◎航天推進技術(shù)研究院 李新波 劉禾

泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度模型研究

◎航天推進技術(shù)研究院 李新波 劉禾

分析和研究液體火箭發(fā)動機與傳統(tǒng)一般單機的區(qū)別，進一步探索適合液體火箭發(fā)動機的成熟度評價工作模式，根據(jù)泵壓式液體火箭發(fā)動機在設(shè)計、生產(chǎn)、試驗等方面的特點，重點關(guān)注關(guān)鍵部組件的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和驗收工作對整機成熟度的影響，從整機設(shè)計、關(guān)鍵子產(chǎn)品控制、總裝總測、應(yīng)用管理等方面確定要素和子要素內(nèi)涵，并制定相應(yīng)的定級細則，運用成熟度理論加強質(zhì)量過程管控，準(zhǔn)確評價產(chǎn)品的穩(wěn)定性和一致性。

近年來，隨著我國航天科技工業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品成熟度理論和方法得到了持續(xù)應(yīng)用和完善，形成了大量理論研究和工程應(yīng)用成果。實踐證明，產(chǎn)品成熟度理論及配套方法工具能夠有效支持航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的持續(xù)提升，為推進航天科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型升級發(fā)揮重要作用。

通過先期研究發(fā)現(xiàn)，泵壓式液體火箭發(fā)動機在很多方面區(qū)別于傳統(tǒng)單機，同時由于系統(tǒng)級產(chǎn)品不同，單機產(chǎn)品成熟度定級實施細則中所規(guī)定的定級準(zhǔn)則有不適用的地方，筆者在充分研究已有產(chǎn)品成熟度定級標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對發(fā)動機的特點對定級模型和準(zhǔn)則進行了適應(yīng)性修改與完善，以期更有針對性地指導(dǎo)液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度評估工作。

一、液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度內(nèi)涵

泵壓式液體火箭發(fā)動機通常包括啟動系統(tǒng)、主系統(tǒng)、副系統(tǒng)、推進劑貯箱增壓系統(tǒng)。啟動系統(tǒng)是發(fā)動機由非工作狀態(tài)向工作狀態(tài)過渡的動力源系統(tǒng)，它由火藥起動器及電爆管等組成；主系統(tǒng)是主要產(chǎn)生推力和供應(yīng)推進劑的系統(tǒng)，它由啟動閥門、電爆管、渦輪泵、主節(jié)流圈、隔板節(jié)流圈、主閥、推力室及導(dǎo)管等組成；副系統(tǒng)是提供渦輪工作能源的系統(tǒng)，它由過濾器、氧化劑副斷流閥門、電爆管、汽蝕管、單向閥門、燃氣發(fā)生器、氧化劑副節(jié)流圈及導(dǎo)管等組成；推進劑貯箱增壓系統(tǒng)是由推力室頭腔引出四氧化二氮，用渦輪將廢氣加熱成蒸氣，供火箭氧化劑貯箱增壓使用，它由四氧化二氮蒸發(fā)器、汽蝕管、單向閥門、集合器及導(dǎo)管等組成。

泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度是宇航產(chǎn)品成熟度理論體系的組成部分，是將泵壓式液體火箭發(fā)動機作為完整、獨立的宇航產(chǎn)品，對其研制和使用全生命周期所有質(zhì)量要素的合理性、完備性以及在一定功能、性能水平下質(zhì)量的穩(wěn)定性和可控性的一種度量，包括整機設(shè)計、關(guān)鍵子產(chǎn)品控制、總裝總測、應(yīng)用管理4個方面。其中關(guān)鍵子產(chǎn)品指構(gòu)成發(fā)動機的部組件中，經(jīng)發(fā)動機總體單位認定，對發(fā)動機功能、性能、研制質(zhì)量和進度有重要影響的部組件，可根據(jù)不同發(fā)動機的研制特點進行選擇。

二、構(gòu)建評價模型的意義

在宇航產(chǎn)品成熟度理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合型號研制的工程實際構(gòu)建液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度評價模型，建立產(chǎn)品成熟度等級和定級標(biāo)準(zhǔn)，確定產(chǎn)品成熟度評價所涉及的要素和子要素，豐富要素內(nèi)涵和定級準(zhǔn)則。同時，通過該模型的研究可以解決傳統(tǒng)單機產(chǎn)品成熟度模型和系統(tǒng)級產(chǎn)品成熟度模型的不適用問題。

一是泵壓式液體火箭發(fā)動機的組成比一般通用單機復(fù)雜，兼具系統(tǒng)及單機產(chǎn)品的特點。需要在研制過程中重點關(guān)注發(fā)動機所涉及到的關(guān)鍵部組件，這些關(guān)鍵部組件的設(shè)計、生產(chǎn)、試驗和驗收工作對整機的成熟度有著重要影響，所以不能像一般單機一樣，只關(guān)注整機總體的設(shè)計、生產(chǎn)和使用等工作。

二是泵壓式液體火箭發(fā)動機整機試驗驗證的資源投入大。發(fā)動機的整機試驗一般指整機熱試車工作，其單次試車的經(jīng)費、資源投入相對較大，很難像一般單機一樣在狀態(tài)固化階段（一般情況下研制工作已結(jié)束）開展相應(yīng)的整機試驗驗證（如極限工況試驗、性能拉偏試驗等），更多的是在產(chǎn)品研制階段進行相應(yīng)驗證，結(jié)合實際應(yīng)用不斷分析、識別，并持續(xù)改進薄弱環(huán)節(jié)，提升整機產(chǎn)品的固有可靠性。

三是火箭發(fā)動機飛行過程測量參數(shù)極為有限，主要依靠研制試車、熱標(biāo)或工藝試車以及抽檢試車來獲取其在工作環(huán)境下大量有價值的數(shù)據(jù)與信息，為產(chǎn)品的持續(xù)改進和可靠性增長提供支撐，同時渦輪泵、推力室、燃氣發(fā)生器等關(guān)鍵子產(chǎn)品的系統(tǒng)協(xié)調(diào)性、可靠性也必須在整機狀態(tài)下才能得到最為接近實際工況的考核。因此，整機試車過程管理、參數(shù)獲得的能力以及結(jié)果評價也應(yīng)作為產(chǎn)品成熟度評價的一個重要方面。

四是發(fā)動機的結(jié)構(gòu)沒有系統(tǒng)級產(chǎn)品復(fù)雜，所涉及的單機只有閥門類（其它多為部組件），因此在總裝管理、綜合測試等方面與系統(tǒng)級模型有較大區(qū)別。

三、研究思路

為了使液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度模型更加適用于發(fā)動機產(chǎn)品本身，以有效指導(dǎo)發(fā)動機產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)和試驗工作，筆者首先研究了模型的適用性，將系統(tǒng)更加復(fù)雜的泵壓式液體火箭發(fā)動機作為研究對象，而對于結(jié)構(gòu)相對簡單的擠壓式發(fā)動機仍然采用傳統(tǒng)的成熟度模型定級準(zhǔn)則。

其次，采取聯(lián)合研究的模式，充分發(fā)揮中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院在成熟度模型研究方面的先期經(jīng)驗，組織專家分析了原有模型的不足之處，同時借鑒系統(tǒng)級產(chǎn)品成熟度的經(jīng)驗方法，具體分析發(fā)動機設(shè)計、生產(chǎn)和試驗特點，對模型進行有針對性的修正，從而初步形成模型框架。

模型框架初步建立后進一步豐富模型內(nèi)涵，完善所有方面所對應(yīng)的內(nèi)容，使得要素定義更加貼合發(fā)動機實際，模型具有較強的針對性，與傳統(tǒng)模型相比更加適用于評價工作，并組織研討會對模型內(nèi)涵進行把關(guān)和審查。

最后，選取YF-50D發(fā)動機開展試點評價工作，向發(fā)動機研制人員充分宣貫?zāi)Ｐ驮?，在系統(tǒng)分析發(fā)動機工作機理基礎(chǔ)上，合理組織專家開展審查，結(jié)合評審結(jié)果指導(dǎo)發(fā)動機研制，同時繼續(xù)修訂模型要素組成，使得模型日臻完善。泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度模型的研究思路如圖1所示。

圖1 研究思路

四、研究方法

1.等級要求

泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級的設(shè)定包含等級數(shù)值和等級定義2個部分。等級數(shù)值采用連續(xù)整數(shù)標(biāo)識不同等級，其目的是量化區(qū)分各等級及其差異。等級定義一方面為不同成熟度等級中型號研制各項工作的完成程度提出了基本要求；另一方面也為各等級的評定和確認提供基本判別標(biāo)準(zhǔn)。

為了簡化模型，便于應(yīng)用，泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級的設(shè)定僅在產(chǎn)品成熟度總評等級和子要素成熟度等級2個層次上展開。理論上，隨著泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級的提升，各子要素的成熟度等級應(yīng)逐步提升，子要素各等級的定義也應(yīng)逐級遞進。但對于設(shè)計過程相關(guān)子要素而言，由于在系統(tǒng)級產(chǎn)品成熟度達到較高等級（3級以上）后，設(shè)計過程的主要工作已基本完成，所以設(shè)計過程類子要素的成熟度等級定義不再隨后續(xù)系統(tǒng)級產(chǎn)品成熟度提高而逐級強化。

2.等級劃分

QJA53《宇航單機產(chǎn)品成熟度定級規(guī)定》確定的單機產(chǎn)品成熟度分為8個等級，鑒于液體火箭發(fā)動機的研制特點，從研制工作的驗證程度出發(fā)對狀態(tài)固化后的成熟度等級設(shè)置進行適當(dāng)壓縮，將泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度劃分為7個等級（見表1）。

第1～3級從研制工作要求的細化、驗證的程度、研制中各項工作的落實情況識別工程風(fēng)險與不確定性；第4～5級通過對技術(shù)狀態(tài)更改情況的判定，分析更改對可靠性、安全性等的影響；第6級通過對技術(shù)狀態(tài)固化情況和貨架式供應(yīng)能力的判定，確定研制和使用中的工作弱項；第7級通過小批量生產(chǎn)，質(zhì)量可靠性水平已經(jīng)達到穩(wěn)定水平。泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級與研制階段的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

表1 泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級劃分

圖2 泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度等級與研制階段的對應(yīng)關(guān)系

3.定級要素

泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度模型中的要素表征了實施泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度評價必須關(guān)注的基本工作項目和風(fēng)險點。在各階段工作的基礎(chǔ)上，通過分析、比對、篩選和優(yōu)化最終確立了成熟度模型的基本要素。為清晰闡述各要素的梳理過程和隸屬關(guān)系，從設(shè)計、生產(chǎn)、整機試驗、交付與使用4個方面逐級遞進對各要素進行表述，見表2。

一是設(shè)計方面。設(shè)計過程是從型號任務(wù)要求轉(zhuǎn)化為實體產(chǎn)品的先決步驟，設(shè)計過程的結(jié)果將詳細定義預(yù)期發(fā)動機的功能和分配基線，其核心是指發(fā)動機及其關(guān)鍵子產(chǎn)品設(shè)計結(jié)果所實現(xiàn)的固有能力的完備程度，以及與預(yù)期任務(wù)對應(yīng)的功能、性能、壽命、可靠性等各項技術(shù)要求的符合程度。

二是生產(chǎn)方面。生產(chǎn)過程是在產(chǎn)品設(shè)計滿足任務(wù)要求的情況下，按照系列技術(shù)文件生產(chǎn)實物產(chǎn)品的過程。當(dāng)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)基線確定后，需要通過合適的生產(chǎn)方式予以實現(xiàn)，保證全部設(shè)計要求在生產(chǎn)過程中得以實現(xiàn)是至關(guān)重要的。應(yīng)持續(xù)關(guān)注生產(chǎn)過程，提高其可重復(fù)性和穩(wěn)定性。生產(chǎn)方面的要素主要是表征和度量工作進展程度，其核心是指產(chǎn)品生產(chǎn)能力實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計要求的完備程度，以及在生產(chǎn)過程中與質(zhì)量、成本、進度等方面要求的符合程度。

三是整機試驗方面。整機試驗是檢驗在發(fā)動機研制及生產(chǎn)過程中產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求和質(zhì)量要求的重要手段，也是全面獲取發(fā)動機實際工作性能及其工作過程中力、熱等參數(shù)的主要方式，因此應(yīng)持續(xù)關(guān)注并逐步提高整機試驗過程的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這部分要素用于表征和度量在整機試驗方面開展技術(shù)準(zhǔn)備及管理完善的程度，其核心是指整機試驗要素的固有能力實現(xiàn)發(fā)動機整機設(shè)計要求的完備程度，以及與單次或重復(fù)生產(chǎn)過程中質(zhì)量、成本和周期等方面要求的符合程度。

表2 泵壓式液體火箭發(fā)動機成熟度評價要素

四是交付與使用方面。在發(fā)動機交付、驗收、發(fā)射及任務(wù)測試的過程中，應(yīng)向用戶及相關(guān)操作人員提供充分有效的操作、維護和使用說明，以避免由于操作錯誤造成的產(chǎn)品異常或故障。同時需要向用戶充分傳遞產(chǎn)品使用可能存在的風(fēng)險，并明確相應(yīng)風(fēng)險的處置措施。這一部分要素將用于衡量產(chǎn)品在使用維護方面的工作進展程度，其核心是明確產(chǎn)品操作、交付、使用等環(huán)節(jié)保障措施的有效性和完備性。

在總結(jié)泵壓式液體火箭發(fā)動機設(shè)計、生產(chǎn)、試驗質(zhì)量管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，筆者提出了泵壓式液體火箭發(fā)動機產(chǎn)品成熟度評價方法，根據(jù)發(fā)動機研制特點確定了產(chǎn)品成熟度評價準(zhǔn)則，并在產(chǎn)品轉(zhuǎn)階段的過程中同步予以實施。根據(jù)設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、使用過程中重點關(guān)注的質(zhì)量檢查要點明確成熟度評價要求和要素，在與一線研制人員充分研討和溝通后確定各要素內(nèi)涵，并選取典型發(fā)動機開展試點工作，進一步修改完善評價模型，使得模型適用性得到大幅提高。

研究成果可以為泵壓式液體火箭發(fā)動機的質(zhì)量和產(chǎn)品一致性水平提升提供量化度量工具，為產(chǎn)品成熟度水平提升提供實現(xiàn)途徑，同時將更加豐富宇航產(chǎn)品成熟度評價理論。后續(xù)，航天推進技術(shù)研究院將與總體設(shè)計單位進一步研討分析，不斷完善各項評價準(zhǔn)則，進而應(yīng)用到各型泵壓式液體火箭發(fā)動機的研制生產(chǎn)中，為發(fā)動機規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供有力支撐。