液體火箭發(fā)動機工藝設計精益化發(fā)展展望

何 陽 譚松林 張 永 孫鋼鐵

（航天推進技術研究院，西安 710100）

液體火箭發(fā)動機工藝設計精益化發(fā)展展望

何 陽 譚松林 張 永 孫鋼鐵

（航天推進技術研究院，西安 710100）

基于液體火箭發(fā)動機技術的發(fā)展趨勢及工藝設計特點，分析了液體火箭發(fā)動機工藝設計存在的問題與不足。結合國內(nèi)外先進制造企業(yè)工藝技術及管理的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，提出了以協(xié)同并行工作模式、基礎規(guī)范建設、先進技術手段等為突破口，引導液體火箭發(fā)動機工藝設計朝著精益化方向發(fā)展，以滿足我國航天型號產(chǎn)品研制工作對周期、成本及可靠性日益提升的需求。

液體火箭發(fā)動機；工藝設計；并行協(xié)同；工藝規(guī)范；知識庫；先進技術

1 引言

液體火箭發(fā)動機是發(fā)射各種彈道導彈和航天飛行器的主要動力，是發(fā)展航天產(chǎn)業(yè)的基礎[1]。其研制周期和產(chǎn)品質(zhì)量直接影響我國航天事業(yè)的發(fā)展進程。而作為液體火箭發(fā)動機研制和生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，工藝設計直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、生產(chǎn)周期和質(zhì)量，是液體火箭發(fā)動機制造過程中最為關鍵的生產(chǎn)活動。

從目前來看，以串行工作流程和個人經(jīng)驗為主的工藝設計模式已經(jīng)無法滿足我國航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，開展精益化工藝設計，從源頭上降低工藝流程對物資、周期、場地、人力等方面的消耗，提高工藝流程可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量，是液體火箭發(fā)動機工藝設計發(fā)展的必然趨勢。

2 液體火箭發(fā)動機工藝設計特點

液體火箭發(fā)動機結構復雜，工作環(huán)境惡劣，大量采用高溫合金、高強不銹鋼等材料，加工難度大，但對產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性要求高。因此工藝技術難度大，產(chǎn)品工藝流程復雜，各生產(chǎn)流程之間的技術狀態(tài)協(xié)調(diào)難度大，技術風險控制要求高。同時液體火箭發(fā)動機交付批量小，種類多，而且不同的發(fā)動機在結構組成、材料種類、工藝方法方面存在較大的差異，導致工藝設計工作量大。但研制和生產(chǎn)周期控制嚴格，要求工藝設計工作必須快速高效。

3 液體火箭發(fā)動機工藝設計存在的問題與不足

近年來，以大推力高壓補燃液氧煤油火箭發(fā)動機為代表的一系列先進發(fā)動機的成功研制標志著我國液體火箭發(fā)動機制造工藝技術取得長足發(fā)展，為我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展奠定了基礎。但隨著航天任務的快速增長、型號研制難度不斷增加、產(chǎn)品可靠性要求日益提升，液體火箭發(fā)動機現(xiàn)有的工藝設計模式、技術手段已經(jīng)呈現(xiàn)出一些不足。

現(xiàn)有工藝設計工作主要以串行工作模式為主，工藝設計效率低，難以滿足快速高效的研制需求。工藝信息表達規(guī)范缺失，工藝文件實用性不強，工藝信息難以準確、全面地傳遞到操作人員，產(chǎn)品質(zhì)量存在波動。基礎工藝規(guī)范缺失，受工藝人員經(jīng)驗和技術水平的影響，工藝方法及控制點存在差異，技術狀態(tài)控制難度大。工藝知識管理不足，工藝技術繼承性差，研究成果無法得到有效繼承和利用，存在工藝技術重復攻關，部分技術問題反復出現(xiàn)的情況，影響研制周期，增加研制成本。此外液體火箭發(fā)動機工藝設計仍以個人經(jīng)驗、工藝試驗為主，有限元、制造過程失效模式及效果分析（PFMEA）等先進技術手段應用不足。

4 國內(nèi)外先進制造企業(yè)工藝設計發(fā)展啟示

隨著信息技術和企業(yè)管理理念的飛速發(fā)展，國內(nèi)外的先進制造企業(yè)采用先進的產(chǎn)品研發(fā)模式，以精益化生產(chǎn)為目標，優(yōu)化業(yè)務流程，大量引進先進技術手段，堅持基礎規(guī)范建設，在控制研制周期、成本和產(chǎn)品質(zhì)量方面取得了巨大的成功，為液體火箭發(fā)動機工藝設計朝著精益化方向發(fā)展提供了良好的啟示意義。

4.1 協(xié)同設計模式成為產(chǎn)品研發(fā)主流模式

上世紀50年代日本制造業(yè)的精益生產(chǎn)模式中就提出了“產(chǎn)品設計內(nèi)部本來就應包含工藝設計和工業(yè)工程”的概念[2]。以波音為代表的航空航天先進制造企業(yè)充分利用MBD技術開展并行協(xié)同設計，顯著縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

國內(nèi)飛機制造企業(yè)采用產(chǎn)品設計、工藝設計、工裝設計并行工作模式，產(chǎn)品研制周期大幅縮短。其中成飛在某型飛機研制中集中協(xié)同攻關，充分利用現(xiàn)有資源和成熟工藝方法，在縮短研制周期同時，顯著降低工裝系數(shù)，節(jié)省研制成本[3]。航天方面，首都航天機械公司提出了基于產(chǎn)品成熟度的工藝設計工作模式，在每個成熟度階段開展相應的工藝設計、工裝設計、物資準備等工作。中國航天科工集團在沖壓發(fā)動機的研制過程中也采用了并行協(xié)同的研制模式[4]，取得了良好的效果。

4.2 數(shù)控程序成為工藝設計的主要內(nèi)容

國內(nèi)大部分航空航天企業(yè)將傳統(tǒng)以工藝文本為主體的機械工藝設計模式轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓴?shù)控程序為主的工藝設計模式，數(shù)控程序由專人編制并集中管控，在提高設備利用率的同時實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的精確控制，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。航天方面中國航天長征機械廠數(shù)控加工工藝文件主要由數(shù)控程序、工序模型、對刀點及刀具、工裝等物資信息組成。數(shù)控程序由工藝人員編制、審核后通過數(shù)控系統(tǒng)由操作工人調(diào)取。工藝文件內(nèi)容沒有大量的文字描述，簡潔明了，生產(chǎn)狀態(tài)穩(wěn)定可控。

4.3 基礎工藝規(guī)范是工藝設計的技術支撐

國外先進制造企業(yè)十分注重基礎工藝規(guī)范建設。波音、通用等先進制造企業(yè)將基礎和通用的操作、控制、檢驗及相關技術要求納入規(guī)范體系，作為產(chǎn)品生產(chǎn)的基本操作規(guī)范。波音公司建立了BAC5000系列工藝規(guī)范，涵蓋整個飛機制造工藝技術[5]，在減輕工藝設計工作量的同時確保產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)航空企業(yè)也逐漸意識到工藝規(guī)范建設的重要性和必要性。上海商用飛機有限公司、成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司和中航商用航空發(fā)動機有限責任公司等企業(yè)都在開展了航空發(fā)動機工藝規(guī)范體系構建研究和探索[6]。

4.4 先進技術手段提升工藝設計水平

隨著有限元理論以及信息技術的高度成熟，有限元仿真和幾何仿真技術在制造業(yè)的各個行業(yè)發(fā)揮了巨大的作用，成為先進制造企業(yè)工藝設計的重要手段。達索公司一直強調(diào)利用仿真技術開展工藝設計工作，將ABAQUS軟件作為其產(chǎn)品和工藝仿真的主要工具。美國普惠公司在試制俄羅斯液氧煤油火箭發(fā)動機RD-180的過程中開展了大量的生產(chǎn)工藝仿真工作[7]。國內(nèi)航空企業(yè)在裝配、機械加工方面開展了大量的幾何仿真工作，顯著提高了裝配工藝方案、數(shù)控加工方案和數(shù)控程序的編制效率和質(zhì)量。在鑄造、鈑金、熱處理、焊接以及復合材料等專業(yè)方面開展了大量的有限元仿真工作，提高了工藝設計水平。部分企業(yè)還提出了型號研制過程仿真生命周期管理的構想，推動仿真技術的進一步深化應用[8]。

以制造過程失效模式及效果分析（PFMEA）為代表的先進技術手段成為國內(nèi)外制造企業(yè)完善工藝設計，提升產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術手段[9]。豐田汽車以“五個為什么”對產(chǎn)品質(zhì)量問題進行深入分析，確定造成缺陷的根本原因。天津長征火箭制造有限公司運用FMEA技術，提高工藝可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量[10]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所通過工藝FMEA分析得到了工藝可靠性指標和相應的預防措施，提高總裝工藝可靠性[11]。

4.5 工藝知識庫是推動技術發(fā)展的新動力

越來越多的制造企業(yè)認識到技術研發(fā)過程中長期積累的知識是一筆無形的巨大財富，對于穩(wěn)步提升企業(yè)制造能力，縮短工藝設計周期，提高工藝設計質(zhì)量意義重大，構建相應的工藝知識庫成為推動企業(yè)工藝水平發(fā)展的新動力。沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司建立航空鈑金材料性能參數(shù)與工藝知識庫，提高了工藝設計質(zhì)量，縮短研制周期[12]。沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司利用基于加工特征的快速編程技術在UG平臺中實現(xiàn)了航空發(fā)動機零件的數(shù)控編程規(guī)劃[13]。首都航天機械公司采用基于三維模型的幾何特征匹配，高效利用已有工藝知識，提高工藝設計效率。南京晨光集團有限責任公司構建了航天產(chǎn)品裝配工藝知識庫，實現(xiàn)了某型號產(chǎn)品的裝配工藝知識有序管理和共享重用[14]。

5 液體火箭發(fā)動機工藝設計發(fā)展展望

綜合國內(nèi)外先進制造行業(yè)工藝設計發(fā)展的方向及液體火箭發(fā)動機研制特點及發(fā)展趨勢，工作模式改進、加強基礎規(guī)范建設、提升知識管理和工藝設計手段，是縮短產(chǎn)品研制周期，提高工藝設計技術水平和工藝文件實用性，推動工藝設計長足發(fā)展的重要途徑。

5.1 引入并行協(xié)同工作模式 提高工藝設計質(zhì)量和效率

將并行協(xié)同模式從產(chǎn)品設計階段延伸至工藝設計階段，充分應用并行協(xié)同模式，以最大程度縮短產(chǎn)品研制周期。工藝設計、工裝設計、物資準備等工作與產(chǎn)品設計并行開展，如圖1所示。

5.1.1 工藝設計與產(chǎn)品設計的協(xié)同

建立基于產(chǎn)品成熟度的工藝設計管理制度，明確每個成熟度階段工藝人員應完成的工藝設計任務和完成標志。堅持工藝設計工作與產(chǎn)品設計工作同步開展，促使工藝人員充分吃透產(chǎn)品設計意圖和主要功能特性，輔助設計人員改進產(chǎn)品工藝性，提高工藝設計的針對性和經(jīng)濟性。

5.1.2 各專業(yè)工藝設計之間的協(xié)同

協(xié)同工藝設計模式分布在兩個階段：產(chǎn)品設計階段，組織各專業(yè)工藝人員同步開展詳細工藝設計工作，進行充分的工藝技術狀態(tài)協(xié)調(diào)和討論，以產(chǎn)品的全工藝流程最優(yōu)為原則，確定各專業(yè)工藝之間的技術狀態(tài)接口，實現(xiàn)產(chǎn)品全工藝流程的無縫銜接；工藝實施階段，各專業(yè)工藝人員并行工作，進一步完善詳細的工藝設計。利用數(shù)字化工藝設計平臺將各專業(yè)工藝技術方案緊密結合在一起，使得上游工藝技術狀態(tài)任何微小的變化能在下游工序中得到快速和準確的體現(xiàn)，實現(xiàn)工藝技術狀態(tài)的快速準確傳遞，確保整個工藝流程的協(xié)調(diào)性和最優(yōu)化。

5.1.3 工藝人員與其他人員的協(xié)同

在工藝設計或變更過程中工藝人員與工裝設計人員、物資采購人員協(xié)同工作，在制定工藝方案的同時提出完整和詳細的生產(chǎn)資料需求，生產(chǎn)準備部門提前開展物資準備工作。同時工藝人員根據(jù)生產(chǎn)準備部門的反饋意見及時調(diào)整工藝設計方案，有效利用現(xiàn)有生產(chǎn)資源，降低生產(chǎn)準備成本、縮短準備周期，提高工藝方案的可行性、合理性及經(jīng)濟性。

5.2 完善表達標準和方式 提高工藝文件的實用性

提高工藝文件實用性的前提是各專業(yè)建立工藝文件表達標準，界定工藝設計與工人之間的分離界面，使工藝設計工作做到有的放矢；其次是根據(jù)專業(yè)特點確定各自的工藝設計模式和文件信息表達方式，使得工藝文件能得到充分應用。

5.2.1 根據(jù)各專業(yè)特點確定工藝文件表達形式

為適應新形勢下航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，提高生產(chǎn)工作效率，應根據(jù)液體火箭發(fā)動機制造工藝特點改變現(xiàn)有以文字和圖形為主的工藝文件表達形式。數(shù)控化程度較高的專業(yè)工藝文件應由文字描述和圖形表達轉(zhuǎn)向由數(shù)控程序為主的表達方式。在車間設立數(shù)控程序編制崗位或由工藝人員負責編制數(shù)控程序，數(shù)控加工程序通過DNC系統(tǒng)直接控制數(shù)控設備進行生產(chǎn)，工人則按照簡單的文字說明完成原材料和輔材的領用、產(chǎn)品的裝夾、對刀等基本操作，如圖2所示。

除機械加工專業(yè)以外，焊接、熱處理等數(shù)控化水平發(fā)展較快的專業(yè)也可以按照這種模式開展工藝設計工作。而設備自動化或數(shù)控化程度較低的裝配、鈑金等以手工為主的專業(yè)則繼續(xù)按照原有的模式以文字和圖形的形式表達工藝信息。

對于熱處理、釬焊、涂層等以過程狀態(tài)控制為主的專業(yè)工藝文件則應以文字說明傳遞工藝和設計要求，以設備控制程序規(guī)范過程控制，以基礎工藝規(guī)范作為儀器、設備鑒定和檢查以及人工操作的基本要求。

5.2.2 建立表達標準 確定工藝設計分離面

以文字和圖形描述為主的專業(yè)，根據(jù)專業(yè)技術特點、產(chǎn)品技術要求、各崗位工人技能水平要求，將液體火箭發(fā)動機生產(chǎn)的基本通用操作要求（例如螺紋擰緊規(guī)范、導管彎曲規(guī)范、厭氧膠使用規(guī)范、去毛刺規(guī)范、焊前打磨規(guī)范等）編制成基本操作規(guī)范手冊，納入工人崗位職責，作為工人崗位技能培訓和考核標準。基于規(guī)范手冊建立工藝設計和文件表達的細化標準，明確責任分離面。這樣有助于減輕工藝人員工作量，提高工作效率，同時也將工人崗位的培訓和考核工作與工藝工作緊密結合，提高培訓和考核的針對性。

5.3 建立基本工藝規(guī)范 加強技術狀態(tài)控制

為規(guī)范工藝方法的選用和通用工藝技術狀態(tài)的控制，在工藝量化控制的基礎上，建立基本工藝規(guī)范，明確各個工藝方法的代號、定義、適用范圍、技術風險點、關鍵控制點、成熟度等級等信息。結合液體火箭發(fā)動機典型的產(chǎn)品結構和典型材料，建立典型產(chǎn)品和典型材料工藝規(guī)范。液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品研制所用產(chǎn)品的工藝方法均在基本工藝規(guī)范中選取，并按照相關要求制定具體的工藝參數(shù)和工序內(nèi)容。

以組合件或發(fā)動機為對象，建立產(chǎn)品級的工藝選用目錄，作為產(chǎn)品技術狀態(tài)控制的基本綱領，以及進行全面的技術風險分析、成熟度評價的基礎，為工藝人員快速高效開展工藝設計和工藝技術狀態(tài)控制奠定堅實的基礎。

5.4 構建工藝知識庫 促進工藝技術傳承和積累

液體火箭發(fā)動機制造工藝復雜，門類繁多，工藝技術發(fā)展迅速，工藝知識的積累顯得尤為重要。應建立工藝知識收集、審核、評價、維護和應用制度。對型號研制、工藝試驗、工藝課題研究、質(zhì)量技術問題歸零等活動中產(chǎn)生的工藝知識進行歸集整理形成知識庫。按照其應用范圍、考核驗證情況、技術評價情況進行審核和成熟度評級，進行動態(tài)管理。根據(jù)應用和考核情況及時更正和完善，不斷提高工藝知識的正確性和技術含量，形成企業(yè)無形的知識財富，為工藝人員學習和工藝設計提供依據(jù)，為工藝技術長足發(fā)展奠定堅實的基礎。建立數(shù)字化知識庫，實現(xiàn)工藝知識的在線共享、快速查詢、智能推送，提高工藝知識的管理和應用效率。

5.5 引入先進技術手段 提升工藝設計水平

將仿真技術、制造過程失效模式及效果分析（PFMEA）等先進技術作為工藝設計和研究的重要手段之一，納入工藝技術管理范疇，建立推廣應用制度。

5.5.1 加強工藝仿真基礎管理

建立工藝仿真管理制度，明確工藝仿真應用范圍，結合實際工藝仿真能力和水平將工藝仿真作為部分工藝試驗方案論證或?qū)嵤┣氨仨氶_展的工作之一。建立基礎參數(shù)和模型數(shù)據(jù)庫，及時更新維護，確保參數(shù)的準確性和完整性，為工藝仿真奠定數(shù)據(jù)基礎。建立工藝仿真規(guī)范，規(guī)范仿真過程，完善評價機制和標準，提高仿真結果的可信度。加大工藝人員的仿真技能培訓，逐步提高工藝人員的工藝仿真能力。

5.5.2 加強PFMEA的推廣應用

建立PFMEA技術在產(chǎn)品制造全生命周期內(nèi)的推廣應用制度，將該技術作為工藝技術風險控制、工藝技術問題分析和工藝優(yōu)化改進的重要技術手段和關鍵環(huán)節(jié)，與型號研制緊密結合，加強應用實踐。加強人員培訓，提升工藝人員失效分析意識和能力。

6 結束語

工藝設計是一門系統(tǒng)性的工作，涉及面廣，對液體火箭發(fā)動機的研制具有重要影響。引入新的工作模式和技術手段，加強基礎規(guī)范建設，堅持工藝知識積累是工藝設計發(fā)展的主要方向。為做好這些工作，應對液體火箭發(fā)動機整個研制流程進行優(yōu)化和完善，最大程度提高工作效率，縮短研制周期；以制度規(guī)范建設為基礎，對工藝設計業(yè)務流程、工作模式、信息表達等各個方面進行固化，確保整個業(yè)務流程的順利開展；以先進的技術手段為工具，提高設計工作的有效性。三方面工作的有效結合和相互促進才能有效推動液體火箭發(fā)動機工藝設計朝著精益化方向快速發(fā)展。

1 休澤爾D K，等.朱寧昌等譯.液體火箭發(fā)動機現(xiàn)代工程設計[M].中國宇航出版社，2004

2 詹姆斯·P·沃麥克，丹尼爾·T·瓊斯，丹尼爾·魯斯.改變世界的機器——精益生產(chǎn)之道[M].北京：機械工業(yè)出版社，2015

3 孫煒，許旭東，余志強.基于VPM的并行工程在飛機研制過程中的研究初探[J].航空制造技術，2013，13：4751

4 張碩，楊繼平，王洋，等.沖壓發(fā)動機協(xié)同研發(fā)繼承產(chǎn)品團隊組織模式研究[J].飛航導彈，2014(6)：81～85

5 陳潔.大型商用飛機工藝規(guī)范體系構建[J].航空制造技術，2012，22：32～35

6 韓秀峰.商用航空發(fā)動機工藝s規(guī)范體系構建探討[J].航空制造技術，2015，22：62～66

7 Ingram C M.42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference& Exhibit[C].AIAA2006-4361

8 許鴻杰，沈波.飛機研制過程中仿真生命周期管理的研究[J].航空制造技術，2015，18：92～95

9 Johnson K G,Khanb M K.A study into the use of the process failure mode and effects analysis(PFMEA)in the automotive industry in the UK[J]. Journal of Materials Processing Technology,2003,139:348～356

10 馬彥輝，呂君，穆菁，等.因果矩陣分析與工藝FMEA在航天型號生產(chǎn)過程檢驗點設置中的應用探究[J].質(zhì)量與可靠性，2014(5)：8～10，34

11 蔣志廣，易旺民，張延磊，等.衛(wèi)星總裝工藝FMEA應用初步研究[J].航天器環(huán)境工程，2010(4)：510～514

12 朱麗，李小強，遲彩樓，等.航空鈑金材料性能參數(shù)與工藝知識庫[J].鍛壓技術，2015(4)：143～148

13 付龍，高陽，張森棠，等.基于加工特征的快速程編技術在航空發(fā)動機產(chǎn)品中的應用[J].航空制造技術，2014(7)：80～83

14 秦林，薛善良，顧永登.航天產(chǎn)品裝配工藝知識庫建模與檢索[J].計算機與現(xiàn)代化，2015(1)：53～56

15 Cochrane S,et al.Knowledge reuse in manufacturability analysis[J]. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,2008,24:508～513

Forecasts on Develeopment of Lean Process Planning of Liquid-propellant Rocket Engine

He Yang Tan Songlin Zhang Yong Sun Gangtie
(Academy ofAerospace Propulsion Technology,Xi’an 710100)

Based on the developing trend and the process planning attribute of liquid-propellant rocket engine,this paper indicates the problems of the process planning.According to the current situation and developing trend of developed manufacturing enterprises at home and abroad,some measures are brought forward,such as parallel collaborative work mode,basic specification construction,and advanced technology,as breakthroughs for lean process planning of liquid-propellant rocket engine,to meet the increasing demand of our aerospace project for short cycle,low cost and high reliability.

liquid-propellant rocket engine；process planning；parallel collaborative work；process specification；knowledge base；advanced technology

何陽（1987-），碩士，流體機械工程專業(yè)；研究方向：液體火箭發(fā)動機制造技術管理。

2016-11-28