質量與可靠性工程在新研火箭設計中的實踐

◎北京宇航系統工程研究所 徐文彬 馬驥 李彩霞 郭雷

質量與可靠性工程在新研火箭設計中的實踐

◎北京宇航系統工程研究所 徐文彬 馬驥 李彩霞 郭雷

正在研制的新一代運載火箭將承擔我國載人空間站建設過程中的重要發射任務，無論從總體方案設計，還是技術指標要求，都具有跨越式的提升，對新一代運載火箭的發射和飛行可靠性提出了更高的要求。其中，火箭發射可靠性不低于0.92，飛行可靠性不低于0.98。為此，新一代運載火箭從立項之初，即以“高可靠、高安全、高質量”為設計目標，以全壽命、全要素的可靠性工程的方法和標準系統、規范地開展質量與可靠性工作，并結合新一代運載火箭技術風險多、研制難度大的特點，提出面向全系統、全壽命、全過程，涵蓋設計、研制和生產單位的“2+9+2”質量與可靠性工作方法的實踐，通過這種研制模式實現與系統工程、質量工作、標準化工作、產品化工作以及基礎可靠性工作的相互結合。

一、新一代運載火箭可靠性工作的思路

新一代運載火箭以“一度故障工作，二度故障安全”為最高設計準則，以“高可靠、高安全、高質量、高性能”為目標，并充分吸收、借鑒成熟研制成果和國際主流先進經驗開展質量與可靠性工程的實踐，最終實現產品零缺陷、無故障。

1.與系統工程相結合

通過系統策劃和細化全箭的可靠性分析、設計、試驗，從系統工程的角度綜合考慮研制進度、經費等方面的約束，綜合策劃、系統實施，優化和細化可靠性頂層要求，加強制定可靠性管控措施，嚴格落實工作計劃等手段，將可靠性分析工作閉環、可靠性設計工作成效以及可靠性試驗工作落實到位。

2.與質量工作相結合

將可靠性研制與質量管控手段相結合，如將量化控制手段納入可靠性研制過程中，具體包括：箭上所有單機和地面前段單機產品均要通過可靠性指標驗證試驗來定量回答產品的可靠性設計；對裕度及降額等設計和分析采用具體數值進行量化；將單點失效分析、可靠性關鍵項目與復核復算、風險分析、特性分析、強制檢驗點設置、試驗充分性、測試覆蓋性相結合；將可靠性研制要求納入產品驗收要求等。

3.與產品化工作相結合

充分借鑒產品化工作的思想，如除了在產品設計過程中充分借鑒成熟型號相似產品的設計之外，在全箭各系統單機的指標研制試驗及配套中充分考慮其它型號的相似產品，力求做到所有型號相似產品共同驗證評估產品可靠性，從而縮短可靠性研制周期，減少火箭研制經費等。

針對相似產品的歷史故障，對新一代運載火箭實施進一步的分析并舉一反三，從可靠性分析、設計和試驗方面采取措施，控制相似產品的歷史問題再現。

4.與標準化工作相結合

探索利用標準化手段規范設計和試驗等可靠性工作，主要包括梳理型號研制過程中的可靠性標準，并策劃制定型號可靠性研制標準體系框架等；對各項可靠性工作的要求，研究利用模板的手段開展可靠性工作，既能幫助設計人員加深對可靠性要求的理解，降低了設計人員進行可靠性工作的難度，又保證了準確、完整地落實新一代運載火箭的可靠性要求。

5.與基礎可靠性工作相結合

結合型號可靠性工作的研制，強化基礎可靠性專業工作，如研究故障診斷技術，利用數字化手段實現故障模式的檢測、預防和控制；建立動態的故障模式數據庫，對故障模式進行實時控制和更新等。

二、研制模式的內容

“2+9+2”質量與可靠性工作方法即為兩分析、九要素設計、雙量化管理，通過設計確定、生產保證、試驗驗證、質量控制的工作內容保證產品的質量與可靠性。

1.兩分析

故障樹分析（FTA）以飛行任務失敗為頂事件，從總體、分系統、單機自上而下開展全箭的故障樹分析，全箭形成一階最小割集，并通過三類關鍵特性等對設計、工藝和過程進行控制。

故障模式及影響分析（FMEA）依據時序、彈道、功能、性能、環境條件五要素細化發生可能性判別準則、嚴酷度類別、量化故障檢測等，從單機、分系統、總體自下而上開展全箭的故障模式及影響分析，形成可靠性關鍵項目和設備、系統雙層次兩類單點模式，并實施設計、工藝和過程控制等。

2.九要素設計

九要素設計包含元器件與原材料選用設計，力學環境適應性與機械設計，真空、熱環境適應性設計，防水、防潮、防鹽霧、防霉菌設計，電磁兼容性設計，冗余設計，裕度和降額設計，防差錯與可測試設計以及氣液密封設計。其中，元器件與原材料選用設計要對所選用的元器件和原材料進行周密考慮，為保證產品可靠性打下基礎。

傳統上將防潮、防鹽霧、防霉菌稱為“三防”設計，鑒于新一代運載火箭在海南發射場執行發射任務，環境濕度大，且新一代運載火箭采用低溫液氧，要具備中雨發射能力，必須加強防水設計。

對于液體火箭而言，氣、液密封設計是火箭可靠性設計的關鍵環節。對于火箭發動機和動力系統的許多產品（貯箱、氣瓶、輸送管、增壓管、測壓管、各類閥門等），氣體或液體非正常泄漏將有可能導致火箭飛行失敗，嚴重時甚至誘發安全事故。

3.雙量化管理

在“2+9” 可靠性分析和設計完成后，要通過可靠性研制定量驗證試驗對可靠性設計結果進行驗證，包括可靠性定性設計和可靠性指標的試驗驗證。

可靠性定性設計試驗驗證是對采取的九要素設計開展相應的試驗驗證，通過鑒定試驗對抗力學環境、真空和熱設計以及防水、防潮、防鹽霧、防霉菌設計進行試驗驗證；通過電磁兼容性試驗對電磁兼容性設計進行試驗驗證；通過裕度（拉偏）試驗對裕度設計情況進行試驗驗證等。尤其要求研究采用可靠性強化試驗方法來摸清產品余量、快速暴露設計和工藝的可靠性薄弱環節。

可靠性指標的試驗驗證是通過四應力綜合的可靠性增長試驗進行可靠性指標的定量驗證，驗證產品以不低于一定水平的概率在所規定的時間、環境和工作條件范圍內正常工作，通過成功的可靠性增長試驗來驗證各系統單機、分系統及全箭的發射可靠性和飛行可靠性指標。

質量量化控制是對產品研制過程中所采取的質量管控措施的定量控制，通過量化的質量控制手段對產品研制質量進行把關，如不同產品擰緊力矩的量化要求；電氣產品飛行前總通電時間的量化要求。

三、實施可靠性工程的研制流程

依據新一代運載火箭研制的不同階段，可靠性工程的研制過程可分解為可行性論證、方案、工程研制（初樣和試樣）、應用發射4個階段，各階段可靠性工程的研制流程如圖1所示。

圖1 可靠性工程的研制流程

1.可行性論證階段

可靠性工程研制過程主要是進行任務可靠性定量指標和可靠性定性要求的合理性與可行性論證，并提出型號可靠性研制要求。

2.方案階段

明確全壽命周期剖面時間、地點、功能、性能、環境條件五要素，制定新一代運載火箭故障模式與影響分析實施指南，按照單機、分系統、總體自下而上開展FMEA，全面識別全箭故障模式、風險環節。

結合歷史故障模式、火箭典型故障模式等確定底事件，制定新一代運載火箭故障樹分析要求，按照總體、系統、單機自上而下開展FTA，輔助識別全箭總體級、分系統級和單機級故障模式、風險環節。

以可靠性定性分析結果和可靠性定量指標為依據，在產品功能、性能設計的同時，總體、分系統和單機開展可靠性設計。可靠性設計包括可靠性定性和定量設計，其中定性設計主要依據可靠性設計實施指南進行，定量設計依據可靠性指標分配結果。

“2+9”可靠性分析與設計工作完成后，形成方案階段可靠性設計基線。

3.初樣階段

在方案階段可靠性工作的基礎上，進行初樣產品“2+9”可靠性分析與設計。以FMEA+FTA為手段，進一步識別Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式和確定可靠性關鍵項目。以可靠性九要素設計實施指南為依據規范產品可靠性設計。通過分析和設計改進的反復迭代，形成初樣階段可靠性設計基線。

可靠性設計完成后開展雙量化管理工作，確保可靠性指標驗證和落實。可靠性量化驗證包括可靠性定量和定性設計驗證，前者主要通過可靠性增長試驗實現，后者主要通過裕度試驗、鑒定試驗和分析計算等實現。質量量化控制包括以“流程圖”為索引的全過程質量量化控制要求，以及對設計、生產、試驗三大環節全過程的質量控制措施。

在開展質量與可靠性雙量化管理的同時，對全過程各環節發現的問題進行改進和控制，形成初樣階段可靠性生產基線。

4.試樣階段

在初樣階段可靠性工作的基礎上進一步開展試樣“2+9”可靠性分析與設計。持續開展質量與可靠性雙量化管理工作，通過可靠性指標量化驗證獲得產品可靠性指標，通過全面推進強化質量量化控制管理，穩步提升新一代運載火箭質量管理水平，形成試樣階段型號可靠性產品基線。

5.應用發射階段

重點對技術狀態發生變化的產品繼續開展“2+9+2”可靠性工程的研制，結合可靠性增長穩步提升火箭可靠性指標，持續推進全過程質量量化控制，提升質量與可靠性管理水平。

可靠性工程已發展成為系統性很強的工程技術學科，只有“科學、規范、高效”地實施系統管理，才能全面落實高可靠性指標。以“2+9+2”可靠性工程方法為手段，以質量與可靠性工作的“系統性、充分性、有效性”為重點，對新一代運載火箭全系統、全過程的質量與可靠性分析設計反復迭代，以確保產品固有可靠性得到充分保證。