多用途飛船縮比返回艙創(chuàng)新研制管理模式探索

楊慶 黃震 吳文瑞 張柏楠 楊雷

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

多用途飛船縮比返回艙創(chuàng)新研制管理模式探索

楊慶 黃震 吳文瑞 張柏楠 楊雷

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

為驗(yàn)證新一代載人飛船返回艙新氣動(dòng)構(gòu)型、可重復(fù)使用等關(guān)鍵技術(shù),研制多用途飛船縮比返回艙,并開展關(guān)鍵技術(shù)在軌演示驗(yàn)證飛行試驗(yàn),探索并實(shí)踐預(yù)研成果與型號(hào)相結(jié)合的創(chuàng)新研制管理模式,采用一步飛行產(chǎn)品投產(chǎn),按照方案階段和飛行演示階段規(guī)劃研制流程,對(duì)照衛(wèi)星和飛船等航天器開展全生命周期計(jì)劃管理和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)調(diào)度,制定適應(yīng)性產(chǎn)品保證體系,實(shí)施產(chǎn)品分類質(zhì)量管控,圓滿完成項(xiàng)目研制和飛行任務(wù)實(shí)施,達(dá)到了預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康?。該?xiàng)目研制實(shí)現(xiàn)了預(yù)研項(xiàng)目與型號(hào)研制的有機(jī)結(jié)合,拓展了研發(fā)范疇,為提升研發(fā)成果探索了新路徑。

多用途飛船;縮比返回艙;項(xiàng)目管理;飛行試驗(yàn)

1 引言

為滿足我國(guó)載人深空探測(cè)任務(wù)、在軌服務(wù)應(yīng)用的任務(wù)需求以及低成本天地往返運(yùn)輸?shù)氖褂眯枨?迫切需要研制新一代天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。當(dāng)前,美、俄等國(guó)均在加緊研制功能和性能更強(qiáng)的新一代多用途飛船[1-7],瞄準(zhǔn)空間站、載人登月、載人深空探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域,紛紛開展飛行試驗(yàn),在未來幾年內(nèi)將具備載人飛行能力。

本文介紹了利用長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首飛機(jī)會(huì),研制的多用途飛船縮比返回艙,并對(duì)新一代載人飛船氣動(dòng)構(gòu)型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行在軌演示驗(yàn)證,為研制新一代載人飛船奠定基礎(chǔ)。項(xiàng)目在借鑒以往載人航天工程管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合任務(wù)及研制特點(diǎn),采用了創(chuàng)新研制管理模式,圓滿組織完成了項(xiàng)目研制和飛行任務(wù)實(shí)施,達(dá)到了飛行試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2 縮比返回艙方案概述

多用途飛船縮比返回艙為長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首飛的主要載荷之一,其主要任務(wù)是通過飛行試驗(yàn),獲取新氣動(dòng)外形返回艙的氣動(dòng)數(shù)據(jù),驗(yàn)證返回艙氣動(dòng)外形設(shè)計(jì),同時(shí)對(duì)新一代載人飛船可重復(fù)使用設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探索和驗(yàn)證。

受運(yùn)載火箭包絡(luò)和首飛載荷質(zhì)量限制,按照氣動(dòng)相似原理,多用途飛船縮比返回艙的外形尺寸相對(duì)新一代載人飛船返回艙采用一定比例縮比,如圖1所示?？s比返回艙設(shè)置了構(gòu)型與承載、姿態(tài)與軌道控制、氣動(dòng)測(cè)量、回收、信息管理、能源管理和熱管理等7個(gè)功能,共配置124臺(tái)/套設(shè)備。縮比返回艙發(fā)射入軌后,利用火箭末級(jí)完成在軌飛行期間的姿態(tài)與軌道控制以及返回制動(dòng),與末級(jí)分離后,返回艙自主起旋,采用慢速自主升旋無控再入飛行模式,再入飛行期間利用配置的氣動(dòng)測(cè)量傳感器完成動(dòng)壓、溫度/熱流等參數(shù)的測(cè)量,并存儲(chǔ)在黑匣子中。返回地面后,通過彈道重建和氣動(dòng)參數(shù)解算獲取氣動(dòng)力/熱參數(shù),用于評(píng)估返回艙氣動(dòng)外形。

3 項(xiàng)目研制特點(diǎn)

1)工程研制管理模式新

本項(xiàng)目是基于載人航天后續(xù)任務(wù)綜合論證和相關(guān)預(yù)先研究成果,策劃并實(shí)施的一次關(guān)鍵技術(shù)在軌飛行演示試驗(yàn),主要目的是突破關(guān)鍵技術(shù),為新一代載人飛船研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目在任務(wù)性質(zhì)、工程組織實(shí)施管理等方面都與目前正在實(shí)施的神舟飛船、貨運(yùn)飛船等載人航天工程項(xiàng)目不同,因此,不能完全照搬目前的載人航天工程研制體系,須探索預(yù)研成果與型號(hào)相結(jié)合的項(xiàng)目研制管理模式。

2)研制周期短

多用途飛船縮比返回艙為全新的項(xiàng)目,從開始搭載立項(xiàng)論證到完成出廠僅30個(gè)月,研制周期短,因此需要在進(jìn)度約束下,統(tǒng)籌規(guī)劃研制技術(shù)和計(jì)劃流程。

3)產(chǎn)品狀態(tài)復(fù)雜

為滿足研制任務(wù)要求,大量使用了神舟飛船返回產(chǎn)品,采用了其他型號(hào)成熟設(shè)備,使用了多臺(tái)商業(yè)采購產(chǎn)品,并搭載了多臺(tái)載荷設(shè)備,返回艙上產(chǎn)品構(gòu)成及狀態(tài)復(fù)雜。不能完全照搬其他載人航天器產(chǎn)品保證要求,須根據(jù)本次飛行試驗(yàn)任務(wù)目標(biāo),在衛(wèi)星和飛船等型號(hào)通用產(chǎn)品保證相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合多用途飛船縮比返回艙產(chǎn)品特點(diǎn),探索制定適應(yīng)性的產(chǎn)品保證要求。

4 項(xiàng)目創(chuàng)新研制管理實(shí)踐

結(jié)合項(xiàng)目研制特點(diǎn),從項(xiàng)目組織管理、項(xiàng)目研制流程規(guī)劃與組織實(shí)施、復(fù)雜狀態(tài)產(chǎn)品保證管理等方面進(jìn)行了創(chuàng)新性探索與實(shí)踐。

4.1 拓展載人航天研發(fā)范疇

通過在軌演示,拓展了載人航天研發(fā)范疇。項(xiàng)目探索并實(shí)踐了預(yù)研與型號(hào)相結(jié)合的載人航天工程項(xiàng)目組織管理模式。項(xiàng)目成果應(yīng)用單位(用戶)與項(xiàng)目研制抓總單位簽署研制合同,并按型號(hào)要求組織開展項(xiàng)目研制、發(fā)射任務(wù)實(shí)施和飛行任務(wù)總結(jié),同時(shí)按合同要求完成項(xiàng)目結(jié)題驗(yàn)收,對(duì)預(yù)研成果的在軌演示驗(yàn)證情況進(jìn)行總結(jié);項(xiàng)目研制抓總單位將項(xiàng)目納入科研生產(chǎn)管理,根據(jù)用戶要求組織完成項(xiàng)目研制、發(fā)射和任務(wù)總結(jié)。

通過一次飛行試驗(yàn),實(shí)施了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)集成演示驗(yàn)證,拓展了載人航天研發(fā)范疇,為提升載人航天預(yù)研成果提供了新途徑,并積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

4.2 制定飛行演示研制流程

結(jié)合項(xiàng)目研制周期短的特點(diǎn),統(tǒng)籌優(yōu)化,按照方案階段和飛行演示階段規(guī)劃研制流程,對(duì)研制技術(shù)流程和計(jì)劃流程實(shí)施統(tǒng)籌策劃和精細(xì)安排,方案設(shè)計(jì)、仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、詳細(xì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品投產(chǎn)交付等多條線研制工作同步開展,并結(jié)合多用途飛船縮比返回艙熱控和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn),采用力熱仿真分析和虛擬力熱試驗(yàn),替代大型力熱實(shí)物試驗(yàn),全面使用電纜三維數(shù)字化設(shè)計(jì)制造、三維虛擬總裝設(shè)計(jì)及裝配、全三維無圖紙數(shù)字化現(xiàn)場(chǎng)總裝等數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真與制造技術(shù),優(yōu)化研制流程,縮短研制周期。

4.3 按照正樣型號(hào)計(jì)劃管理

為不影響火箭首飛進(jìn)度,節(jié)點(diǎn)調(diào)度按照項(xiàng)目科研生產(chǎn)管理要求,借鑒其他載人航天器型號(hào)經(jīng)驗(yàn),開展全生命周期和年度工作項(xiàng)目策劃,制定詳細(xì)的計(jì)劃流程,定期召開調(diào)度會(huì),對(duì)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)和短線項(xiàng)目實(shí)施動(dòng)態(tài)跟蹤管控,確保研制進(jìn)度。

4.4 創(chuàng)新產(chǎn)品分類質(zhì)量管控

在產(chǎn)品保證管理方面,為確保返回艙產(chǎn)品質(zhì)量,根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn),對(duì)配套的124臺(tái)/套產(chǎn)品進(jìn)行合理分類,分為A～G七類,如表1所示。以取得關(guān)鍵技術(shù)飛行演示驗(yàn)證試驗(yàn)任務(wù)成功為目標(biāo),在借鑒衛(wèi)星和飛船等型號(hào)通用產(chǎn)品保證相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,圍繞產(chǎn)品保證管理、質(zhì)量保證、可靠性保證、安全性保證、空間環(huán)境適應(yīng)性保證、元器件保證、原材料及工藝保證、軟件保證、地面設(shè)備保證等產(chǎn)品保證要素,制定了適應(yīng)性的產(chǎn)品保證大綱、要求和計(jì)劃,并經(jīng)過專家評(píng)審確認(rèn),作為開展產(chǎn)品分類質(zhì)量保證管理的依據(jù)。

表1 多用途飛船縮比返回艙產(chǎn)品分類說明Table 1 Product classification of scaled-down crew capsule

由表1可知,針對(duì)不同類產(chǎn)品的特點(diǎn),產(chǎn)品質(zhì)量管理保證工作也不一樣,具體要求如下。

1)A～D類

A～D類產(chǎn)品涉及平臺(tái)的關(guān)鍵產(chǎn)品,須嚴(yán)格按照神舟飛船、貨運(yùn)飛船等載人航天器通用型號(hào)的產(chǎn)品保證要求開展產(chǎn)品保證管理,確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2)E類產(chǎn)品

E類產(chǎn)品為返回艙平臺(tái)非關(guān)鍵產(chǎn)品,產(chǎn)品工作失效對(duì)系統(tǒng)功能、性能不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。采取以下產(chǎn)品保證管理措施:總體制定產(chǎn)品技術(shù)要求,明確功能、性能、對(duì)外接口和產(chǎn)品保證管理相關(guān)要求;產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗(yàn)和測(cè)試期間,重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的外部接口、功能、性能、設(shè)備配套、產(chǎn)品狀態(tài)(工藝件或正樣件)實(shí)施技術(shù)狀態(tài)控制;要求產(chǎn)品承制單位梳理產(chǎn)品使用的元器件、原材料和工藝清單,并備案;允許按照產(chǎn)品承制單位相關(guān)質(zhì)量管理要求開展元器件、原材料和工藝保證工作,但要按照項(xiàng)目環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范要求100%通過驗(yàn)收級(jí)力學(xué)和熱環(huán)境試驗(yàn)考核,以通過整機(jī)環(huán)境應(yīng)力篩選,確保產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性;允許按照產(chǎn)品承制單位相關(guān)軟件管理要求開展產(chǎn)品軟件質(zhì)量管理,但要求開展測(cè)試覆蓋性分析,在產(chǎn)品交付前加強(qiáng)單機(jī)產(chǎn)品測(cè)試,以充分暴露軟件設(shè)計(jì)等問題,產(chǎn)品交付后總體加強(qiáng)系統(tǒng)綜合測(cè)試,確保軟件測(cè)試充分;制定產(chǎn)品驗(yàn)收要求,精簡(jiǎn)產(chǎn)品交付數(shù)據(jù)包,主要包括產(chǎn)品測(cè)試報(bào)告、產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)報(bào)告、專項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告、測(cè)試覆蓋性檢查報(bào)告、研制(質(zhì)量)總結(jié)報(bào)告、產(chǎn)品證明書和履歷書,并加強(qiáng)產(chǎn)品驗(yàn)收過程管理,對(duì)產(chǎn)品功能、性能和接口等要求的符合性進(jìn)行確認(rèn)。

3)F類產(chǎn)品

F類產(chǎn)品涉及平臺(tái)關(guān)鍵產(chǎn)品?？s比返回艙使用該類產(chǎn)品的目的是通過飛行試驗(yàn)對(duì)單機(jī)產(chǎn)品的可重復(fù)使用技術(shù)進(jìn)行探索和評(píng)估。產(chǎn)品包括以下兩類:第一類是直接繼承返回狀態(tài)的產(chǎn)品;第二類是在繼承返回狀態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)更改的產(chǎn)品。為確保返回產(chǎn)品滿足任務(wù)使用要求,采取以下措施:

(1)策劃并實(shí)施了返回產(chǎn)品可重復(fù)使用專項(xiàng)試驗(yàn)。選取其他若干臺(tái)典型的神舟飛船返回產(chǎn)品,按照神舟飛船產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范要求,開展20次驗(yàn)收級(jí)正弦振動(dòng)-隨機(jī)振動(dòng)-沖擊力學(xué)環(huán)境循環(huán)試驗(yàn),每次試驗(yàn)后測(cè)試產(chǎn)品性能指標(biāo),并進(jìn)行開蓋,檢查設(shè)備內(nèi)部印制板和元器件受損情況,對(duì)返回產(chǎn)品經(jīng)歷多次力學(xué)環(huán)境后的可重復(fù)使用能力進(jìn)行評(píng)估,對(duì)返回艙上使用的返回產(chǎn)品是否具備再次飛行能力進(jìn)行旁證。

(2)從功能、性能、對(duì)外接口和使用環(huán)境等方面開展返回產(chǎn)品的任務(wù)適應(yīng)性分析,并由原單機(jī)承制單位將返回產(chǎn)品取回進(jìn)行復(fù)測(cè)。對(duì)于第一類返回產(chǎn)品,經(jīng)復(fù)測(cè)合格后直接交付使用,元器件、原材料和工藝維持返回狀態(tài)不變,軟件隨硬件一并復(fù)測(cè)并交付;對(duì)于第二類返回產(chǎn)品,嚴(yán)格按照神舟飛船等載人航天器技術(shù)狀態(tài)管理要求實(shí)施更改論證,更改涉及的元器件、原材料或工藝選用按照原型號(hào)要求執(zhí)行,完成產(chǎn)品更改及測(cè)試驗(yàn)證后,按照環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范要求補(bǔ)充開展環(huán)境試驗(yàn),軟件按照原型號(hào)軟件工程化要求開展分類管理、需求分析、更動(dòng)論證、第三方回歸評(píng)測(cè)和軟件驗(yàn)收。

(3)簡(jiǎn)化返回產(chǎn)品的數(shù)據(jù)包,返回產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等過程數(shù)據(jù)包文件均沿用神舟飛船,交付數(shù)據(jù)包文件包括產(chǎn)品復(fù)測(cè)報(bào)告(第一類返回產(chǎn)品)、產(chǎn)品復(fù)測(cè)及更改總結(jié)報(bào)告(第二類返回產(chǎn)品)、產(chǎn)品證明書和履歷書。

4)G類產(chǎn)品

制定對(duì)有效載荷產(chǎn)品的接口要求,明確機(jī)械、供電、熱控、信息等接口和安全性相關(guān)要求;載荷研制期間,對(duì)產(chǎn)品的外部接口、設(shè)備配套、產(chǎn)品狀態(tài)(工藝件或正樣件)實(shí)施技術(shù)狀態(tài)控制;載荷按照項(xiàng)目環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范要求100%通過驗(yàn)收級(jí)力學(xué)和熱環(huán)境試驗(yàn)考核,并開展電磁兼容性試驗(yàn)(EMC)的分析和測(cè)試,確保有效載荷不影響返回艙平臺(tái)產(chǎn)品;制定產(chǎn)品驗(yàn)收要求,明確產(chǎn)品數(shù)據(jù)包及具體交付驗(yàn)收要求,交付數(shù)據(jù)包主要包括產(chǎn)品接口測(cè)試報(bào)告、產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)報(bào)告、專項(xiàng)試驗(yàn)報(bào)告、接口測(cè)試覆蓋性檢查報(bào)告、研制(質(zhì)量)總結(jié)報(bào)告、產(chǎn)品證明書和履歷書,驗(yàn)收過程中加強(qiáng)對(duì)載荷與平臺(tái)接口的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證確認(rèn)。

4.5 嘗試扁平化項(xiàng)目管理

多用途飛船縮比返回艙研制取消了分系統(tǒng)設(shè)置,采用“總體-單機(jī)”兩級(jí)的總體一體化設(shè)計(jì)全新研制管理模式。通過加強(qiáng)系統(tǒng)任務(wù)分析、總體設(shè)計(jì)和指標(biāo)體系分解,直接給單機(jī)提出研制和驗(yàn)收要求;總體單位作為單機(jī)產(chǎn)品的用戶,直接參與單機(jī)強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)確認(rèn)等生產(chǎn)過程控制;采用單機(jī)直接交付驗(yàn)收模式;根據(jù)單機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn)識(shí)別單機(jī)在總裝和綜合測(cè)試期間的具體要求,并落實(shí)在裝配、總裝和測(cè)試(AIT)過程中;采用集中判讀綜合測(cè)試模式,測(cè)試判讀人員由總體單位人員組成,大幅縮減綜合測(cè)試人員規(guī)模。相對(duì)以往載人航天器型號(hào)采用的“總體-分系統(tǒng)-單機(jī)”三級(jí)研制管理,采用兩級(jí)的扁平化管理模式,提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能,提高了研制效率。

5 實(shí)踐效果

多用途飛船縮比返回艙飛行演示試驗(yàn)項(xiàng)目于2013年8月啟動(dòng)立項(xiàng)論證,2014年4月18日正式批復(fù)立項(xiàng)。項(xiàng)目采用了一步飛行產(chǎn)品投產(chǎn)、“總體-單機(jī)”一體化設(shè)計(jì)的新研制模式,全面使用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真與制造技術(shù),創(chuàng)新探索并實(shí)踐了適應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)飛行演示任務(wù)性質(zhì)和不同類型產(chǎn)品特點(diǎn)的產(chǎn)品保證體系。2014年12月完成了首輪總裝測(cè)試,先后完成了6輪總裝、5個(gè)階段綜合測(cè)試、5項(xiàng)載荷組合體和大系統(tǒng)間試驗(yàn),于2016年4月下旬完成出廠評(píng)審,空運(yùn)至發(fā)射場(chǎng),在發(fā)射場(chǎng)歷時(shí)45天,按照測(cè)試發(fā)射技術(shù)流程完成了發(fā)射場(chǎng)全部工作項(xiàng)目及發(fā)射準(zhǔn)備工作。

2016年6月25日20時(shí)00分,多用途飛船縮比返回艙在海南文昌發(fā)射場(chǎng)搭載長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射,在軌穩(wěn)定飛行約19 h后,于6月26日15時(shí)41分安全著陸在巴丹吉林沙漠,飛行演示任務(wù)取得了圓滿成功(見圖2)。

飛行試驗(yàn)后,完成氣動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)處理和氣動(dòng)參數(shù)辨識(shí),成功獲取新一代載人飛船返回艙近地返回的氣動(dòng)特性參數(shù),驗(yàn)證了返回艙氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)的正確性,突破了新一代載人飛船氣動(dòng)構(gòu)型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù),以及可拆卸式防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),驗(yàn)證了新型鋁鎂鈧合金材料的制造技術(shù)和性能,初步探索并驗(yàn)證了可重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)研制新一代載人飛船奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

通過多用途飛船縮比返回艙項(xiàng)目的實(shí)施和創(chuàng)新管理模式的探索與實(shí)踐,實(shí)現(xiàn)了預(yù)研成果與型號(hào)工程實(shí)施的有機(jī)結(jié)合,有效拓展了載人航天研發(fā)范疇,項(xiàng)目的研制管理經(jīng)驗(yàn)可為航天工程后續(xù)相關(guān)任務(wù)的組織實(shí)施提供一定的參考借鑒。

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Exploration of Innovative Management of a Scaled-down Crew Capsule of Multi-purpose Spaceship

YANG Qing HUANG Zhen WU Wenrui ZHANG Bainan YANG Lei
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

In order to demonstrate the new aerodynamic shape and reusable design technology of China’s new generation manned spaceship crew capsule.A scaled-down crew capsule of multipurpose spaceship is developed.According to the project characteristics,innovative project management methods are researched and practiced,including combination of advance research of key technologies and demonstration by flight test,flying products are produced while designs are still being tested,project development process is divided into two phases of scheme research and flight-model design,the lifecycle planning management method is carried out according to other aerocrafts such as satellite and spaceship,the products are sorted so as the product quality could be managed accordingly.By these project management methods,the development and flight test of scaled-down crew capsule are successfully conducted.By the flight test of scaled-down crew capsule,the project and scientific objectives of scaled-down crew capsule are successfully achieved.By the project,the combination of research and development and flight demonstration are realized,the research and development scope of space engineering is expanded,which opened a new path for demonstrated the research and development achievements.

multi-purpose spaceship;scaled-down crew capsule;project management;flig ht test

V475

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.020

2017-09-20;

2017-09-30

楊慶,男,博士,從事載人航天器總體設(shè)計(jì)工作。Email:qingyang1128@126.com。

(編輯:李多)