航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性“五維度”分析方法研究與實(shí)踐

權(quán)曉波、王永明、翟磊、邰艷芳 /中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

周一磊 /北京宇航系統(tǒng)工程研究所

近年來(lái)，隨著航天產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，新技術(shù)的不斷應(yīng)用，系統(tǒng)的復(fù)雜度日益提高，有效降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量是目前需要解決的主要問(wèn)題。中國(guó)航天在長(zhǎng)期型號(hào)研制實(shí)踐中，通過(guò)開(kāi)展故障模式及影響分析（FMEA），辨識(shí)I、II類(lèi)單點(diǎn)故障模式，自上而下分析識(shí)別產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性、工藝關(guān)鍵特性和過(guò)程控制關(guān)鍵特性，從“測(cè)試、驗(yàn)收、檢驗(yàn)、工藝、人員”5個(gè)環(huán)節(jié)制定控制措施，確保產(chǎn)品高可靠、高質(zhì)量。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性是關(guān)鍵特性識(shí)別的源頭，其識(shí)別、分析與量化控制反映了設(shè)計(jì)人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程關(guān)鍵環(huán)節(jié)的把控水平，準(zhǔn)確識(shí)別分析設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品關(guān)鍵特性管理、有效降低和避免風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的重要基礎(chǔ)，更是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和控制過(guò)程中的關(guān)鍵。為此，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性分析工作，本文提出了試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真分析、參數(shù)包絡(luò)、冗余保證、類(lèi)比佐證5個(gè)維度的閉合分析方法，并在航天產(chǎn)品研制過(guò)程中實(shí)踐應(yīng)用，降低了產(chǎn)品研制技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

一、產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)流程和方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性識(shí)別主要圍繞產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸入文件各項(xiàng)要求轉(zhuǎn)化、分配的產(chǎn)品各類(lèi)性能、功能指標(biāo)，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)的梳理，應(yīng)用相關(guān)的分析和仿真手段，按照指標(biāo)要求逐級(jí)分解的思路，識(shí)別出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)加以關(guān)注和驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員應(yīng)與生產(chǎn)單位充分溝通，確保對(duì)識(shí)別出的關(guān)鍵特性與控制相關(guān)要求保持一致。航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)流程如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)流程

1.FMEA是設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性可靠辨識(shí)的前提

FMEA處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)開(kāi)始階段，直接影響后續(xù)單點(diǎn)故障模式識(shí)別及特性分類(lèi)分析的準(zhǔn)確性，因此FMEA分析是設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性可靠辨識(shí)的前提。FMEA是一種對(duì)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機(jī)中各產(chǎn)品的故障模式、原因及影響進(jìn)行可靠性分析的方法，其目的在于找出所有潛在的失效模式和產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性地采取相關(guān)預(yù)防、改進(jìn)或裕度措施，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性。隨著數(shù)字化技術(shù)和仿真技術(shù)的廣泛采用，F(xiàn)MEA分析驗(yàn)證技術(shù)逐步代替了傳統(tǒng)的產(chǎn)品FMEA分析，其利用數(shù)字仿真手段的定量推理代替過(guò)去由手工計(jì)算的定性推理，使故障模式識(shí)別和推理得以量化，分析中能夠準(zhǔn)確測(cè)量并獲取幾乎所有參數(shù)的變化情況，包括故障件及故障件的各項(xiàng)參數(shù)，還可以進(jìn)行多因素分析以及共因或共模故障的分析。

為確保FMEA工作有效，需要全面識(shí)別產(chǎn)品失效模式和薄弱環(huán)節(jié)并采取有效的控制措施。一是要確保FMEA與設(shè)計(jì)同步開(kāi)展，保證FMEA開(kāi)展的及時(shí)性和規(guī)范性；二是識(shí)別失效模式及其起因的全面性，表述失效模式及其原因影響的正確性，采取針對(duì)性和可操作性的控制措施。

2.單點(diǎn)故障識(shí)別是設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)的保證

單點(diǎn)故障是指系統(tǒng)中一點(diǎn)失效就會(huì)讓整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生故障，且沒(méi)有冗余作為補(bǔ)救措施的產(chǎn)品故障。單點(diǎn)故障識(shí)別是航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性辨識(shí)的保證，是釋放產(chǎn)品技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)非常有效的方法和手段。

分析系統(tǒng)／單機(jī)的組成和工作原理是單點(diǎn)故障識(shí)別的起點(diǎn)。系統(tǒng)級(jí)顆粒度分析可以達(dá)到能夠完成某一特定功能的單機(jī)或者組件；單機(jī)級(jí)顆粒度分析可以達(dá)到元器件及零部組件。識(shí)別過(guò)程為：首先按照功能、組成及任務(wù)剖面構(gòu)建全系統(tǒng)的可靠性框圖。其次，識(shí)別存在單點(diǎn)故障模式的組件（單機(jī)），開(kāi)展單點(diǎn)故障分析工作。再次，識(shí)別單點(diǎn)故障模式，篩選故障模式嚴(yán)酷度為災(zāi)難型和成敗型的單點(diǎn)故障模式，綜合分析原理、組成、冗余、發(fā)生概率等因素，統(tǒng)計(jì)出全系統(tǒng)單點(diǎn)故障模式。最后，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)文件下廠生產(chǎn)前，按照航天產(chǎn)品特性分類(lèi)要求開(kāi)展產(chǎn)品特性分類(lèi)分析，重點(diǎn)對(duì)型號(hào)I、II類(lèi)單點(diǎn)故障模式進(jìn)行分析，識(shí)別產(chǎn)品關(guān)鍵特性(件)、重要特性（件）。

此外，航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性分析還有技術(shù)指標(biāo)分析、通用質(zhì)量特性分析、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析等方法，通過(guò)總體—分系統(tǒng)—單機(jī)—部組件層層傳遞特性分析要求，確保設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性分析完整、正確、高效。

二、設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性“五維度”分析方法

基于航天項(xiàng)目技術(shù)復(fù)雜、環(huán)境苛刻、風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，在辨識(shí)出的諸多設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性中，需要對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)的閉環(huán)性和生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)要求的有效性進(jìn)行科學(xué)分析與評(píng)價(jià)。為此，在總結(jié)航天項(xiàng)目多年研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出了“五維度”分析方法，具體分析流程如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性“五維度”分析流程

1.試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品關(guān)鍵特性的首選方法

試驗(yàn)是航天項(xiàng)目研制工作中的重要組成部分，是驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案正確性、設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)合理性以及產(chǎn)品可靠性的重要手段，是化解研制風(fēng)險(xiǎn)的有效措施，是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首選方法。

為通過(guò)試驗(yàn)有效驗(yàn)證設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性，一方面，要關(guān)注試驗(yàn)設(shè)計(jì)的充分性：一是應(yīng)滿(mǎn)足試驗(yàn)項(xiàng)目覆蓋飛行的全過(guò)程和所有飛行環(huán)境，每個(gè)使用剖面和使用環(huán)境；二是單機(jī)測(cè)試覆蓋系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目；三是系統(tǒng)測(cè)試覆蓋試驗(yàn)基地測(cè)試項(xiàng)目；四是試驗(yàn)接口滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求或協(xié)調(diào)要求；另一方面，要關(guān)注試驗(yàn)狀態(tài)的真實(shí)性：一是檢查試驗(yàn)參試產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)與正式產(chǎn)品的差異性；二是檢查試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)條件是否接近真實(shí)情況及與真實(shí)狀態(tài)的差異；三是關(guān)注測(cè)試設(shè)備運(yùn)行條件和邊界模擬的真實(shí)性。

2.仿真分析是試驗(yàn)驗(yàn)證考核的有力補(bǔ)充

雖然試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品關(guān)鍵特性的首選方法，但隨著航天型號(hào)研制周期越來(lái)越短，成本約束越來(lái)越多，無(wú)法達(dá)到所有關(guān)鍵特性均通過(guò)傳統(tǒng)地面試驗(yàn)驗(yàn)證。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，仿真技術(shù)越來(lái)越成熟，仿真分析在航天工程項(xiàng)目中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，已成為方案論證、系統(tǒng)集成、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過(guò)程中的重要研制手段，同時(shí)，也成為試驗(yàn)驗(yàn)證考核的有力補(bǔ)充。

航天項(xiàng)目中應(yīng)用的仿真可分為專(zhuān)業(yè)、系統(tǒng)和綜合仿真。通過(guò)開(kāi)展多狀態(tài)和偏差狀態(tài)下的專(zhuān)業(yè)仿真，可以有效發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，化解風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)仿真主要指以總體、分系統(tǒng)的性能仿真或關(guān)鍵環(huán)節(jié)的過(guò)程模擬為目標(biāo)，開(kāi)展的多專(zhuān)業(yè)聯(lián)合仿真。通過(guò)開(kāi)展偏差狀態(tài)或故障狀態(tài)下的系統(tǒng)仿真，可以分析系統(tǒng)之間接口參數(shù)的敏感性，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性，實(shí)現(xiàn)綜合類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的分析與化解。綜合仿真主要指系統(tǒng)級(jí)的涉及多專(zhuān)業(yè)、多系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，以及針對(duì)特定任務(wù)與目標(biāo)分析的虛擬試驗(yàn)等，通過(guò)開(kāi)展全系統(tǒng)的綜合仿真，可以驗(yàn)證各大系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的驗(yàn)證與評(píng)估。

3.參數(shù)包絡(luò)是評(píng)估特性設(shè)計(jì)的可靠方法

參數(shù)包絡(luò)方法是評(píng)估產(chǎn)品關(guān)鍵特性設(shè)計(jì)正確性、合理性的可靠手段。根據(jù)以往成功子樣數(shù)據(jù)包工作，結(jié)合關(guān)鍵特性以及關(guān)鍵工序、特殊過(guò)程、原材料數(shù)據(jù)、產(chǎn)品功能性能指標(biāo)、生產(chǎn)工藝參數(shù)控制等方面內(nèi)容，在不同系統(tǒng)設(shè)備中開(kāi)展原材料性能、工藝參數(shù)、產(chǎn)品性能和環(huán)境條件4條包絡(luò)線橫向和縱向的數(shù)據(jù)包絡(luò)線分析和確認(rèn)工作，評(píng)估產(chǎn)品是否滿(mǎn)足執(zhí)行任務(wù)能力。

在原材料性能、工藝參數(shù)、產(chǎn)品性能和環(huán)境條件包絡(luò)分析基礎(chǔ)上，針對(duì)存在“包絡(luò)/超差”“不包絡(luò)/合格”“不包絡(luò)/超差”的產(chǎn)品逐一進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，從參數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的裕度以及地面試驗(yàn)結(jié)果分析2個(gè)方面進(jìn)行分析，得出是否影響飛行試驗(yàn)的結(jié)論。開(kāi)展產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)差異性分析，將產(chǎn)品各階段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間進(jìn)行比對(duì)，找出實(shí)測(cè)參數(shù)的離散、偏差情況，對(duì)處于超差、臨界、跳變的參數(shù)進(jìn)行專(zhuān)題分析，充分利用以往航天飛行成功子樣，明確偏差量對(duì)飛行試驗(yàn)的影響程度。

4.冗余設(shè)計(jì)是消除單點(diǎn)故障的可靠手段

冗余設(shè)計(jì)是一種優(yōu)化技術(shù)。一般指在費(fèi)用、質(zhì)量和體積等因素的限制下，如何設(shè)置冗余單元，使整體系統(tǒng)可靠性最大。冗余設(shè)計(jì)是有效提高產(chǎn)品可靠性水平的可靠手段之一。針對(duì)識(shí)別出的I、II類(lèi)單點(diǎn)故障模式，在考慮性?xún)r(jià)比和效能比等基礎(chǔ)上采取冗余設(shè)計(jì)等措施，消除或減少I(mǎi)、II類(lèi)單點(diǎn)故障模式。

采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)與性能、成本等進(jìn)行綜合權(quán)衡分析。為消除單點(diǎn)故障提升系統(tǒng)的可靠性而采用冗余設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先在低層次產(chǎn)品中采用冗余技術(shù)，并充分分析構(gòu)成冗余布局所需的轉(zhuǎn)換器件、誤差檢測(cè)器和其他外部器件可能引起系統(tǒng)失效的風(fēng)險(xiǎn)。采用冗余設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)應(yīng)是可以檢測(cè)的，采用冗余設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)冗余產(chǎn)品的故障（失效）模式采用相應(yīng)的冗余方式。

5.類(lèi)比佐證是發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)的有效工具

類(lèi)比佐證是從已有的對(duì)象中提取所需特征和信息，將其應(yīng)用于相似的對(duì)象中進(jìn)行對(duì)比論證，通過(guò)系統(tǒng)之間的相似性分析，將已有系統(tǒng)的問(wèn)題解決方案或問(wèn)題解決過(guò)程映射至待改進(jìn)的目標(biāo)系統(tǒng)中，從而對(duì)產(chǎn)品可靠性進(jìn)行間接證明。類(lèi)比佐證能夠有效地引導(dǎo)和開(kāi)發(fā)創(chuàng)造性潛力，發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成熟度。

為提高典型航天產(chǎn)品類(lèi)比佐證的全面性和有效性，建立基于產(chǎn)品特征和故障模式的數(shù)據(jù)庫(kù)意義重大。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期積累，一些航天單位逐步建立了基于產(chǎn)品特征和質(zhì)量問(wèn)題的信息庫(kù)，信息庫(kù)主要包括典型產(chǎn)品、故障模式、故障機(jī)理、技術(shù)準(zhǔn)則或禁忌、復(fù)雜故障的故障樹(shù)、可能涉及的專(zhuān)業(yè)類(lèi)別等。對(duì)于無(wú)法采取冗余的I、II類(lèi)單點(diǎn)故障模式，應(yīng)開(kāi)展同類(lèi)產(chǎn)品的類(lèi)比佐證，以提高產(chǎn)品裕度，降低故障發(fā)生的可能性。

三、實(shí)踐情況

以某航天項(xiàng)目結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制為例，開(kāi)展了設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真分析、參數(shù)包絡(luò)、冗余保證、類(lèi)比佐證“五維度”分析。其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是航天項(xiàng)目主要的分系統(tǒng)之一，主要用來(lái)維持氣動(dòng)外形、安裝儀器、連接相鄰結(jié)構(gòu)、承受并傳遞載荷、提供良好的力學(xué)環(huán)境等。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是接口多、技術(shù)難度大、地面試驗(yàn)多、載荷環(huán)境復(fù)雜等，存在著各種技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)因素。

該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為一個(gè)充氣展開(kāi)的氣囊裝置，包括內(nèi)囊組件、外囊套組件、進(jìn)氣管、主連接帶、連接結(jié)構(gòu)附件等部分，采用產(chǎn)品特性分析、FMEA和可靠性分析，辨識(shí)出內(nèi)囊導(dǎo)流管破損、進(jìn)氣管破損、外囊套加強(qiáng)帶斷裂、主連接帶斷裂等26個(gè)II類(lèi)單點(diǎn)故障模式，設(shè)置了59個(gè)設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性，并從設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性的試驗(yàn)驗(yàn)證、仿真分析、參數(shù)包絡(luò)、冗余保證和類(lèi)比佐證五個(gè)維度進(jìn)行了具體的分析（見(jiàn)表1），統(tǒng)計(jì)了僅靠類(lèi)比佐證單一維度保證、僅靠仿真分析和類(lèi)比佐證2個(gè)維度保證及3、4、5個(gè)維度保證數(shù)量，辨識(shí)出進(jìn)氣管承受外部沖擊壓力載荷的承載能力這一設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性?xún)H靠仿真分析和類(lèi)比佐證2個(gè)維度保證，主連接帶動(dòng)態(tài)沖擊載荷的承載能力這一設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性?xún)H靠類(lèi)比佐證單個(gè)維度保證。針對(duì)這2處關(guān)鍵特性，設(shè)計(jì)開(kāi)展了進(jìn)氣管外壓沖擊載荷拍擊試驗(yàn)以及主連接帶動(dòng)態(tài)沖擊破壞試驗(yàn)，通過(guò)地面試驗(yàn)對(duì)進(jìn)氣管的外壓沖擊載荷承載能力進(jìn)行了驗(yàn)證。另外，識(shí)別出主連接帶動(dòng)態(tài)沖擊載荷承載薄弱環(huán)節(jié)為軛圈連接部位鋼結(jié)構(gòu)圓角半徑偏小采取了改進(jìn)措施，有效提高了設(shè)計(jì)可靠性和關(guān)鍵特性控制措施的針對(duì)性。

表1 某航天項(xiàng)目結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性“五維度”分析統(tǒng)計(jì)表

中國(guó)航天已進(jìn)入快速發(fā)展期，多個(gè)重大項(xiàng)目同步開(kāi)展、工程研制與批產(chǎn)及服務(wù)并行的局面已成為常態(tài)，高質(zhì)量保證成功、高效率完成任務(wù)、高效益推動(dòng)航天強(qiáng)國(guó)的要求不斷提高，與之對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)也更顯突出。在今后航天型號(hào)研制過(guò)程中，將在總結(jié)前期實(shí)踐基礎(chǔ)上，持續(xù)推廣“五維度”設(shè)計(jì)關(guān)鍵特性分析方法，充分釋放技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提升產(chǎn)品可靠性，保證各航天型號(hào)圓滿(mǎn)成功。