秦永濤，宋 陽，蘇紅芳，李 榮

（西安航天動力試驗技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)比常規(guī)火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗系統(tǒng)與試驗產(chǎn)品配套大量的液路、氣路、測控、工藝、吹除、增壓等工藝管道和閥門。其中，工藝管道配套的數(shù)量多、接口形式多樣，安裝工序復(fù)雜。由于試車準(zhǔn)備工作過程中，部分位置空間窄小，工作人員多，造成操作困難，從而連接產(chǎn)品的管路多余物產(chǎn)生的可靠性增加。有時人為疏忽以及工藝管道交付驗收過程中對多余物控制的不嚴(yán)，容易造成多余物隨著工藝管道一起帶入產(chǎn)品。因此，液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗中試驗系統(tǒng)及產(chǎn)品內(nèi)多余物的控制難度較大。

火箭發(fā)動機(jī)試驗過程中，多余物容易引起試車過程發(fā)動機(jī)內(nèi)部燃燒不均勻、零部件磨損加劇、閥門無法正常打開與關(guān)閉、參數(shù)下降等異常情況，嚴(yán)重時引起重要零部件如渦輪泵等提前失效、損壞，甚至爆炸。多余物造成火箭發(fā)動機(jī)試驗質(zhì)量問題的概率大幅上升，一些重大的航天試驗或發(fā)射失敗的原因就是由于多余物造成的。因此，液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗中，需要從全過程自始至終嚴(yán)加預(yù)防和控制多余物，制定合理科學(xué)的檢查方法，避免多余物進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部。

針對多余物的控制與檢查，國內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，例如Cui Jinshi，Julius Z.knapp，熊濤，李大南等。目前，液體火箭發(fā)動機(jī)試驗過程的多余物控制已從單純的以產(chǎn)品為主發(fā)展到結(jié)合具體工程實際與理論知識綜合分析，從直觀的控制到防患于未然的提前控制階段，但是，目前還沒有綜合考慮人-機(jī)環(huán)境因素，從人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程出發(fā)研究液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程多余物控制方法。

為此，通過分析產(chǎn)生多余物的主要環(huán)節(jié)，從人機(jī)環(huán)境等方面出發(fā)，探索多余物產(chǎn)生的影響因素間耦合關(guān)系，確定工藝管道多余物的產(chǎn)生根源，制定液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程的多余物控制方法，進(jìn)行早期有效預(yù)防，避免由于地面試驗系統(tǒng)造成的發(fā)動機(jī)產(chǎn)品損壞，為準(zhǔn)確、客觀評價液體火箭發(fā)動機(jī)的固有質(zhì)量提供保障。

1 多余物產(chǎn)生的因素分析

1.1 試驗過程多余物來源分析

根據(jù)QJ2850-96《航天產(chǎn)品多余物預(yù)防和控制》，多余物的定義為：產(chǎn)品中存在的由外部進(jìn)入或內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)無關(guān)的一切物質(zhì)。對于液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程來說，在總裝交付驗收時帶有不符合設(shè)計圖紙、技術(shù)文件以及技術(shù)條件規(guī)定的物質(zhì)均稱為多余物。

多余物的種類是多種多樣的，常見的是金屬、非金屬、人及其排泄物。此外，超過規(guī)定的塵埃和介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的生成物也是多余物。

1)金屬類多余物 這是比較常見的一類，主要有脫落的標(biāo)準(zhǔn)件、加工金屬屑、遺忘的裝配工具、鋼絲頭、焊渣、工藝件、鉚釘頭等。這類多余物是液體火箭發(fā)動機(jī)試驗過程控制的重點。

2)非金屬多余物 這類多余物涵蓋的范圍廣，包括總裝使用的非金屬（如泡沫、襯帶、膠帶、鍍鋁膜、滌綸網(wǎng)、阻燃布等）、材料碎屑、超過規(guī)定的塵埃、膠類及膠類固化后的碎渣，這類多余物的控制難度比較大。

3)其他多余物 主要包括生物化學(xué)多余物和有害氣體多余物。

1.2 多余物產(chǎn)生的因素關(guān)系分析

試驗過程的多余物影響因素數(shù)量多，涉及范圍廣，存在相互制約、相互影響的錯綜復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，引起故障的產(chǎn)生、增長、積累和傳遞，最終可能影響發(fā)動機(jī)試驗成敗。因此，需要從錯綜復(fù)雜的影響因素中全面定量確定多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，從問題的薄弱環(huán)節(jié)出發(fā)，控制工藝管道的安裝過程，減低多余物產(chǎn)生的可能性。

人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是由我國著名科學(xué)家錢學(xué)森提出的，通過運用系統(tǒng)工程的思想和方法，揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，確保系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門綜合性學(xué)科。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程最大特點是把人、機(jī)、環(huán)境看作是一個系統(tǒng)的三大要素，在深入研究三者各自性能的基礎(chǔ)上，著重強(qiáng)調(diào)從全系統(tǒng)的總體性能出發(fā)研究對象特性。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程和5M1E (Man,Machine,Material,Method,Measure,Environment)現(xiàn)場質(zhì)量控制方法相比，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程不僅分析組成要素的單獨性能，更進(jìn)一步分析研究系統(tǒng)中各要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過人、機(jī)、環(huán)境間的信息傳遞、加工和控制，形成一個相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，并運用系統(tǒng)工程方法加以分析，使系統(tǒng)具有“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的綜合效能。

在此以人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，從人-機(jī)-環(huán)境三個主要方面對液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程的多余物影響因素進(jìn)行全面定量識別與分析，其多余物影響因素主要包括：一是人 (工作人員)的影響方面，包括如使用經(jīng)驗、檢查周期等；二是機(jī)器 (客觀運行實體)的影響方面，包括管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等；三是環(huán)境 (主、客觀環(huán)境)的影響方面，包括介質(zhì)溫度、壓力、流量、環(huán)境溫度、振動等。

試驗過程的多余物影響因素Qp可以表示為：

式中：PW為試驗過程中人 (工作人員)的主要方面；PM為試驗過程中機(jī)器 (客觀運行企業(yè)實體)的主要方面；PE為試驗過程中環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的主要方面；pxk為第k個試驗過程的多余物的人-機(jī)環(huán)境影響事件；{ps1,ps2,ps3,...psm}表示有m個人員方面的影響事件，例如使用經(jīng)驗、檢查周期等；{psm+1,psm+2,...psr}表示有r-m個機(jī)器方面的影響事件，例如管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等； {psr+1,psr+2,...psh}表示有 h-r個環(huán)境方面的影響事件，介質(zhì)溫度、壓力、流量、環(huán)境溫度、振動等；h表示試驗過程多余物的人-機(jī)-環(huán)境影響事件總數(shù)，1≤m＜h，1≤r＜h。

根據(jù)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程，試驗過程的多余物的影響因素來自于人機(jī)環(huán)境，并且存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，其試驗過程的多余物的影響因素相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 試驗過程多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素相互關(guān)系Fig.1 Mutual relation of man-machine-environment influence factors on foreign object debris in test process

根據(jù)試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素相互關(guān)系，試驗過程的多余物Ps可以表示為：

式中：Ru為人 (工作人員)的因素間相互關(guān)系；Rv為機(jī)器 (客觀運行企業(yè)實體)的影響因素間相互關(guān)系；Rd為環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間的相互關(guān)系；Ruv為人 (工作人員)與機(jī)器 (客觀運行企業(yè)實體)的影響因素間相互關(guān)系；Rud為人 (工作人員)與環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間相互關(guān)系；Rvd為機(jī)器 (客觀運行企業(yè)實體)與環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間相互關(guān)系；Pxi為第i個試驗過程的多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素。

1.3 多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵因素確定

對于液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素間相互關(guān)系，根據(jù)集對分析，利用因素同一度、對立度、波動度關(guān)系，可以分析多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素的緊密程度，確定一個因素與其他因素的耦合程度，有：

定義1：試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度ai。ai表示第i個人機(jī)環(huán)境影響因素波動對其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生波動，從而導(dǎo)致其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物。

定義2：試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的對立度bi。bi表示第i個人機(jī)環(huán)境影響因素波動對其他人機(jī)環(huán)境影響因素不產(chǎn)生波動，從而避免其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物。

定義3：試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的波動度ci。ci表示第i個人機(jī)環(huán)境影響因素對其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生波動，可能導(dǎo)致其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物，或者不產(chǎn)生工藝管道的多余物。

在t時刻，試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度、對立度、波動度分別為：

式中：μij(t)為在t時刻第i個人機(jī)環(huán)境影響因素對第j個人機(jī)環(huán)境影響因素的權(quán)重系數(shù)，其值根據(jù)脆性熵確定。

試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的脆性聯(lián)系函數(shù)為：

試驗過程多余物影響因素的耦合度Hi定義為：

式中：α，β，γ 分別為 ai，bi，ci的權(quán)重系數(shù),J，I，α，β，γ其值可以根據(jù)具體實際過程情況確定。

根據(jù)確定的試驗過程多余物的人-機(jī)環(huán)境影響因素，通過計算相互關(guān)系的同一度、對立度、波動度，確定試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的耦合度Hi，從而根據(jù)確定試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的耦合度Hi，可以確定試驗過程多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素。

2 試驗過程的多余物控制方法

根據(jù)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程確定多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，采取相應(yīng)的措施，可以從根源上清除試驗過程多余物。在長期液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程中，為提高效率，滿足試驗要求，結(jié)合崗位多年實際，針對多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，研究了多余物改進(jìn)與控制方法，其基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗過程的多余物控制過程如圖2所示。

圖2 基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗過程的多余物控制過程Fig.2 Control process of foreign object debris in test process according to man-machine-environment system engineering

2.1 試驗準(zhǔn)備過程中工藝管道清理維護(hù)

在與產(chǎn)品對接的工藝管道安裝前，應(yīng)選取合適型號的不銹鋼管子，對管子進(jìn)行一對一的制作，因?qū)涌谛问揭粯?，可防止管道接錯。制作時對管道進(jìn)行標(biāo)記，焊接時應(yīng)對管道接口檢查，防止對接口有多余物。焊接完接頭酸洗、清洗、吹除、打壓、清洗、吹除，避免制作過程產(chǎn)生多余物。與發(fā)動機(jī)對接前包白布，采用高壓氣體吹出，確保干凈。

2.2 多余物的排除方法

對于液氧煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程多余物，主要應(yīng)從人機(jī)環(huán)境方面（人員、設(shè)備、環(huán)境、配套庫房、工藝、操作、檢驗等）各方面進(jìn)行排查，從關(guān)鍵因素入手認(rèn)真剖析各環(huán)節(jié)，具體可以從以下方面展開：

1）擦 用海綿對管子內(nèi)壁做活塞往復(fù)運動（或用白綢條清洗）。

2）吹 用經(jīng)過凈化的潔凈氮氣，對沉積在發(fā)動機(jī)內(nèi)部的多余物進(jìn)行吹除。

3）洗 對管道進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，對產(chǎn)品金屬表面及可觸及部位，用布塊擦拭或沾酒精（T3）等有機(jī)溶劑清洗。

4）振動排除 將發(fā)動機(jī)敞口部位置于最下方，用橡皮榔頭在產(chǎn)品上適當(dāng)敲擊、振動排除多余物。

5）吸 用磁鐵對管道鐵屑多余物進(jìn)行吸取與收集。

試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度、對立度、波動度分別為：

式中：同一度ai包括了白綢條體積、質(zhì)量、往復(fù)次數(shù)、往復(fù)力、洗的清洗劑、次數(shù)、吹除氣體壓力、流量等；對立度bj包括了振動強(qiáng)度與頻率；波動度cl包括了吸的磁鐵磁場、距離、次數(shù)等。

試驗過程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的脆性聯(lián)系函數(shù)為：

式中：I，J與權(quán)重系數(shù)分別為1，取相同重要性等級。

2.3 多余物的檢查方法

在液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程中，除了根據(jù)主要人機(jī)環(huán)境因素進(jìn)行有效的清除，還需要早期進(jìn)行檢查，早期消除隱患。針對液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程實際情況，結(jié)合實際工作，對試驗臺可以采取的多余物的早期檢查方法進(jìn)行了總結(jié)。

2.3.1 系統(tǒng)檢查

在新配制相關(guān)管道中進(jìn)行系統(tǒng)改造時，系統(tǒng)與外界接口不用或者人員不在現(xiàn)場時，應(yīng)快速將試驗系統(tǒng)對接口敞口部位蓋好，確保試驗系統(tǒng)無多余物。產(chǎn)品安裝和關(guān)鍵崗位嚴(yán)格按照規(guī)定的品種、規(guī)格、數(shù)量領(lǐng)取物品（螺栓、密封墊、工具等），安裝完并進(jìn)行清點。工作現(xiàn)場如有丟失，少裝零件，必須立即停止工作，保持現(xiàn)場及時報告，直到有可靠結(jié)論方可繼續(xù)工作，做好工作記錄。

2.3.2 關(guān)鍵部件檢查

對于液氧/煤油火箭發(fā)動機(jī)試驗過程管道中的關(guān)鍵部件，應(yīng)重點檢查，例如密封件發(fā)生擠壓變形，對接口安裝不正確等，容易使密封件部位產(chǎn)生碎屑等多余物，應(yīng)加以控制。

2.3.3 管道清洗

目前液氧/煤油發(fā)動機(jī)試驗臺與發(fā)動機(jī)連接管路的管徑大小從DN2到DN300不等，為此提出不同的防治方法。例如針對小口徑管道（小于DN6），首先進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，然后采用T3清洗劑清洗去除清脂，采用1 MPa以上氮氣進(jìn)行吹除，并立即封口；針對大口徑管道（大于DN6），首先進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，然后采用T3清洗劑清洗去除油脂，并采用鋼絲捆綁白綢布進(jìn)行管道內(nèi)壁的擦洗，保證白綢布無多余物，最后采用1 MPa以上氮氣進(jìn)行吹除并立即封口。

通過采用基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗過程的多余物控制，液氧/煤油發(fā)動機(jī)試驗近百余次，工藝試驗管道多余物得到有效控制，滿足了試車要求，提升了試驗水平，保證了發(fā)動機(jī)研制要求。

3 結(jié)論

通過分析產(chǎn)生多余物的主要環(huán)節(jié)，基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)理論，從人機(jī)環(huán)境綜合方面出發(fā)，尋找工藝管道的多余物產(chǎn)生的根源，并根據(jù)集對理論，定義了影響因素間的同一度、對立度、波動度，探尋了其人機(jī)環(huán)境因素間耦合關(guān)系，分析了多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，確定工藝管道多余物產(chǎn)生的根源；并針對多余物的人機(jī)環(huán)境關(guān)鍵因素，結(jié)合實際工作，研究液體火箭發(fā)動機(jī)試驗過程的多余物控制方法，為編制多余物預(yù)防和控制標(biāo)準(zhǔn)提供了一種方法指導(dǎo)與參考。

[1]LIU Song,YAO Bin.Adaptive robust control of programmable valves with manufacturer supplied flow mapping only[C]//The 43rd IEEE Conference on Decision and Control.[S.l.]：IEEE,2004：1117-1122.

[2]LIU Kun,ZHANG Yulin.A study on versatile simulation of liquid propellant rocket engine systems transients,AIAA 2000-3771[R].USA：AIAA,2000.

[3]李進(jìn),趙宇,李文釗,等.基于權(quán)重系數(shù)的液體火箭發(fā)動機(jī)可靠性驗證方案 [J].航空動力學(xué)報,2011,26(4)：931-934.

[4]ZHANG Hui,WANG Shujuan,ZHAI Guofu.Test condition discussion of particle impact noise detection for space relay[J].Chinese Journal of Aeronautics,2007,20(1)：35-39.

[5]張青松,張振鵬,楊雪,等.液體火箭發(fā)動機(jī)試驗臺氣液管路系統(tǒng)故障仿真及分析[J].航空動力學(xué)報,2006,21(2)：403-409.

[6]李琦芬.低溫推進(jìn)劑管道輸送系統(tǒng)特性研究[D].杭州：浙江大學(xué),2005.

[7]CUI Jinshi,ZHA Huangbing.Fusin of detection and matching based approaches for laser based multiple people tracking[C]//Proceeding of IECON.[S.l]：Industrial Electronics Society,2204：2566-2572.

[8]KNAPP J Z.Particle detection method for detection of contraction particle in seal containers：US,5694221[P].2011-11-22.

[9]熊濤.航天器總裝多余物控制方法探討[J].航天器環(huán)境工程,2006,23(5)：277-280.

[10]李大南.航天型號產(chǎn)品多余物及其預(yù)防和控制標(biāo)準(zhǔn)的實施檢查[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化,2006,1：17-20.

[11]唐虎,張敏貴,張金容.液體火箭發(fā)動機(jī)汽蝕管堵塞仿真研究[J].火箭推進(jìn),2012,38(3)：46-58.TANG HU,ZHANG Mingui,ZHANG Jinrong.Simulation study on jamming of liquid rocket engine venturi[J].Journal of Rocket Propulsion,2012,38(3)：46-58.

[12]陳靜.復(fù)雜背景下器件多余物城鄉(xiāng)檢測若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué).2010.

[13]BOSNYATSKIJ G P,BARINUD V B,PARSADANOV G M,et al.Optimization of inter-relations of manmachine-external environment-reserve of reliability of system[J].Gazovaya Promyshlennost,2001(12)：35-40.

[14]龍升照.錢學(xué)森與人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程[C].第八屆中國人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程大會,深圳：2007：3-10.

[15]MA L H,YAN H Z.Comprehensive evaluation of fully mechanized mining face security based on unascertained-Information entropy model[C]//Proceedings of the 2nd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology.Beijing：IEEE,2009：268-271.

[16]QIN YT,ZHAO LP,YAO YY.Dynamic quality characteristics modelling based on brittleness theory in complexmanufacturingprocesses[J].InternationalJournal of Computer Integrated Manufacturing,2011,24(10)：915-926.

[17]金鴻章,李琦,吳紅梅.基于脆性因子的復(fù)雜系統(tǒng)脆性分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2005,26(6)：739-744.

[18]榮盤祥.復(fù)雜系統(tǒng)脆性理論及其理論框架的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2006.

[19]RONG P X,JIN H Z,WEI Q.Brittleness research on complex system based on brittle link entropy[J].Journal of Marine Science and Application,2006,5(2)：51-54.