航天產品設計關鍵特性“五維度”分析方法研究與實踐

權曉波、王永明、翟磊、邰艷芳 /中國運載火箭技術研究院

周一磊 /北京宇航系統工程研究所

近年來，隨著航天產品更新換代的速度加快，新技術的不斷應用，系統的復雜度日益提高，有效降低技術風險，提高可靠性和產品質量是目前需要解決的主要問題。中國航天在長期型號研制實踐中，通過開展故障模式及影響分析（FMEA），辨識I、II類單點故障模式，自上而下分析識別產品設計關鍵特性、工藝關鍵特性和過程控制關鍵特性，從“測試、驗收、檢驗、工藝、人員”5個環節制定控制措施，確保產品高可靠、高質量。

產品設計關鍵特性是關鍵特性識別的源頭，其識別、分析與量化控制反映了設計人員對產品設計和實現過程關鍵環節的把控水平，準確識別分析設計關鍵特性是實現產品關鍵特性管理、有效降低和避免風險發生的重要基礎，更是產品設計和控制過程中的關鍵。為此，針對產品設計關鍵特性分析工作，本文提出了試驗驗證、仿真分析、參數包絡、冗余保證、類比佐證5個維度的閉合分析方法，并在航天產品研制過程中實踐應用，降低了產品研制技術風險。

一、產品設計關鍵特性辨識流程和方法

產品設計關鍵特性識別主要圍繞產品設計輸入文件各項要求轉化、分配的產品各類性能、功能指標，通過對設計各環節的梳理，應用相關的分析和仿真手段，按照指標要求逐級分解的思路，識別出在產品設計過程中應重點加以關注和驗證的關鍵技術指標。產品設計人員應與生產單位充分溝通，確保對識別出的關鍵特性與控制相關要求保持一致。航天產品設計關鍵特性辨識流程如圖1所示。

圖1 產品設計關鍵特性辨識流程

1.FMEA是設計關鍵特性可靠辨識的前提

FMEA處于產品設計關鍵特性辨識開始階段，直接影響后續單點故障模式識別及特性分類分析的準確性，因此FMEA分析是設計關鍵特性可靠辨識的前提。FMEA是一種對系統、子系統、單機中各產品的故障模式、原因及影響進行可靠性分析的方法，其目的在于找出所有潛在的失效模式和產品的薄弱環節，有針對性地采取相關預防、改進或裕度措施，以提高產品的質量及可靠性。隨著數字化技術和仿真技術的廣泛采用，FMEA分析驗證技術逐步代替了傳統的產品FMEA分析，其利用數字仿真手段的定量推理代替過去由手工計算的定性推理，使故障模式識別和推理得以量化，分析中能夠準確測量并獲取幾乎所有參數的變化情況，包括故障件及故障件的各項參數，還可以進行多因素分析以及共因或共模故障的分析。

為確保FMEA工作有效，需要全面識別產品失效模式和薄弱環節并采取有效的控制措施。一是要確保FMEA與設計同步開展，保證FMEA開展的及時性和規范性；二是識別失效模式及其起因的全面性，表述失效模式及其原因影響的正確性，采取針對性和可操作性的控制措施。

2.單點故障識別是設計關鍵特性辨識的保證

單點故障是指系統中一點失效就會讓整個系統產生故障，且沒有冗余作為補救措施的產品故障。單點故障識別是航天產品設計關鍵特性辨識的保證，是釋放產品技術風險非常有效的方法和手段。

分析系統／單機的組成和工作原理是單點故障識別的起點。系統級顆粒度分析可以達到能夠完成某一特定功能的單機或者組件；單機級顆粒度分析可以達到元器件及零部組件。識別過程為：首先按照功能、組成及任務剖面構建全系統的可靠性框圖。其次，識別存在單點故障模式的組件（單機），開展單點故障分析工作。再次，識別單點故障模式，篩選故障模式嚴酷度為災難型和成敗型的單點故障模式，綜合分析原理、組成、冗余、發生概率等因素，統計出全系統單點故障模式。最后，設計人員在設計文件下廠生產前，按照航天產品特性分類要求開展產品特性分類分析，重點對型號I、II類單點故障模式進行分析，識別產品關鍵特性(件)、重要特性（件）。

此外，航天產品設計關鍵特性分析還有技術指標分析、通用質量特性分析、技術風險分析等方法，通過總體—分系統—單機—部組件層層傳遞特性分析要求，確保設計關鍵特性分析完整、正確、高效。

二、設計關鍵特性“五維度”分析方法

基于航天項目技術復雜、環境苛刻、風險高等特點，在辨識出的諸多設計關鍵特性中，需要對設計參數指標的閉環性和生產實現要求的有效性進行科學分析與評價。為此，在總結航天項目多年研制經驗基礎上，提出了“五維度”分析方法，具體分析流程如圖2所示。

圖2 產品設計關鍵特性“五維度”分析流程

1.試驗是驗證產品關鍵特性的首選方法

試驗是航天項目研制工作中的重要組成部分，是驗證設計方案正確性、設計關鍵參數合理性以及產品可靠性的重要手段，是化解研制風險的有效措施，是驗證產品設計的首選方法。

為通過試驗有效驗證設計關鍵特性，一方面，要關注試驗設計的充分性：一是應滿足試驗項目覆蓋飛行的全過程和所有飛行環境，每個使用剖面和使用環境；二是單機測試覆蓋系統測試項目；三是系統測試覆蓋試驗基地測試項目；四是試驗接口滿足設計要求或協調要求；另一方面，要關注試驗狀態的真實性：一是檢查試驗參試產品的技術狀態與正式產品的差異性；二是檢查試驗環境與試驗條件是否接近真實情況及與真實狀態的差異；三是關注測試設備運行條件和邊界模擬的真實性。

2.仿真分析是試驗驗證考核的有力補充

雖然試驗是驗證產品關鍵特性的首選方法，但隨著航天型號研制周期越來越短，成本約束越來越多，無法達到所有關鍵特性均通過傳統地面試驗驗證。隨著計算機信息技術的迅猛發展，仿真技術越來越成熟，仿真分析在航天工程項目中發揮的作用越來越大，已成為方案論證、系統集成、產品設計以及生產過程中的重要研制手段，同時，也成為試驗驗證考核的有力補充。

航天項目中應用的仿真可分為專業、系統和綜合仿真。通過開展多狀態和偏差狀態下的專業仿真，可以有效發現設計過程中的薄弱環節，化解風險。系統仿真主要指以總體、分系統的性能仿真或關鍵環節的過程模擬為目標，開展的多專業聯合仿真。通過開展偏差狀態或故障狀態下的系統仿真，可以分析系統之間接口參數的敏感性，提高系統設計的可靠性，實現綜合類風險的分析與化解。綜合仿真主要指系統級的涉及多專業、多系統的聯合仿真，以及針對特定任務與目標分析的虛擬試驗等，通過開展全系統的綜合仿真，可以驗證各大系統之間的接口關系，實現對風險控制措施的驗證與評估。

3.參數包絡是評估特性設計的可靠方法

參數包絡方法是評估產品關鍵特性設計正確性、合理性的可靠手段。根據以往成功子樣數據包工作，結合關鍵特性以及關鍵工序、特殊過程、原材料數據、產品功能性能指標、生產工藝參數控制等方面內容，在不同系統設備中開展原材料性能、工藝參數、產品性能和環境條件4條包絡線橫向和縱向的數據包絡線分析和確認工作，評估產品是否滿足執行任務能力。

在原材料性能、工藝參數、產品性能和環境條件包絡分析基礎上，針對存在“包絡/超差”“不包絡/合格”“不包絡/超差”的產品逐一進行風險分析，從參數設計指標的裕度以及地面試驗結果分析2個方面進行分析，得出是否影響飛行試驗的結論。開展產品性能數據差異性分析，將產品各階段實測數據之間進行比對，找出實測參數的離散、偏差情況，對處于超差、臨界、跳變的參數進行專題分析，充分利用以往航天飛行成功子樣，明確偏差量對飛行試驗的影響程度。

4.冗余設計是消除單點故障的可靠手段

冗余設計是一種優化技術。一般指在費用、質量和體積等因素的限制下，如何設置冗余單元，使整體系統可靠性最大。冗余設計是有效提高產品可靠性水平的可靠手段之一。針對識別出的I、II類單點故障模式，在考慮性價比和效能比等基礎上采取冗余設計等措施，消除或減少I、II類單點故障模式。

采用冗余設計技術提高系統的可靠性，應與性能、成本等進行綜合權衡分析。為消除單點故障提升系統的可靠性而采用冗余設計時，應優先在低層次產品中采用冗余技術，并充分分析構成冗余布局所需的轉換器件、誤差檢測器和其他外部器件可能引起系統失效的風險。采用冗余設計的工作狀態應是可以檢測的，采用冗余設計時，應根據冗余產品的故障（失效）模式采用相應的冗余方式。

5.類比佐證是發現薄弱環節的有效工具

類比佐證是從已有的對象中提取所需特征和信息，將其應用于相似的對象中進行對比論證，通過系統之間的相似性分析，將已有系統的問題解決方案或問題解決過程映射至待改進的目標系統中，從而對產品可靠性進行間接證明。類比佐證能夠有效地引導和開發創造性潛力，發現并改進產品薄弱環節，提高產品質量和成熟度。

為提高典型航天產品類比佐證的全面性和有效性，建立基于產品特征和故障模式的數據庫意義重大。經過長期積累，一些航天單位逐步建立了基于產品特征和質量問題的信息庫，信息庫主要包括典型產品、故障模式、故障機理、技術準則或禁忌、復雜故障的故障樹、可能涉及的專業類別等。對于無法采取冗余的I、II類單點故障模式，應開展同類產品的類比佐證，以提高產品裕度，降低故障發生的可能性。

三、實踐情況

以某航天項目結構系統研制為例，開展了設計關鍵特性試驗驗證、仿真分析、參數包絡、冗余保證、類比佐證“五維度”分析。其結構系統是航天項目主要的分系統之一，主要用來維持氣動外形、安裝儀器、連接相鄰結構、承受并傳遞載荷、提供良好的力學環境等。結構系統設計的特點是接口多、技術難度大、地面試驗多、載荷環境復雜等，存在著各種技術風險因素。

該項目結構系統為一個充氣展開的氣囊裝置，包括內囊組件、外囊套組件、進氣管、主連接帶、連接結構附件等部分，采用產品特性分析、FMEA和可靠性分析，辨識出內囊導流管破損、進氣管破損、外囊套加強帶斷裂、主連接帶斷裂等26個II類單點故障模式，設置了59個設計關鍵特性，并從設計關鍵特性的試驗驗證、仿真分析、參數包絡、冗余保證和類比佐證五個維度進行了具體的分析（見表1），統計了僅靠類比佐證單一維度保證、僅靠仿真分析和類比佐證2個維度保證及3、4、5個維度保證數量，辨識出進氣管承受外部沖擊壓力載荷的承載能力這一設計關鍵特性僅靠仿真分析和類比佐證2個維度保證，主連接帶動態沖擊載荷的承載能力這一設計關鍵特性僅靠類比佐證單個維度保證。針對這2處關鍵特性，設計開展了進氣管外壓沖擊載荷拍擊試驗以及主連接帶動態沖擊破壞試驗，通過地面試驗對進氣管的外壓沖擊載荷承載能力進行了驗證。另外，識別出主連接帶動態沖擊載荷承載薄弱環節為軛圈連接部位鋼結構圓角半徑偏小采取了改進措施，有效提高了設計可靠性和關鍵特性控制措施的針對性。

表1 某航天項目結構系統設計關鍵特性“五維度”分析統計表

中國航天已進入快速發展期，多個重大項目同步開展、工程研制與批產及服務并行的局面已成為常態，高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國的要求不斷提高，與之對應的風險也更顯突出。在今后航天型號研制過程中，將在總結前期實踐基礎上，持續推廣“五維度”設計關鍵特性分析方法，充分釋放技術風險，提升產品可靠性，保證各航天型號圓滿成功。