裝備環境適應性閉環管控方法研究

李炳蔚，牛智玲，張子駿，余慕春，丁晨

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

“環境適應性”與“可靠性、安全性、測試性、維修性、保障性”等并列，是一項重要的裝備通用質量特性。裝備的環境適應性水平，是決定了裝備在實戰條件下是否強壯的“先天基因”，一定程度直接決定了裝備能否在戰場中發揮應有的戰斗力，相關技術受到工業界和學術界越來越多的關注。

裝備環境適應性是設計出來的，也是管理出來的，是通過系統嚴格的試驗鑒定出來的。目前，裝備環境適應性工作主要遵循相關標準進行實施和管控[1-4]。然而，在實際的工程實踐中，環境適應性工作往往處于“開環”狀態，過程的閉環管控和工作成效有待提升[5-10]。近年來，多位學者在環境適應性設計方面進行了思考，結合具體產品的工程實踐，提出了適用于裝備研制的、細化的環境適應性工作流程[11-16]，但是目前還缺乏對裝備環境適應性管控的系統性研究。為此，提出了一種環境適應性閉環管控方法，為裝備環境適應性工作的有效開展提供方法支撐。

1 環境適應性閉環管控工作體系

裝備環境工程面向復雜的裝備系統，并且涵蓋項目管理、工程技術的大量學科，遵循系統工程的科學方法。系統工程是組織管理系統的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統都具有普遍意義的方法[17]。系統工程方法得到錢學森先生等學者的大力推動，在我國航空航天等國家重大工程的研發中發揮了重大作用[17-19]，并沿用至今，是環境適應性閉環管控的方法基礎。系統工程的一項重要思想是通過“總體設計部”將用戶需求轉換為滿足要求的、優化的總體方案，然后將總體方案分解為若干系統的技術要求，再經由總體-系統-分系統-單機的多級配套協作，實現產品的研發和集成?；诖耍嚓P標準要求設立涵蓋環境工程項目經理、專家組和設計師隊伍組成的專業組織架構，以確保裝備環境工程有效落地[1-2]。GJB 4239—2001規定的裝備環境工程工作主要包括環境工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境適應性試驗與評價4部分工作。其中，環境工程管理工作主要內容有制定環境工程工作計劃、環境工程工作評審、環境信息管理、對轉承制方和供應方的監督和控制等內容，見表1。

表1 裝備環境工程工作項目Tab.1 Working items of closed-loop control of equipment environmental adaptability

文中在現有環境工程工作標準體系的基礎上，結合航天工程中的具體實踐，提出了環境適應性閉環管控工作體系，如圖1所示。該工作體系由環境適應性總體抓總牽頭，牽引各系統、單機單位開展武器裝備的環境工程管理工作的落實，開展的主要工作包括基于流程前置的環境工程工作計劃、面向流程閉環的環境適應性工作過程控制，以及全壽命周期環境適應性信息管理等內容。

圖1 環境適應性閉環管控工作體系Fig.1 Closed loop control system of environmental adaptability

設立專門的環境適應性總體的崗位或角色，是從系統工程實施的角度，可以更好地對環境工程工作進行抓總，推進各項工作的實施和落地?？梢栽诳傮w設計部設立環境適應性總體崗位，作為六性專業之一。環境適應性專業可以作為實施環境工程的主體，對裝備系統環境工程管理和共性技術工作負責，通過運用各種管理和技術手段，提高武器裝備的環境適應性。環境適應性專業是環境和產品的紐帶，開展環境工程管理工作頂層的策劃、分解、監督、管控和評價，提出并開展共性基礎課題研究，負責相關標準的制定，研發并應用環境適應性工作平臺，確保裝備環境適應性的先天品質優良。筆者單位作為裝備的總體設計部，設立了六性工程研究室，下設環境適應性總體設計工程組，設置環境適應性總體崗位，對環境工程工作抓總。通過3年的運行，不但牽頭圓滿完成了多個型號的環境工程管理工作，而且建立了環境適應性標準體系，攻克了多項環境適應性共性技術，開發了環境適應性信息化工作平臺，形成制定了完善的環境適應性工作體系，運行的整體效果良好，提升了環境工程工作的效率，對于確保裝備飛行試驗成功、提升裝備環境適應性水平提供了重要支撐，可以作為其他單位開展環境工程工作的參考。

文中提出的裝備環境適應性閉環管控工作涵蓋表1中列出的所有傳統工作項目，并且在此基礎上，主要針對目前存在的環境適應性工作“開環”、效果不明顯等突出問題，提出了一套閉環管控方法。該方法從系統到單機縱向貫通，通過全流程閉環管控，提高裝備的環境適應性。通過多年工程實踐表明，該方法可以有效避免方案反復，提升環境適應性工作效率和工作效果。

2 基于流程前置的環境工程工作計劃

在型號研制的初期，需要制定環境工程工作計劃，明確環境適應性要求、環境工程工作組織機構及其職責，規定型號各階段的環境工程工作具體項目及計劃安排。環境工程工作計劃一般以環境適應性大綱、環境適應性工作計劃等綱領性文件的形式下發各個級次研制單位，并納入到型號質量工作中，從頂層對環境工程工作進行指導和約束。

為確保環境適應性工作效果，應盡可能在工作中把環境適應性工作前置。傳統的研制模式是在論證和方案階段先進行環境設計、研制，然后進行試驗驗證，驗證后再修改，整個過程是一個“試錯式”的過程，可能會造成方案的反復，并且會導致較高的研制經費和較長的研制周期，影響裝備的環境適應性水平的提升。為了將工作重心轉移到方案設計階段，在研制階段重點考核產品的實現。通過環境適應性工作的前置，在方案設計階段就要運用有限元仿真等先進的手段開展環境適應性分析、評價等相關工作，使得產品設計、分析融為一體，邊設計、邊改進，符合要求后再出圖生產，極大地避免了后續的方案反復，大大提高了研制效率。六性工作審查在方案設計階段啟動，可以及時發現環境適應性條件理解不一致、設計不合理、環境不適應等問題。通過及時發現、及時糾錯等方式，使環境適應性工作切實在設計中起到作用，把環境適應性要求落實在產品設計中。

環境適應性工作計劃應突出重點和特點。制定環境適應性工作計劃，做到要素全面：規定裝備各階段環境適應性工作總要求，涵蓋環境工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境試驗及評價等內容。在進行工作項目的細化策劃時，應該有“精準思維”，應根據型號的特點，對環境適應性工作進行細化和合理剪裁。一方面，開展的環境適應性工作要有型號特點，有針對性地開展型號環境適應性工作；另一方面，合理剪裁環境適應性工作，把與型號、階段相關的環境適應性工作作為重點工作，在進行工作計劃和策劃的制定時，加以重點考慮。通過精準的工作策劃，可以確保每項工作都能夠深入地開展，確保環境適應性工作的有效落地。

制定環境試驗條件，做到條件合理：要系統分析全壽命周期環境剖面，規定裝備全壽命周期遇到的環境及量值，供各系統開展環境適應性設計，環境試驗條件應做到項目覆蓋、量級合理、制定方法正確、滿足現有標準。

除此之外，為了確保環境適應性工作計劃落地，應針對相關頂層要求制定解釋和指導性文件，在方案和研制初期下發，并開展培訓，具體一般應包括以下內容。

1）給出環境適應性設計準則（包括定量、定性兩類），其中定量準則是根據頻率管控，給出產品等應避開的頻率或應滿足的頻率特性范圍，定性準則是通過梳理歷史上天地試驗環境類故障，給出針對性的環境適應性設計要求。如包含固態繼電器、恒溫晶振、脆性陶瓷材料、玻璃器件、陶瓷封裝集成電路、薄膜電阻、微波功放模塊等對沖擊敏感的部件，必須100%開展沖擊環境適應性設計，并采取安裝減振墊等抗沖擊防護措施。

2）環境試驗剪裁指南：為了防止分系統、單機實施環境試驗時出現條件理解錯誤、邊界條件不當、試驗方向不正確等問題，制作環境試驗條件的剪裁指南，對上述問題進行明確規定，確保環境試驗有效。

3）例行試驗序貫原則：給出例行試驗的序貫原則，給出推薦的例行試驗順序。

4）環境試驗管理要求：規定環境試驗文件會簽、數據管理要求，包括總體大型地面試驗、分系統重要單機環境試驗等。

5）環境試驗方法：給出隨機振動、沖擊試驗、運輸試驗、噪聲試驗、高溫試驗等試驗的方法、流程和注意事項。

6）環境適應性仿真方法：給出環境適應性仿真的方法，如邊界條件設定原則、分析方法、網格劃分要求、阻尼系數確定方法等。

7）環境適應性工作計劃：給出各個階段實施的環境適應性的具體工作項目、工作要求、責任單位、輸入輸出文件、時間節點等。

3 面向流程閉環的環境適應性工作過程控制

環境適應性工作要求提出后，需要進行一系列的過程控制來確保工作的閉環。閉環管控工作強調要求提出后的工作監督和審查，以工作綜合審查的形式對分系統、承制方的工作效果進行及時管控，在方案設計評審、轉段等時機對六性工作開展情況進行把控，對發現的問題及時糾正。通過環境適應性工作的培訓，面對面交流、手把手輔導等方式，確保工作的真正閉環。

開展環境適應性過程控制，具體實施途徑如下：

1）開展環境適應性相關文件會簽，總體對分系統的環境適應性工作計劃、重要設備的試驗大綱進行會簽。

2）開展環境適應性評審工作，加強對外協單位的把控，專家組對總體的大型地面試驗策劃、環境試驗條件進行專項評審，總體對分系統的環境適應性工作計劃、重要設備的試驗大綱、環境適應性分析進行評審，可以結合方案設計評審、轉段評審、試驗大綱評審等進行。

3）開展對轉承制方和供應方的監督和控制。一方面，要開展全級次供應商的合格供方認證管理；另一方面，需要在產品研制過程中對轉承制方和供應方的設計、生產、工藝等進行全方位、全流程的監督和控制。

4）制定環境適應性評價要求，并根據要求對產品的環境適應性進行評價，一般結合出廠驗收和評審進行。在進行環境適應性評價時，可以采用基于時序的環境適應性分析方法[20]。

4 全壽命周期環境適應性信息管理

按照環境適應性信息搜集要求，對關鍵設備、部件的全壽命周期環境適應性數據進行匯總，形成數據庫，并隨著環境適應性工作的開展逐漸完善，通過對環境適應性信息的管理、分析和應用，為環境適應性分析和后續其他裝備的研制工作提供支撐。

開展全壽命周期環境適應性信息管理，主要涵蓋以下內容。

1）實施環境適應性信息管理：發布環境適應性試驗信息收集要求，匯總、分析環境適應性信息，包括產品技術狀態變化歷史、試驗方案、試驗數據、試驗結果、故障信息；產品數據包絡，為定型鑒定、貯存延壽等提供支撐；借用產品環境適應性分析提供依據。

2）環境適應性信息平臺：應建立相關信息的平臺，對裝備環境信息進行統一的管理。

3）自然環境信息：根據使用環境要求、GJB 1172—1991等，確定裝備系統承受的高低溫、濕度、鹽霧、霉菌、砂塵、太陽輻射等自然環境條件，納入到環境信息數據庫中。

4）誘發環境信息：根據壽命剖面分析，開展裝備產品經歷的力、熱、電磁等誘發環境信息分析和收集，納入到誘發環境數據中。

5）技術狀態：產品的技術狀態基線和變化歷史，產品借用情況。

6）環境履歷：產品經歷過的力、熱、自然、電磁環境試驗的項目及條件，包括借用型號的環境試驗。

7）頻率特性：系統、部件、產品的固有頻率特性。

8）力學特性：產品的關鍵部件相對于設備安裝處的振動、沖擊傳遞特性，以及力學環境適應性（力學環境耐受極限信息）。

9）熱特性：產品冷熱透時間、熱容、工作時發熱功率、主要材料的熱導率。

10）電磁特性：產品的電磁兼容特性。

11）自然環境特性：產品采取的防護手段等。

12）歷史故障：產品或類似產品在研制、總裝、服役期間發生過的全壽命周期環境適應性問題的相關信息。由于裝備產品種類多樣，并且可能經歷的環境涵蓋力、熱、電磁、自然和空間環境，所以進行裝備環境適應性仿真的難度很大。因此在開展這項工作時，應該從小處著眼，逐漸積累環境預示、產品建模、多物理場仿真的方法和基礎數據，以提升工作效果[21-24]。此外，如確有必要且條件具備，可以開展實體樣機環境試驗或者原理性試驗，對產品的環境適應性仿真模型進行校驗。

5 結語

采用文中提出的環境適應性閉環管控方法，對于電子設備力學環境適應性工作在多個裝備研制過程中進行了工程實踐，結果表明：

1）提出的環境適應性閉環管控方法是可行的，各項工作可以在裝備環境適應性工作中順利開展。

2）環境適應性問題早在方案設計階段即得到了有效解決，有效避免了在工程研制階段常見的設備安裝支架振動響應放大嚴重、設備與安裝支架頻率耦合、設備環境適應性驗證試驗“過試驗”或者“欠試驗”，使環境適應性工作變被動為主動，在提高裝備研制效率的同時，提升了產品的環境適應性。

環境適應性工作是裝備研制永恒的話題，也是批產交付后最影響用戶體驗的重要問題之一。文中結合工程實踐，提出了一種裝備全流程、全要素環境適應性閉環管控方法，可以提高裝備環境適應性和研制效率，對于提升裝備實戰化水平具有重要意義，對于運載火箭、航天器、工業設備等其他類型產品的研發也有一定的借鑒意義。

后續還需要進一步開展如下工作：繼續在裝備環境工程中持續完善閉環管控方法；繼續探索典型產品的環境適應性建模仿真方法，持續完善環境適應性數據庫，這是目前比較欠缺的，也是提升裝備環境適應性水平的關鍵。