限定條件下火箭發(fā)動機換裝流程優(yōu)化研究與實踐

陳曉東，李 靖，李曉龍

限定條件下火箭發(fā)動機換裝流程優(yōu)化研究與實踐

陳曉東，李 靖，李曉龍

（中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

某新一代運載火箭在一次重要任務出廠前需更換發(fā)動機產(chǎn)品核心零件。為能夠按時執(zhí)行發(fā)射任務，需在有限周期內完成更換工作。通過對發(fā)動機更換流程開展優(yōu)化，調整工作銜接關系改串行為并行，并攻克實施難關，最終在限定周期內完成了發(fā)動機換裝工作。新流程經(jīng)多次應用并持續(xù)完善，不但成為本型火箭應對重大短線的成熟方案，同時為新研重型火箭和重復使用火箭發(fā)動機安裝提供了寶貴經(jīng)驗。

火箭發(fā)動機；換裝；流程優(yōu)化

0 引 言

運載火箭在出廠前需完成產(chǎn)品總裝、出廠測試等一系列工作，以確保飛行產(chǎn)品質量。通常情況下，按照既定的出廠計劃完成產(chǎn)品交付、火箭總裝、測試等出廠前的各項工作，可在規(guī)定的時間內實現(xiàn)工作目標。當個別單機設備因故需更換時，如其與火箭接口關系簡單，則按安裝逆流程進行分解即可在短時間內完成，不會對出廠計劃產(chǎn)生影響。但是，當火箭發(fā)動機這種與其他系統(tǒng)接口關系十分復雜的產(chǎn)品需要更換時，按照其安裝的逆流程進行分解再裝，工作周期較長，將直接影響火箭的出廠計劃。為盡可能縮短發(fā)動機換裝周期以滿足任務節(jié)點要求，進一步優(yōu)化發(fā)動機產(chǎn)品更換流程需求迫切。

流程優(yōu)化工作是以具體的優(yōu)化項目作為依托而開展的。所謂流程優(yōu)化，是從項目目標出發(fā)，以流程為對象，對流程進行根本性、創(chuàng)新性的思考和分析，通過對流程的構成要素重新組合，產(chǎn)生出更有價值的結果，以此實現(xiàn)流程的改善和重新設計，降低或克服困難因素的影響，從而最終實現(xiàn)項目目標。

持續(xù)、深入開展流程優(yōu)化，提升流程效率、縮短研制周期和降低科研成本，是中國航天不斷努力追求的目標，也是系統(tǒng)工程在航天工程中實踐與發(fā)展。中國運載火箭技術研究院對兩型在役運載火箭在發(fā)射場技術區(qū)和發(fā)射區(qū)對不同系統(tǒng)的測試流程進行了針對性優(yōu)化，在滿足火箭發(fā)射場測試覆蓋性的基礎上，最大限度縮短了發(fā)射場發(fā)射準備周期，對運載火箭多任務并行出廠流程進行了研究應用[1-2]。上海航天技術研究院對現(xiàn)役火箭的型號研制流程、發(fā)射場測試流程開展了優(yōu)化工作[3]。相關單位也在導彈測試領域不斷探索流程優(yōu)化[4]。針對航天產(chǎn)品的研制、出廠、發(fā)射場測試等正向流程的優(yōu)化、實踐，均取得良好效果。對于需更換箭上產(chǎn)品、先分解再安裝等具有逆向流程的實踐則相對較少。而對此類流程的優(yōu)化研究，尤其是對連接關系復雜、所需周期長的發(fā)動機產(chǎn)品的更換流程進行優(yōu)化研究，以滿足全箭任務需求，同樣具有重要意義。

1 發(fā)動機換裝問題的提出

某型運載火箭在準備一次重要發(fā)射任務時，在火箭總裝進程過半的情況下，已裝箭的發(fā)動機產(chǎn)品需分解返廠、更換核心零件。該重要任務實施計劃已經(jīng)確定，如不能按時完成，將直接影響后續(xù)多個重大發(fā)射任務的按時實施。為此，火箭換裝發(fā)動機需在保證質量的前提下盡快完成，以確保本次發(fā)射任務按時實施。

火箭發(fā)動機分解的常規(guī)流程是按照安裝逆流程進行，即先分解火箭尾段，再逐項斷開輸送管路、各種電纜，最后分解發(fā)動機機架與箭體的連接，發(fā)動機整體下箭并返回生產(chǎn)廠。在發(fā)動機生產(chǎn)廠繼續(xù)分解其內部組件，進而更換核心零件。更換零件后，按照正向流程完成發(fā)動機裝配、交付全箭總體，開展發(fā)動機上箭安裝、連接管路、敷設電纜和對接尾段等一系列總裝工作。按此方案，整個換裝過程中火箭箭體一直保持水平狀態(tài)，換裝流程為串行安排，環(huán)節(jié)多、周期長，將無法實現(xiàn)既定的出廠和發(fā)射計劃。

2 問題分析

按照常規(guī)流程，發(fā)動機換裝工作具有以下特點：

a）工序串行?；鸺某Ｒ?guī)總裝流程，各大工序均為串行安排，發(fā)動機分解、再裝，按常規(guī)做法亦是串行安排。

b）基本工期需求為客觀要求。采取超常措施后制定的工作計劃，各環(huán)節(jié)已是最短工期，發(fā)動機換裝的總周期為工作量的客觀體現(xiàn)。

c）發(fā)動機返回生產(chǎn)廠后，火箭在總裝現(xiàn)場處于停滯等待狀態(tài)，只有等待發(fā)動機再次上箭安裝后才能繼續(xù)開展工作。按此流程實施發(fā)動機換裝工作，所需周期長，超出了火箭出廠時間，無法按時完成發(fā)射任務。

在現(xiàn)代項目管理學中，項目周期的優(yōu)化方法包括壓縮關鍵路徑中工作項目的持續(xù)時間，或是調整工作關系，將某些串行作業(yè)的工作調整為并行開展[5]。此次發(fā)動機換裝工作各環(huán)節(jié)的工作時間已壓縮至最短工期，串行作業(yè)總工期仍無法滿足任務目標需要。通過調整工作項目之間的銜接關系，對發(fā)動機換裝流程進行優(yōu)化，以進一步縮短總工期、實現(xiàn)既定出廠計劃成為迫切需求。

3 流程優(yōu)化方案及實施

按照調整工作銜接關系、變串行為并行的優(yōu)化思路，提出在發(fā)動機返廠后、火箭在總裝現(xiàn)場繼續(xù)開展工作的方案。據(jù)此，突破傳統(tǒng)思維，提出在火箭總裝廠將箭體垂直停放，模擬發(fā)動機在生產(chǎn)廠裝配時的狀態(tài)，將發(fā)動機從機架上分解，發(fā)動機機架、管路等與火箭箭體的所有連接保持不變，如圖1所示。發(fā)動機返廠更換零件，同時火箭箭體再轉為水平狀態(tài)繼續(xù)開展總裝及測試工作。按此方案實施的發(fā)動機換裝流程是全新流程，多個環(huán)節(jié)的工作是首次進行，均有不同的難點。因此，需從組織管理、技術攻關和條件保障等多方面組織開展攻關。

圖1 常規(guī)流程與優(yōu)化流程分解面

3.1 組建專題項目團隊

按新流程換裝發(fā)動機，不但涉及火箭總裝單位和發(fā)動機研制單位，而且需要負責箭體運輸、起豎吊裝、箭體支撐和園區(qū)管理等相關單位加入，涉及單位眾多。為實現(xiàn)確保質量、如期完成換裝發(fā)動機這一核心目標，成立專題項目團隊，包括領導組、協(xié)調組和技術組3個專項小組。

領導小組全面負責此次發(fā)動機更換工作的組織領導，明確責任分工，保障資源到位，組織協(xié)調重點事項，定期檢查工作進展。

協(xié)調小組負責全面落實領導小組要求，具體組織協(xié)調發(fā)動機更換，梳理形成專題工作計劃，全程參加具體論證工作，協(xié)調各類資源保障到位，共同細化落實各項要求，確保專項工作順利進行。

技術組負責制定發(fā)動機更換工作的全流程，針對箭體運輸、翻轉吊裝、地面支撐、發(fā)動機更換和火箭測試等各技術細節(jié)形成具體方案。技術組根據(jù)專業(yè)分工設多個專題論證小組，包括發(fā)動機組、運輸?shù)跹b組、地面支撐組和測試項目調整組等，各組之間并行開展論證，相互通報論證進展。每個小組根據(jù)工作進展、論證需要，及時補充相關專業(yè)加入。

3.2 突破技術難點

箭體豎直狀態(tài)換裝發(fā)動機是一項重大創(chuàng)新，中國各型運載火箭從未開展過類似工作，沒有經(jīng)驗可以借鑒。新流程實施的首要前提和關鍵技術難點是在箭體豎直狀態(tài)下，發(fā)動機可以實現(xiàn)分解下箭，后續(xù)新?lián)Q發(fā)動機上箭安裝同樣可行。發(fā)動機設計與工藝系統(tǒng)聯(lián)合論證發(fā)動機分解和更換的可行性、工藝實施的可操作性，同步提出對火箭總體及其他分系統(tǒng)的需求條件。從操作人員進入火箭尾段開始，如何分解發(fā)動機及相關管路，如何通過尾段底部開口將發(fā)動機送出艙外，到發(fā)動機逐項回裝完成，發(fā)動機換裝工作分解為35個工序、164個工步。不但明確了各項產(chǎn)品的分解順序，而且細化了具體操作的先后次序。過程中引入三維數(shù)字仿真（見圖2），對尾段內人員操作空間、操作過程以及操作可達性進行人機工程流程仿真，細化模擬每一個工序、工步，確認尾段內部空間和分解操作的可行性；對發(fā)動機產(chǎn)品出艙過程按分解步驟仿真分析，經(jīng)過水平平移、軸向轉動、垂直升降合計27步關鍵動作后發(fā)動機可安全出艙，同時預示了過程中發(fā)動機與箭體的最小間隙。通過對發(fā)動機換裝的可行性論證，并經(jīng)三維仿真預示驗證，最終確定了可實施的新流程方案。

圖2 尾艙內操作人機仿真示意

現(xiàn)有試驗廠房設施是否滿足需求是另一項客觀存在的制約因素。芯一級箭體全長30多米，運輸車輛全長約46 m，箭體吊裝時需要1臺汽車吊配合吊裝產(chǎn)品，另1臺汽車吊送操作人員到30 m的高空開展作業(yè)。需要仔細核算廠房內場地面積，細致規(guī)劃試驗工位、車輛停放位置及通行通道，并分別開啟廠房東西兩側大門供車輛進出。廠房內行吊極限吊高為40 m，略小于箭體長度、前吊點吊具長度和地面安全高度的總和。為滿足箭體起豎后吊裝要求，將前吊點吊具由三角斜撐吊具改為簡易橫梁吊具，吊具改造后總高度縮短了3 m，滿足了箭體吊裝翻轉需求。通過采取措施，現(xiàn)有廠房場地、通道和行吊吊高可滿足各類參試車輛停放、進出以及箭體起豎吊裝的需求。

在沒有發(fā)射臺的情況下，將30多米長的大型箭體安全、穩(wěn)妥地豎直停放，在中國航天研制史上也是首次進行。經(jīng)分析論證，箭體豎直狀態(tài)支撐方案采取口字型框架式支撐平臺（見圖3）。平臺四角為4根高30多米的立柱，周邊用橫梁連接固定。先將其中三面提前用橫梁連接固定，一面留有開口。待箭體吊裝固定后，再搭橫梁封閉開口。支撐平臺上設兩個固定點，通過特制的支撐工裝與箭體前捆綁點連接固定。為避免箭體軸向轉動，在后捆綁點通過拉緊帶將箭體與支撐平臺交叉拉緊。

圖3 箭體豎直停放示意

箭體運輸方案主要考慮試驗吊裝前對箭體的方向要求，以及道路、場坪等能否滿足大型車輛通行要求。由于箭體在總裝廠房停放和進入試驗廠房吊裝前都有方向要求，而運輸車受場地限制在兩個廠房都需倒車進入，為此，在箭體運輸過程中將牽引車拆裝、調換車輛前進方向，實現(xiàn)箭體在兩個廠房內的方向要求。對運輸?shù)缆番F(xiàn)場勘查后，對個別路口拓寬改造，增大通行區(qū)域，以滿足超大型運輸車輛的轉彎需求。

芯一級箭體體積龐大，遠超其他試驗產(chǎn)品，在試驗廠房內起豎翻轉需倍加謹慎。吊裝翻轉采用更加穩(wěn)妥的雙車雙鉤方案，由一臺汽車吊與廠房內行吊配合。箭體正式吊裝前組織進行吊裝流程演練，安排經(jīng)驗豐富的吊裝指揮負責，在吊車操作員和司索員之外，在不同角度、多個位置設置觀察員，監(jiān)視吊裝過程中箭體產(chǎn)品與周圍環(huán)境的安全間距。

總裝測試項目和測試安排進行優(yōu)化和調整，將涉及發(fā)動機的相關項目，調整至豎直狀態(tài)安裝發(fā)動機之后，結合發(fā)動機自身測試同步進行。通過對測試狀態(tài)變化的細化分析，及對相關系統(tǒng)的影響性分析，調整部分測試項目順序能夠滿足火箭出廠前的測試要求。

3.3 制定精細化實施流程

按照精細化指導思想，開展轉運流程、吊裝流程、發(fā)動機換裝全流程的梳理與實施程序制定。從火箭箭體準備、裝車、轉運，到箭體吊裝翻轉、支撐固定，進行發(fā)動機分解、安裝，到將箭體返回總裝車間，每一步驟均細化了工作內容、產(chǎn)品狀態(tài)、操作順序和保障條件，明確了責任單位、配合單位，識別了風險項目并提出了預防及處置措施。實施程序對各個環(huán)節(jié)、各單位負責工作項目和各環(huán)節(jié)間不同單位的職責轉移等進行了逐一確認，由此制定形成統(tǒng)一的流程文件。各單位依據(jù)流程文件，按照各自單位管理要求，分別編制形成指導一線工作人員操作使用的工藝實施文件、試驗作業(yè)書等。發(fā)動機具體換裝工藝流程借助人機工程仿真動畫，細化到分解工作的操作先后順序、每一項工序過程中如何使用工具和分解后產(chǎn)品如何送出艙外等。發(fā)動機換裝流程如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后發(fā)動機換裝流程

3.4 實施效果

箭體水平狀態(tài)更換發(fā)動機，常規(guī)方案成熟可靠，配合關系清晰，正流程、逆流程都能夠按部就班地順利實施。但該次重要任務固有工作周期超出了任務節(jié)點，水平狀態(tài)只分解發(fā)動機、不分解發(fā)動機機架，則面臨部分操作面不可達，發(fā)動機分解后沒有支撐部位等難題，從火箭尾段內取出過程中產(chǎn)品磕碰損傷風險無法克服。

通過將箭體豎直停放，創(chuàng)造出與發(fā)動機自身裝配相似的工作環(huán)境，使得在火箭上直接分解發(fā)動機產(chǎn)品成為可能。由于不分解發(fā)動機機架，不斷開與箭體連接的管路、電纜，工作量大為減少，不僅占用工期同步縮短，也避免了多次拆裝操作帶來的風險。因為與發(fā)動機自身裝配時的工作狀態(tài)一致，分解再裝過程中，產(chǎn)品對中、調平、密封面防磕碰和多余物防護等一系列難題得以避免。發(fā)動機換裝場所由以往在廠房內進行，轉變?yōu)橹苯釉诩w內部進行，減少了發(fā)動機與箭體間的拆裝工作，將發(fā)動機分解再裝控制在發(fā)動機系統(tǒng)內部。發(fā)動機生產(chǎn)廠有多次組裝分解發(fā)動機的經(jīng)驗，在增加針對性措施后，此次在封閉的尾段內順利完成發(fā)動機分解再裝工作。新流程避免了發(fā)動機與箭體分解再裝產(chǎn)生的風險，發(fā)動機內部分解再裝的風險也得到有效控制，確保了換裝后發(fā)動機及動力系統(tǒng)的可靠性。發(fā)動機換裝后，先后完成單元測試、系統(tǒng)測試以及火箭出廠測試中與發(fā)動機有關的測試項目，全面滿足測試覆蓋性要求。由于是第1次按此方案實施，在制定流程、責任分工、工裝設備等方面進行了細致準備。對大型箭體轉運、起豎吊裝、箭體支撐和發(fā)動機分解再裝等各環(huán)節(jié)的實施風險全面分析，制定了防范措施。

采用箭體豎直狀態(tài)換裝發(fā)動機總周期為82天，發(fā)動機交付后20天火箭具備出廠條件。采用常規(guī)方案水平狀態(tài)換裝預計需149天，發(fā)動機交付后66天火箭具備出廠條件，如圖5所示。優(yōu)化后的流程不僅縮短了換裝工作的總周期，并且對發(fā)動機交付后的工作周期優(yōu)化效果顯著，為當時全箭最短線的發(fā)動機產(chǎn)品盡可能多地爭取了研制、生產(chǎn)周期。

圖5 發(fā)動機換裝流程優(yōu)化前后對比

按照箭體豎直狀態(tài)換裝發(fā)動機，在確保產(chǎn)品質量的情況下滿足了火箭出廠節(jié)點要求，最終實現(xiàn)了火箭如期成功發(fā)射的任務總目標。

4 結束語

航天任務的高風險性，要求每一件產(chǎn)品都要做到質量可靠、萬無一失。在火箭的總裝、測試過程中，由于種種原因難免出現(xiàn)“意外”情況，對既定的出廠準備工作帶來巨大影響。在堅持進度服從質量的前提下，需要針對性開展工作流程優(yōu)化，將“意外”帶來的影響降到最低，進而達到質量萬無一失、進度滿足要求的最優(yōu)結果。

通過對流程優(yōu)化，采取箭體豎直狀態(tài)換裝發(fā)動機的創(chuàng)新方案，不但確保了產(chǎn)品質量，最終也實現(xiàn)了火箭如期成功發(fā)射的任務總目標。新流程的成功實施，是中國航天首次實現(xiàn)在箭體豎直狀態(tài)下?lián)Q裝發(fā)動機。實施過程中創(chuàng)造了多項新的紀錄，包括：中國體型最大的整級箭體轉運吊裝；搭建臨時支撐平臺將大型火箭飛行產(chǎn)品豎直支撐；在火箭上只分解發(fā)動機產(chǎn)品，機架仍保留在箭體上；換裝全流程數(shù)字化仿真；豎直狀態(tài)換裝一次成功。

作為此次換裝發(fā)動機的研究成果，箭體豎直狀態(tài)發(fā)動機上箭安裝流程已在該型火箭后續(xù)任務連續(xù)應用4次，克服了發(fā)動機產(chǎn)品交付短線的困難，確保了每次任務按時出廠、發(fā)射圓滿成功。在應用過程中對流程細節(jié)持續(xù)完善，實施過程越來越緊湊、高效，整體流程趨于成熟固化。該流程不但解決了本型火箭重大短線問題，對其他型號火箭在面對類似問題時，以及新研重型火箭和重復使用火箭的發(fā)動機安裝流程，也是一種可供選擇的成熟方案。

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Research and Practice of Launch Vehicle Engine Replacement Process Optimization under Limited Conditions

CHEN Xiaodong, LI Jing, LI Xiaolong

(China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

A new generation launch vehicle needs to replace the core parts of the engine before leaving the factory for an important mission. In order to perform the launch mission on time, the replacement work needs to be completed within a limited period. By optimizing the engine replacement process, changing the serial to parallel process, and overcoming the implementation difficulties, the engine replacement work is finally completed within the required time. The new process has been applied several times and continuously improved. It not only becomes a mature solution to deal with the delayed delivery of engines, but also provides valuable experience for future heavy rocket and reusable rocket engine installation.

rocket engine; disassemble and install; process optimization

2097-1974(2023)02-0152-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230230

V57

A

2022-09-20；

2022-10-07

陳曉東（1977-），男，高級工程師，主要研究方向為項目管理。

李 靖（1967-），男，研究員，主要研究方向為項目管理。

李曉龍（1988-），男，工程師，主要研究方向為項目管理。