載人航天器產(chǎn)品質(zhì)量改進的探索與實踐

聶小亮 王國軍 禹頌耕 王靜

(1 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094) (2 中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

載人航天器是中國航天領(lǐng)域迄今規(guī)模最龐大、系統(tǒng)最復雜、關(guān)鍵技術(shù)最多、可靠性和安全性要求最高、極具風險性的一項國家重點系統(tǒng)工程項目[1]。自1992年載人航天工程立項啟動以來,通過30年的不懈努力,先后突破并掌握了載人天地往返運輸、航天員出艙、在軌交會對接等關(guān)鍵技術(shù),并圓滿完成空間站建造任務,實現(xiàn)了載人航天“三步走”完美收官[2]。載人航天工程以保證航天員的生命安全為第一要素[3],要求載人航天器在充分繼承已有成功飛行經(jīng)歷的產(chǎn)品和技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合每次飛行任務特點,深入開展產(chǎn)品和技術(shù)任務適應性分析,確保滿足任務要求。如神舟五號針對首次載人環(huán)境、神舟七號針對首次出艙、神舟八號針對首次太空交會對接、神舟十二號針對長期在軌?？縖4-7]開展了大量的設計迭代、設計仿真及試驗驗證。同時,結(jié)合在軌飛行結(jié)果持續(xù)改進和提升,如針對神舟五號8 Hz基頻問題,后續(xù)飛船進行了設計改進,并將整艙結(jié)構(gòu)基頻作為關(guān)鍵指標進行控制。

“再分析、再設計、再驗證”工作,其核心是吃透技術(shù)、抓住關(guān)鍵點、改進設計,從產(chǎn)品設計可靠性、環(huán)境適應性和生產(chǎn)制造等方面不斷提高產(chǎn)品的固有可靠性[8-9]。

本文結(jié)合載人航天器自身特點,充分運用“再分析、再設計、再驗證”的質(zhì)量復查確認的思維,深入開展產(chǎn)品特性再識別、依據(jù)標準現(xiàn)行有效性再復核、在軌使用狀態(tài)再分析、設計裕度再復核、產(chǎn)品鑒定試驗有效性再確認、關(guān)鍵時序再復核以及質(zhì)量問題和舉一反三再復核,識別產(chǎn)品研制過程存在的薄弱環(huán)節(jié)和風險隱患,并進行針對性的再設計和再驗證,持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量。同時在產(chǎn)品交付、航天器出廠及發(fā)射場階段進行產(chǎn)品實物質(zhì)量再確認,從而實現(xiàn)載人航天型號產(chǎn)品小子樣情況下的高可靠和高安全,實現(xiàn)載人航天器發(fā)射和在軌任務連續(xù)圓滿成功。

1 進行“再分析”

再分析是再設計與再驗證的關(guān)鍵,核心思想是通過正向設計分析來識別產(chǎn)品所有關(guān)鍵特性和環(huán)節(jié)以及反向梳理分析產(chǎn)品存在的風險和隱患,為后續(xù)的再設計和再驗證奠定基礎(chǔ)。結(jié)合載人航天器特點,從以下七個方面開展“再分析”工作。

1.1 產(chǎn)品特性再識別

從設計參數(shù)的合理性、協(xié)調(diào)性,工藝控制參數(shù)的穩(wěn)定性、可測試性,過程控制參數(shù)的確定性、可追溯性等進行分析,對產(chǎn)品關(guān)鍵特性的全面性進行再識別再確認。

設計關(guān)鍵特性方面,按照飛行任務剖面,組織系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機自上而下開展功能指標分解合理性和覆蓋性,自下而上開展要求滿足性復核,從設計角度進一步細化和完善設計關(guān)鍵特性項目及控制措施。

工藝關(guān)鍵特性方面,對產(chǎn)品生產(chǎn)工藝方案和工藝規(guī)程的可操作性,對易錯和不可測環(huán)節(jié)識別的全面性,控制措施的有效性,實施結(jié)果的可檢測性和量化標準進行分析,確定工藝是否穩(wěn)定、可靠。

過程控制關(guān)鍵特性方面,對產(chǎn)品實現(xiàn)過程進行再分析,對生產(chǎn)過程關(guān)鍵參數(shù)和檢驗點設置的合理性、全面性,風險操作和多余物控制措施的有效性進行分析。

如,對于電子產(chǎn)品,從電路設計的規(guī)范性、冗余設計的有效性、匹配參數(shù)的合理性、測試狀態(tài)的真實性進行分析,并重點分析電裝工藝的規(guī)范性、供電安全間距控制的符合性、地面測試設備狀態(tài)的合理性;復查產(chǎn)品裝配過程是否存在導線異常受力,受擠壓的風險,是否存在帶電導體與其他金屬搭接的風險;復查電路設計是否存在元器件過電應力風險;復查地面測試設備是否存在短路、過壓、產(chǎn)生反電動勢、引入靜電等風險。

1.2 標準現(xiàn)行有效性再復核

針對載人航天器技術(shù)和產(chǎn)品繼承性強的特點,產(chǎn)品研制過程中所依據(jù)和執(zhí)行的標準規(guī)范可能存在更新情況,因此組織各承研單位對產(chǎn)品設計、研制、生產(chǎn)執(zhí)行的各項標準的全面性和有效性進行確認,對新標準和要求的落實情況進行復查。對于標準規(guī)范更新內(nèi)容,需逐項進行分析影響。

如,《鋁及鋁合金熔焊通用技術(shù)條件》(QJ2698-95)已更新為《鋁及鋁合金熔焊通用技術(shù)要求》(QJ2698A-2011),增加了5.5.3.1“缺陷未經(jīng)排除和清理不允許進行補焊”,同時明確了5.5.3.2.2“允許補焊的界定方法”等要求,因此需要組織各承研單位針對焊接工藝以及已制品進行復查,確認是否滿足新標準的規(guī)定。

1.3 在軌使用狀態(tài)再分析

根據(jù)載人航天器在軌飛行任務剖面,分析產(chǎn)品實際在軌的使用條件和工作環(huán)境,并對地面驗證(包括產(chǎn)品設計狀態(tài)、產(chǎn)品安裝狀態(tài)、試驗條件、工質(zhì)狀態(tài)等)與在軌使用工況的一致性進行分析,識別存在的差異。

如,通過對針對空間站任務階段載人飛船在軌飛行任務剖面分析,識別到在在軌飛行階段,載人飛船會出現(xiàn)攝像機受太陽直射情況。為確保攝像機更換圖像傳感器后在受太陽直射的狀態(tài)下傳感器性能滿足任務要求,需要補充開展太陽直射的驗證試驗。因此,利用攝像機鑒定件產(chǎn)品開展了太陽直射試驗,經(jīng)長時間太陽直射,傳感器可正常工作。

1.4 設計裕度再復核

產(chǎn)品設計裕度越大,可靠性越高,付出的資源和成本也相應增大[10]。為了實現(xiàn)產(chǎn)品滿足飛行任務需求與投入的資源、成本之間的平衡,空間站任務階段,載人航天器基于產(chǎn)品在軌使用狀態(tài)(包括各種極限、邊界工況),對產(chǎn)品的設計裕度進行了再復核,包括強度裕度、驅(qū)動裕度、壽命裕度等同時對模型仿真、拉偏試驗、壽命試驗等設計裕度驗證情況進行了再確認。

如,針對空間站建造階段,載人飛船在軌對接目標相對以往飛行任務存在較大變化特點,組織對飛行器間對接機構(gòu)捕獲、緩沖和分離功能適應性進行了設計裕度和驗證結(jié)果進行了再復核。經(jīng)復核確認,可滿足空間站建造階段各次飛行任務需求。

1.5 產(chǎn)品鑒定試驗有效性再確認

對產(chǎn)品鑒定試驗狀態(tài)與當前正樣產(chǎn)品一致性,鑒定試驗項目和條件正確性,鑒定試驗實際試驗工況正確性,鑒定試驗時產(chǎn)品功能性能測試項目全面性和結(jié)果正確性,鑒定試驗后的開蓋檢查情況進行復查,分析試驗過程中是否存在異常問題、是否有難以解釋的現(xiàn)象,同時重點關(guān)注是否有片面利用鑒定級環(huán)境試驗代替材料、工藝、組件鑒定,從而影響鑒定有效性的情況。

如,空間站通過開展鑒定狀態(tài)與正樣產(chǎn)品一致性復核,發(fā)現(xiàn)存在部分產(chǎn)品鑒定件與正樣件元器件在外形尺寸、封裝形式、管腳定義存在差異,為此下發(fā)了補充鑒定工作通知,并組織相關(guān)單位補充開展了6臺產(chǎn)品補充鑒定試驗,從而保證了鑒定狀態(tài)完全覆蓋正樣產(chǎn)品狀態(tài)。

1.6 關(guān)鍵時序再復核

按照飛行任務剖面,對關(guān)鍵工作模式的動作時序進行復核,檢查工作(包括正常和故障模式)時序的正確性和極限時間偏差下的協(xié)調(diào)性以及試驗測試的覆蓋性。

如,針對載人飛船快速返回任務需求,開展了返回過程中的主要工作時序復核,包括彈傘艙蓋(開引導傘、減速傘)、脫減速傘(開主傘)、拋防熱大底、轉(zhuǎn)垂掛、著陸反推發(fā)動機工作、著陸等過程[11],開展了正常返回、救生工作程序以及故障模式等12種回收工作程序下的時序和測試性,并對主備降落傘系統(tǒng)轉(zhuǎn)換協(xié)調(diào)性、火工品點火時序進行了復核,有效保證了后續(xù)空間站建造階段多次飛船快速返回安全。

1.7 問題歸零和“舉一反三”再復核

對載人航天器器研制過程中出現(xiàn)的質(zhì)量問題、本飛行器出現(xiàn)的質(zhì)量問題、載人航天領(lǐng)域其他飛行器發(fā)生的質(zhì)量問題及其他航天器重大質(zhì)量問題“舉一反三”的情況進行確認分析。分析產(chǎn)品質(zhì)量問題反映出在設計、生產(chǎn)、測試方面存在的薄弱環(huán)節(jié),對已完成歸零的質(zhì)量問題,重新審視問題定位的準確性、措施的有效性,并重點分析是否存在由于條件限制未能采取徹底歸零措施的問題以及偶發(fā)性問題,從而梳理和識別出需進一步開展的工作。

2 進行“再設計”

針對“再分析”辨識出的新的關(guān)鍵特性以及發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)開展產(chǎn)品“再設計”工作,并從產(chǎn)品方案設計、工藝方案和過程控制措施等方面明確改進方案。

在產(chǎn)品方案“再設計”方面,深入開展產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應性以及可測試性的改進設計;在工藝方案“再設計”方面,開展工藝流程和工藝方法優(yōu)化,并將新識別出的關(guān)鍵特性控制措施納入相關(guān)工藝文件以及質(zhì)量記錄表格中。

如,通過對空間站建造任務剖面再分析,識別出空間站組裝建造任務關(guān)鍵環(huán)節(jié)實驗艙轉(zhuǎn)位任務的關(guān)鍵產(chǎn)品轉(zhuǎn)位機構(gòu),在極限情況下若存在多余物,將使得轉(zhuǎn)位機構(gòu)卡滯,并影響后續(xù)轉(zhuǎn)位任務的順利實施。因此將轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯確定為單點故障。為此,總體圍繞該單點故障控制措施開展了再設計,包括:①制定了后續(xù)整流罩清潔要求,防止后續(xù)外部多余物的引入;②制定轉(zhuǎn)位機構(gòu)卡滯后,反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)的在軌預案;③修改在軌飛行程序,在實驗艙入軌后提前開展轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)動能能在軌測試,確認產(chǎn)品狀態(tài)。

3 進行“再驗證”

針對“再設計”過程中識別和確定的改進方案,對技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化或新使用條件的產(chǎn)品,以及發(fā)生變化的生產(chǎn)工藝、細化完善的控制措施開展“再驗證”工作。

“再驗證”試驗條件覆蓋產(chǎn)品的各種工作工況、使用條件,以保證設計改進單機的可靠應用;試驗項目包括環(huán)境適應性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗。如果驗證結(jié)果滿足要求,則重新固化飛行產(chǎn)品生產(chǎn)基線,并按照該基線進行相應飛行產(chǎn)品研制;如果驗證結(jié)果不滿足要求,則針對該環(huán)節(jié)再次開展“再分析、再設計和再驗證”工作,進一步提升產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。試驗驗證形式可采取物理驗證、半物理驗證、仿真驗證等方式,從而摸清產(chǎn)品設計余量和裕度。

如,針對轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯單點故障,通過開展“再設計”確定的控制措施,開展了以下的再驗證實驗,從而確?？刂拼胧┯行?①利用地面鑒定件開展了轉(zhuǎn)位機構(gòu)卡滯后反轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)的地面驗證試驗,確定了在軌預案的正確性;②利用地面電性艙,開展了修改后的飛行程序測試驗證,確認飛行程序的正確性。

4 進行“再確認”

對“再驗證”后的設計改進在飛行產(chǎn)品上的落實情況進行“再確認”以及系統(tǒng)集成后出廠和發(fā)射前實物狀態(tài)進行再確認,從而進一步確保產(chǎn)品出廠和發(fā)射狀態(tài)滿足任務要求。

1)設計改進落實情況再確認

重點是在單機產(chǎn)品交付前,對產(chǎn)品設計改進過程的影像資料、生產(chǎn)過程記錄進行檢查,對測試和試驗結(jié)果進行確認,確保各項改進工作落實到位。

2)系統(tǒng)出廠和發(fā)射前實物狀態(tài)再確認

組織供配電、工藝、熱控、機構(gòu)類專家對載人航天器出廠和發(fā)射前實物狀態(tài)進行檢查確認。

(1)供配電產(chǎn)品檢查:重點對主功率電纜網(wǎng)實施狀態(tài)記錄,包括電纜插接、二次絕緣防護、分類走線進行確認,對太陽翼和驅(qū)動機構(gòu)測試報告及實施狀態(tài)記錄審查。

(2)總裝狀態(tài)檢查:重點檢查總裝過程照相記錄、總裝工藝實施情況、各階段狀態(tài)檢查記錄、總裝強制檢驗點實施情況、不可測試項目控制、極性測試情況,并對火工品實施過程記錄進行檢查確認。

(3)機構(gòu)及火工產(chǎn)品檢查:重點對中繼天線、對接機構(gòu)、太陽翼驅(qū)動機構(gòu)、火工品安裝及測試情況進行審查。

(4)熱控產(chǎn)品狀態(tài)檢查:重點對熱敏電阻、加熱片、熱控多層包覆實施結(jié)果,內(nèi)、外回路加注情況進行審查。

如,針對轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)臂關(guān)節(jié)卡滯單點故障中多余物控制措施,在扣火箭整流罩前,組織結(jié)構(gòu)與機構(gòu)、熱控及工藝專家對轉(zhuǎn)位機構(gòu)周圍電纜、熱控多層以及轉(zhuǎn)位機構(gòu)運動包絡進行了確認;同時對火箭整流罩清潔結(jié)果進行了確認,確保不會引入多余物。

5 結(jié)束語

載人航天器在研制過程中,結(jié)合每次飛行任務特點,充分利用“再分析、再設計、再驗證、再確認”的方法和思路,對產(chǎn)品研制全過程進行再審視和再梳理,持續(xù)識別產(chǎn)品存在的薄弱環(huán)節(jié)和風險隱患,不斷完善產(chǎn)品設計,持續(xù)提升產(chǎn)品固有可靠性,實現(xiàn)航天產(chǎn)品小子樣情況下的成熟度提升,從而有效降低和規(guī)避各類風險,保證了從神舟五號載人飛船至神舟十四號載人飛船連續(xù)九次載人飛行任務的連續(xù)成功,保證了航天員安全返回,同時實現(xiàn)了中國空間站建造組裝建造任務圓滿完成。