聂小亮 王国军 禹颂耕 王静
(1 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094) (2 中国空间技术研究院,北京 100094)
载人航天器是中国航天领域迄今规模最庞大、系统最复杂、关键技术最多、可靠性和安全性要求最高、极具风险性的一项国家重点系统工程项目[1]。自1992年载人航天工程立项启动以来,通过30年的不懈努力,先后突破并掌握了载人天地往返运输、航天员出舱、在轨交会对接等关键技术,并圆满完成空间站建造任务,实现了载人航天“三步走”完美收官[2]。载人航天工程以保证航天员的生命安全为第一要素[3],要求载人航天器在充分继承已有成功飞行经历的产品和技术基础上,结合每次飞行任务特点,深入开展产品和技术任务适应性分析,确保满足任务要求。如神舟五号针对首次载人环境、神舟七号针对首次出舱、神舟八号针对首次太空交会对接、神舟十二号针对长期在轨停靠[4-7]开展了大量的设计迭代、设计仿真及试验验证。同时,结合在轨飞行结果持续改进和提升,如针对神舟五号8 Hz基频问题,后续飞船进行了设计改进,并将整舱结构基频作为关键指标进行控制。
“再分析、再设计、再验证”工作,其核心是吃透技术、抓住关键点、改进设计,从产品设计可靠性、环境适应性和生产制造等方面不断提高产品的固有可靠性[8-9]。
本文结合载人航天器自身特点,充分运用“再分析、再设计、再验证”的质量复查确认的思维,深入开展产品特性再识别、依据标准现行有效性再复核、在轨使用状态再分析、设计裕度再复核、产品鉴定试验有效性再确认、关键时序再复核以及质量问题和举一反三再复核,识别产品研制过程存在的薄弱环节和风险隐患,并进行针对性的再设计和再验证,持续提升产品质量。同时在产品交付、航天器出厂及发射场阶段进行产品实物质量再确认,从而实现载人航天型号产品小子样情况下的高可靠和高安全,实现载人航天器发射和在轨任务连续圆满成功。
1 进行“再分析”
再分析是再设计与再验证的关键,核心思想是通过正向设计分析来识别产品所有关键特性和环节以及反向梳理分析产品存在的风险和隐患,为后续的再设计和再验证奠定基础。结合载人航天器特点,从以下七个方面开展“再分析”工作。
1.1 产品特性再识别
从设计参数的合理性、协调性,工艺控制参数的稳定性、可测试性,过程控制参数的确定性、可追溯性等进行分析,对产品关键特性的全面性进行再识别再确认。
设计关键特性方面,按照飞行任务剖面,组织系统、分系统、单机自上而下开展功能指标分解合理性和覆盖性,自下而上开展要求满足性复核,从设计角度进一步细化和完善设计关键特性项目及控制措施。
工艺关键特性方面,对产品生产工艺方案和工艺规程的可操作性,对易错和不可测环节识别的全面性,控制措施的有效性,实施结果的可检测性和量化标准进行分析,确定工艺是否稳定、可靠。
过程控制关键特性方面,对产品实现过程进行再分析,对生产过程关键参数和检验点设置的合理性、全面性,风险操作和多余物控制措施的有效性进行分析。
如,对于电子产品,从电路设计的规范性、冗余设计的有效性、匹配参数的合理性、测试状态的真实性进行分析,并重点分析电装工艺的规范性、供电安全间距控制的符合性、地面测试设备状态的合理性;复查产品装配过程是否存在导线异常受力,受挤压的风险,是否存在带电导体与其他金属搭接的风险;复查电路设计是否存在元器件过电应力风险;复查地面测试设备是否存在短路、过压、产生反电动势、引入静电等风险。
1.2 标准现行有效性再复核
针对载人航天器技术和产品继承性强的特点,产品研制过程中所依据和执行的标准规范可能存在更新情况,因此组织各承研单位对产品设计、研制、生产执行的各项标准的全面性和有效性进行确认,对新标准和要求的落实情况进行复查。对于标准规范更新内容,需逐项进行分析影响。
如,《铝及铝合金熔焊通用技术条件》(QJ2698-95)已更新为《铝及铝合金熔焊通用技术要求》(QJ2698A-2011),增加了5.5.3.1“缺陷未经排除和清理不允许进行补焊”,同时明确了5.5.3.2.2“允许补焊的界定方法”等要求,因此需要组织各承研单位针对焊接工艺以及已制品进行复查,确认是否满足新标准的规定。
1.3 在轨使用状态再分析
根据载人航天器在轨飞行任务剖面,分析产品实际在轨的使用条件和工作环境,并对地面验证(包括产品设计状态、产品安装状态、试验条件、工质状态等)与在轨使用工况的一致性进行分析,识别存在的差异。
如,通过对针对空间站任务阶段载人飞船在轨飞行任务剖面分析,识别到在在轨飞行阶段,载人飞船会出现摄像机受太阳直射情况。为确保摄像机更换图像传感器后在受太阳直射的状态下传感器性能满足任务要求,需要补充开展太阳直射的验证试验。因此,利用摄像机鉴定件产品开展了太阳直射试验,经长时间太阳直射,传感器可正常工作。
1.4 设计裕度再复核
产品设计裕度越大,可靠性越高,付出的资源和成本也相应增大[10]。为了实现产品满足飞行任务需求与投入的资源、成本之间的平衡,空间站任务阶段,载人航天器基于产品在轨使用状态(包括各种极限、边界工况),对产品的设计裕度进行了再复核,包括强度裕度、驱动裕度、寿命裕度等同时对模型仿真、拉偏试验、寿命试验等设计裕度验证情况进行了再确认。
如,针对空间站建造阶段,载人飞船在轨对接目标相对以往飞行任务存在较大变化特点,组织对飞行器间对接机构捕获、缓冲和分离功能适应性进行了设计裕度和验证结果进行了再复核。经复核确认,可满足空间站建造阶段各次飞行任务需求。
1.5 产品鉴定试验有效性再确认
对产品鉴定试验状态与当前正样产品一致性,鉴定试验项目和条件正确性,鉴定试验实际试验工况正确性,鉴定试验时产品功能性能测试项目全面性和结果正确性,鉴定试验后的开盖检查情况进行复查,分析试验过程中是否存在异常问题、是否有难以解释的现象,同时重点关注是否有片面利用鉴定级环境试验代替材料、工艺、组件鉴定,从而影响鉴定有效性的情况。载人航天器产品质量改进的探索与实践
如,空间站通过开展鉴定状态与正样产品一致性复核,发现存在部分产品鉴定件与正样件元器件在外形尺寸、封装形式、管脚定义存在差异,为此下发了补充鉴定工作通知,并组织相关单位补充开展了6台产品补充鉴定试验,从而保证了鉴定状态完全覆盖正样产品状态。
1.6 关键时序再复核
按照飞行任务剖面,对关键工作模式的动作时序进行复核,检查工作(包括正常和故障模式)时序的正确性和极限时间偏差下的协调性以及试验测试的覆盖性。
如,针对载人飞船快速返回任务需求,开展了返回过程中的主要工作时序复核,包括弹伞舱盖(开引导伞、减速伞)、脱减速伞(开主伞)、抛防热大底、转垂挂、着陆反推发动机工作、着陆等过程[11],开展了正常返回、救生工作程序以及故障模式等12种回收工作程序下的时序和测试性,并对主备降落伞系统转换协调性、火工品点火时序进行了复核,有
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