“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)可信構(gòu)造與確認(rèn)

寧獻(xiàn)文，曹瑞強(qiáng)，王玉瑩，周曉伶

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部 空間熱控技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094）

0 引言

水升華是一種消耗型散熱技術(shù)，即通過使消耗水工質(zhì)在真空下發(fā)生相變進(jìn)行熱量排散，可作為理想的空間短期熱控措施[1-3]，曾在Apollo 登月艙、航天飛機(jī)與美/俄及我國(guó)艙外航天服中得到多次成功應(yīng)用[4]?！版隙鹞逄?hào)”任務(wù)中，為解決月面高溫（可達(dá)100 ℃）環(huán)境下探測(cè)器固定輻射器散熱能力不足的難題，首次在月球無(wú)人探測(cè)領(lǐng)域構(gòu)建了高溫水升華熱排散系統(tǒng)，作為輔助熱沉協(xié)同解決月面無(wú)人自動(dòng)采樣過程中的短期大熱耗散熱難題[5-9]。

水升華熱排散系統(tǒng)運(yùn)行過程中涉及多孔介質(zhì)內(nèi)氣-液-固多相流、交變相變界面移動(dòng)以及高真空稀薄氣體流動(dòng)等流體力學(xué)基礎(chǔ)理論問題，是復(fù)雜的氣-液-固多相流與傳熱傳質(zhì)相耦合的流動(dòng)換熱過程，流動(dòng)特征與調(diào)控機(jī)制非常復(fù)雜，且工作溫度高于傳統(tǒng)水升華器產(chǎn)品，使得產(chǎn)品研制技術(shù)難度極大。

同時(shí)，“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)包括7 個(gè)種類15 臺(tái)部組件單機(jī)[10]，是較為復(fù)雜的小型集成模塊系統(tǒng)，不僅面臨技術(shù)難度大、成熟度低的制約，而且具有單機(jī)數(shù)目多、配套單位多、研制進(jìn)度緊等特點(diǎn)，帶來(lái)的難題是如何滿足復(fù)雜任務(wù)過程和系統(tǒng)的高可靠要求，實(shí)施全過程的精細(xì)化質(zhì)量控制，確保航天型號(hào)研制及飛行任務(wù)一次成[11]。

針對(duì)上述難題，“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)在研制過程中依據(jù)系統(tǒng)級(jí)相關(guān)要求，結(jié)合熱控分系統(tǒng)關(guān)鍵項(xiàng)目自身任務(wù)特點(diǎn)，開展可信構(gòu)造與確認(rèn)工作，本文對(duì)相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

1 “可信構(gòu)造與確認(rèn)”方法

歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織標(biāo)準(zhǔn)（ECSS-Q-30B[12]）中指出，可信性是可靠性、可用性和維修性的集合性術(shù)語(yǔ)，定義為需要時(shí)按要求執(zhí)行的能力?！版隙鹞逄?hào)”探測(cè)器研制團(tuán)隊(duì)借鑒可信性定義并應(yīng)用于航天器研制過程，即將航天器“可信”概括為系統(tǒng)圓滿實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)的能力，將形成這一能力的方法概括為“可信構(gòu)造與確認(rèn)”，在航天器研制過程中以“設(shè)計(jì)正確、驗(yàn)證充分、過程受控”為目標(biāo)，通過一系列理念、方法、工具的創(chuàng)新和應(yīng)用，在“全系統(tǒng)、全要素、全過程”開展正向的構(gòu)造和確認(rèn)，最終實(shí)現(xiàn)通過過程正確保證復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)果滿足要求，其中：

1）“全系統(tǒng)”指探測(cè)器系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)直至部組件、元器件，覆蓋所有可數(shù)單元。

2）“全要素”指全系統(tǒng)各組成部分實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)正確、驗(yàn)證充分、過程受控”所需關(guān)注的要素。

3）“全過程”指探測(cè)器研制的方案階段、初樣階段、正樣階段以及任務(wù)實(shí)施階段等全部過程。

4）“構(gòu)造”指自上而下地明確產(chǎn)品（要素）的作用、實(shí)現(xiàn)過程及其各個(gè)組成部分在產(chǎn)品（要素）中的安排、組織和相互關(guān)系，強(qiáng)調(diào)正向地用需求構(gòu)造方案、用設(shè)計(jì)構(gòu)造實(shí)現(xiàn)、用原因構(gòu)造結(jié)果，要求產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全過程的每個(gè)工作項(xiàng)目都是先有想法、設(shè)計(jì)及過程推演再實(shí)施。

5）“確認(rèn)”指針對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的全過程都對(duì)構(gòu)造情況進(jìn)行檢查和確認(rèn)，實(shí)時(shí)確認(rèn)當(dāng)前狀態(tài)與構(gòu)造的一致性，要求對(duì)前期的構(gòu)造工作進(jìn)行閉環(huán)、檢查，強(qiáng)調(diào)在過程中實(shí)時(shí)確認(rèn)。

在實(shí)施層面，運(yùn)用系統(tǒng)工程的工作方法，采取“系統(tǒng)抓總、分層負(fù)責(zé)”的組織方式，動(dòng)員全體設(shè)計(jì)師、產(chǎn)保質(zhì)量以及指揮調(diào)度人員按照可信構(gòu)造與確認(rèn)工作方法結(jié)合自身責(zé)任界面，開展設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、過程控制以及實(shí)時(shí)確認(rèn)工作，確保自身負(fù)責(zé)環(huán)節(jié)沒有疑點(diǎn)和隱患。

“可信構(gòu)造與確認(rèn)”作為一種新型產(chǎn)品保證方法，能夠很好地解決“嫦娥五號(hào)”這種復(fù)雜巨系統(tǒng)航天工程的質(zhì)量管理難題，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)工程一次做對(duì)，研制過程無(wú)疑點(diǎn)、無(wú)隱患，確保任務(wù)目標(biāo)圓滿成功。

2 “可信構(gòu)造與確認(rèn)”設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)正確

針對(duì)“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)自身任務(wù)特點(diǎn)，正向構(gòu)建出一套實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)正確”的可信構(gòu)造與確認(rèn)工作項(xiàng)目及實(shí)施流程（如圖1 所示）。

主要包括以下3 個(gè)層面內(nèi)容：

1）從設(shè)計(jì)輸入層面，針對(duì)工作任務(wù)、工作環(huán)境、技術(shù)指標(biāo)、六性要求與地面條件等，開展可信要素構(gòu)造與確認(rèn)，確保設(shè)計(jì)輸入完整、適宜、可行。對(duì)于高溫水升華熱排散系統(tǒng)，要重點(diǎn)分析工作環(huán)境與地面條件的不同，尤其是月面(1/6)g與地面1g重力環(huán)境對(duì)高溫?zé)崤派⑾到y(tǒng)的不同影響。

2）在具體設(shè)計(jì)層面，結(jié)合高溫水升華熱排散系統(tǒng)工作機(jī)制及工作模式，開展水升華換熱器重力無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)、擊穿抑制方法設(shè)計(jì)、產(chǎn)品六性設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)等，提出一套高溫水升華熱排散系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法，建立水升華換熱器參數(shù)的重力無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[1]，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的可信構(gòu)造與確認(rèn)。

3）在實(shí)現(xiàn)途徑上，創(chuàng)新性地在型號(hào)研制中運(yùn)用雙“V”字形設(shè)計(jì)流程，分解研制過程中的活動(dòng)工作內(nèi)容，制定活動(dòng)實(shí)施程序，加強(qiáng)設(shè)計(jì)把關(guān)，設(shè)計(jì)完成后開展協(xié)同策略再確認(rèn)、接口設(shè)計(jì)再確認(rèn)與驗(yàn)證環(huán)境再確認(rèn)等回頭看工作。

2.2 驗(yàn)證充分

面向高溫水升華熱排散系統(tǒng)工作過程中復(fù)雜流動(dòng)特征與控制機(jī)制的驗(yàn)證和保障，基于全任務(wù)剖面比對(duì)分析結(jié)果，充分考慮不同重力場(chǎng)對(duì)水升華熱排散系統(tǒng)性能的影響，構(gòu)建出2 套專用測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行水升華換熱器性能驗(yàn)證，以覆蓋全壽命周期貯存與工作條件，從而形成一套實(shí)現(xiàn)“驗(yàn)證充分”的可信構(gòu)造與確認(rèn)工作項(xiàng)目及流程（如圖2 所示）。升華換熱過程中的相變狀態(tài)及其演變關(guān)系，提出一種水升華器啟動(dòng)過程瞬態(tài)工作參數(shù)預(yù)測(cè)方法，從而建立起水升華熱排散系統(tǒng)的正常與失效工作機(jī)制。產(chǎn)品交付探測(cè)器總體后，通過整器級(jí)綜合測(cè)試、力學(xué)試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)以及系統(tǒng)接口驗(yàn)證等，進(jìn)一步證明產(chǎn)品功能、性能滿足任務(wù)需求。

圖2 “驗(yàn)證充分”可信要素構(gòu)造與確認(rèn)流程Fig.2 Dependability element construction and confirmation process on sufficient validation

2）在單機(jī)驗(yàn)證層面，水升華熱排散系統(tǒng)各部組件交付前完成單機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)，對(duì)于水升華換熱器開展重力因素專項(xiàng)驗(yàn)證、擊穿抑制方法驗(yàn)證與換熱器研制試驗(yàn)，任務(wù)推遲期間還利用鑒定件、陪存件開展了專項(xiàng)貯存試驗(yàn)。

3）在具體實(shí)現(xiàn)方式上，通過全任務(wù)剖面分析、試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)并與總體強(qiáng)化溝通協(xié)調(diào)，最終形成一套覆蓋全壽命周期貯存與工作條件的高溫水升華熱排散系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證方案，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)完成后還開展了啟動(dòng)條件再確認(rèn)、重力要素再確認(rèn)與使用環(huán)境再確認(rèn)等回頭看工作。

2.3 過程受控

針對(duì)高溫水升華熱排散系統(tǒng)部組件多、配套單位多與試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)多等特點(diǎn)，以“流程驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)全面、責(zé)任壓實(shí)”為原則，提出一套實(shí)現(xiàn)“過程受控”的可信構(gòu)造與確認(rèn)工作項(xiàng)目與實(shí)施流程（如圖3所示）。

圖3 “過程受控”可信要素構(gòu)造與確認(rèn)流程Fig.3 Dependability element construction and confirmation process on process controlled

具體包括以下3 個(gè)層面內(nèi)容：

1）在系統(tǒng)驗(yàn)證層面，加強(qiáng)理論分析驗(yàn)證，在揭示多孔介質(zhì)內(nèi)真空水升華行為中液-固-氣交變相變界面的移動(dòng)規(guī)律及傳熱傳質(zhì)特性基礎(chǔ)上，得出水

具體包括以下3 個(gè)層面內(nèi)容：

1）結(jié)合研制技術(shù)流程，高溫水升華熱排散系統(tǒng)部組件交付后，針對(duì)部裝過程、總裝過程、綜合測(cè)試過程、力/熱系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)與包裝貯存運(yùn)輸?shù)冗^程，開展可信要素構(gòu)造與確認(rèn)，確保研制過程相關(guān)數(shù)據(jù)記錄完整、受控。

2）在單機(jī)研制層面，針對(duì)部分技術(shù)特點(diǎn)突出但宇航經(jīng)驗(yàn)不豐富的承制單位，開展專項(xiàng)二方審核，提高其宇航產(chǎn)品管控質(zhì)量。此外，還對(duì)關(guān)鍵過程（如多孔板制造、換熱器裝配）強(qiáng)化控制、全程跟產(chǎn)，強(qiáng)化產(chǎn)品驗(yàn)收控制，對(duì)重點(diǎn)工藝參數(shù)、生產(chǎn)過程要素與貯存情況進(jìn)行專項(xiàng)復(fù)查，確保產(chǎn)品研制過程各項(xiàng)工作一次做對(duì)、檢查到位、過程受控。

3）在實(shí)現(xiàn)方法上，開展單機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)基線控制、物資統(tǒng)一管理和工藝參數(shù)精準(zhǔn)控制，確保產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)和生產(chǎn)基線控制到位，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制重心前移。產(chǎn)品交付后通過關(guān)鍵項(xiàng)目、強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)與貯存環(huán)境再確認(rèn)工作，確認(rèn)產(chǎn)品關(guān)鍵特性和指標(biāo)驗(yàn)證到位，產(chǎn)品關(guān)鍵工序和環(huán)節(jié)操作到位。

3 應(yīng)用實(shí)例

“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)組成如圖4 所示[10]，主要包括水貯箱、控制閥（2 組）、減壓閥、水升華換熱器、壓力傳感器及溫度傳感器。

圖4 “嫦娥五號(hào)”的高溫水升華熱排散系統(tǒng)Fig.4 High temperature water sublimation heat dissipation system for Chang’E 5

針對(duì)“設(shè)計(jì)正確”，主要開展如下工作：

1）型號(hào)研制時(shí)輸入文件6 份，經(jīng)復(fù)查確認(rèn)設(shè)計(jì)輸入完整、適宜、可行；設(shè)計(jì)輸出文件12 份，設(shè)計(jì)狀態(tài)正確、滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

2）對(duì)于水升華換熱器，建立了重力無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，進(jìn)而提出一種水升華換熱器設(shè)計(jì)與驗(yàn)證方法，從理論上揭示了其運(yùn)行過程中的傳熱傳質(zhì)特性，解決了高溫啟動(dòng)中的“擊穿”抑制、系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行以及不同重力場(chǎng)下驗(yàn)證等難題[1]。

3）方案階段迭代過程中，首先由分系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)分析給出高溫水升華熱排散系統(tǒng)初步需求，并基于該需求完成初步設(shè)計(jì)正向反饋分系統(tǒng)，分系統(tǒng)再根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果給出單機(jī)正式需求，單機(jī)據(jù)此開展底層技術(shù)攻關(guān)，根據(jù)攻關(guān)結(jié)果再向上對(duì)分系統(tǒng)需求給出滿足情況與相關(guān)限制條件，從而形成雙“V”字形研制流程。

針對(duì)“驗(yàn)證充分”，主要開展如下工作：

1）從頂層策劃，按照單機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)、整器力學(xué)熱試驗(yàn)、研制試驗(yàn)以及鑒定件陪存試驗(yàn)4 個(gè)維度進(jìn)行驗(yàn)證項(xiàng)目完整性可信構(gòu)造與確認(rèn)。

2）在驗(yàn)證水升華換熱器重力無(wú)關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的正確性前提下，以“系統(tǒng)輸出壓力=減壓閥固有壓力+管路高度引起的驅(qū)動(dòng)壓力”作為設(shè)計(jì)要素，構(gòu)建出2 套專用地面性能測(cè)試系統(tǒng)（見圖5）來(lái)驗(yàn)證水升華換熱器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)性能。其中，1 套系統(tǒng)測(cè)試壓力大于月面與地面熱平衡試驗(yàn)工作環(huán)境，使得啟動(dòng)條件驗(yàn)證能夠包絡(luò)在軌及地面熱平衡試驗(yàn)狀態(tài)；另外1 套系統(tǒng)測(cè)試壓力小于月面與地面熱平衡試驗(yàn)工作環(huán)境，使地面測(cè)試得到的散熱量指標(biāo)相對(duì)在軌使用更加保守、可靠。兩相結(jié)合可以確保地面測(cè)試條件整體包絡(luò)在軌使用條件，做到驗(yàn)證充分。

圖5 高溫水升華熱排散系統(tǒng)地面性能測(cè)試方法示意Fig.5 Schematic diagram of ground performance testing method for high temperature water sublimation heat dissipation system

3）針對(duì)水升華換熱器開展了各種研制試驗(yàn)，任務(wù)推遲期間利用鑒定件開展陪存試驗(yàn)，發(fā)射前確保能夠覆蓋正樣產(chǎn)品全壽命周期。

針對(duì)“過程控制”，主要開展如下工作：

1）依據(jù)產(chǎn)品特性分析結(jié)果，將整個(gè)高溫水升華熱排散系統(tǒng)確定為探測(cè)器關(guān)鍵項(xiàng)目，水升華換熱器作為重要件，設(shè)置了2 個(gè)強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)用于控制單機(jī)性能。

2）使用正向FMEA、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別等方法構(gòu)造出水升華換熱器專項(xiàng)過程控制對(duì)象及控制措施，很好地解決了水升華換熱器研制過程中的過程控制難題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于“嫦娥五號(hào)”高溫水升華熱排散系統(tǒng)研制可信情況，結(jié)合“一次做對(duì)”可信質(zhì)量理念，從“設(shè)計(jì)正確”“驗(yàn)證充分”“過程受控”3 個(gè)方面開展了全系統(tǒng)、全要素和全過程的正向構(gòu)造和確認(rèn)，取得了良好的應(yīng)用效果。其中針對(duì)高溫水升華熱排散系統(tǒng)提出的具體可信要素實(shí)現(xiàn)途徑、方式與方法等措施，尤其是方案階段的雙“V”字形設(shè)計(jì)流程，有效保障了型號(hào)研制工作的順利開展。

可信構(gòu)造與確認(rèn)工作為我國(guó)自主研制的高溫水升華熱排散系統(tǒng)在軌首次成功應(yīng)用提供了有力支撐。在軌飛行表明，高溫水升華熱排散系統(tǒng)的性能與地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，實(shí)現(xiàn)了高溫水升華熱控技術(shù)的首次正式工程應(yīng)用。

“可信構(gòu)造與確認(rèn)”方法可以很好地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜單機(jī)研制過程中“全系統(tǒng)、全要素、全過程”正向的構(gòu)造和確認(rèn)，確保復(fù)雜單機(jī)研制結(jié)果滿足在軌使用要求；可以增強(qiáng)復(fù)雜集成單機(jī)系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與過程控制能力，對(duì)熱控其他類型單機(jī)以及熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒作用。