衛星總裝工藝FMEA應用初步研究

蔣志廣，易旺民，張延磊

（北京衛星環境工程研究所，北京100094）

0 前言

FMEA（Failure Mode Effects Analysis，故障模式影響分析）是一種系統的、標準化的故障模式分析方法，它通過對產品各個單元的故障模式及其對產品功能的影響進行分析，從而得到相應的可靠性指標。FMEA在工程領域被廣泛應用，特別是在航天這種高風險的領域。國外許多宇航公司采取強制措施大力推行FMEA方法，例如美國的各型號衛星都規定必須普遍采用 FMEA[1]，FMEA貫穿到衛星產品的整個過程，包括策略研究實施、系統管理和運行、產品設計、工藝設計等，并且取得了很好的效果。

國內在航天器設計方面已經普遍推行FMEA[2-3]，對提高航天器的可靠性發揮了重要作用；但是在衛星總裝工藝可靠性分析方面，國內尚處于探索階段，和國外成熟的航天器總裝可靠性管理體系相比存在較大的差距，因此需要大力加強總裝工藝FMEA研究。

1 總裝工藝FMEA技術原理

1.1 總裝工藝可靠性評估參數設計

在產品設計可靠性方面國內外做了大量的研究，形成了一套完善的可靠性評估理論和方法，對產品進行故障失效模式分析時一般使用故障率、故障模式頻數比、故障影響概率、工作時間、故障模式危害度以及產品危害度等6個量化參數[4-5]。但是由于衛星總裝操作時間具有很大的隨意性，因此本文不將產品工作時間作為一個單獨的可靠性評價指標，而是作為一個影響故障概率的次級因素處理；衛星產品屬于單件生產，難以有效進行各種故障模式的統計分析，因此不單獨考慮故障模式頻數比。

綜合衛星總裝過程的具體特點以及借鑒產品設計可靠性的評估方法，本文用嚴酷度、故障發生率、可檢測度、風險優序數、產品危害度等 5個參數對衛星總裝過程的失效模式進行分析評估。其中前3個是故障失效模式的3個基本要素，也是對產品綜合影響的3個關鍵因素；風險優序數在數值上是前3個量化參數的乘積，是一個反映故障模式危險程度的綜合參數；產品危害度是一個針對評估對象所有失效模式的綜合危險程度的參數，它可以反映一道工序、一個部件、一個分系統、一個艙段、一個關鍵過程的失效模式的綜合危害情況。

1.2 總裝工藝可靠性評估參數量化

1）嚴酷度（Severity）等級量化設計

嚴酷度是失效模式相關影響的嚴重程度的度量，是該失效模式所造成的最壞的潛在后果嚴重程度等級的對應值，應根據最終可能出現的人員傷亡、系統損壞和經濟損失的程度來確定。根據對人員、產品、任務進度等3個方面的影響，將嚴酷度等級分為災難性的、致命的、較重的、中度的、輕度的和可忽略的 6個等級，檢測值分別對應10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見表1。當多人對某一個失效模式的嚴酷度值分別進行獨立評價，得到不同值時，可采用加權算術平均法計算，平均值不為整數時，按四舍五入規則取整；同一失效模式對人員、產品、任務進度、環境都有影響時，評估時以影響較嚴重的一個級別為評估級別。

2）故障發生度（Occurrence）等級量化設計

故障發生度是指某一個失效模式在已采取控制措施下發生的可能性的度量。根據總裝工藝實施過程中“失效發生的可能性”的大小，將故障發生度分為極高、很高、高、中等、低和極低 6個等級，檢測值分別對應10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見表 1。

3）可檢測度（Detectability）等級設計

可檢測度對應于失效模式的“根原因”在已確定的檢測手段和控制措施下被檢測出來的可能性度量值，依據失效可檢測的難易程度分為極難、難、有可能、可能、很可能和能 6 個等級，分別對應的檢測值為10、8～9、6～7、4～5、2～3、1，見表1。

4）風險優序數（Risk Priority Number）確定

風險優序數是嚴酷度、故障發生度和可檢測度的乘積，即RPN=S×O×D。根據總裝工藝每一道工序的重要性以及對任務進度的影響程度預先確定一個數值，作為是否應采取補充措施的判據，稱為風險優序數臨界值。通過對總裝過程和總裝工藝的具體特點進行分析，當故障對產品而言嚴酷度達到中度、故障發生度達到較高、可檢測度在“有可能”級別時，本道工序便需要對潛在故障采取補救和防范措施，這時的風險優序數便為臨界值。參照表1，可以得到風險優序數的臨界值為150（S＝5，O＝6，D＝5）。

5）產品危害度（Criticality）計算

產品危害度是針對某一個研究對象所有失效模式綜合危害的度量，它在數值上等于所有有效失效模式風險優序數之和。不同研究對象的失效模式在數量上存在很大差別，對發生風險優序數很低的失效模式可不必考慮，因此需要設定一個“門檻”，當一個失效模式的風險優序數大于這個門檻數值時才能作為一個有效的故障失效模式。

式中：Si表示第i道工序的嚴酷度；Oi表示第i道工序的故障發生度；Di表示第i道工序的可檢測度。

通過對總裝過程的具體分析，當嚴酷度、故障發生率、可檢測度三者中的一個達到較高等級，而另外兩個不低于參數分級中的第二等級時，這個故障模式便可認定為有效的故障失效模式。參照表1，可以得到有效故障模式的RPN數值應不低于32（S=2，O＝2，D＝8）。

評估一道工序或其他一個對象時，只要將其所有大于32的故障模式風險優序數相加，便可以得到這道工序或對象的產品危害度。

表1 總裝工藝FMEA參數評分表Table 1 FMEA parameter grade table for assembly and integration process

續表1

為了直觀地對比各個工序的可靠性程度，需要對每一道工序的嚴酷度、故障發生度、可檢測度進行分數評定。工藝人員和質量管理人員可以根據不同工序或艙段的產品危害度數值來選擇需重點防護的對象，從而加強質量管理，提高總裝可靠性。

2 衛星總裝工藝FMEA實施方案

2.1 總裝工藝FMEA實施流程

總裝工藝FMEA實施流程圖（圖1）適合不同的評估對象。

圖1 工藝FMEA實施流程框圖Fig.1 Flow chart of FMEA operation for assembly and integration process

當對一個關鍵工序進行可靠性評估時，需要對各個工步列出所有可能的失效模式進行細化，再按照工藝FMEA方法進行評估。當評估對象為一個艙段時，可以以工序或結構部件的安裝作為可靠性評估的主線，具體選擇應根據不同艙段的實際情況和相關總裝經驗。

2.2 FMEA評估對象歸類

衛星系統構造復雜，一般包括數管分系統、供配電分系統、熱控分系統、控制分系統、推進分系統、結構分系統、機械太陽電池板、總裝直屬件等多個分系統[6]，不同型號之間分系統差別巨大，而每一個分系統又都包含大量單機和部組件。從艙段上看，衛星從功能上分為推進、服務、通信等艙段，不同衛星對應的艙段設置也不同；衛星總裝過程中還涉及關鍵過程控制（主要有多余物的控制、靜電防護、艙段運轉、整星吊裝等）和相關專業測試（主要包括精度測量、質量測試、檢漏等）。這些分系統、艙段、關鍵過程控制和相關專業測試都是總裝工藝可靠性評估的重要內容，系統龐大，需要合理的歸類整理，才能抓住關鍵因素和關鍵環節，確保總裝工藝的可靠性。

圖2為衛星總裝工藝故障模式影響分析示意圖，主要從關鍵部件及分系統總裝工藝、自制部件、衛星艙段、總裝專業測試、關鍵過程控制等5個方面展開可靠性評估。

自制部件主要是指由總裝工藝和操作人員負責制作和安裝的部件，包括多層隔熱組件、外熱流組件等。對自制部件的可靠性分析不僅涵蓋了總裝過程中的工藝可靠性分析，而且包括部件制作過程中的可靠性分析。

圖2 總裝工藝可靠性分析示意圖Fig.2 Schematic diagram of assembly and integration process reliability analysis

總裝專業測量可靠性分析主要包括兩方面的內容：一是在專業測量過程中的操作可靠性分析，主要指對星體可能帶來的一些損傷失效模式；二是專業測量的測量數據可靠性分析，這主要是指測量數據失真的故障原因分析，包括硬件故障、軟件故障、操作人員失誤等。

關鍵過程控制滲透在衛星各個分系統的總裝過程是一個最復雜的可靠性評估內容，需要可靠性人員豐富的總裝工作經驗來預測可能發生故障的環節，并且通過實驗和相關的檢測手段進行驗證和分析，從而提出相應的預防失效措施。

3 總裝工藝FMEA實例分析

3.1 總裝工藝 工作表格制定

在使用衛星總裝工藝FMEA過程中，需要針對現有的措施以及檢測手段進行故障模式評估，同時根據評估后的結論，提出對應的補救措施。

總裝工藝FMEA工作表頭（見表2）不僅適用于一道工序可靠性評估，而且適用于一個部件、系統甚至一個艙段的總裝可靠性評估。根據不同評估對象的特點，分析主要可能的失效因素和失效模式，按實施方案進行可靠性分析。

表2 總裝工藝FMEA工作表頭Table 2 Head of FMEA working table for assembly and integration process

3.2 總裝工藝FMEA注意事項

1）有效性原則：為了使總裝工藝FMEA具有更高的價值，必須在總裝工藝編制和總裝操作過程中遵循總裝工藝FMEA的原則和改進措施，并且對于重要的 FMEA結果，應組織由工藝編制人員、總裝操作人員和設計人員共同參加的評審。

2）協同性原則：FMEA是為總裝工藝編制提供可靠性改進的信息和依據，因此應該與總裝工藝編制同時進行。在工藝編制初期使用FMEA可以有效地防止一些潛在故障發生，同時應根據衛星總裝過程中的具體情況來修改評估參數，使FMEA更具針對性和有效性。

3）廣泛性原則：總裝工藝FMEA是否有效，關鍵是對所分析的問題是否進行了充分的分析和評估。對工藝和工序中出現的失效模式要通過查閱資料、對比類似失效事故、預測推理、研討等進行充分的論證。對每一個失效模式列舉盡可能多的失效原因，如果原因對失效模式是唯一的，即如果糾正該原因對該失效模式有直接的影響，那么這部分FMEA的判斷即可完成。

4）開放性原則：FMEA是對將來可能的失敗進行預計，而不是對失敗發生的產品進行補救。FMEA是一個系統性的工程，通過設計、制造、總裝、管理、維護等各個部門進行協作，運用相關的可靠性理論方法對產品可能發生的故障進行預測，提出相應的預防措施。FMEA不是一次性工程，而是一個不斷完善的工程；隨著產品的輸入條件不同，FMEA的分析表格和評估結果也不一樣，采取的方法也有所不同。

4 結束語

本文用嚴酷度、故障發生率、可檢測度、風險優序數、產品危害度等5個參數對衛星總裝過程的失效模式進行分析評估，較好地反映出一個失效模式的發生概率、對產品和工作進度的影響程度、被操作者發現的可能性等最為關鍵的3個因素，并通過參數之間的數學計算得到每一個失效模式和每一道工序的可靠性量化數值，便于工藝編制人員直觀地了解總裝工藝的可靠性情況，從而進行綜合比較和對相關失效模式采取相應防護措施。

FMEA作為一種可靠性評估方法，也有其自身的局限性和適應范圍。因此，提高航天產品的總裝可靠性不是簡單地完成FMEA報告，而是需要針對總裝操作的具體特點，有選擇、有計劃地逐步推行FMEA，切實建立起可靠性技術人員和工藝技術人員之間的溝通渠道，讓可靠性技術人員參與工藝文件的編制，有效發揮可靠性方面的指導和監督作用，從而逐步建立起一套完善的可靠性保障體系。

（References）

[1]楊為民, 阮鐮, 俞沼.可靠性設計與分析 [M].北京：國防工業出版社, 2004

[2]易旺民, 孫 剛, 劉宏陽.航天器總裝可靠性研究[J].航天器環境工程, 2006, 23(3)： 161-164

[3]徐艷麗, 沈懷榮.航天產品系統可靠性評估方法及軟件研究[J].裝備指揮技術學院學報, 2001, (3)：93-97

[4]GJB 1391—1992, 故障模式、影響及危害性分析程序[S]

[5]Failure mode and effect analyses[J].EIA, Reliability Bulletin, 1971(9)

[6]徐福祥, 林寶華, 侯深淵.衛星工程概論[M].北京：中國宇航出版社, 2004