王瑤 倪潤立 魏紅麗 韓慶龍 尤睿 李茂順 徐鶴 張承模

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星規(guī)模大,產(chǎn)品數(shù)量多,且其有效載荷全部為新研產(chǎn)品,可借鑒工程研制的經(jīng)驗較少[1]。其在軌觀測任務(wù)需要衛(wèi)星采用不同于傳統(tǒng)對地遙感的慣性空間定向模式,對衛(wèi)星平臺設(shè)計提出了新的要求。這些特點使得衛(wèi)星研制工作面臨“全新有效載荷研制,技術(shù)難度大”、“衛(wèi)星工作模式復(fù)雜,具有多種姿態(tài)定向方式”、“慣性定向模式下平臺設(shè)計”、“有效載荷低溫控制需求”、“載荷正樣件需要經(jīng)過充分的地面標(biāo)定”等五大難題。

為確保衛(wèi)星研制難題順利解決、風(fēng)險有效管控、質(zhì)量滿足要求、任務(wù)圓滿成功,在HXMT衛(wèi)星研制過程中全面實施了產(chǎn)品保證工作。衛(wèi)星產(chǎn)品保證工作以用戶關(guān)注為焦點,對技術(shù)風(fēng)險進(jìn)行了充分的識別與控制[2]。本文總結(jié)提煉了HXMT衛(wèi)星產(chǎn)品保證工作實踐情況。

1 產(chǎn)品保證實施總體思路

產(chǎn)品保證是為使人們確信產(chǎn)品達(dá)到規(guī)定的質(zhì)量要求,在產(chǎn)品研制、生產(chǎn)全過程,所進(jìn)行的一系列有計劃、組織的技術(shù)和管理活動。HXMT衛(wèi)星產(chǎn)品保證遵循“識別、策劃、實施、檢查、改進(jìn)”的基本策略,結(jié)合衛(wèi)星難點、技術(shù)風(fēng)險提前策劃、識別關(guān)鍵,充分干預(yù)、確保見底,總結(jié)經(jīng)驗、提煉創(chuàng)新,確保產(chǎn)品保證工作系統(tǒng)、全面、及時、規(guī)范、有效。按照衛(wèi)星研制階段,HXMT衛(wèi)星產(chǎn)品保證工作總體思路如下:

1)方案階段

狠抓總體設(shè)計、系統(tǒng)級試驗驗證策劃及有效載荷關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),確保風(fēng)險識別充分、控制措施策劃全面。

2)初樣階段

(1)關(guān)注結(jié)構(gòu)/熱控星研制,確保載荷艙結(jié)構(gòu)設(shè)計及與平臺的匹配性、載荷的熱設(shè)計及與平臺熱接口耦合滿足要求;

(2)關(guān)注電性星研制,確保衛(wèi)星各單機(jī)間的供電、信息流、軟件滿足要求;

(3)關(guān)注載荷各項研制試驗、鑒定試驗,確保設(shè)計工程合理、工藝穩(wěn)定、性能符合要求。

3)正樣階段

加強(qiáng)技術(shù)狀態(tài)控制、關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制、過程控制。

4)發(fā)射場階段

嚴(yán)控操作程序、衛(wèi)星多余物、載荷安全;加強(qiáng)新流程分析,做好狀態(tài)確認(rèn)。

2 產(chǎn)品保證實施策略與實踐

2.1 圍繞任務(wù)特點和技術(shù)難點,開展技術(shù)風(fēng)險識別與控制

(1)針對“全新有效載荷研制,技術(shù)難度大”的難點,從設(shè)計正確、驗證充分、產(chǎn)品研制過程受控等方面開展風(fēng)險控制工作。在方案設(shè)計階段,加強(qiáng)與載荷研制方的溝通,充分宣貫、傳遞成熟的工程經(jīng)驗、設(shè)計規(guī)范及產(chǎn)品保證要求,確保載荷設(shè)計規(guī)范、有序開展;組織各專業(yè)專家,重點從設(shè)計合理性、產(chǎn)品可靠性、環(huán)境適應(yīng)性、工藝可實現(xiàn)性等方面對載荷單機(jī)的設(shè)計進(jìn)行多輪審查與改進(jìn)迭代,為保證研制的順利進(jìn)行,減少反復(fù)奠定了基礎(chǔ)。在初樣階段,強(qiáng)化載荷試驗力度,確保正樣產(chǎn)品投產(chǎn)前,各項設(shè)計得到充分驗證。在載荷部組件級,以不同的產(chǎn)品形式,策劃、開展了全面的研制試驗,通過“試驗-分析-改進(jìn)”過程,充分驗證設(shè)計和工藝正確性、確認(rèn)設(shè)計裕度;此外,部分探測器還以“準(zhǔn)鑒定狀態(tài)”(采用低等級器件的真實探測器)參加了熱控星試驗,對主要載荷的環(huán)境適應(yīng)性、性能指標(biāo)的工程可實現(xiàn)性進(jìn)行了驗證。

(2)針對“衛(wèi)星工作模式復(fù)雜,具有多種姿態(tài)定向方式”的難題,分析明確各模式姿態(tài)機(jī)動使用約束;優(yōu)化姿態(tài)機(jī)動路徑規(guī)劃算法,確保各種姿態(tài)下衛(wèi)星滿足熱控、能源約束;加強(qiáng)仿真和地面測試,按不同觀測模式進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真、開展測試覆蓋性分析、確保所有姿態(tài)模式切換及其可能出現(xiàn)的控制情況在各級測試驗證覆蓋到位;優(yōu)化了動量輪配置,確保滿足姿態(tài)機(jī)動要求。

(3)針對“慣性定向模式下平臺設(shè)計”的難題,HXMT衛(wèi)星測控、GPS、數(shù)傳分系統(tǒng)采取了仿真加緊縮場的輻射模型星驗證,確保無固定對地面的衛(wèi)星姿態(tài)下的鏈路傳輸正常;整星熱控通過仿真及熱控星驗證,確保滿足任務(wù)要求。

(4)針對“安裝于同一結(jié)構(gòu)上大溫差載荷的溫度控制”風(fēng)險,HXMT衛(wèi)星載荷熱控采取了優(yōu)化隔熱、導(dǎo)熱、反射材料,并多次分析優(yōu)化,并通過載荷部組件級熱平衡試驗以及整星(熱控星)熱平衡試驗驗證了其設(shè)計合理性,并修正熱模型,為正樣設(shè)計奠定基礎(chǔ);通過設(shè)計評審、工藝鑒定、穩(wěn)定性和耐溫專項試驗等產(chǎn)?；顒?保障了新研深冷熱管的研制最終滿足低能望遠(yuǎn)鏡－80～－42℃的低溫需求。

(5)針對“載荷正樣件需要經(jīng)過充分的地面標(biāo)定,需要標(biāo)定的探測器多、過程復(fù)雜、周期長”的風(fēng)險,結(jié)合衛(wèi)星研制階段的特點,對各階段標(biāo)定工作重點進(jìn)行了策劃、實施,確保標(biāo)定工作滿足要求。在方案階段,充分分析、論證標(biāo)定需求,確定標(biāo)定方案,并經(jīng)各方評審確認(rèn);初樣階段,完成標(biāo)定設(shè)施及裝置的建設(shè)、驗收,并利用載荷電性件、鑒定件進(jìn)行試標(biāo)定,驗證了標(biāo)定裝置、流程的可行性;正樣階段,除在國內(nèi)完成標(biāo)定外,部件探測器產(chǎn)品還經(jīng)過國際權(quán)威實驗室的交叉標(biāo)定,確保探測器在軌數(shù)據(jù)的有效性與國際認(rèn)可度。

2.2 系統(tǒng)策劃、提前確認(rèn),確保滿足質(zhì)量和進(jìn)度的要求

針對多路徑多項目并行研制特點,HXMT衛(wèi)星策劃了一些產(chǎn)品保證活動,保證了產(chǎn)品保證工作有序、高效開展,滿足了研制進(jìn)度要求。

(1)開展A、B類單機(jī)空間環(huán)境適應(yīng)性、鑒定環(huán)境滿足性復(fù)查和電性產(chǎn)品工藝實物檢查工作,并強(qiáng)化測試數(shù)據(jù)判讀工作,確保了“A、B類單機(jī)提前投產(chǎn)”風(fēng)險可控。

(2)在載荷鑒定產(chǎn)品上星前,開展了“載荷鑒定件與正樣產(chǎn)品接口、技術(shù)狀態(tài)一致性”確認(rèn)工作,確?！拜d荷鑒定產(chǎn)品參與正樣整星總裝、集成和測試(AIT)流程”風(fēng)險可控。

(3)狠抓研制源頭確保固有質(zhì)量,對載荷單機(jī)的元器件選用、工藝方案、軟件設(shè)計、可靠性和安全性設(shè)計分析等進(jìn)行專題審查,加強(qiáng)載荷初樣階段的測試、試驗和整星匹配性驗證工作,確保能夠充分暴露發(fā)現(xiàn)問題,通過上述工作,HXMT衛(wèi)星有效載荷正樣階段出現(xiàn)未出現(xiàn)III類技術(shù)狀態(tài)更改,“載荷正樣產(chǎn)品會晚于衛(wèi)星正樣結(jié)構(gòu)和平臺正樣產(chǎn)品研制”風(fēng)險控制結(jié)果滿足要求。

2.3 嚴(yán)格試驗考核,確保設(shè)計正確

為充分驗證HXMT衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計和工藝方案的正確性,暴露新故障模式,衛(wèi)星策劃并開展了一系列專項試驗和研制試驗。

(1)為驗證了雙GPS天線合路設(shè)計方案合理性,獲得了惡劣工況下的雙天線合路GPS定位情況,HXMT衛(wèi)星進(jìn)行了GPS雙天線合路接收外場專項試驗,模擬驗證解決了慣性空間定向無固定對地面條件下雙天線合路GPS定位及定位精度問題。

(2)針對動量輪支架組件不具備參加結(jié)構(gòu)星力學(xué)試驗的情況,通過動量輪支架組件專項試驗獲得了組件的力學(xué)特性,并在整星狀態(tài)下進(jìn)行了分析計算,驗證了設(shè)計的正確性。

(3)針對載荷研制狀態(tài)新、部組件數(shù)量多的特點,在鑒定件投產(chǎn)前,開展了新工藝的鑒定試驗(高能主探晶體封裝、中能準(zhǔn)直器、Si-PIN探測器以及低能遮光膜)、新技術(shù)的性能摸底、力熱環(huán)境及空間環(huán)境適應(yīng)性試驗(主探測器技術(shù)、中能掃視電核耦合器件探測器技術(shù)以及深冷熱管)和薄弱設(shè)計環(huán)節(jié)力、熱環(huán)境摸底(中能輻冷板、高能反符合屏蔽探測器、低能探測器機(jī)箱)等26項研制試驗,并通過摸底試驗改進(jìn)了:①主探測器晶體光學(xué)耦合和支撐形式、高能準(zhǔn)直器的膠結(jié)工藝;主探測器減震設(shè)計及力學(xué)試驗下凹條件、提出了日本賓松光電倍增管篩選條件。②中能準(zhǔn)直器點膠加固工藝、輻冷板的設(shè)計以及探測器小信號ASIC多路讀出技術(shù)。③低能遮光膜鎳網(wǎng)支撐方案、低能探測器上下機(jī)箱隔熱和保證機(jī)箱整體剛度的設(shè)計方案。

2.4 合理舉措,確保“新器件”風(fēng)險可控

根據(jù)X射線望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)特點,HXMT衛(wèi)星載荷選用了部分首次使用的元器件,這些元器件的生產(chǎn)、工藝、質(zhì)保工作無現(xiàn)成經(jīng)驗可循。因此,從選用評審、設(shè)計改進(jìn)、生產(chǎn)、篩選、電裝、測試等各個環(huán)節(jié)加強(qiáng)質(zhì)量跟蹤與控制,使質(zhì)量工作充分前移[3],并聯(lián)合物資部門、廠家及時解決出現(xiàn)的問題,確保裝星元器件滿足載荷要求。

(1)針對載荷用ME-32 TA6型ASIC電路防靜電指標(biāo)低,在生產(chǎn)、測試等過程中易受靜電損傷的問題,針對生產(chǎn)、測試、篩選、運輸、電裝等全過程制定了相應(yīng)的防靜電控制要求和措施,并跟蹤落實。通過改進(jìn)封裝管殼、設(shè)計使用專用工裝和包裝、在芯片內(nèi)增加防靜電電路,有針對性地制定單批質(zhì)保方案、改進(jìn)測試方法、嚴(yán)格生產(chǎn)工藝工作檢查等措施,確保了器件及最終產(chǎn)品滿足要求并在軌正常運行。

(2)針對MEDET型Si-PIN探測器防污染能力差的特點,提出芯片鍍膜的工藝改進(jìn)方案,通過了專項驗證,并制定了針對性單批質(zhì)保方案。

(3)針對MEDET型Si-PIN探測器在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的鈹片脫粘問題,完成了歸零評審及改進(jìn)后的工藝過程審查,完善了生產(chǎn)過程控制措施。

(4)針對S9100型高壓模塊在篩選過程中出現(xiàn)性能異常,中國空間技術(shù)研究院工藝專家針對產(chǎn)品內(nèi)部色環(huán)電阻器和OHMITE電阻焊點開裂的焊接工藝問題,給出了改進(jìn)工藝建議,并要求生產(chǎn)廠家進(jìn)行了維修可行性驗證。維修后的120只產(chǎn)品通過了篩選試驗。

2.5 加強(qiáng)新研載荷管控,確保產(chǎn)品實現(xiàn)

HXMT衛(wèi)星載荷承制單位研制單位為非航天系統(tǒng)內(nèi)部單位,無大型航天載荷研制經(jīng)驗。為確保產(chǎn)品研制滿足要求,加強(qiáng)了載荷研制單位的管控工作[4]。

(1)組織產(chǎn)品保證要求等一系列專題培訓(xùn)工作,幫助中國科學(xué)院高能物理研究所提升了產(chǎn)品保證能力,對載荷分系統(tǒng)產(chǎn)品保證計劃進(jìn)行專項審查,確保產(chǎn)品保證要求落實到位。

(2)積極參與載荷研制工作,通過評審、函審、現(xiàn)場檢查、復(fù)核復(fù)審等各種質(zhì)量手段對其進(jìn)行過程控制,并派駐專人進(jìn)行跟產(chǎn)、監(jiān)管,確保過程質(zhì)量受控[5]。

(3)成立載荷專項工作組,充分利用中國空間技術(shù)研究院的專家優(yōu)勢,發(fā)揮集體智慧,加速設(shè)計成熟,降低決策風(fēng)險,協(xié)調(diào)解決載荷研制過程中出現(xiàn)的難點、問題。

(4)協(xié)助開展外協(xié)單位選擇,載荷望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)及主要單機(jī)由有豐富的航天產(chǎn)品研制經(jīng)驗的廠所承擔(dān),確保了產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量。

2.6 關(guān)注過程控制和關(guān)鍵節(jié)點清理確認(rèn)

HXMT衛(wèi)星利用轉(zhuǎn)階段、生產(chǎn)準(zhǔn)備、合蓋前檢查、產(chǎn)品驗收等關(guān)鍵節(jié)點進(jìn)行過程控制、關(guān)機(jī)節(jié)點階段清理、確認(rèn)、總結(jié)工作[6]。

(1)加強(qiáng)研制過程跟產(chǎn)監(jiān)督,對產(chǎn)品保證要求落實情況和產(chǎn)品研制情況進(jìn)行專題檢查。

(2)邀請有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜议_展供配電、元器件、工藝和材料、軟件、空間環(huán)境適應(yīng)性等專項檢查確認(rèn)工作。

(3)落實關(guān)鍵檢驗和強(qiáng)制檢驗,關(guān)注潔凈、污染、多余物、防靜電控制措施。

(4)對部組件、單機(jī)、子系統(tǒng)、分系統(tǒng)測試結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場逐步逐項確認(rèn),對分配指標(biāo)實現(xiàn)情況進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(5)對軟件配置管理情況進(jìn)行監(jiān)督,對所有軟件裝訂參數(shù)進(jìn)行審查,對固化落焊版本進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)。

(6)在產(chǎn)品驗收前對產(chǎn)品研制和數(shù)據(jù)包進(jìn)行全面審查,確認(rèn)設(shè)計、工藝和過程三類關(guān)鍵特性控制情況和不可測試項目控制措施落實的有效性,避免事后復(fù)查,對于數(shù)據(jù)包不全、驗收測試不充分等不符合要求的堅決拒收。

2.7 采用有效手段,衛(wèi)星貯存工作有序開展

(1)組織開展衛(wèi)星貯存任務(wù)影響分析工作,從衛(wèi)星發(fā)射窗口、對科學(xué)觀測任務(wù)的影響、單機(jī)產(chǎn)品地面貯存期影響等方面進(jìn)行了專題分析,分析結(jié)果表明影響可接受。

(2)針對載荷探測器對污染和濕度敏感的特性,對衛(wèi)星貯存環(huán)境提出了明確的溫度(20℃±5℃)、濕度(≤10%)、潔凈度(優(yōu)于100 000級)和壓力(300～3000 Pa)要求,專門制定了衛(wèi)星貯存方案,并在貯存期內(nèi)對貯存環(huán)境進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。

(3)衛(wèi)星貯存結(jié)束后,開展了貯存后健康狀態(tài)檢查測試與評審確認(rèn)工作,結(jié)果表明:衛(wèi)星貯存條件滿足規(guī)定的環(huán)境溫度、濕度、潔凈度和壓力等要求,各項質(zhì)量控制措施落實到位,衛(wèi)星星上產(chǎn)品和單獨貯存產(chǎn)品經(jīng)過貯存前后測試驗證和數(shù)據(jù)比對分析功能性能滿足要求。

2.8 嚴(yán)控衛(wèi)星新流程和最終狀態(tài)設(shè)置及確認(rèn),發(fā)射場工作零缺陷

(1)進(jìn)場前,HXMT衛(wèi)星圍繞著“十新”(新技術(shù)、新材料、新工藝、新狀態(tài)、新環(huán)境、新設(shè)備、新單位、新崗位、新人員、新流程)開展了風(fēng)險識別工作,針對識別出的未在北京AIT階段實施的新流程“星箭對接后安裝遮陽板”,明確遮陽板安裝的注意事項和安裝要求,細(xì)化、復(fù)核操作流程,并在實施階段嚴(yán)格控制,新流程引起的高空作業(yè)和運載磕碰風(fēng)險有效消除。

(2)結(jié)合“查狀態(tài)”工作,HXMT衛(wèi)星明確了27個產(chǎn)品保證工作項目,62個質(zhì)量控制點,分階段對衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn),衛(wèi)星過程狀態(tài)及最終狀態(tài)滿足要求。

(3)針對發(fā)射場質(zhì)量保證的有關(guān)要求和衛(wèi)星望遠(yuǎn)鏡潔凈度要求高的特點,HXMT衛(wèi)星從望遠(yuǎn)鏡多余物控制措施望遠(yuǎn)鏡,敏感器、望遠(yuǎn)鏡表面清潔,太陽翼安裝過程多余物控制措施,加注過程多余物控制措施,整流罩多余物檢查和確認(rèn)共6個方面分階段制定了嚴(yán)格的控制措施并嚴(yán)格執(zhí)行,控制結(jié)果符合要求。

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星產(chǎn)品保證工作通過“提前策劃、有據(jù)可依、有章可循、重點突出、全程受控、及時總結(jié)、記錄準(zhǔn)確、可以追溯”,貫徹了“預(yù)防為主、一次成功”的原則,針對衛(wèi)星研制特點提前策劃,識別風(fēng)險,實施精細(xì)管理和全過程管控,確保了衛(wèi)星設(shè)計、制造和使用的質(zhì)量,實現(xiàn)了發(fā)射場零缺陷、發(fā)射成功、在軌穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)(References)

[1]李惕碚,吳枚．空間硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡[J]．物理,2008,37(9):131-139 Li Tipei,Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission[J]．Physics,2008,37(9):131-139(in Chinese)

[2]遇今,劉璟煒．宇航型號技術(shù)風(fēng)險分析與控制[J]．質(zhì)量與可靠性．2014(1):38-42 Yu Jin,Liu Jingwei．Technical risk analysis and control for spacecraft[J]．Quality and Reliability．2014(1):38-42(in Chinese)

[3]花祿森．系統(tǒng)工程與航天系統(tǒng)工程管理[M]．北京:中國宇航出版社,2007 Hua Lusen．Systems engineering and aerospace systems engineering management[M]．Beijing:China Astronautics Press,2007(in Chinese)

[4]Pan Teng,Ni Runli,Zhang Long,et al．Insingth-HXMT:China’s first X-ray astronomical satellite[J]．Aerospace China,2017,18(4):3-12

[5]劉珩,赫榮偉．航天產(chǎn)品外協(xié)管理研究[J]．質(zhì)量與可靠性,2011(4):38-42 Liu Heng,Hao Rongwei．Study on outsourced management for spacecraft[J]．Qualityand Reliability,2011(4):38-42(in Chinese)

[6]袁家軍．航天工程精細(xì)化質(zhì)量管理[J]．中國工程科學(xué),2011,13(8):36-42 Yuan Jiajun．Meticulous quality management in aerospace project[J]．Engineering Science,2011,13(8):36-42(in Chinese)