李炳蔚,牛智玲,張子駿,余慕春,丁晨
(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076)
“環(huán)境適應(yīng)性”與“可靠性、安全性、測(cè)試性、維修性、保障性”等并列,是一項(xiàng)重要的裝備通用質(zhì)量特性。裝備的環(huán)境適應(yīng)性水平,是決定了裝備在實(shí)戰(zhàn)條件下是否強(qiáng)壯的“先天基因”,一定程度直接決定了裝備能否在戰(zhàn)場(chǎng)中發(fā)揮應(yīng)有的戰(zhàn)斗力,相關(guān)技術(shù)受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界越來(lái)越多的關(guān)注。
裝備環(huán)境適應(yīng)性是設(shè)計(jì)出來(lái)的,也是管理出來(lái)的,是通過(guò)系統(tǒng)嚴(yán)格的試驗(yàn)鑒定出來(lái)的。目前,裝備環(huán)境適應(yīng)性工作主要遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)施和管控[1-4]。然而,在實(shí)際的工程實(shí)踐中,環(huán)境適應(yīng)性工作往往處于“開(kāi)環(huán)”狀態(tài),過(guò)程的閉環(huán)管控和工作成效有待提升[5-10]。近年來(lái),多位學(xué)者在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了思考,結(jié)合具體產(chǎn)品的工程實(shí)踐,提出了適用于裝備研制的、細(xì)化的環(huán)境適應(yīng)性工作流程[11-16],但是目前還缺乏對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性管控的系統(tǒng)性研究。為此,提出了一種環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控方法,為裝備環(huán)境適應(yīng)性工作的有效開(kāi)展提供方法支撐。
裝備環(huán)境工程面向復(fù)雜的裝備系統(tǒng),并且涵蓋項(xiàng)目管理、工程技術(shù)的大量學(xué)科,遵循系統(tǒng)工程的科學(xué)方法。系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法,是一種對(duì)所有系統(tǒng)都具有普遍意義的方法[17]。系統(tǒng)工程方法得到錢學(xué)森先生等學(xué)者的大力推動(dòng),在我國(guó)航空航天等國(guó)家重大工程的研發(fā)中發(fā)揮了重大作用[17-19],并沿用至今,是環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控的方法基礎(chǔ)。系統(tǒng)工程的一項(xiàng)重要思想是通過(guò)“總體設(shè)計(jì)部”將用戶需求轉(zhuǎn)換為滿足要求的、優(yōu)化的總體方案,然后將總體方案分解為若干系統(tǒng)的技術(shù)要求,再經(jīng)由總體-系統(tǒng)-分系統(tǒng)-單機(jī)的多級(jí)配套協(xié)作,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)和集成。基于此,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)立涵蓋環(huán)境工程項(xiàng)目經(jīng)理、專家組和設(shè)計(jì)師隊(duì)伍組成的專業(yè)組織架構(gòu),以確保裝備環(huán)境工程有效落地[1-2]。GJB 4239—2001規(guī)定的裝備環(huán)境工程工作主要包括環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)價(jià)4部分工作。其中,環(huán)境工程管理工作主要內(nèi)容有制定環(huán)境工程工作計(jì)劃、環(huán)境工程工作評(píng)審、環(huán)境信息管理、對(duì)轉(zhuǎn)承制方和供應(yīng)方的監(jiān)督和控制等內(nèi)容,見(jiàn)表1。
表1 裝備環(huán)境工程工作項(xiàng)目Tab.1 Working items of closed-loop control of equipment environmental adaptability
文中在現(xiàn)有環(huán)境工程工作標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上,結(jié)合航天工程中的具體實(shí)踐,提出了環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控工作體系,如圖1所示。該工作體系由環(huán)境適應(yīng)性總體抓總牽頭,牽引各系統(tǒng)、單機(jī)單位開(kāi)展武器裝備的環(huán)境工程管理工作的落實(shí),開(kāi)展的主要工作包括基于流程前置的環(huán)境工程工作計(jì)劃、面向流程閉環(huán)的環(huán)境適應(yīng)性工作過(guò)程控制,以及全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性信息管理等內(nèi)容。
圖1 環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控工作體系Fig.1 Closed loop control system of environmental adaptability
設(shè)立專門的環(huán)境適應(yīng)性總體的崗位或角色,是從系統(tǒng)工程實(shí)施的角度,可以更好地對(duì)環(huán)境工程工作進(jìn)行抓總,推進(jìn)各項(xiàng)工作的實(shí)施和落地??梢栽诳傮w設(shè)計(jì)部設(shè)立環(huán)境適應(yīng)性總體崗位,作為六性專業(yè)之一。環(huán)境適應(yīng)性專業(yè)可以作為實(shí)施環(huán)境工程的主體,對(duì)裝備系統(tǒng)環(huán)境工程管理和共性技術(shù)工作負(fù)責(zé),通過(guò)運(yùn)用各種管理和技術(shù)手段,提高武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性。環(huán)境適應(yīng)性專業(yè)是環(huán)境和產(chǎn)品的紐帶,開(kāi)展環(huán)境工程管理工作頂層的策劃、分解、監(jiān)督、管控和評(píng)價(jià),提出并開(kāi)展共性基礎(chǔ)課題研究,負(fù)責(zé)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定,研發(fā)并應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性工作平臺(tái),確保裝備環(huán)境適應(yīng)性的先天品質(zhì)優(yōu)良。筆者單位作為裝備的總體設(shè)計(jì)部,設(shè)立了六性工程研究室,下設(shè)環(huán)境適應(yīng)性總體設(shè)計(jì)工程組,設(shè)置環(huán)境適應(yīng)性總體崗位,對(duì)環(huán)境工程工作抓總。通過(guò)3年的運(yùn)行,不但牽頭圓滿完成了多個(gè)型號(hào)的環(huán)境工程管理工作,而且建立了環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)體系,攻克了多項(xiàng)環(huán)境適應(yīng)性共性技術(shù),開(kāi)發(fā)了環(huán)境適應(yīng)性信息化工作平臺(tái),形成制定了完善的環(huán)境適應(yīng)性工作體系,運(yùn)行的整體效果良好,提升了環(huán)境工程工作的效率,對(duì)于確保裝備飛行試驗(yàn)成功、提升裝備環(huán)境適應(yīng)性水平提供了重要支撐,可以作為其他單位開(kāi)展環(huán)境工程工作的參考。
文中提出的裝備環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控工作涵蓋表1中列出的所有傳統(tǒng)工作項(xiàng)目,并且在此基礎(chǔ)上,主要針對(duì)目前存在的環(huán)境適應(yīng)性工作“開(kāi)環(huán)”、效果不明顯等突出問(wèn)題,提出了一套閉環(huán)管控方法。該方法從系統(tǒng)到單機(jī)縱向貫通,通過(guò)全流程閉環(huán)管控,提高裝備的環(huán)境適應(yīng)性。通過(guò)多年工程實(shí)踐表明,該方法可以有效避免方案反復(fù),提升環(huán)境適應(yīng)性工作效率和工作效果。
在型號(hào)研制的初期,需要制定環(huán)境工程工作計(jì)劃,明確環(huán)境適應(yīng)性要求、環(huán)境工程工作組織機(jī)構(gòu)及其職責(zé),規(guī)定型號(hào)各階段的環(huán)境工程工作具體項(xiàng)目及計(jì)劃安排。環(huán)境工程工作計(jì)劃一般以環(huán)境適應(yīng)性大綱、環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃等綱領(lǐng)性文件的形式下發(fā)各個(gè)級(jí)次研制單位,并納入到型號(hào)質(zhì)量工作中,從頂層對(duì)環(huán)境工程工作進(jìn)行指導(dǎo)和約束。
為確保環(huán)境適應(yīng)性工作效果,應(yīng)盡可能在工作中把環(huán)境適應(yīng)性工作前置。傳統(tǒng)的研制模式是在論證和方案階段先進(jìn)行環(huán)境設(shè)計(jì)、研制,然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證后再修改,整個(gè)過(guò)程是一個(gè)“試錯(cuò)式”的過(guò)程,可能會(huì)造成方案的反復(fù),并且會(huì)導(dǎo)致較高的研制經(jīng)費(fèi)和較長(zhǎng)的研制周期,影響裝備的環(huán)境適應(yīng)性水平的提升。為了將工作重心轉(zhuǎn)移到方案設(shè)計(jì)階段,在研制階段重點(diǎn)考核產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)。通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性工作的前置,在方案設(shè)計(jì)階段就要運(yùn)用有限元仿真等先進(jìn)的手段開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性分析、評(píng)價(jià)等相關(guān)工作,使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析融為一體,邊設(shè)計(jì)、邊改進(jìn),符合要求后再出圖生產(chǎn),極大地避免了后續(xù)的方案反復(fù),大大提高了研制效率。六性工作審查在方案設(shè)計(jì)階段啟動(dòng),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性條件理解不一致、設(shè)計(jì)不合理、環(huán)境不適應(yīng)等問(wèn)題。通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)糾錯(cuò)等方式,使環(huán)境適應(yīng)性工作切實(shí)在設(shè)計(jì)中起到作用,把環(huán)境適應(yīng)性要求落實(shí)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。
環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃應(yīng)突出重點(diǎn)和特點(diǎn)。制定環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃,做到要素全面:規(guī)定裝備各階段環(huán)境適應(yīng)性工作總要求,涵蓋環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、環(huán)境試驗(yàn)及評(píng)價(jià)等內(nèi)容。在進(jìn)行工作項(xiàng)目的細(xì)化策劃時(shí),應(yīng)該有“精準(zhǔn)思維”,應(yīng)根據(jù)型號(hào)的特點(diǎn),對(duì)環(huán)境適應(yīng)性工作進(jìn)行細(xì)化和合理剪裁。一方面,開(kāi)展的環(huán)境適應(yīng)性工作要有型號(hào)特點(diǎn),有針對(duì)性地開(kāi)展型號(hào)環(huán)境適應(yīng)性工作;另一方面,合理剪裁環(huán)境適應(yīng)性工作,把與型號(hào)、階段相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性工作作為重點(diǎn)工作,在進(jìn)行工作計(jì)劃和策劃的制定時(shí),加以重點(diǎn)考慮。通過(guò)精準(zhǔn)的工作策劃,可以確保每項(xiàng)工作都能夠深入地開(kāi)展,確保環(huán)境適應(yīng)性工作的有效落地。
制定環(huán)境試驗(yàn)條件,做到條件合理:要系統(tǒng)分析全壽命周期環(huán)境剖面,規(guī)定裝備全壽命周期遇到的環(huán)境及量值,供各系統(tǒng)開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),環(huán)境試驗(yàn)條件應(yīng)做到項(xiàng)目覆蓋、量級(jí)合理、制定方法正確、滿足現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)。
除此之外,為了確保環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃落地,應(yīng)針對(duì)相關(guān)頂層要求制定解釋和指導(dǎo)性文件,在方案和研制初期下發(fā),并開(kāi)展培訓(xùn),具體一般應(yīng)包括以下內(nèi)容。
1)給出環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(包括定量、定性兩類),其中定量準(zhǔn)則是根據(jù)頻率管控,給出產(chǎn)品等應(yīng)避開(kāi)的頻率或應(yīng)滿足的頻率特性范圍,定性準(zhǔn)則是通過(guò)梳理歷史上天地試驗(yàn)環(huán)境類故障,給出針對(duì)性的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)要求。如包含固態(tài)繼電器、恒溫晶振、脆性陶瓷材料、玻璃器件、陶瓷封裝集成電路、薄膜電阻、微波功放模塊等對(duì)沖擊敏感的部件,必須100%開(kāi)展沖擊環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì),并采取安裝減振墊等抗沖擊防護(hù)措施。
2)環(huán)境試驗(yàn)剪裁指南:為了防止分系統(tǒng)、單機(jī)實(shí)施環(huán)境試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)條件理解錯(cuò)誤、邊界條件不當(dāng)、試驗(yàn)方向不正確等問(wèn)題,制作環(huán)境試驗(yàn)條件的剪裁指南,對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行明確規(guī)定,確保環(huán)境試驗(yàn)有效。
3)例行試驗(yàn)序貫原則:給出例行試驗(yàn)的序貫原則,給出推薦的例行試驗(yàn)順序。
4)環(huán)境試驗(yàn)管理要求:規(guī)定環(huán)境試驗(yàn)文件會(huì)簽、數(shù)據(jù)管理要求,包括總體大型地面試驗(yàn)、分系統(tǒng)重要單機(jī)環(huán)境試驗(yàn)等。
5)環(huán)境試驗(yàn)方法:給出隨機(jī)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)、運(yùn)輸試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)等試驗(yàn)的方法、流程和注意事項(xiàng)。
6)環(huán)境適應(yīng)性仿真方法:給出環(huán)境適應(yīng)性仿真的方法,如邊界條件設(shè)定原則、分析方法、網(wǎng)格劃分要求、阻尼系數(shù)確定方法等。
7)環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃:給出各個(gè)階段實(shí)施的環(huán)境適應(yīng)性的具體工作項(xiàng)目、工作要求、責(zé)任單位、輸入輸出文件、時(shí)間節(jié)點(diǎn)等。
環(huán)境適應(yīng)性工作要求提出后,需要進(jìn)行一系列的過(guò)程控制來(lái)確保工作的閉環(huán)。閉環(huán)管控工作強(qiáng)調(diào)要求提出后的工作監(jiān)督和審查,以工作綜合審查的形式對(duì)分系統(tǒng)、承制方的工作效果進(jìn)行及時(shí)管控,在方案設(shè)計(jì)評(píng)審、轉(zhuǎn)段等時(shí)機(jī)對(duì)六性工作開(kāi)展情況進(jìn)行把控,對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題及時(shí)糾正。通過(guò)環(huán)境適應(yīng)性工作的培訓(xùn),面對(duì)面交流、手把手輔導(dǎo)等方式,確保工作的真正閉環(huán)。
開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性過(guò)程控制,具體實(shí)施途徑如下:
1)開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)文件會(huì)簽,總體對(duì)分系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃、重要設(shè)備的試驗(yàn)大綱進(jìn)行會(huì)簽。
2)開(kāi)展環(huán)境適應(yīng)性評(píng)審工作,加強(qiáng)對(duì)外協(xié)單位的把控,專家組對(duì)總體的大型地面試驗(yàn)策劃、環(huán)境試驗(yàn)條件進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)審,總體對(duì)分系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性工作計(jì)劃、重要設(shè)備的試驗(yàn)大綱、環(huán)境適應(yīng)性分析進(jìn)行評(píng)審,可以結(jié)合方案設(shè)計(jì)評(píng)審、轉(zhuǎn)段評(píng)審、試驗(yàn)大綱評(píng)審等進(jìn)行。
3)開(kāi)展對(duì)轉(zhuǎn)承制方和供應(yīng)方的監(jiān)督和控制。一方面,要開(kāi)展全級(jí)次供應(yīng)商的合格供方認(rèn)證管理;另一方面,需要在產(chǎn)品研制過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)承制方和供應(yīng)方的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝等進(jìn)行全方位、全流程的監(jiān)督和控制。
4)制定環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)要求,并根據(jù)要求對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià),一般結(jié)合出廠驗(yàn)收和評(píng)審進(jìn)行。在進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)時(shí),可以采用基于時(shí)序的環(huán)境適應(yīng)性分析方法[20]。
按照環(huán)境適應(yīng)性信息搜集要求,對(duì)關(guān)鍵設(shè)備、部件的全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,形成數(shù)據(jù)庫(kù),并隨著環(huán)境適應(yīng)性工作的開(kāi)展逐漸完善,通過(guò)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性信息的管理、分析和應(yīng)用,為環(huán)境適應(yīng)性分析和后續(xù)其他裝備的研制工作提供支撐。
開(kāi)展全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性信息管理,主要涵蓋以下內(nèi)容。
1)實(shí)施環(huán)境適應(yīng)性信息管理:發(fā)布環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)信息收集要求,匯總、分析環(huán)境適應(yīng)性信息,包括產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)變化歷史、試驗(yàn)方案、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)結(jié)果、故障信息;產(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡(luò),為定型鑒定、貯存延壽等提供支撐;借用產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性分析提供依據(jù)。
2)環(huán)境適應(yīng)性信息平臺(tái):應(yīng)建立相關(guān)信息的平臺(tái),對(duì)裝備環(huán)境信息進(jìn)行統(tǒng)一的管理。
3)自然環(huán)境信息:根據(jù)使用環(huán)境要求、GJB 1172—1991等,確定裝備系統(tǒng)承受的高低溫、濕度、鹽霧、霉菌、砂塵、太陽(yáng)輻射等自然環(huán)境條件,納入到環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4)誘發(fā)環(huán)境信息:根據(jù)壽命剖面分析,開(kāi)展裝備產(chǎn)品經(jīng)歷的力、熱、電磁等誘發(fā)環(huán)境信息分析和收集,納入到誘發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)中。
5)技術(shù)狀態(tài):產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)基線和變化歷史,產(chǎn)品借用情況。
6)環(huán)境履歷:產(chǎn)品經(jīng)歷過(guò)的力、熱、自然、電磁環(huán)境試驗(yàn)的項(xiàng)目及條件,包括借用型號(hào)的環(huán)境試驗(yàn)。
7)頻率特性:系統(tǒng)、部件、產(chǎn)品的固有頻率特性。
8)力學(xué)特性:產(chǎn)品的關(guān)鍵部件相對(duì)于設(shè)備安裝處的振動(dòng)、沖擊傳遞特性,以及力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性(力學(xué)環(huán)境耐受極限信息)。
9)熱特性:產(chǎn)品冷熱透時(shí)間、熱容、工作時(shí)發(fā)熱功率、主要材料的熱導(dǎo)率。
10)電磁特性:產(chǎn)品的電磁兼容特性。
11)自然環(huán)境特性:產(chǎn)品采取的防護(hù)手段等。
12)歷史故障:產(chǎn)品或類似產(chǎn)品在研制、總裝、服役期間發(fā)生過(guò)的全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題的相關(guān)信息。由于裝備產(chǎn)品種類多樣,并且可能經(jīng)歷的環(huán)境涵蓋力、熱、電磁、自然和空間環(huán)境,所以進(jìn)行裝備環(huán)境適應(yīng)性仿真的難度很大。因此在開(kāi)展這項(xiàng)工作時(shí),應(yīng)該從小處著眼,逐漸積累環(huán)境預(yù)示、產(chǎn)品建模、多物理場(chǎng)仿真的方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù),以提升工作效果[21-24]。此外,如確有必要且條件具備,可以開(kāi)展實(shí)體樣機(jī)環(huán)境試驗(yàn)或者原理性試驗(yàn),對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性仿真模型進(jìn)行校驗(yàn)。
采用文中提出的環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控方法,對(duì)于電子設(shè)備力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性工作在多個(gè)裝備研制過(guò)程中進(jìn)行了工程實(shí)踐,結(jié)果表明:
1)提出的環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控方法是可行的,各項(xiàng)工作可以在裝備環(huán)境適應(yīng)性工作中順利開(kāi)展。
2)環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題早在方案設(shè)計(jì)階段即得到了有效解決,有效避免了在工程研制階段常見(jiàn)的設(shè)備安裝支架振動(dòng)響應(yīng)放大嚴(yán)重、設(shè)備與安裝支架頻率耦合、設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)“過(guò)試驗(yàn)”或者“欠試驗(yàn)”,使環(huán)境適應(yīng)性工作變被動(dòng)為主動(dòng),在提高裝備研制效率的同時(shí),提升了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。
環(huán)境適應(yīng)性工作是裝備研制永恒的話題,也是批產(chǎn)交付后最影響用戶體驗(yàn)的重要問(wèn)題之一。文中結(jié)合工程實(shí)踐,提出了一種裝備全流程、全要素環(huán)境適應(yīng)性閉環(huán)管控方法,可以提高裝備環(huán)境適應(yīng)性和研制效率,對(duì)于提升裝備實(shí)戰(zhàn)化水平具有重要意義,對(duì)于運(yùn)載火箭、航天器、工業(yè)設(shè)備等其他類型產(chǎn)品的研發(fā)也有一定的借鑒意義。
后續(xù)還需要進(jìn)一步開(kāi)展如下工作:繼續(xù)在裝備環(huán)境工程中持續(xù)完善閉環(huán)管控方法;繼續(xù)探索典型產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性建模仿真方法,持續(xù)完善環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)庫(kù),這是目前比較欠缺的,也是提升裝備環(huán)境適應(yīng)性水平的關(guān)鍵。