泵壓式液體火箭發動機產品成熟度模型研究

◎航天推進技術研究院 李新波 劉禾

泵壓式液體火箭發動機產品成熟度模型研究

◎航天推進技術研究院 李新波 劉禾

分析和研究液體火箭發動機與傳統一般單機的區別，進一步探索適合液體火箭發動機的成熟度評價工作模式，根據泵壓式液體火箭發動機在設計、生產、試驗等方面的特點，重點關注關鍵部組件的設計、生產、試驗和驗收工作對整機成熟度的影響，從整機設計、關鍵子產品控制、總裝總測、應用管理等方面確定要素和子要素內涵，并制定相應的定級細則，運用成熟度理論加強質量過程管控，準確評價產品的穩定性和一致性。

近年來，隨著我國航天科技工業的不斷發展，產品成熟度理論和方法得到了持續應用和完善，形成了大量理論研究和工程應用成果。實踐證明，產品成熟度理論及配套方法工具能夠有效支持航天產品質量與可靠性的持續提升，為推進航天科研生產模式轉型升級發揮重要作用。

通過先期研究發現，泵壓式液體火箭發動機在很多方面區別于傳統單機，同時由于系統級產品不同，單機產品成熟度定級實施細則中所規定的定級準則有不適用的地方，筆者在充分研究已有產品成熟度定級標準的基礎上，針對發動機的特點對定級模型和準則進行了適應性修改與完善，以期更有針對性地指導液體火箭發動機產品成熟度評估工作。

一、液體火箭發動機產品成熟度內涵

泵壓式液體火箭發動機通常包括啟動系統、主系統、副系統、推進劑貯箱增壓系統。啟動系統是發動機由非工作狀態向工作狀態過渡的動力源系統，它由火藥起動器及電爆管等組成；主系統是主要產生推力和供應推進劑的系統，它由啟動閥門、電爆管、渦輪泵、主節流圈、隔板節流圈、主閥、推力室及導管等組成；副系統是提供渦輪工作能源的系統，它由過濾器、氧化劑副斷流閥門、電爆管、汽蝕管、單向閥門、燃氣發生器、氧化劑副節流圈及導管等組成；推進劑貯箱增壓系統是由推力室頭腔引出四氧化二氮，用渦輪將廢氣加熱成蒸氣，供火箭氧化劑貯箱增壓使用，它由四氧化二氮蒸發器、汽蝕管、單向閥門、集合器及導管等組成。

泵壓式液體火箭發動機產品成熟度是宇航產品成熟度理論體系的組成部分，是將泵壓式液體火箭發動機作為完整、獨立的宇航產品，對其研制和使用全生命周期所有質量要素的合理性、完備性以及在一定功能、性能水平下質量的穩定性和可控性的一種度量，包括整機設計、關鍵子產品控制、總裝總測、應用管理4個方面。其中關鍵子產品指構成發動機的部組件中，經發動機總體單位認定，對發動機功能、性能、研制質量和進度有重要影響的部組件，可根據不同發動機的研制特點進行選擇。

二、構建評價模型的意義

在宇航產品成熟度理論的基礎上，結合型號研制的工程實際構建液體火箭發動機產品成熟度評價模型，建立產品成熟度等級和定級標準，確定產品成熟度評價所涉及的要素和子要素，豐富要素內涵和定級準則。同時，通過該模型的研究可以解決傳統單機產品成熟度模型和系統級產品成熟度模型的不適用問題。

一是泵壓式液體火箭發動機的組成比一般通用單機復雜，兼具系統及單機產品的特點。需要在研制過程中重點關注發動機所涉及到的關鍵部組件，這些關鍵部組件的設計、生產、試驗和驗收工作對整機的成熟度有著重要影響，所以不能像一般單機一樣，只關注整機總體的設計、生產和使用等工作。

二是泵壓式液體火箭發動機整機試驗驗證的資源投入大。發動機的整機試驗一般指整機熱試車工作，其單次試車的經費、資源投入相對較大，很難像一般單機一樣在狀態固化階段（一般情況下研制工作已結束）開展相應的整機試驗驗證（如極限工況試驗、性能拉偏試驗等），更多的是在產品研制階段進行相應驗證，結合實際應用不斷分析、識別，并持續改進薄弱環節，提升整機產品的固有可靠性。

三是火箭發動機飛行過程測量參數極為有限，主要依靠研制試車、熱標或工藝試車以及抽檢試車來獲取其在工作環境下大量有價值的數據與信息，為產品的持續改進和可靠性增長提供支撐，同時渦輪泵、推力室、燃氣發生器等關鍵子產品的系統協調性、可靠性也必須在整機狀態下才能得到最為接近實際工況的考核。因此，整機試車過程管理、參數獲得的能力以及結果評價也應作為產品成熟度評價的一個重要方面。

四是發動機的結構沒有系統級產品復雜，所涉及的單機只有閥門類（其它多為部組件），因此在總裝管理、綜合測試等方面與系統級模型有較大區別。

三、研究思路

為了使液體火箭發動機產品成熟度模型更加適用于發動機產品本身，以有效指導發動機產品的設計、生產和試驗工作，筆者首先研究了模型的適用性，將系統更加復雜的泵壓式液體火箭發動機作為研究對象，而對于結構相對簡單的擠壓式發動機仍然采用傳統的成熟度模型定級準則。

其次，采取聯合研究的模式，充分發揮中國航天標準化與產品保證研究院在成熟度模型研究方面的先期經驗，組織專家分析了原有模型的不足之處，同時借鑒系統級產品成熟度的經驗方法，具體分析發動機設計、生產和試驗特點，對模型進行有針對性的修正，從而初步形成模型框架。

模型框架初步建立后進一步豐富模型內涵，完善所有方面所對應的內容，使得要素定義更加貼合發動機實際，模型具有較強的針對性，與傳統模型相比更加適用于評價工作，并組織研討會對模型內涵進行把關和審查。

最后，選取YF-50D發動機開展試點評價工作，向發動機研制人員充分宣貫模型原理，在系統分析發動機工作機理基礎上，合理組織專家開展審查，結合評審結果指導發動機研制，同時繼續修訂模型要素組成，使得模型日臻完善。泵壓式液體火箭發動機產品成熟度模型的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

四、研究方法

1.等級要求

泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級的設定包含等級數值和等級定義2個部分。等級數值采用連續整數標識不同等級，其目的是量化區分各等級及其差異。等級定義一方面為不同成熟度等級中型號研制各項工作的完成程度提出了基本要求；另一方面也為各等級的評定和確認提供基本判別標準。

為了簡化模型，便于應用，泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級的設定僅在產品成熟度總評等級和子要素成熟度等級2個層次上展開。理論上，隨著泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級的提升，各子要素的成熟度等級應逐步提升，子要素各等級的定義也應逐級遞進。但對于設計過程相關子要素而言，由于在系統級產品成熟度達到較高等級（3級以上）后，設計過程的主要工作已基本完成，所以設計過程類子要素的成熟度等級定義不再隨后續系統級產品成熟度提高而逐級強化。

2.等級劃分

QJA53《宇航單機產品成熟度定級規定》確定的單機產品成熟度分為8個等級，鑒于液體火箭發動機的研制特點，從研制工作的驗證程度出發對狀態固化后的成熟度等級設置進行適當壓縮，將泵壓式液體火箭發動機產品成熟度劃分為7個等級（見表1）。

第1～3級從研制工作要求的細化、驗證的程度、研制中各項工作的落實情況識別工程風險與不確定性；第4～5級通過對技術狀態更改情況的判定，分析更改對可靠性、安全性等的影響；第6級通過對技術狀態固化情況和貨架式供應能力的判定，確定研制和使用中的工作弱項；第7級通過小批量生產，質量可靠性水平已經達到穩定水平。泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級與研制階段的對應關系如圖2所示。

表1 泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級劃分

圖2 泵壓式液體火箭發動機產品成熟度等級與研制階段的對應關系

3.定級要素

泵壓式液體火箭發動機產品成熟度模型中的要素表征了實施泵壓式液體火箭發動機產品成熟度評價必須關注的基本工作項目和風險點。在各階段工作的基礎上，通過分析、比對、篩選和優化最終確立了成熟度模型的基本要素。為清晰闡述各要素的梳理過程和隸屬關系，從設計、生產、整機試驗、交付與使用4個方面逐級遞進對各要素進行表述，見表2。

一是設計方面。設計過程是從型號任務要求轉化為實體產品的先決步驟，設計過程的結果將詳細定義預期發動機的功能和分配基線，其核心是指發動機及其關鍵子產品設計結果所實現的固有能力的完備程度，以及與預期任務對應的功能、性能、壽命、可靠性等各項技術要求的符合程度。

二是生產方面。生產過程是在產品設計滿足任務要求的情況下，按照系列技術文件生產實物產品的過程。當產品技術狀態基線確定后，需要通過合適的生產方式予以實現，保證全部設計要求在生產過程中得以實現是至關重要的。應持續關注生產過程，提高其可重復性和穩定性。生產方面的要素主要是表征和度量工作進展程度，其核心是指產品生產能力實現產品設計要求的完備程度，以及在生產過程中與質量、成本、進度等方面要求的符合程度。

三是整機試驗方面。整機試驗是檢驗在發動機研制及生產過程中產品是否滿足設計要求和質量要求的重要手段，也是全面獲取發動機實際工作性能及其工作過程中力、熱等參數的主要方式，因此應持續關注并逐步提高整機試驗過程的穩定性和準確性。這部分要素用于表征和度量在整機試驗方面開展技術準備及管理完善的程度，其核心是指整機試驗要素的固有能力實現發動機整機設計要求的完備程度，以及與單次或重復生產過程中質量、成本和周期等方面要求的符合程度。

表2 泵壓式液體火箭發動機成熟度評價要素

四是交付與使用方面。在發動機交付、驗收、發射及任務測試的過程中，應向用戶及相關操作人員提供充分有效的操作、維護和使用說明，以避免由于操作錯誤造成的產品異常或故障。同時需要向用戶充分傳遞產品使用可能存在的風險，并明確相應風險的處置措施。這一部分要素將用于衡量產品在使用維護方面的工作進展程度，其核心是明確產品操作、交付、使用等環節保障措施的有效性和完備性。

在總結泵壓式液體火箭發動機設計、生產、試驗質量管理經驗的基礎上，筆者提出了泵壓式液體火箭發動機產品成熟度評價方法，根據發動機研制特點確定了產品成熟度評價準則，并在產品轉階段的過程中同步予以實施。根據設計、生產、試驗、使用過程中重點關注的質量檢查要點明確成熟度評價要求和要素，在與一線研制人員充分研討和溝通后確定各要素內涵，并選取典型發動機開展試點工作，進一步修改完善評價模型，使得模型適用性得到大幅提高。

研究成果可以為泵壓式液體火箭發動機的質量和產品一致性水平提升提供量化度量工具，為產品成熟度水平提升提供實現途徑，同時將更加豐富宇航產品成熟度評價理論。后續，航天推進技術研究院將與總體設計單位進一步研討分析，不斷完善各項評價準則，進而應用到各型泵壓式液體火箭發動機的研制生產中，為發動機規模化、產業化發展提供有力支撐。