指導(dǎo)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度評(píng)估工作。

一、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度內(nèi)涵

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)通常包括啟動(dòng)系統(tǒng)、主系統(tǒng)、副系統(tǒng)、推進(jìn)劑貯箱增壓系統(tǒng)。啟動(dòng)系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)由非工作狀態(tài)向工作狀態(tài)過(guò)渡的動(dòng)力源系統(tǒng)，它由火藥起動(dòng)器及電爆管等組成；主系統(tǒng)是主要產(chǎn)生推力和供應(yīng)推進(jìn)劑的系統(tǒng)，它由啟動(dòng)閥門、電爆管、渦輪泵、主節(jié)流圈、隔板節(jié)流圈、主閥、推力室及導(dǎo)管等組成；副系統(tǒng)是提供渦輪工作能源的系統(tǒng)，它由過(guò)濾器、氧化劑副斷流閥門、電爆管、汽蝕管、單向閥門、燃?xì)獍l(fā)生器、氧化劑副節(jié)流圈及導(dǎo)管等組成；推進(jìn)劑貯箱增壓系統(tǒng)是由推力室頭腔引出四氧化二氮，用渦輪將廢氣加熱成蒸氣，供火箭氧化劑貯箱增壓使用，它由四氧化二氮蒸發(fā)器、汽蝕管、單向閥門、集合器及導(dǎo)管等組成。

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度是宇航產(chǎn)品成熟度理論體系的組成部分，是將泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為完整、獨(dú)立的宇航產(chǎn)品，對(duì)其研制和使用全生命周期所有質(zhì)量要素的合理性、完備性以及在一定功能、性能水平下質(zhì)量的穩(wěn)定性和可控性的一種度量，包括整機(jī)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵子產(chǎn)品控制、總裝總測(cè)、應(yīng)用管理4個(gè)方面。其中關(guān)鍵子產(chǎn)品指構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的部組件中，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)總體單位認(rèn)定，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功能、性能、研制質(zhì)量和進(jìn)度有重要影響的部組件，可根據(jù)不同發(fā)動(dòng)機(jī)的研制特點(diǎn)進(jìn)行選擇。

二、構(gòu)建評(píng)價(jià)模型的意義

在宇航產(chǎn)品成熟度理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合型號(hào)研制的工程實(shí)際構(gòu)建液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)模型，建立產(chǎn)品成熟度等級(jí)和定級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)所涉及的要素和子要素，豐富要素內(nèi)涵和定級(jí)準(zhǔn)則。同時(shí)，通過(guò)該模型的研究可以解決傳統(tǒng)單機(jī)產(chǎn)品成熟度模型和系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品成熟度模型的不適用問(wèn)題。

一是泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的組成比一般通用單機(jī)復(fù)雜，兼具系統(tǒng)及單機(jī)產(chǎn)品的特點(diǎn)。需要在研制過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及到的關(guān)鍵部組件，這些關(guān)鍵部組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)和驗(yàn)收工作對(duì)整機(jī)的成熟度有著重要影響，所以不能像一般單機(jī)一樣，只關(guān)注整機(jī)總體的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用等工作。

二是泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證的資源投入大。發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)試驗(yàn)一般指整機(jī)熱試車工作，其單次試車的經(jīng)費(fèi)、資源投入相對(duì)較大，很難像一般單機(jī)一樣在狀態(tài)固化階段（一般情況下研制工作已結(jié)束）開(kāi)展相應(yīng)的整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證（如極限工況試驗(yàn)、性能拉偏試驗(yàn)等），更多的是在產(chǎn)品研制階段進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)證，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用不斷分析、識(shí)別，并持續(xù)改進(jìn)薄弱環(huán)節(jié)，提升整機(jī)產(chǎn)品的固有可靠性。

三是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)飛行過(guò)程測(cè)量參數(shù)極為有限，主要依靠研制試車、熱標(biāo)或工藝試車以及抽檢試車來(lái)獲取其在工作環(huán)境下大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)與信息，為產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)和可靠性增長(zhǎng)提供支撐，同時(shí)渦輪泵、推力室、燃?xì)獍l(fā)生器等關(guān)鍵子產(chǎn)品的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、可靠性也必須在整機(jī)狀態(tài)下才能得到最為接近實(shí)際工況的考核。因此，整機(jī)試車過(guò)程管理、參數(shù)獲得的能力以及結(jié)果評(píng)價(jià)也應(yīng)作為產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)的一個(gè)重要方面。

四是發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)沒(méi)有系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品復(fù)雜，所涉及的單機(jī)只有閥門類（其它多為部組件），因此在總裝管理、綜合測(cè)試等方面與系統(tǒng)級(jí)模型有較大區(qū)別。

三、研究思路

為了使液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度模型更加適用于發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品本身，以有效指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)工作，筆者首先研究了模型的適用性，將系統(tǒng)更加復(fù)雜的泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，而對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)仍然采用傳統(tǒng)的成熟度模型定級(jí)準(zhǔn)則。

其次，采取聯(lián)合研究的模式，充分發(fā)揮中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院在成熟度模型研究方面的先期經(jīng)驗(yàn)，組織專家分析了原有模型的不足之處，同時(shí)借鑒系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品成熟度的經(jīng)驗(yàn)方法，具體分析發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)特點(diǎn)，對(duì)模型進(jìn)行有針對(duì)性的修正，從而初步形成模型框架。

模型框架初步建立后進(jìn)一步豐富模型內(nèi)涵，完善所有方面所對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，使得要素定義更加貼合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際，模型具有較強(qiáng)的針對(duì)性，與傳統(tǒng)模型相比更加適用于評(píng)價(jià)工作，并組織研討會(huì)對(duì)模型內(nèi)涵進(jìn)行把關(guān)和審查。

最后，選取YF-50D發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展試點(diǎn)評(píng)價(jià)工作，向發(fā)動(dòng)機(jī)研制人員充分宣貫?zāi)Ｐ驮恚谙到y(tǒng)分析發(fā)動(dòng)機(jī)工作機(jī)理基礎(chǔ)上，合理組織專家開(kāi)展審查，結(jié)合評(píng)審結(jié)果指導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)研制，同時(shí)繼續(xù)修訂模型要素組成，使得模型日臻完善。泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度模型的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

四、研究方法

1.等級(jí)要求

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)的設(shè)定包含等級(jí)數(shù)值和等級(jí)定義2個(gè)部分。等級(jí)數(shù)值采用連續(xù)整數(shù)標(biāo)識(shí)不同等級(jí)，其目的是量化區(qū)分各等級(jí)及其差異。等級(jí)定義一方面為不同成熟度等級(jí)中型號(hào)研制各項(xiàng)工作的完成程度提出了基本要求；另一方面也為各等級(jí)的評(píng)定和確認(rèn)提供基本判別標(biāo)準(zhǔn)。

為了簡(jiǎn)化模型，便于應(yīng)用，泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)的設(shè)定僅在產(chǎn)品成熟度總評(píng)等級(jí)和子要素成熟度等級(jí)2個(gè)層次上展開(kāi)。理論上，隨著泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)的提升，各子要素的成熟度等級(jí)應(yīng)逐步提升，子要素各等級(jí)的定義也應(yīng)逐級(jí)遞進(jìn)。但對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程相關(guān)子要素而言，由于在系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品成熟度達(dá)到較高等級(jí)（3級(jí)以上）后，設(shè)計(jì)過(guò)程的主要工作已基本完成，所以設(shè)計(jì)過(guò)程類子要素的成熟度等級(jí)定義不再隨后續(xù)系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品成熟度提高而逐級(jí)強(qiáng)化。

2.等級(jí)劃分

QJA53《宇航單機(jī)產(chǎn)品成熟度定級(jí)規(guī)定》確定的單機(jī)產(chǎn)品成熟度分為8個(gè)等級(jí)，鑒于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制特點(diǎn)，從研制工作的驗(yàn)證程度出發(fā)對(duì)狀態(tài)固化后的成熟度等級(jí)設(shè)置進(jìn)行適當(dāng)壓縮，將泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度劃分為7個(gè)等級(jí)（見(jiàn)表1）。

第1～3級(jí)從研制工作要求的細(xì)化、驗(yàn)證的程度、研制中各項(xiàng)工作的落實(shí)情況識(shí)別工程風(fēng)險(xiǎn)與不確定性；第4～5級(jí)通過(guò)對(duì)技術(shù)狀態(tài)更改情況的判定，分析更改對(duì)可靠性、安全性等的影響；第6級(jí)通過(guò)對(duì)技術(shù)狀態(tài)固化情況和貨架式供應(yīng)能力的判定，確定研制和使用中的工作弱項(xiàng)；第7級(jí)通過(guò)小批量生產(chǎn)，質(zhì)量可靠性水平已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定水平。泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)與研制階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

表1 泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)劃分

圖2 泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度等級(jí)與研制階段的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.定級(jí)要素

泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度模型中的要素表征了實(shí)施泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)必須關(guān)注的基本工作項(xiàng)目和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。在各階段工作的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析、比對(duì)、篩選和優(yōu)化最終確立了成熟度模型的基本要素。為清晰闡述各要素的梳理過(guò)程和隸屬關(guān)系，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、整機(jī)試驗(yàn)、交付與使用4個(gè)方面逐級(jí)遞進(jìn)對(duì)各要素進(jìn)行表述，見(jiàn)表2。

一是設(shè)計(jì)方面。設(shè)計(jì)過(guò)程是從型號(hào)任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為實(shí)體產(chǎn)品的先決步驟，設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)果將詳細(xì)定義預(yù)期發(fā)動(dòng)機(jī)的功能和分配基線，其核心是指發(fā)動(dòng)機(jī)及其關(guān)鍵子產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果所實(shí)現(xiàn)的固有能力的完備程度，以及與預(yù)期任務(wù)對(duì)應(yīng)的功能、性能、壽命、可靠性等各項(xiàng)技術(shù)要求的符合程度。

二是生產(chǎn)方面。生產(chǎn)過(guò)程是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足任務(wù)要求的情況下，按照系列技術(shù)文件生產(chǎn)實(shí)物產(chǎn)品的過(guò)程。當(dāng)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)基線確定后，需要通過(guò)合適的生產(chǎn)方式予以實(shí)現(xiàn)，保證全部設(shè)計(jì)要求在生產(chǎn)過(guò)程中得以實(shí)現(xiàn)是至關(guān)重要的。應(yīng)持續(xù)關(guān)注生產(chǎn)過(guò)程，提高其可重復(fù)性和穩(wěn)定性。生產(chǎn)方面的要素主要是表征和度量工作進(jìn)展程度，其核心是指產(chǎn)品生產(chǎn)能力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的完備程度，以及在生產(chǎn)過(guò)程中與質(zhì)量、成本、進(jìn)度等方面要求的符合程度。

三是整機(jī)試驗(yàn)方面。整機(jī)試驗(yàn)是檢驗(yàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)研制及生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品是否滿足設(shè)計(jì)要求和質(zhì)量要求的重要手段，也是全面獲取發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作性能及其工作過(guò)程中力、熱等參數(shù)的主要方式，因此應(yīng)持續(xù)關(guān)注并逐步提高整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這部分要素用于表征和度量在整機(jī)試驗(yàn)方面開(kāi)展技術(shù)準(zhǔn)備及管理完善的程度，其核心是指整機(jī)試驗(yàn)要素的固有能力實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)設(shè)計(jì)要求的完備程度，以及與單次或重復(fù)生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量、成本和周期等方面要求的符合程度。

表2 泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)成熟度評(píng)價(jià)要素

四是交付與使用方面。在發(fā)動(dòng)機(jī)交付、驗(yàn)收、發(fā)射及任務(wù)測(cè)試的過(guò)程中，應(yīng)向用戶及相關(guān)操作人員提供充分有效的操作、維護(hù)和使用說(shuō)明，以避免由于操作錯(cuò)誤造成的產(chǎn)品異常或故障。同時(shí)需要向用戶充分傳遞產(chǎn)品使用可能存在的風(fēng)險(xiǎn)，并明確相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)的處置措施。這一部分要素將用于衡量產(chǎn)品在使用維護(hù)方面的工作進(jìn)展程度，其核心是明確產(chǎn)品操作、交付、使用等環(huán)節(jié)保障措施的有效性和完備性。

在總結(jié)泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)質(zhì)量管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者提出了泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)方法，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)研制特點(diǎn)確定了產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，并在產(chǎn)品轉(zhuǎn)階段的過(guò)程中同步予以實(shí)施。根據(jù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注的質(zhì)量檢查要點(diǎn)明確成熟度評(píng)價(jià)要求和要素，在與一線研制人員充分研討和溝通后確定各要素內(nèi)涵，并選取典型發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展試點(diǎn)工作，進(jìn)一步修改完善評(píng)價(jià)模型，使得模型適用性得到大幅提高。

研究成果可以為泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和產(chǎn)品一致性水平提升提供量化度量工具，為產(chǎn)品成熟度水平提升提供實(shí)現(xiàn)途徑，同時(shí)將更加豐富宇航產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)理論。后續(xù)，航天推進(jìn)技術(shù)研究院將與總體設(shè)計(jì)單位進(jìn)一步研討分析，不斷完善各項(xiàng)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，進(jìn)而應(yīng)用到各型泵壓式液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研制生產(chǎn)中，為發(fā)動(dòng)機(jī)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供有力支撐。