火箭發動機試驗管道多余物人機環境控制方法

秦永濤，宋 陽，蘇紅芳，李 榮

（西安航天動力試驗技術研究所，陜西西安710100）

0 引言

液氧/煤油火箭發動機比常規火箭發動機結構復雜，試驗系統與試驗產品配套大量的液路、氣路、測控、工藝、吹除、增壓等工藝管道和閥門。其中，工藝管道配套的數量多、接口形式多樣，安裝工序復雜。由于試車準備工作過程中，部分位置空間窄小，工作人員多，造成操作困難，從而連接產品的管路多余物產生的可靠性增加。有時人為疏忽以及工藝管道交付驗收過程中對多余物控制的不嚴，容易造成多余物隨著工藝管道一起帶入產品。因此，液氧/煤油火箭發動機試驗中試驗系統及產品內多余物的控制難度較大。

火箭發動機試驗過程中，多余物容易引起試車過程發動機內部燃燒不均勻、零部件磨損加劇、閥門無法正常打開與關閉、參數下降等異常情況，嚴重時引起重要零部件如渦輪泵等提前失效、損壞，甚至爆炸。多余物造成火箭發動機試驗質量問題的概率大幅上升，一些重大的航天試驗或發射失敗的原因就是由于多余物造成的。因此，液氧/煤油火箭發動機試驗中，需要從全過程自始至終嚴加預防和控制多余物，制定合理科學的檢查方法，避免多余物進入發動機內部。

針對多余物的控制與檢查，國內外許多專家學者進行了大量的工作，例如Cui Jinshi，Julius Z.knapp，熊濤，李大南等。目前，液體火箭發動機試驗過程的多余物控制已從單純的以產品為主發展到結合具體工程實際與理論知識綜合分析，從直觀的控制到防患于未然的提前控制階段，但是，目前還沒有綜合考慮人-機環境因素，從人機環境系統工程出發研究液氧煤油火箭發動機試驗過程多余物控制方法。

為此，通過分析產生多余物的主要環節，從人機環境等方面出發，探索多余物產生的影響因素間耦合關系，確定工藝管道多余物的產生根源，制定液氧/煤油火箭發動機試驗過程的多余物控制方法，進行早期有效預防，避免由于地面試驗系統造成的發動機產品損壞，為準確、客觀評價液體火箭發動機的固有質量提供保障。

1 多余物產生的因素分析

1.1 試驗過程多余物來源分析

根據QJ2850-96《航天產品多余物預防和控制》，多余物的定義為：產品中存在的由外部進入或內部產生的與產品規定狀態無關的一切物質。對于液氧/煤油火箭發動機試驗過程來說，在總裝交付驗收時帶有不符合設計圖紙、技術文件以及技術條件規定的物質均稱為多余物。

多余物的種類是多種多樣的，常見的是金屬、非金屬、人及其排泄物。此外，超過規定的塵埃和介質化學反應的生成物也是多余物。

1)金屬類多余物 這是比較常見的一類，主要有脫落的標準件、加工金屬屑、遺忘的裝配工具、鋼絲頭、焊渣、工藝件、鉚釘頭等。這類多余物是液體火箭發動機試驗過程控制的重點。

2)非金屬多余物 這類多余物涵蓋的范圍廣，包括總裝使用的非金屬（如泡沫、襯帶、膠帶、鍍鋁膜、滌綸網、阻燃布等）、材料碎屑、超過規定的塵埃、膠類及膠類固化后的碎渣，這類多余物的控制難度比較大。

3)其他多余物 主要包括生物化學多余物和有害氣體多余物。

1.2 多余物產生的因素關系分析

試驗過程的多余物影響因素數量多，涉及范圍廣，存在相互制約、相互影響的錯綜復雜關聯關系，引起故障的產生、增長、積累和傳遞，最終可能影響發動機試驗成敗。因此，需要從錯綜復雜的影響因素中全面定量確定多余物產生的關鍵影響因素，從問題的薄弱環節出發，控制工藝管道的安裝過程，減低多余物產生的可能性。

人-機-環境系統工程是由我國著名科學家錢學森提出的，通過運用系統工程的思想和方法，揭示人、機、環境之間相互關系的規律，確保系統最優組合的一門綜合性學科。人-機-環境系統工程最大特點是把人、機、環境看作是一個系統的三大要素，在深入研究三者各自性能的基礎上，著重強調從全系統的總體性能出發研究對象特性。人-機-環境系統工程和5M1E (Man,Machine,Material,Method,Measure,Environment)現場質量控制方法相比，人-機-環境系統工程不僅分析組成要素的單獨性能，更進一步分析研究系統中各要素的關聯關系，并通過人、機、環境間的信息傳遞、加工和控制，形成一個相互關聯的復雜的巨系統，并運用系統工程方法加以分析，使系統具有“安全、高效、經濟”的綜合效能。

在此以人機環境系統工程為基礎，從人-機-環境三個主要方面對液氧煤油火箭發動機試驗過程的多余物影響因素進行全面定量識別與分析，其多余物影響因素主要包括：一是人 (工作人員)的影響方面，包括如使用經驗、檢查周期等；二是機器 (客觀運行實體)的影響方面，包括管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等；三是環境 (主、客觀環境)的影響方面，包括介質溫度、壓力、流量、環境溫度、振動等。

試驗過程的多余物影響因素Qp可以表示為：

式中：PW為試驗過程中人 (工作人員)的主要方面；PM為試驗過程中機器 (客觀運行企業實體)的主要方面；PE為試驗過程中環境 (主客觀環境系統)的主要方面；pxk為第k個試驗過程的多余物的人-機環境影響事件；{ps1,ps2,ps3,...psm}表示有m個人員方面的影響事件，例如使用經驗、檢查周期等；{psm+1,psm+2,...psr}表示有r-m個機器方面的影響事件，例如管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等； {psr+1,psr+2,...psh}表示有 h-r個環境方面的影響事件，介質溫度、壓力、流量、環境溫度、振動等；h表示試驗過程多余物的人-機-環境影響事件總數，1≤m＜h，1≤r＜h。

根據人機環境系統工程，試驗過程的多余物的影響因素來自于人機環境，并且存在錯綜復雜的關系，其試驗過程的多余物的影響因素相互關系如圖1所示。

圖1 試驗過程多余物的人機環境影響因素相互關系Fig.1 Mutual relation of man-machine-environment influence factors on foreign object debris in test process

根據試驗過程的多余物人機環境影響因素相互關系，試驗過程的多余物Ps可以表示為：

式中：Ru為人 (工作人員)的因素間相互關系；Rv為機器 (客觀運行企業實體)的影響因素間相互關系；Rd為環境 (主客觀環境系統)的影響因素間的相互關系；Ruv為人 (工作人員)與機器 (客觀運行企業實體)的影響因素間相互關系；Rud為人 (工作人員)與環境 (主客觀環境系統)的影響因素間相互關系；Rvd為機器 (客觀運行企業實體)與環境 (主客觀環境系統)的影響因素間相互關系；Pxi為第i個試驗過程的多余物的人機環境影響因素。

1.3 多余物產生的關鍵因素確定

對于液氧/煤油火箭發動機試驗過程的多余物人機環境影響因素間相互關系，根據集對分析，利用因素同一度、對立度、波動度關系，可以分析多余物的人機環境影響因素的緊密程度，確定一個因素與其他因素的耦合程度，有：

定義1：試驗過程的多余物人機環境影響因素的同一度ai。ai表示第i個人機環境影響因素波動對其他人機環境影響因素產生波動，從而導致其他人機環境影響因素產生工藝管道的多余物。

定義2：試驗過程的多余物人機環境影響因素的對立度bi。bi表示第i個人機環境影響因素波動對其他人機環境影響因素不產生波動，從而避免其他人機環境影響因素產生工藝管道的多余物。

定義3：試驗過程的多余物人機環境影響因素的波動度ci。ci表示第i個人機環境影響因素對其他人機環境影響因素產生波動，可能導致其他人機環境影響因素產生工藝管道的多余物，或者不產生工藝管道的多余物。

在t時刻，試驗過程的多余物人機環境影響因素的同一度、對立度、波動度分別為：

式中：μij(t)為在t時刻第i個人機環境影響因素對第j個人機環境影響因素的權重系數，其值根據脆性熵確定。

試驗過程的多余物人機環境影響因素的脆性聯系函數為：

試驗過程多余物影響因素的耦合度Hi定義為：

式中：α，β，γ 分別為 ai，bi，ci的權重系數,J，I，α，β，γ其值可以根據具體實際過程情況確定。

根據確定的試驗過程多余物的人-機環境影響因素，通過計算相互關系的同一度、對立度、波動度，確定試驗過程的多余物人機環境影響因素的耦合度Hi，從而根據確定試驗過程的多余物人機環境影響因素的耦合度Hi，可以確定試驗過程多余物產生的關鍵影響因素。

2 試驗過程的多余物控制方法

根據人機環境系統工程確定多余物產生的關鍵因素，采取相應的措施，可以從根源上清除試驗過程多余物。在長期液氧煤油火箭發動機試驗過程中，為提高效率，滿足試驗要求，結合崗位多年實際，針對多余物產生的關鍵影響因素，研究了多余物改進與控制方法，其基于人機環境系統工程的試驗過程的多余物控制過程如圖2所示。

圖2 基于人機環境系統工程的試驗過程的多余物控制過程Fig.2 Control process of foreign object debris in test process according to man-machine-environment system engineering

2.1 試驗準備過程中工藝管道清理維護

在與產品對接的工藝管道安裝前，應選取合適型號的不銹鋼管子，對管子進行一對一的制作，因對接口形式一樣，可防止管道接錯。制作時對管道進行標記，焊接時應對管道接口檢查，防止對接口有多余物。焊接完接頭酸洗、清洗、吹除、打壓、清洗、吹除，避免制作過程產生多余物。與發動機對接前包白布，采用高壓氣體吹出，確保干凈。

2.2 多余物的排除方法

對于液氧煤油火箭發動機試驗過程多余物，主要應從人機環境方面（人員、設備、環境、配套庫房、工藝、操作、檢驗等）各方面進行排查，從關鍵因素入手認真剖析各環節，具體可以從以下方面展開：

1）擦 用海綿對管子內壁做活塞往復運動（或用白綢條清洗）。

2）吹 用經過凈化的潔凈氮氣，對沉積在發動機內部的多余物進行吹除。

3）洗 對管道進行酸洗去除氧化物質，對產品金屬表面及可觸及部位，用布塊擦拭或沾酒精（T3）等有機溶劑清洗。

4）振動排除 將發動機敞口部位置于最下方，用橡皮榔頭在產品上適當敲擊、振動排除多余物。

5）吸 用磁鐵對管道鐵屑多余物進行吸取與收集。

試驗過程的多余物人機環境影響因素的同一度、對立度、波動度分別為：

式中：同一度ai包括了白綢條體積、質量、往復次數、往復力、洗的清洗劑、次數、吹除氣體壓力、流量等；對立度bj包括了振動強度與頻率；波動度cl包括了吸的磁鐵磁場、距離、次數等。

試驗過程的多余物人機環境影響因素的脆性聯系函數為：

式中：I，J與權重系數分別為1，取相同重要性等級。

2.3 多余物的檢查方法

在液氧/煤油火箭發動機試驗過程中，除了根據主要人機環境因素進行有效的清除，還需要早期進行檢查，早期消除隱患。針對液氧/煤油火箭發動機試驗過程實際情況，結合實際工作，對試驗臺可以采取的多余物的早期檢查方法進行了總結。

2.3.1 系統檢查

在新配制相關管道中進行系統改造時，系統與外界接口不用或者人員不在現場時，應快速將試驗系統對接口敞口部位蓋好，確保試驗系統無多余物。產品安裝和關鍵崗位嚴格按照規定的品種、規格、數量領取物品（螺栓、密封墊、工具等），安裝完并進行清點。工作現場如有丟失，少裝零件，必須立即停止工作，保持現場及時報告，直到有可靠結論方可繼續工作，做好工作記錄。

2.3.2 關鍵部件檢查

對于液氧/煤油火箭發動機試驗過程管道中的關鍵部件，應重點檢查，例如密封件發生擠壓變形，對接口安裝不正確等，容易使密封件部位產生碎屑等多余物，應加以控制。

2.3.3 管道清洗

目前液氧/煤油發動機試驗臺與發動機連接管路的管徑大小從DN2到DN300不等，為此提出不同的防治方法。例如針對小口徑管道（小于DN6），首先進行酸洗去除氧化物質，然后采用T3清洗劑清洗去除清脂，采用1 MPa以上氮氣進行吹除，并立即封口；針對大口徑管道（大于DN6），首先進行酸洗去除氧化物質，然后采用T3清洗劑清洗去除油脂，并采用鋼絲捆綁白綢布進行管道內壁的擦洗，保證白綢布無多余物，最后采用1 MPa以上氮氣進行吹除并立即封口。

通過采用基于人機環境系統工程的試驗過程的多余物控制，液氧/煤油發動機試驗近百余次，工藝試驗管道多余物得到有效控制，滿足了試車要求，提升了試驗水平，保證了發動機研制要求。

3 結論

通過分析產生多余物的主要環節，基于人機環境系統理論，從人機環境綜合方面出發，尋找工藝管道的多余物產生的根源，并根據集對理論，定義了影響因素間的同一度、對立度、波動度，探尋了其人機環境因素間耦合關系，分析了多余物產生的關鍵影響因素，確定工藝管道多余物產生的根源；并針對多余物的人機環境關鍵因素，結合實際工作，研究液體火箭發動機試驗過程的多余物控制方法，為編制多余物預防和控制標準提供了一種方法指導與參考。

[1]LIU Song,YAO Bin.Adaptive robust control of programmable valves with manufacturer supplied flow mapping only[C]//The 43rd IEEE Conference on Decision and Control.[S.l.]：IEEE,2004：1117-1122.

[2]LIU Kun,ZHANG Yulin.A study on versatile simulation of liquid propellant rocket engine systems transients,AIAA 2000-3771[R].USA：AIAA,2000.

[3]李進,趙宇,李文釗,等.基于權重系數的液體火箭發動機可靠性驗證方案 [J].航空動力學報,2011,26(4)：931-934.

[4]ZHANG Hui,WANG Shujuan,ZHAI Guofu.Test condition discussion of particle impact noise detection for space relay[J].Chinese Journal of Aeronautics,2007,20(1)：35-39.

[5]張青松,張振鵬,楊雪,等.液體火箭發動機試驗臺氣液管路系統故障仿真及分析[J].航空動力學報,2006,21(2)：403-409.

[6]李琦芬.低溫推進劑管道輸送系統特性研究[D].杭州：浙江大學,2005.

[7]CUI Jinshi,ZHA Huangbing.Fusin of detection and matching based approaches for laser based multiple people tracking[C]//Proceeding of IECON.[S.l]：Industrial Electronics Society,2204：2566-2572.

[8]KNAPP J Z.Particle detection method for detection of contraction particle in seal containers：US,5694221[P].2011-11-22.

[9]熊濤.航天器總裝多余物控制方法探討[J].航天器環境工程,2006,23(5)：277-280.

[10]李大南.航天型號產品多余物及其預防和控制標準的實施檢查[J].航天標準化,2006,1：17-20.

[11]唐虎,張敏貴,張金容.液體火箭發動機汽蝕管堵塞仿真研究[J].火箭推進,2012,38(3)：46-58.TANG HU,ZHANG Mingui,ZHANG Jinrong.Simulation study on jamming of liquid rocket engine venturi[J].Journal of Rocket Propulsion,2012,38(3)：46-58.

[12]陳靜.復雜背景下器件多余物城鄉檢測若干關鍵技術研究[D].武漢：華中科技大學.2010.

[13]BOSNYATSKIJ G P,BARINUD V B,PARSADANOV G M,et al.Optimization of inter-relations of manmachine-external environment-reserve of reliability of system[J].Gazovaya Promyshlennost,2001(12)：35-40.

[14]龍升照.錢學森與人機環境系統工程[C].第八屆中國人-機-環境系統工程大會,深圳：2007：3-10.

[15]MA L H,YAN H Z.Comprehensive evaluation of fully mechanized mining face security based on unascertained-Information entropy model[C]//Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology.Beijing：IEEE,2009：268-271.

[16]QIN YT,ZHAO LP,YAO YY.Dynamic quality characteristics modelling based on brittleness theory in complexmanufacturingprocesses[J].InternationalJournal of Computer Integrated Manufacturing,2011,24(10)：915-926.

[17]金鴻章,李琦,吳紅梅.基于脆性因子的復雜系統脆性分析[J].哈爾濱工程大學學報,2005,26(6)：739-744.

[18]榮盤祥.復雜系統脆性理論及其理論框架的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2006.

[19]RONG P X,JIN H Z,WEI Q.Brittleness research on complex system based on brittle link entropy[J].Journal of Marine Science and Application,2006,5(2)：51-54.