運載火箭去任務化研究與實踐

/北京宇航系統工程研究所

2014年以前,我國“長征”系列運載火箭采取定制式研制生產管理模式。在該模式下,某一發火箭從立項研制到出廠發射固定對應一次衛星(飛行器)發射任務,對其給定一個代號并按照任務發次進行火箭構型、系統及單機產品狀態的明確以及生產計劃下達,盡管對于技術狀態變化較少的部分單機產品實行了組批生產,但是每發火箭與任務屬于強關聯,任務一旦發生變化,系統級產品乃至整發火箭不能直接調整替代,因此帶來了技術狀態管控難度大、生產效率不高、適應任務調整變化能力差、資源利用率低等一系列問題,越來越不能適應高密度常態化的形勢任務需要。

經過對后續宇航發射任務進行預測,某系列運載火箭型號在2015-2022年甚至更長的時間內面臨年均10余發的發射任務需求,真正進入高密度發射常態化階段。在新的任務需求和環境條件下,需要研究解決原有的定制式研制生產模式存在的問題和不足,提出新的研制生產管理模式,以提高研制生產效率,同時提高火箭對任務調整的適應性和對市場的反應能力,更好地適應當前高密度常態化條件下多型號并舉、多任務并行、資源高度緊張的形勢任務需要。為此,中國運載火箭技術研究院從2014年初開始開展了某系列型號運載火箭去任務化研究和實踐,確立了運載火箭去任務化的目標,提出了去任務化管理模式并組織實施,并得到中國航天科技集團有限公司的高度認可,被納入2016年航天科技集團黨組一號文件加以推廣。

一、總體策劃思路

通過對原有運載火箭定制式研制生產管理模式進行分析,認為在該模式下主要存在火箭技術狀態管控難度大、研制生產效率不高、生產交付進度緊張、對任務調整適應性不強等問題。針對這些問題,為適應高密度常態化條件下多型號并舉、多任務并行、資源高度緊張的形勢任務需要,經過多輪深入論證和研究探索,將突破點放在技術、管理模式和流程創新方面,在航天領域范圍內首次提出運載火箭去任務化研制生產管理模式,并分步組織實施。

首先,全面剖析原有的運載火箭定制式研制生產管理模式存在的問題和不足,針對問題提出解決方案,提出去任務化研制生產管理模式。

其次,基于某系列運載火箭現有能力水平,從技術和管理2個方面入手對去任務化研制生產管理模式實施的可行性進行分析,并進行試點實施。

再次,確立運載火箭去任務化的目標,并提出“運載火箭構型統一,系統技術狀態固化;通用產品批量投產,特殊產品定制生產;火箭投產明確發次,總裝綁定任務屬性”的工作思路和詳細的技術路線、計劃路線,并提出具體的管理辦法作為實施保障。

最后,按照確立的目標、工作思路和技術路線、計劃路線及管理辦法分步實施,實現提升運載火箭研制批生產效率以及加強火箭對任務調整適應性的目的。

二、研究與實施內容

1.全面剖析原有管理模式存在的問題，提出去任務化管理模式

在去任務化管理模式下,從立項研制開始明確火箭構型和狀態并給定一個代號,但是不指定其發射的任務,進入總裝階段之前的系統級、單機級產品生產均按批進行,進入總裝總測階段后再明確火箭執行的發射任務;單發火箭完成總裝后,可以靈活調整其承擔的發射任務;理論上具備火箭出廠前一個月再明確或調整執行的發射任務的能力。通過去任務化模式管理,促使運載火箭構型統一和技術狀態穩定,提高系統級、整箭級的通用性、互換性和對任務調整的適應性,統籌任務需求和科研生產組織管理,更好地控制火箭批生產節奏,提高批生產效率。

2.對去任務化管理模式進行可行性分析并試點實施

從技術和管理2個方面入手,對某系列運載火箭現有能力水平進行評估,對去任務化管理模式實施的可行性進行分析。

在技術可行性方面,經過梳理統計和分析,某系列運載火箭85%以上的產品和技術文件(工作項目)完全與任務無關,本身就具備去任務化的條件;15%左右的產品和技術文件(工作項目)開展相應工作后可具備去任務化的條件;5%左右的產品和技術文件(工作項目)與任務必須關聯,不能去任務化,對此部分產品按照與任務相掛鉤的單件研制的模式進行定制式生產,在火箭總裝總測過程中再與整箭關聯。

在管理可行性方面,從2006-2012年的高密度發射階段,某系列運載火箭型號在定制式研制生產管理模式的基礎上采取了柔性作業的運載火箭批生產管理模式,即對技術狀態變化較少的部分單機產品實行組批生產和組批驗收,具備了一定的組批生產經驗。在此基礎上,通過在統一火箭構型和技術狀態固化、計劃及生產進度管理、驗收及交付管理、質量管理、用戶管理、經費管理等方面進行相應的管理模式變革,即可實現去任務化管理模式。

為了驗證去任務化管理模式的可行性和有效性,某系列運載火箭型號制定了單機產品生產取消發次代號試點管理工作要求,將助推器、發動機、電氣系統單機等產品與火箭發次和任務脫鉤,試點實施了產品取消任務發次代號組批生產。結果表明,通過單機去型號化、去任務化管理,有利于產品技術狀態控制和質量控制,有利于加強產品質量穩定性和產品一致性,可以極大地提高產品批生產效率。

3.確立工作目標和原則、工作思路和技術路線、計劃路線

一是工作目標和原則。

某系列運載火箭型號針對原有研制生產管理模式存在的不足,在助推器、發動機、電氣系統單機等產品試點實施的基礎上,確立了實現“單機產品去型號化、整箭(系統)產品去任務化”的去任務化工作目標,即火箭進入總裝階段之前的系統級、單機級產品生產均按批進行,進入總裝總測階段再明確火箭執行的發射任務;單機級、系統級、整箭級通用化組批生產,單發火箭完成總裝總測后可以靈活調整其承擔的發射任務;理論上具備火箭出廠前一個月再明確或調整執行的發射任務的能力。

根據去任務化管理模式特點,提出了“五個確保”的工作原則,即確保不因去任務化出現生產線和管理混亂;確保火箭滿足任務需求,確保用戶滿意;確保火箭產品技術狀態清楚,保證狀態控制的正確性;確保有利于產品質量控制,有利于提升產品質量穩定性;確保有利于提升產品生產效率,降低成本。

二是工作思路和技術路線、計劃路線。

運載火箭去任務化的關鍵是將火箭生產和衛星發射任務剝離開,直到火箭總裝總測時再給火箭明確執行的發射任務。經分析研究,明確了“運載火箭構型統一,系統技術狀態固化;通用產品批量投產,特殊產品定制生產;火箭投產明確發次,總裝綁定任務屬性”的工作思路,具體方案如下:

首先,開展運載火箭構型統一和技術狀態固化工作,為去任務化工作提供技術前提;其次,按照通用產品批量化投產,特殊產品定制式生產的管理創新模式組織產品投產;最后,按照火箭投產明確發次、總裝綁定任務屬性進行節點控制,如圖1所示。

根據某系列運載火箭型號特點,將產品分為3類:一是型號內通用的產品,二是與火箭構型相關的產品,三是任務本身帶來的、與任務必須關聯的專用產品。針對不同類別的產品進行分類管理,適用不同的生產管理模式。

針對通用產品進行組批生產,按批管理、按批驗收交付,系統級綜合試驗按批進行管理;針對構型相關的產品,如整體吊、分體吊狀態三子級、電纜網等,按發射任務對構型數量的需求進行組批生產;針對專用產品,如衛星支架、控制系統飛行軟件等,與任務掛鉤進行編號,進行單件定制式生產,進入總裝總測階段后與火箭進行關聯。在去任務化工作思路指導下,提出了新模式下運載火箭研制生產的技術路線圖,如圖2所示。

根據去任務化總體研究思路和邊研究、邊實踐、邊完善的指導思想,型號頂層策劃、統籌布局,形成了去任務化計劃路線圖并組織實施,如圖3所示。

按去任務化計劃路線圖,分為6個階段進行了分步實施:

· 策劃與部署階段,完成必要性、可行性研究,提出去任務化工作方案,包括基本管理模式、目標和原則、實施步驟等。

圖1 去任務化工作目標和思路

圖2 去任務化技術路線圖

圖3 去任務化計劃路線圖

· 技術準備階段,完成運載火箭構型統一和各系統技術狀態固化。

· 典型產品試點實施階段,在助推器、發動機和電氣單機產品上試點實施去任務化模式。

· 單機(大部段)產品全面實施階段,全面實施大部段、單機產品與任務發次代號脫鉤。

· 系統級產品實施階段,實現系統級產品與任務發次代號脫鉤。

· 整箭級產品實施階段,形成與去任務化模式相對應的研制流程、標準規范和管理體系,實現去任務化目標,整箭發次和發射任務脫鉤,總裝總測前再明確火箭執行的發射任務。

4.統一火箭構型、固化產品技術狀態并提升產品成熟度

由于各大工程項目的頂層要求和型號自身30余年的技術發展,某系列運載火箭構型達11種之多,大部段、單機及各系統的技術狀態更是紛繁復雜,如測量系統就分為2MbPs、5MbPs過渡狀態和5MbPs最終狀態等三大類,而且由于測點設置的不同,每一發火箭的測量系統電纜網技術狀態都不一致。

針對運載火箭構型和產品技術狀態多樣的特點,為了提高單機(大部段)級、系統級、整箭級產品的通用性和互換性,某系列運載火箭型號致力于減少、統一火箭構型和固化火箭產品技術狀態,以更有利于組織批生產和提高火箭對發射任務調整的適應性。重點從3個方面對火箭構型和技術狀態進行梳理分析并統一固化:第一,將原有11種構型統一到6種,同時這6種構型中的助推級、一、二級火箭產品做到完全一致,三級產品大部分也做到狀態一致,僅僅是與衛星接口等相關的小部分產品狀態不一致;第二,對各系統、大部段和單機產品的技術狀態進行固化,設置火箭批生產技術狀態基線;第三,制定單機產品成熟度定級實施細則和成熟度模型,在航天科技集團范圍內率先開展單機產品成熟度提升和評估工作,使絕大部分單機產品的成熟度達到5級(95%的產品)或6級(2%的產品)。

5.對制約去任務化的系統產品進行改進，解決技術瓶頸

經過梳理發現,推進劑利用系統三級液氧點式液位傳感器、控制系統電纜網、測量系統電纜網等系統和產品存在制約去任務化的因素,為此開展了推進劑利用系統液氧點式液位傳感器更改、電氣系統電纜網統一構型和狀態統一等技術創新改進,從技術上解決了制約去任務化的技術瓶頸。

為了滿足去任務化要求,通過對液氧點式液位傳感器進行硬件、軟件和結構安裝更改,以及加注系統、動力測控、總體網等系統適應性更改,對推進劑利用系統三級液氧點式液位傳感器的發訊點高度進行了調整,改變了以前3級總裝封箱前必須由總體根據本發貯箱和發動機的特性進行計算,并根據計算結果確定是否調整液位傳感器高度的工作流程,總裝車間可以直接封箱,加注量根據實際需求選擇相應液位,從而實現去任務化要求。

針對電氣系統電纜網狀態差異制約去任務化的問題,通過研究改進實現了電氣系統箭上電纜網構型和設計狀態的統一化,具備去任務化組批投產條件。

6.開展管理創新，保障型號研制工作高效運轉

一是創新實施層次化、梯度化投產計劃管理模式和批生產驗收交付管理模式。

在計劃進度方面,改變傳統的將火箭與發射任務綁定、按單發火箭下達計劃并組織產品驗收交付的計劃管理和驗收交付模式,按照去任務化技術路線圖,通過將某系列運載火箭產品分為通用產品、構型產品和專用產品3類進行投產,并推行“單機產品齊套計劃組批下達、綜合試驗計劃按構型/狀態下達、總裝齊套計劃按發次下達”的層次化、梯度化計劃管理模式和組批生產、組批驗收、組批交付的管理模式,提高了批生產效率。

在產品配套方面改變原有的按每發火箭下發配套表的模式,改為按構型下發產品配套表,固化構型產品狀態,并按此組織產品生產和總裝齊套,同時將由單發任務產品的貯存期、校驗期要求改為組批交付總裝節點產品的貯存期、校驗期要求,并按“先入先出”的原則進行總裝,提高了產品交付齊套和總裝管理效率。

二是創新開發型號產品信息二維碼管理系統并成功投入應用。

在去任務化管理模式下,產品按照通用化組批生產的管理模式批量交付總裝廠,需要加強對產品貯存、流轉、裝箭和質量狀態的管理,加強對總裝產品信息的自動采集、跟蹤和反饋。為規范產品去任務化后的交付配套管理,逐步形成規范高效的型號產品信息管理、流轉交付、總裝配套、信息反饋和狀態查詢及管理體系,創新開發了型號產品信息二維碼管理系統,并已投入應用。交付總裝齊套的單機產品,其產品信息二維碼隨產品實物一起交付,實現了型號產品信息的自動化采集和管理。

三是優化火箭產品技術狀態和質量管理控制。

在產品技術狀態管理和控制方面,加強去任務化模式下的火箭產品技術狀態更改控制。按照通用產品、構型產品和專用產品3類進行分類控制,對于通用產品和構型產品,按版本(按批)進行集中控制的概念嚴格進行,不允許進行個別更改;對于專用產品按照任務進行嚴格控制,并進行特殊標記和密切跟蹤。為了逐步固化技術狀態,減少技術狀態更改,適應去任務化組批生產的模式,某系列運載火箭型號研究優化了技術通知單、更改單會簽審批流程,在原有的審批管理基礎上增加型號辦公室會簽等管理環節,并在AVDIM系統上正式運行,進一步加強了技術狀態更改的規范控制。

在質量管理控制方面,針對去任務化模式開展質量管理流程適應性優化,改變以往按單發控制的質量管理控制辦法,火箭產品在批生產階段重點按組批控制進行,在總裝總測階段賦予任務以后再按發次進行。同時,改變電子元器件裝機清單錄入與任務發次緊關聯的做法,解決元器件質量控制手段對去任務化模式的適應性問題。

四是創新提出去任務化模式下的用戶管理和經費管理流程。

在用戶管理方面,改變以往定制式管理模式的做法,提出創新管理方案,以適應去任務化下的用戶管理模式,保證產品研制滿足用戶合同要求,并加強去任務化模式下的用戶溝通,以保證用戶滿意。對于通用(構型)產品,由于產品按取消任務代號進行批生產,總裝配套后才明確交付火箭的任務發次,因此在部段、單機、系統研制生產階段與用戶和上級機關溝通時,主要匯報同批產品生產技術狀態、進度、質量和驗收交付時間等情況;交付總裝齊套后,向用戶和上級機關匯報配套關系及產品技術狀態、質量等情況;對于任務相關產品,在與用戶和上級機關溝通時主要匯報發射任務工程總體要求落實、大系統協調、運載火箭總體技術狀態、專用產品技術狀態、研制進度、質量和驗收交付等情況。

運載火箭去任務化后,對經費管理模式進行了相應的優化調整,提出了與運載火箭去任務化管理相匹配的管理模式和管理辦法,重點理順組批生產產品與用戶單發簽訂合同的關系,并進行了適應性的成本歸結,以適應型號組批產品與任務發次產品計賬方式不同帶來的經費管理變化。

三、實施效果

通過去任務化模式管理研究與實踐,全面實施了某系列火箭全箭產品去型號化、去任務化工作,實現了全箭單機(大部段)、系統級、整箭級產品與任務發次脫鉤進行組批生產和組批交付,直到火箭進入總裝總測階段再明確火箭執行的發射任務,并且單發火箭完成總裝總測后可以靈活調整其承擔的發射任務,理論上具備火箭出廠前一個月再明確或調整執行的發射任務的能力。

在去任務化管理模式下,單機級、系統級、整箭級產品按批生產進行,大大提高了火箭批生產效率,生產發射能力從年均6～8發提升到12發的水平,在資源有限的情況下滿足了年均10余發的高密度發射任務需求;提高了火箭對任務調整的適應性,目前已有3發火箭產品在原定衛星發射任務時間推遲后直接用于其它衛星發射任務,全面實現了運載火箭去任務化的目標,提高了運載火箭批生產和發射能力,加強了火箭對任務調整的適應性和對市場的反應能力,更好地適應了當前持續高密度發射形勢任務需要,推進了運載火箭的市場化轉型和產業化發展,取得的經濟和社會效益顯著;同時,為其它航天型號研制生產管理提供了參考和借鑒,具有重要的推廣應用價值。