某新型復(fù)雜火工裝置質(zhì)量控制的方法與實踐

/北京航天長征飛行器研究所

航天火工裝置具有一次性使用、功能不可檢測、關(guān)系成敗的特點。北京航天長征飛行器研究所應(yīng)用的火工裝置數(shù)量多,種類全,功能復(fù)雜,可靠性要求高。據(jù)不完全統(tǒng)計,型號應(yīng)用于各種火工裝置多達(dá)一百余種,可謂“百花齊放”。其中,最為耀眼的正是某新型復(fù)雜火工裝置。

某新型復(fù)雜火工裝置歷經(jīng)近十年研制,目前已配套我國新一代重點導(dǎo)彈武器型號。基于其技術(shù)的同類產(chǎn)品也在多型重點型號上得到廣泛應(yīng)用。該裝置的設(shè)計參數(shù)要求嚴(yán)苛,力學(xué)、熱學(xué)環(huán)境復(fù)雜,研制難度極大,具有功能多樣性、元件集成性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的特點,同時,在外形尺寸、質(zhì)量上又做到了小型、輕量,堪稱我國目前最復(fù)雜的火工裝置。

該裝置集成的火工元件包含電點火器、隔板起爆器、作動裝置、微型火箭、延期點火具、氣體發(fā)生器、傳火藥盒、慢旋火箭等;集成的機械機構(gòu)包括多級活塞展開機構(gòu)、徑向活塞展開機構(gòu)、減震緩沖機構(gòu)等;涉及的裝藥種類包括起爆藥、點火藥、產(chǎn)氣藥、煙火藥、推進(jìn)劑等多種藥劑;涉及上百道各種關(guān)鍵工序。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,需要有效使用大量質(zhì)量控制措施,筆者從設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、驗收4個方面介紹了該裝置的質(zhì)量控制方法和實踐經(jīng)驗。

一、 工作與實踐

1.設(shè)計質(zhì)量保證方法

(1)“三化”設(shè)計

火工裝置的“三化”是指產(chǎn)品的通用化、系列化、組合化。通用化利于充分利用成熟產(chǎn)品獲得的可靠性子樣;系列化利于拓展產(chǎn)品應(yīng)用范圍,形成標(biāo)準(zhǔn)件;組合化可以大幅降低復(fù)雜火工系統(tǒng)的設(shè)計難度。

落實“三化”可分3步。第一,分類整理各型號應(yīng)用的火工裝置,形成產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫。第二,按照“三化”的要求,形成產(chǎn)品手冊。按照“制定規(guī)范、統(tǒng)一條件、壓縮品種、形成型譜、規(guī)范選用”的實施思路,將火工裝置中成熟度高、環(huán)境適應(yīng)性好、通用性強的基礎(chǔ)類產(chǎn)品列入手冊,為后續(xù)型號選用提供有力支撐。第三,從產(chǎn)品手冊選用和組合形成新的火工裝置。選用目錄內(nèi)產(chǎn)品可以大幅降低研制試驗成本、減少方案反復(fù)的可能性、提高系統(tǒng)可靠性。

該裝置設(shè)計之初就按照“三化”設(shè)計考慮,電點火器直接選用貨架產(chǎn)品,隔板起爆器借用定型產(chǎn)品的裝藥結(jié)構(gòu),延期點火具選用定型產(chǎn)品的藥劑,不同延期時間的延期點火具按照系列化設(shè)計,僅裝藥長度不同。

(2)冗余設(shè)計

冗余設(shè)計是指采用多個起爆、傳爆序列起爆一個最終實現(xiàn)功能的終端。各爆炸序列之間應(yīng)完全獨立,互不干擾。在結(jié)構(gòu)尺寸、設(shè)計質(zhì)量允許的條件下,采用冗余設(shè)計可以大幅提高產(chǎn)品可靠性,保證產(chǎn)品實現(xiàn)最終功能。經(jīng)過分析,對該裝置的軸向伸展、徑向展開功能起決定作用的延期點火具I進(jìn)行了冗余設(shè)計,并且2個延期點火具位置對稱,在提高可靠度的同時對產(chǎn)品的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性不產(chǎn)生任何影響。

(3)裕度設(shè)計

裕度設(shè)計是指對火工裝置各級點火、傳火、傳爆序列之間的點傳火能力在設(shè)計上留有一定的余量,能夠克服各種裝藥性能散差、藥量散差、裝配間隙散差、高低溫以及力學(xué)環(huán)境散差、裝配散差、操作散差等帶來的不利影響,確保最終功能的實現(xiàn)。裕度設(shè)計的基本要求是滿足GJB1307A-2004《航天火工裝置通用規(guī)范》。該裝置在對標(biāo)規(guī)范的基礎(chǔ)上,又對關(guān)鍵性能如釋放速度、軸向展開速度進(jìn)行了極限拉偏試驗,真正摸到邊界、摸到底線,充分吃透了產(chǎn)品的裕度。

(4)失效模式分析

失效模式分析是指對能造成產(chǎn)品失效的各種可能性進(jìn)行分析、分類、分級。該裝置在設(shè)計過程中,按照零件、元件、整機對組成產(chǎn)品的單點失效故障模式進(jìn)行分析辨識,對同類產(chǎn)品故障問題進(jìn)行了動態(tài)的舉一反三分析,不斷擴(kuò)充故障模式庫。按照GJB/Z768A-98《故障樹分析指南》以及Q/QJA304《航天型號產(chǎn)品不可檢測項目與識別要求》,對產(chǎn)品進(jìn)行FTA及FMEA分析,確認(rèn)I,II類單點故障模式,確定3類關(guān)鍵特性及其控制手段。

典型的延期點火具FTA分析例子如圖1所示,典型的整機級FMEA分析如表1所示。經(jīng)過分析,延期點火具識別出14種導(dǎo)致故障的底事件,整機級梳理出5種控制故障的措施。通過故障模式的識別和防止措施的實施,有效解決了火工裝置最終功能不可檢測的問題。

2.生產(chǎn)質(zhì)量保證方法

(1)多余物預(yù)防與控制

該裝置零件、元件、整機產(chǎn)品在加工、裝配過程中,嚴(yán)格控制了多余物,總的原則包括:合理選用零件的表面鍍覆材料和熱處理、表面處理方法,保證產(chǎn)品在規(guī)定的使用期限和環(huán)境內(nèi)不脫漆、不脫鍍層、不氧化生銹和發(fā)生脆斷;在螺紋連接部位,合理選用墊圈材料規(guī)格,防止其斷裂產(chǎn)生多余物;在涂膠、涂脂位置,嚴(yán)格量化控制膠、脂用量,防止膠、脂與藥劑接觸,或堵塞通道;合理設(shè)計密封結(jié)構(gòu),防止工作前多余物進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部;產(chǎn)品均進(jìn)行100% 射線檢查,判斷是否存在多余物。

點火器/隔板起爆器類產(chǎn)品多余物控制。機械加工環(huán)節(jié)重點針對靜放電通道的部位如殼體內(nèi)孔、放電小孔、瓷芯、絕緣墊外圓,100%檢查無飛邊、毛刺、劃痕、積屑瘤,防止裝配過程產(chǎn)生刮屑。對塑壓、封接、鍍覆等可能影響產(chǎn)品電性能的環(huán)節(jié),主要是防止金屬多余物的引入,并通過超聲波清洗等手段將玻璃粉、殘余槽液等雜質(zhì)清洗干凈。裝配環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格裝前檢查,采用顯微鏡檢查確認(rèn)放電通道相關(guān)部位無飛邊、毛刺等多余物。電焊橋帶通過試焊,在保證不虛焊的條件下盡可能降低焊接電壓,減少電焊飛濺物的產(chǎn)生;對焊橋件和藥室組件均100%振動篩選,剔除電阻不穩(wěn)定產(chǎn)品;涂膠、灌膠后及時進(jìn)行清查,100%檢查極針、孔壁、鍵等部位,確保無殘留膠膜。裝配過程進(jìn)行多媒體記錄,成品100%進(jìn)行射線無損檢測,確保產(chǎn)品裝配正確,無多余物。

固體火箭類多余物控制。裝配前,檢查密封面、密封圈表面清潔無污染物,涂膠涂脂時不能產(chǎn)生堆積和污染其他非涂脂區(qū)域的污染物。100%檢查點傳火通道螺紋、通孔處無飛邊、毛刺,保證塞規(guī)順利通過,傳火孔涂膠前量化涂膠量,發(fā)火接頭擰入火箭殼體前用內(nèi)窺鏡檢查傳火通道,確定無多余物后立即擰入發(fā)火接頭,封閉傳火通道。裝配過程均進(jìn)行多媒體記錄,點火藥盒、藥柱、火箭成品均100%進(jìn)行射線無損檢測,確保產(chǎn)品裝配正確,無多余物。

索類多余物控制。對原始空管和拉伸后空管進(jìn)行清擦和100% 檢查,確保金屬管內(nèi)壁無雜質(zhì)損傷,無油污、纖維等雜質(zhì)。烘藥過程用專用蓋板遮蓋,烘藥后用劃格法檢查藥劑無可見雜質(zhì)。篩藥時用清擦干凈的鋁塑薄膜遮蓋分樣篩,使用橡皮耙輔助過篩,禁止使用毛刷等;裝藥前用藥勺翻動檢查藥劑篩下物中無夾雜及其他異常情況。裝配過程進(jìn)行多媒體記錄,成品100% 進(jìn)行射線無損檢測,確保產(chǎn)品裝配正確,無多余物。

作動裝置多余物控制。正式裝配前,先試裝和磨合,檢查零件相互之間運動無卡滯,配對放置;采用測力計測量并記錄2根作動筒之間的拉力數(shù)值,配對好的2個作動筒之間的摩擦力應(yīng)滿足設(shè)計要求。試裝和磨合后,將

零件上附著的細(xì)小金屬屑清洗干凈;避免螺紋膠液流入運動面。裝配過程中,在需要涂油脂的O型圈表面,量化控制涂油脂量,并將多余油脂清擦干凈,防止油脂與藥劑表面接觸。防止O型圈損傷、產(chǎn)生多余物,內(nèi)外筒安裝后檢查有無多余物擠出。裝配過程進(jìn)行多媒體記錄,成品100%進(jìn)行射線無損檢查,確保裝配正確,無多余物。

(2)電子裝聯(lián)質(zhì)量控制

起爆裝置用電點火器。采用橋帶式電點火器,其發(fā)火元件部分的加工工藝為焊接。

點焊橋帶過程控制措施。焊接前極針端頭去氧化層;試焊接5～10發(fā),并進(jìn)行破壞性檢查;首檢5～10發(fā)焊接牢固,每20發(fā)一組,取每組最后一發(fā)作破壞性檢查;100% 自檢電焊無虛焊、擊穿和突尖;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100%自檢,10%抽檢。

焊導(dǎo)線過程工藝控制措施。焊接前先對極針與導(dǎo)線芯線分別進(jìn)行掛錫;控制焊接溫度應(yīng)滿足260～300℃,焊接時間不大于3s;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100% 自檢,10% 抽檢。

鍍金元器件焊接部位除金質(zhì)量控制。用電烙鐵在鍍金極針進(jìn)行重復(fù)性上錫;焊接時用電烙鐵沾焊錫對鍍金極針進(jìn)行重復(fù)性上錫;用低電阻測試儀測試橋路電阻,100% 自檢,10% 抽檢。

(3)防錯、漏裝質(zhì)量控制

該裝置由3種速度系列組成,不同代號的裝置之間、內(nèi)零部件、內(nèi)裝火工元件除可相互借用的產(chǎn)品外,均加以區(qū)分。從產(chǎn)品標(biāo)識、外觀、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行有效的防差錯設(shè)計。

電點火器、隔板起爆器通過外形和螺紋規(guī)格不同加以區(qū)分,延期點火器通過長度和外觀防差錯結(jié)構(gòu)不同加以區(qū)分,作動機構(gòu)通過外形不同加以區(qū)分,燃?xì)鈾C構(gòu)通過外觀標(biāo)識不同加以區(qū)分。該裝置在明顯位置采用不同顏色區(qū)分工作速度:低速度黃色,中速度藍(lán)色,大速度黑色。

元件級、整機級在裝配前,對每一道工序進(jìn)行配盤、多媒體記錄。確保這道工序的零件數(shù)量和裝配總數(shù)量能夠?qū)?yīng)。裝配完成后,交付前每個元件和裝置均需要進(jìn)行射線檢查,逐一確認(rèn)零件種類、數(shù)量。

(4)外包質(zhì)量控制

該裝置涉及一定數(shù)量的零件、藥劑為外協(xié)、外購件。在外協(xié)、外購產(chǎn)品投產(chǎn)前,生產(chǎn)廠家組織相關(guān)技術(shù)人員對產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行梳理,確保將產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化、工藝禁限用、多余物控制等要求及時準(zhǔn)確地傳達(dá)給外購廠家,在合同中明確技術(shù)、質(zhì)量保證要求。

外協(xié)加工中,對試驗外協(xié)工序,派試驗檢測人員到外協(xié)廠進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)督和檢驗,確保外協(xié)過程得到控制;對外協(xié)零件進(jìn)行100%入廠復(fù)驗,必要時進(jìn)行首件檢驗和破壞性檢查。

對于推進(jìn)劑等外協(xié)產(chǎn)品,工廠應(yīng)提出明確的驗收項目,包括理化性能、爆熱、水分、密度、化學(xué)安定性、靜態(tài)燃速、常溫比沖性能等。

3.試驗質(zhì)量保證方法

及時。為確保試驗及時性,整機級產(chǎn)品緊前策劃制定試驗大綱,各級產(chǎn)品根據(jù)整機級試驗大綱,結(jié)合自身特點分別制定各自試驗大綱。每級產(chǎn)品在開展考核性試驗前,均進(jìn)行充分摸底試驗。確保提前考核,將風(fēng)險暴露在本級產(chǎn)品中。

真實。為確保試驗真實性,所有試驗均按照接近真實邊界條件來確定試驗環(huán)境和試驗工裝狀態(tài)。為保證測量釋放速度、旋轉(zhuǎn)速度的準(zhǔn)確性,所有整機釋放試驗、展開成形試驗均在特別設(shè)計的真空、失重試驗系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行考核。

全面覆蓋。為保證試驗的全面、覆蓋性,嚴(yán)格對標(biāo)總體環(huán)境試驗條件和國軍標(biāo)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對元件級考核全面、覆蓋、加嚴(yán),對整機級考核全面、覆蓋。通過對各級產(chǎn)品試驗狀態(tài)的控制,確保了產(chǎn)品研制階段考核充分。

過程正確,結(jié)果有效。為保證試驗過程正確、結(jié)果有效,對參加試驗的測試人員、操作人員進(jìn)行技術(shù)交底和事故預(yù)想,對操作人員進(jìn)行崗前培訓(xùn),確定每個操作步驟的量化要求。每級產(chǎn)品正式試驗前,再次確認(rèn)產(chǎn)品的安裝固定狀態(tài),并對產(chǎn)品外觀進(jìn)行拍照記錄。試驗過程中,對需要采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行提前、全程記錄。試驗完成后,對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄,保存原始文件,并對完成試驗的產(chǎn)品進(jìn)行再次拍照記錄。如果出現(xiàn)意外情況,則對試驗件殘骸進(jìn)行保護(hù)、收集和分析,仔細(xì)記錄能提供故障分析線索的每個環(huán)節(jié)。

4.驗收質(zhì)量保證方法

該裝置的電點火器選用貨架產(chǎn)品,除本型號外,也被其它多型號借用。該產(chǎn)品按照“型號管理與產(chǎn)品管理并重”的思路開展組批驗收工作。具體分4步:第一,組織成立基于產(chǎn)品的驗收隊伍;第二,去型號化,各型號統(tǒng)一驗收技術(shù)要求;第三,按照產(chǎn)品驗收隊伍對質(zhì)量負(fù)責(zé)、型號隊伍對技術(shù)負(fù)責(zé)的原則,組織驗收;第四,驗收完成的產(chǎn)品不改變原有的配套關(guān)系和齊套路線,分型號交付使用。該項工作的開展,避免了重復(fù)性試驗和驗收,解放了型號設(shè)計人員,大幅提高驗收效率,節(jié)約驗收周期和成本,保證了產(chǎn)品交付進(jìn)度。

二、 實踐效果

1.可靠性提升，成本降低

通過冗余設(shè)計和裕度設(shè)計,可靠性大幅提升。通過通用化、系列化、組合化的“三化”設(shè)計,該裝置火工元件都實現(xiàn)了種類和數(shù)量的壓縮。在產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的條件下,火工裝置內(nèi)部的元件變的相對“簡單”,使設(shè)計、生產(chǎn)、特別是試驗過程簡化、試驗子樣數(shù)量減少,大幅度降低了研制成本。

2.全流程控制，規(guī)范化管理

該裝置結(jié)合失效分析,實現(xiàn)全流程質(zhì)量控制。解決最終功能不可檢、不可測問題,提高裝置工作可靠性。在失效分析的基礎(chǔ)上,對分解出的底事件采取針對性措施。對設(shè)計、研制試驗、生產(chǎn)、驗收、交付、使用環(huán)節(jié)的控制措施全部進(jìn)行量化,并形成規(guī)范性文件。采用全流程質(zhì)量控制手段后落實了對外包單位質(zhì)量的把控,細(xì)化了顆粒度,大幅提高產(chǎn)品質(zhì)量。最后,形成設(shè)計及研制環(huán)節(jié)控制表、生產(chǎn)過程控制表、驗收試驗狀態(tài)檢查控制表、驗收交付使用環(huán)節(jié)控制表。在產(chǎn)品驗收和使用環(huán)節(jié),由任務(wù)書提出方牽頭,設(shè)計、生產(chǎn)、使用方配合,對照檢查實施,實現(xiàn)對產(chǎn)品的全流程控制。這一系列措施大幅度提升了產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量,保證了按時交付。

3.零死角防控，確保成功

該裝置在零件、元件、整機級產(chǎn)品的生產(chǎn)中,落實了多余物防控,電子裝聯(lián)控制,防錯、漏裝控制以及外包質(zhì)量控制。這些措施的有效實施,確保了零件、火工元件、整機在各環(huán)節(jié)中的質(zhì)量。使對最終功能可能造成不利影響的環(huán)節(jié)得到了有效控制,保證了該裝置的質(zhì)量。

4.組批驗收，高效率，低成本

在通用產(chǎn)品中創(chuàng)新開展去型號化組批驗收工作。在保證滿足不同型號技術(shù)要求的前提下,大幅提高產(chǎn)品驗收效率,保證了質(zhì)量,避免了重復(fù)性試驗和驗收,解放了型號設(shè)計人員,節(jié)約了驗收周期和成本,保證了產(chǎn)品交付進(jìn)度。

三、 后續(xù)思路

為繼續(xù)引領(lǐng)火工技術(shù)發(fā)展,進(jìn)一步提升質(zhì)量,應(yīng)對不斷涌現(xiàn)的新型號、新需求,未來可圍繞以下幾個方面開展工作:

一是加強組批驗收管理能力。在進(jìn)一步推進(jìn)火工裝置產(chǎn)品化工作的基礎(chǔ)上,大力開展去型號化技術(shù)研究、通用驗收規(guī)范編制、基于產(chǎn)品的驗收隊伍建設(shè)等工作。對接上游任務(wù)提出方和下游配套產(chǎn)品生產(chǎn)廠,為更多產(chǎn)品開展組批驗收工作打通關(guān)鍵環(huán)節(jié),鋪平道路。

二是加強知識管理能力。對相關(guān)火工裝置設(shè)計、使用單位的故障案例、失效模式進(jìn)行收集整理,完善故障案例集。進(jìn)一步加快建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系,在目前已有所標(biāo)、院標(biāo)的基礎(chǔ)上,按照火工裝置分類細(xì)化各產(chǎn)品的設(shè)計、驗收、試驗標(biāo)準(zhǔn),再編寫一批高水平的標(biāo)準(zhǔn)群,提升質(zhì)量控制能力。

三是加強試驗?zāi)芰?。在充分挖掘現(xiàn)有試驗廠家試驗?zāi)芰Φ幕A(chǔ)上,在地面試驗中最大限度的模擬真空、失重、深冷、高溫等環(huán)境,不斷將環(huán)境適應(yīng)性問題暴露并解決在研制過程之中。

四是加強仿真能力。在提高筒內(nèi)釋放仿真技術(shù)準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步推廣火工裝置裝藥燃燒、傳熱、內(nèi)外流場機理的研究及仿真應(yīng)用。提高設(shè)計效率,使發(fā)火試驗更具有針對性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化更合理、裕度分析更準(zhǔn)確,實現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量再上臺階。