面向快速發射的固體運載火箭技術準備流程優化

/北京宇航系統工程研究所

固體運載火箭具有高性能、強生存、快反應的特點,可大幅提升我國快速進入空間和有效利用空間的能力,是我國航天運輸領域的重點發展方向,也是我國由航天大國向航天強國邁進的重要里程碑。

我國某固體運載火箭是為滿足用戶應急發射和快速發射需求而立項研制,目前已投入使用。發射前的技術準備工作是保證固體運載火箭成功發射的前提。用戶根據規定的測試流程和技術文件要求,在開展發射前的相關技術準備工作后,可隨時隨地發射應急載荷。

與液體火箭相比,固體運載火箭具有多箭并行準備復雜、集中維護難度大等突出特點。但在型號研制時,未能充分認識到固體運載火箭這一獨特的維護使用模式,仍然借鑒以往型號的成熟經驗設計了技術準備流程。隨著用戶對運載火箭數量需求的增加以及發射任務的日益增加,用戶反映測試項目、測試流程和總裝操作工作繁雜,存在部分易錯操作項目、作業現場管理不規范等問題,給用戶的人員保障和資源保障帶來了極大挑戰,甚至可能導致用戶不能按時完成國家安排的既定任務,因此向研制部門提出了技術準備流程優化的迫切需求。

一、流程優化項目建設

為了推動工作的順利開展,成立了項目小組,成員主要包括總體主任設計師、各專業副主任設計師和骨干,涵蓋總體、電氣、結構等各專業,他們有多年的型號工作經驗,具有較高的技術研究水平和較強的技術攻關能力,并進行了相關工作策劃。

2016年1-2月:精益管理項目策劃;2016年2-12月:精益管理初步實施;2017年1-3月:精益管理項目效果評估;2017年4-5月:精益管理項目總結。

1.項目建設目的

縮減并優化技術準備流程測試項目,合理優化測試流程安排。單元測試時間縮減0.5天,分系統測試時間縮減1天,系統測試時間縮減2天,總裝操作縮減2天,取消等待轉軌時間。技術準備流程優化目標如圖1所示。

圖1 技術準備流程優化目標

2.設計原則

技術準備全面可靠。考慮用戶現有人力保障和資源保障的約束,以確保使用安全、測試全面覆蓋及裝備可靠技術準備為前提,提高技術準備全流程保障效率。

狀態變化最小最優。技術準備流程優化基于現有裝備技術狀態不變。

統籌考慮全使用周期。統籌總裝廠工作、單元測試、分系統測試、系統測試等測試安排,對技術準備流程測試項目進行整合優化,減少測試狀態準備和轉換工作。

3.建設方案

(1)優化流程具備的條件

技術準備流程總裝測試工作與總裝廠一致,且兩者間隔時間較短,僅經歷運輸環節。通過對運輸試驗和前期產品情況結果分析,其仍能適應運輸環境,質量穩定,出廠前所做的各項測試結果仍然是有效的。

技術準備流程設置了3次系統測試,測試內容上存在重復。單機設備的功能性能在完成全面考核的前提下,為減少總裝操作和狀態轉換,可對系統測試進行優化。對于不能覆蓋的測試內容,通過增加相關的測試項目確保測試覆蓋性。

另外,為了獲取箭體運輸箱的屏蔽效能,項目組組織進行了箭體運輸箱屏蔽效能測試,對運輸箱的箱體、門窗等重要關鍵部位進行了測試,確保產品運輸的電磁環境能夠滿足運輸要求,為設備裝箭運輸奠定了良好的技術條件。

(2)優化的技術途徑

在優化流程具備條件的基礎上,除總體分析可開展優化流程的工作外,還可在以下幾個方面開展優化流程工作:

·技術準備流程中單元測試不再開展總裝廠已完成的項目。目前部分箭上設備在總裝后開展單元測試工作,可取消技術準備流程中此部分設備的單元測試工作。

·根據平臺系統各性能指標的穩定情況,優化平臺單元測試項目,取消性能穩定的參數測試,通過增加導通絕緣自動測試設備以及算法優化和軟件升級,縮短測試時間,進而減少測試工作量,提高工作效率。

·根據末修氣瓶和貯箱的使用情況與數據分析結果,可取消相關工作。

·優化分系統及系統測試。裁減分系統測試、系統測試流程中的重復測試內容,減少測試狀態轉換帶來的總裝操作工作量,盡可能減少如整流罩的分解再裝、火工品電纜插接與防護等工作量大、操作復雜的工作項目。

·目前產品箭上貯存比率低,設備在測試時需要反復拆裝,導致總裝工作操作復雜,可在總裝出廠時提前上箭安裝,技術準備流程中可不再開展相關工作。

(3)優化流程項目

單元測試主要目的是檢查箭上各單機設備功能性能指標是否滿足技術要求的情況。目前,單元測試項目主要包括動力單機、管路氣密檢查、火工品、控制設備和平臺。項目組應用“連續流動無法向上游擴展時,使用‘超市’方式控制生產”的精益生產原理,將動力單機、管路氣密檢查、火工品的單元測試前置至總裝廠,技術準備流程中不再開展相關的單元測試工作。優化后的單元測試項目如圖2所示。

取消與總裝廠重復的測試項目,包括動力設備、氣密檢查、火工品。技術準備流程與總裝出廠測試時間間隔較短,在出廠前均進行了出廠測試,得到了充分的檢查和考核,產品的長途運輸對這些參數沒有影響,而且這些產品在技術準備流程的單元測試中從未出現過問題。因此,控制系統取消與總裝廠重復的單元測試項目是完全可行的。

平臺單元測試項目優化包括取消性能穩定的參數測試、導通絕緣測試自動化、算法改進和測試軟件升級等。通過對平臺測試數據和平臺測試項目特點進行分析,出廠后部分性能參數穩定,可不再開展相關測試。為了進一步提高測試效率,通過對算法改進和測試軟件升級縮短測試時間,實現數據自動處理。因此,平臺系統單元測試優化完全可行。

圖2 單元測試流程優化

分系統測試主要是在總裝完成后對裝備重要屬性進行有針對性的檢查。目前分系統測試設置了控制分系統、測量分系統和動力分系統3項。優化前后分系統測試如圖3所示。

圖3 分系統測試優化

控制分系統測試內容在系統測試中可以被覆蓋,取消控制分系統測試,但考慮到在系統加電前需保證系統連接狀態的正確性,所以保留配電分系統測試。

測量系統、動力系統裝箭后性能參數穩定,且能夠在后續系統測試中覆蓋,所以可以取消測量、動力分系統測試。

系統測試是針對裝備電氣系統進行的測試,目的是驗證電氣系統是否滿足技術要求。目前,系統測試設置了高壓測試、發射測試和臨射低壓測試3項。為了減少當前系統測試中的浪費,并考慮實際實施的可行性,提出了系統測試優化方案,如圖4所示。

通過對系統測試內容進行對比,存在較多的重復測試內容。單機設備的功能性能在完成全面考核的前提下,為減少總裝操作和狀態轉換,僅進行臨射測試,取消高壓測試和發射測試。對于不能覆蓋的高壓測試和發射測試內容,通過增加相關測試來確保測試覆蓋性。

總裝操作主要包括2個部分:一個是為滿足測試要求而必須進行的操作;另一個是技術準備流程中的一些保留工序,涉及卸車及對接、口蓋分解、儀器設備安裝、火工品安裝、整流罩分解、箭體封艙等多個環節。優化前后的總裝操作如圖5所示。

控制系統單機設備在總裝出廠時完成單元測試并上箭安裝,在技術準備流程中可取消與之相關的總裝工作;考慮到箭體貯存庫溫濕度等環境情況良好,滿足貯存要求,可不著箭衣狀態貯存,箭衣僅作為長期空調故障情況下的備用措施;整流罩對接的導爆索輸出接頭連接采用快速防松方式,能夠保證2年的正常使用期,操作簡單易于實現,可減少操作時間。

圖4 系統測試優化

4.并行方案

一是雙測試工位同時使用。

圖5 技術準備流程總裝操作優化

在執行每個階段技術準備流程工作時一般使用1#測試工位開展測試工作,用2#測試工位進行總裝工作。由于測試工位地面軌道只有一條,當1#測試工位的裝備完成相關工作要推出時,2#測試工位的裝備就必須停止工作并推出至轉載區。因此,2#測試工位只能進行簡單的總裝工作,以便裝備的及時推出。而且,在當前快速發射和應急發射的要求下,如果多發裝備需要進行技術準備工作時,則必須等待1#測試工位完成相關測試工作推出至轉載區后,另一發裝備才能轉至1#測試工位,導致2發任務間隔周期至少需要7天。

根據多發火箭并行準備、充分利用1#和2#測試工位的需求,型號提出了地面測試軌道改造要求,即在原有一條測試軌道的基礎上再增加一條測試軌道,以滿足2發裝備同時測試的需求。

二是多發火箭箭串并聯技術準備流程。

由于在技術準備流程設計時只考慮了單發火箭的使用流程,當要求多發火箭同時進行技術準備流程時,只能采用串聯的方式進行,即一發火箭完成技術準備工作后,再將另一發火箭推出。技術準備工作周期長、效率低,對貯存庫的測試裝備和測試空間未能完全利用。

為充分利用用戶資源,應對多發火箭快速發射的需求,型號和用戶對技術準備流程進行詳細的分析論證,經過多次推演提出了基于串并聯模式的多發火箭技術準備流程方案,即一發火箭總裝操作和測試工作采用串聯模式,多發火箭采用并行工作模式。按目前的用戶資源,一次可以同時推出2發裝備,當2發裝備完成了前期的總裝操作推至測試工位后,可以立即再次推出2發裝備開展相關的準備工作,如此循環。

三是末修推進劑集中加注。

在流程優化前,末修推進劑加注工作安排在出庫技術準備流程中,當完成相關的測試工作后開始推進劑加注工作。為了縮短出庫技術準備流程時間,實現裝備的快速發射,型號和用戶經過論證分析,提出了將末修推進劑加注作為一項單獨技術流程的方案。根據用戶任務情況,并利用任務空閑期,集中對裝備進行末修推進劑加注。

圖6 時間價值圖

二、實踐效果及后續思路

綜合考慮裝備優化前的技術準備流程,即卸車及產品恢復、箭體對接、整流罩分解、單元測試、分系統測試、系統測試、末修推進劑加注、對接整流罩等項目,重點針對電氣系統和總裝操作工作項目采取多項優化流程措施。經統計,入庫技術準備流程由14天縮短至8天,單元測試時間由3天縮短至2.5天,分系統、系統測試時間由4天縮短至1天,總裝操作時間由6.5天縮減至4.5天,取消轉軌等待時間0.5天。

采用時間價值流程圖和價值分析之后,可優化流程部分主要集中在單元測試、分系統測試和系統測試,時間價值如圖6所示。

經過優化后,將無價值又不需子步驟(VAN)消除后,有價值子步驟(VA)的時間價值比例由32.1%提高至59.5%。

隨著該項目的實施落地,后續還有幾個方面工作可以延續拓展:末修推進劑采用預包裝技術,取消推進劑的加注工作;設備采用智能化、集成化、一體化的設計方案,減少箭上設備數量;設備采用BIT技術,實現綜合測試代替單元測試和分系統測試,取消設備單元測試;綜合測試采用一鍵操作,徹底取消相關測試狀態準備和狀態轉換工作。