逃逸發(fā)動機批量生產裝藥質量一致性控制

張 瑾，李萬紅，賀天鵬，嚴秀俠，朱小波

（1. 西安航天化學動力有限公司, 西安，710025；2. 航天動力技術研究院，西安，710025）

0 引 言

逃逸發(fā)動機是逃逸系統(tǒng)的重要組成部分，逃逸系統(tǒng)是當運載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險，威脅航天員的生命安全時，負責使航天員脫離危險區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要的條件。航天動力技術研究院為逃逸系統(tǒng)提供4種發(fā)動機，其中逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機及控制發(fā)動機組成頭部動力裝置。

逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動機的可靠性和安全性一直是關注的重點。逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、控制發(fā)動機、高空逃逸發(fā)動機的可靠度要求分別為：0.999、0.9999、0.9995、0.9995。發(fā)動機制造過程的可靠性是設計固有可靠性的保證，要保證每一臺產品有高的可靠性就要求生產過程每一個工藝環(huán)節(jié)的質量都滿足要求。固體發(fā)動機裝藥是一個復雜的過程，絕熱殼體成型手工操作多，襯層成型過程不可檢不可測，復合固體推進劑的性能易受原材料的批次性、生產環(huán)境溫濕度及工藝過程等因素的影響。目前，中國空間站迎來高密度發(fā)射期，逃逸發(fā)動機要大批量裝藥生產，才能滿足高密度發(fā)射的需求。應對高密度發(fā)射帶來的風險和挑戰(zhàn)，保證每一次逃逸發(fā)動機的可靠運行，這就需要在生產組織模式上創(chuàng)新，管理方式上適應批生產要求，運用先進技術強化質量風險防控體系。

1 批量生產質量一致性需解決的問題

逃逸發(fā)動機要求快速啟動、大推力，因此在發(fā)動機設計時，采取了多項技術攻關，其中，為使推進劑燃燒速度快，燃燒時間短以提供大推力，采用了薄肉厚、大燃面的裝藥設計。推進劑采用高燃速、低鋁配方，為保證推進劑有良好的力學性能及工藝性能，采用IPDI固化體系；小直徑薄肉厚燃燒室采用插管澆注有一定的困難，最終采用插芯澆注工藝。研制階段，常見的缺陷主要有如下幾個方面：

a）氣孔：燃燒室為薄肉厚、大燃面藥型設計，采用插芯工藝。插芯過程的速度過快或操作過程引起芯模的轉動，都會導致藥面出現缺陷，從而影響燃燒室的內彈道性能。

b）人工脫粘層鼓包：為釋放燃燒室內應力，燃燒室頭尾設計有人工脫粘層，在裝藥過程中，人工脫粘層中夾縫中氣體通道不暢通，在真空澆注時，殼體內腔和人工脫粘層之間的壓差會導致人工脫粘層鼓包，影響藥型結構；此外，在裝藥過程中，若人工脫粘層鼓起與芯模接觸，還會造成裝藥界面的脫粘。

c）絕熱層/襯層/推進劑界面發(fā)軟、脫粘：逃逸系統(tǒng)發(fā)動機采用以IPDI為固化劑的丁羥高燃速推進劑。由于體系細氧化劑含量高，對空氣濕含量非常敏感，且IPDI固化體系的后固化特點，其反應速度慢，在界面處的遷移機會加大，容易造成界面發(fā)軟，影響產品性能。

d）燃速超差：高燃速推進劑配方中添加了高比例的燃速催化劑，并使用大量的細粒度氧化劑，燃速極易受細氧化劑粒度波動而出現較大的偏差。

上述缺陷直接影響到發(fā)動機的最終質量，而逃逸發(fā)動機裝藥為單次、單臺生產模式，保證質量一致性，就要從減少工藝波動入手，消除原材料批次差異性，固化工藝過程，標準化操作，精細化管理。

2 批量生產裝藥質量控制

人、機、料、法、環(huán)是影響質量一致性的重要因素，對于批量產品的質量可靠性，就需要從這5個方面入手，生產前確定人員資質，明確設備、工裝、原材料批號，確定生產工藝參數及環(huán)境要求，并在產品生產過程中實現動態(tài)監(jiān)控和管理。

2.1 人員素質要求

固體發(fā)動機是由點火裝置、燃燒室、噴管及其他零部件組成，其中燃燒室由殼體、絕熱層、襯層、推進劑組成，任何一部分的失效都會造成整體失敗。人是計劃實施中最重要的因素，逃逸發(fā)動機生產前，對工作人員，包括計劃調度、工藝人員、操作工人、檢驗人員進行專門培訓、考核，培訓內容包括歷次生產的工藝質量問題及措施、生產關鍵控制點的措施以及工藝規(guī)程。要求操作人員考核合格后才能上崗工作。同時，生產上采用項目組制度、專人專線生產模式。即，由計劃、工藝及質量組成的項目組負責產品制造過程各個環(huán)節(jié)的協(xié)調、問題處理；由具有豐富生產經驗的操作人員帶班，負責特定型號特定工序的生產。

人員素質的重要因素之一是工作態(tài)度，在生產前召開生產啟動會，明確了產品重要性，任務的重要意義，強化人員的責任感。絕熱生產過程采用等級評價制度，對每發(fā)產品進行評級，并按評星等級對操作人員進行獎勵，調動人員的積極性，質量控制與激勵政策并行?？臻g站任務絕熱產品“四星”率達80%以上。

2.2 設備、工裝的檢定維護

固體發(fā)動機制造過程很多尺寸需要模具保證，工裝模具的精度和維護保養(yǎng)狀況對產品質量有很大的影響，例如殼體機口部位絕熱層的接口尺寸需要絕熱固化工裝保證，藥型結構需要芯模保證。因此，在生產前需要對涉及產品結構尺寸的絕熱固化工裝尺寸復驗，對影響產品絕熱質量的氣囊嚴格執(zhí)行入廠測量、壓力檢測，嚴格控制使用次數；檢查模具表觀質量，并對與推進劑直接接觸的工裝表面重新燒結聚四氟乙烯層，以使藥面平整光滑。

對關鍵工序設備、儀器儀表進行鑒定，對測試設備重新鑒定、校準，確保使用正常，在有效期內。

2.3 原材料的批次性管理

固體發(fā)動機的裝藥生產主要包括絕熱、襯層成型及推進劑裝藥三大工序，其質量直接影響產品的成敗。生產過程涉及的直接和間接非金屬原材料29種。準確合理的選材是保證逃逸發(fā)動機質量的前提，在生產前，根據以往生產數據包的積累，對29種原材料使用的合格供方、原材料性能指標及產品性能進行統(tǒng)計分析。以神舟十一號為基線，確定了空間站任務用原材料的供方、批次，使批量生產的原材料均在合格包絡內。針對小批量原材料進行組批，以保證批量產品用原材料的質量一致性。

生產前對原材料進行再次復驗，生產時原材料專區(qū)存放，指定型號專用，即該批次原材料僅用于逃逸發(fā)動機的裝藥。嚴格各型號用原材料的發(fā)放管理，準確記錄使用原材料的批次及用量，保證了原材料的可追溯性

2.4 生產環(huán)境的控制

燃燒室裝藥受環(huán)境的濕含量影響較大，絕熱粘貼過程，水分會導致界面脫粘，推進劑和襯層固化體系對水分都非常敏感，不僅會降低性能，嚴重時造成產品報廢。因此需嚴格控制生產過程的環(huán)境絕對濕含量。利用溫濕度監(jiān)控設備、除濕機、空調等裝置控制濕度，采用原材料預烘，使用前測試水分含量等措施降低水分的影響。

2.5 生產過程的質量控制

逃逸發(fā)動機的裝藥、總裝生產過程是一個多工序串聯(lián)的過程，主要由殼體絕熱工序、襯層成型工序、燃燒室裝藥工序及發(fā)動機總裝工序組成。各個工序中又分為多個子工序，如圖1所示。

圖1 逃逸發(fā)動機裝藥總裝流程示意Fig.1 Schematic Diagram of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

2.5.1 工藝準備

逃逸發(fā)動機空間站任務啟動后，工藝部門針對設計文件的狀態(tài)進行全面梳理，細化落實文件的要求，并結合目前生產技術的特點，編制了空間站任務的工藝文件，針對特種工藝，進行了識別和確認，編制了專用的技術文件和質量控制程序。并在關鍵工序首頁標識，并統(tǒng)計關鍵工序、特殊過程的參數包絡線，對關鍵點設置停止點，監(jiān)督檢查。

2.5.2 工藝過程的PFMEA分析

根據Q/QJA 66-2010《航天產品工藝風險分析》對逃逸發(fā)動機裝藥總裝過程開展PFMEA分析，從殼體絕熱、襯層成型到推進劑的裝藥、總裝，涉及生產的各個環(huán)節(jié)，梳理風險項目41項，并從風險的嚴重度（見表1）、發(fā)生度（見表2）、檢出度分析（見表3）、評價，并制定措施，FMEA分析樣表見表4。

表1 Severity(PFMEA)嚴重度Tab.1 Severity(PFEMA)

表2 Occurrence（PFMEA）發(fā)生度Tab.2 Occurrence (PFMEA)

表3 Detection（PFMEA）檢出度Tab.3 Detection(PFMEA)

表4 逃逸發(fā)動機裝藥總裝工藝PFMEA分析表Tab.4 PFMEA Analysis of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

針對風險分析識別的結果，對風險優(yōu)先數字大于40的項目，制定量化的工藝參數，確定9項為工藝關鍵特性，形成了工藝關鍵特性匯總表，并將措施納入工藝文件中，嚴格控制。

2.5.3 過程的監(jiān)控及結果的測試

固體發(fā)動機裝藥生產是一個復雜的工藝過程，為了保證最終產品具有高的可靠性和性能重現性，必須對生產全過程嚴格、有效的控制，對結果有可靠的測試手段。

a）生產過程的停止點檢查。

固體發(fā)動機生產過程很多工序都是不可逆的，因此，過程的質量控制直接決定著產品的最終質量和性能的一致性。絕熱殼體的脫粘、襯層/推進劑的界面脫粘以及燃燒室氣孔都是影響產品質量的缺陷。在生產中確定了絕熱殼體固化前的一界面超聲波探傷及絕熱層厚度測量，避免了固化后一界面脫粘再進行二次固化修補。在絕熱殼體噴涂襯層前設置了絕熱殼體質量確認的強制檢驗點，確定絕熱殼體狀態(tài)復合設計要求；在燃燒室裝藥后設置了燃燒室評審的強制檢驗點。強制檢驗點的檢查確認由設計、工藝、質量、操作人員參與，極大地提高了產品質量控制的有效性。

b）產品的質量檢測。

工序中產品的質量檢測也是一項非常重要的工作，發(fā)動機過程檢測主要包括隨爐試件的性能檢測、絕熱殼體厚度測量、一界面的超聲波檢測，燃燒室的CT探傷、發(fā)動機的尺寸測量、整機測試以及氣密檢測等。對工序測試結果的分析、判定為保障產品質量一致性奠定了良好的基礎。

2.5.4 工藝參數及性能數據的包絡分析

固體發(fā)動機襯層和推進劑的性能是重要的指標，影響著發(fā)動機藥柱的結構完整性及內彈道性能。由于襯層、推進劑的固化是化學反應過程，受原材料批次、生產環(huán)境條件的影響，每一次生產都需要適時調節(jié)固化參數和燃速參數。為保證批生產質量的一致性，原材料選取同批次原材料，并進行多輪次的25L配方調試，根據試驗結果選取恰當的固化參數和燃速參數。

生產中注重工藝參數和性能數據的包絡分析。統(tǒng)計生產中的工藝參數60項，結合性能數據進行對比分析，對合格/超包絡分析，力求產品質量的一致性。

3 結束語

產品的可靠性是設計出來的，是產品固有的可靠性，批量生產發(fā)動機的質量一致性是管理出來的，也是每一個從事載人航天工程的技術人員、管理人員、操作人員高度責任心的結晶。扎實做好生產前的準備工作，加強過程的監(jiān)督，落實結果的分析確認，每一個環(huán)節(jié)都是質量一致性的可靠保障。