基于系統思維加強液體火箭發動機可靠性管理

熊莉芳、林源、夏開紅 /西安航天動力研究所

高質量保證成功、高效率完成任務、高效益推動航天強國和國防建設是我國航天事業目前的“三高”發展目標，液體火箭發動機具有系統復雜、性能高、環境惡劣、成本高等特點，確保發動機工作可靠性對于保證航天任務的成功至關重要。錢學森說：“產品的可靠性是設計出來的、生產出來的、管理出來的。”可靠性設計、生產、管理是個系統工程，三者缺一不可。其中，可靠性管理起著提綱挈領作用。液體火箭發動機的可靠性管理應用系統工程方法，將發動機在設計、生產、試驗、使用等全壽命周期內的各項可靠性活動進行計劃、組織、監督和控制等，用最少的資源實現產品的可靠性目標。當前，液體火箭發動機的可靠性管理在全局狀態系統把控、可靠性工作體系健全、可靠性標準有效規范等方面還有較大提升空間，為保證任務成功，液體火箭發動機可靠性管理必須強調系統工程和系統思維理念。

一、可靠性管理發展現狀

可靠性工程自1957年美國電子設備可靠性咨詢組（AGREE）發布《軍用電子設備可靠性》而問世，20世紀80年代深入發展。美國國防部1980年頒布頂層文件《可靠性與維修性》，1985年推出了《可靠性及維修性2000年行動計劃》，旨在從可靠性管理入手，自上而下增強各級對可靠性管理工作的重視。為貫徹和實施以可靠性增長過程為核心的GEIA-STD-0009標準，美國國防部于2009年5月頒布了《可靠性增長管理手冊》。美國國家航空航天局在2008年率先提出一套基于系統工程理論的全生命周期故障管理理論與方法。歐洲空間局緊跟其后，在歐洲宇航企業全面推行可靠性管理工作，構建可靠性保證管理系統。目前，美國和歐洲均已建立起較為完善的故障模式庫、故障案例庫，實行可靠性信息一元化管理，做到資源共享，合理利用。

20世紀80年代，可靠性管理技術開始在我國宇航型號和武器裝備研制中全面推行。1998年，我國制定了《裝備可靠性工作通用要求》和《航天產品可靠性保證要求》頂層標準，在航天型號研制過程中得到廣泛應用。進入21世紀，可靠性系統工程理念已經深入人心，更加強調如何加強系統思維、做好可靠性工作的頂層策劃，以提升可靠性管理能力。本文結合液體火箭發動機發展現狀，提出基于系統思維構建和完善可靠性組織體系、技術體系、標準體系、流程體系和文件體系，構建完整系統的可靠性管理體系，從而進一步加強液體火箭發動機的可靠性管理能力。

二、可靠性組織體系

提升液體火箭發動機可靠性管理能力需先建立清晰的可靠性組織體系，液體火箭發動機的可靠性組織體系建議從2個維度同步建立（見圖1）。一個維度是以產品為基線，按照不同領域發動機分類，分別成立以總設計師和總指揮為產品可靠性工程的負責人，下設專業可靠性工程師；另一個維度是以組織為基線，按照院級、廠所級、科室級等類別，自上而下成立可靠性組織。院級可靠性部門應用系統思維，統籌策劃全院可靠性管理工作，包括可靠性技術的規劃、實施、監督、考核等，并建立不同層級的可靠性組織目標體系。廠所級可靠性部門主要負責全所可靠性技術規劃、重大共性基礎可靠性技術研究、可靠性標準制定、可靠性信息管理分析、可靠性流程和文件體系建立、可靠性教育培訓、可靠性設計分析試驗評估管理的工具開發等。科室級可靠性小組負責主管產品的具體可靠性工作。院級、廠所級和科室級可以同時采用矩陣式，又稱系統式組織體制，即科室級可靠性小組同時隸屬于廠所級可靠性部門。

圖1 液體火箭發動機可靠性組織體系框架

目前，隨著液體火箭發動機產品保證體系的建設，研究所初步形成了可靠性組織體系框架。后續，還需系統完善，明晰崗位職責，同時建立不同層級的可靠性組織目標體系。

三、可靠性技術體系和標準體系

根據GJB 450A和QJ 1408A等標準，研究所充分結合液體火箭發動機的工作特點，從可靠性要求、管理、設計、分析、試驗、評估等工作項目開展技術體系建設，初步研究建立了液體火箭發動機可靠性技術體系框架，如圖2所示。其中，可靠性管理工作項目包含可靠性保證計劃、可靠性評審、對供方的可靠性監督、可靠性信息管理、可靠性增長管理、可靠性培訓；強度設計包含疲勞設計、耐久性設計、損傷容限設計等；熱設計包含主動熱設計和被動熱防護設計；發動機可靠性試驗分為環境與應力篩選、可靠性研制/增長試驗、可靠性鑒定試驗、可靠性驗收試驗4種；可靠性研制/增長試驗包含可靠性研制試驗、可靠性增長試驗及燃燒穩定性試驗；可靠性驗收試驗包含工藝驗收試車、熱標試車及抽檢試車等；可靠性評價不僅包含對發動機的性能和結構可靠性評估，還包含對交付產品可靠性評價及產品成熟度評價等。后續，研究所將根據實際應用情況，持續迭代完善液體火箭發動機的可靠性技術體系，為發動機研制提供可靠性專業支撐。

圖2 液體火箭發動機可靠性技術體系框架

根據可靠性技術體系，同步完善液體火箭發動機可靠性標準體系建設，針對技術體系中的可靠性要素，梳理相關標準。目前，還需進一步進行系統頂層策劃，從產品、過程、可靠性要素等維度全面覆蓋，按照急用先行原則，迭代完善二層次和三層次的可靠性標準，從而構建完整的液體火箭發動機可靠性標準體系，發揮標準的技術支撐作用。

另外，研究所持續加強對國外可靠性標準的移植工作，如《可靠性增長管理手冊》《策劃、編制、管理有效的可靠性與維修性大綱》等。

四、可靠性流程體系和文件體系

要將可靠性工作落到實處，僅僅有可靠性技術理論和工作熱情是不夠的，還必須有規范的可靠性流程體系和文件體系。液體火箭發動機可靠性工作與設計、生產、試驗、使用等工作同步進行，目前研究所已形成液體火箭發動機不同研制階段的可靠性保證工作流程框架，如圖3所示。

圖3 液體火箭發動機可靠性保證工作流程框架

應用系統思維理論，將同一領域發動機、不同型號、各級次產品作為一個整體，并將涉及的多個研制單位、研制階段和工作項目形成有機整體，引入流程管理、數據技術等先進技術，建立不同領域發動機可靠性信息庫，通過流程和數據驅動，將可靠性保證技術項目嵌入流程中，實施精準高效的可靠性管理。

目前，液體火箭發動機已形成一定量的可靠性相關文件，但文件發揮的作用有限，建議借鑒美國國家航空航天局的可靠性管理文件樹，進一步系統完善可靠性文件體系。液體火箭發動機文件體系框架如圖4所示。

圖4 液體火箭發動機可靠性保證文件體系框架

文件體系建設建議針對不同型號發動機的實際特點來編制，如成熟批產型號發動機和新型預研發動機的可靠性保證大綱等文件的關注點是不同的。另外，文件體系應加強標準應用、數字化生成和信息化管理。

流程和文件體系是同步開展的，研究所應加強可靠性評審管理、組織監督審查評價等，充分發揮專家作用，強調閉環管理。同時，應用系統思維，與發動機數字化設計、生產、試驗等數字化流程相結合，充分發揮信息化、智能化的優勢。

“惟有成功才能專注發展、惟有奮斗才能實現發展、惟有創新才能持續發展”。基于系統思維加強液體火箭發動機的可靠性管理，是適應航天“三高”發展的需要。筆者提出基于系統思維完善液體火箭發動機可靠性組織體系、技術體系、標準體系、流程體系和文件體系，并給出了5個體系的研究框架及后續完善思路。組織體系是基礎保證，標準和技術體系是專業支撐，流程和文件體系是規范應用，應用系統思維加強信息化和數字化能力建設，將5個體系實現系統一體化，從而進一步提升液體火箭發動機的可靠性管理能力，實現產品和組織的高可靠性。