張 瑾，李萬(wàn)紅，賀天鵬，嚴(yán)秀俠，朱小波

（1. 西安航天化學(xué)動(dòng)力有限公司, 西安，710025；2. 航天動(dòng)力技術(shù)研究院，西安，710025）

0 引 言

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)是逃逸系統(tǒng)的重要組成部分，逃逸系統(tǒng)是當(dāng)運(yùn)載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險(xiǎn)，威脅航天員的生命安全時(shí)，負(fù)責(zé)使航天員脫離危險(xiǎn)區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要的條件。航天動(dòng)力技術(shù)研究院為逃逸系統(tǒng)提供4種發(fā)動(dòng)機(jī)，其中逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)、分離發(fā)動(dòng)機(jī)及控制發(fā)動(dòng)機(jī)組成頭部動(dòng)力裝置。

逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性和安全性一直是關(guān)注的重點(diǎn)。逃逸主發(fā)動(dòng)機(jī)、分離發(fā)動(dòng)機(jī)、控制發(fā)動(dòng)機(jī)、高空逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠度要求分別為：0.999、0.9999、0.9995、0.9995。發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程的可靠性是設(shè)計(jì)固有可靠性的保證，要保證每一臺(tái)產(chǎn)品有高的可靠性就要求生產(chǎn)過(guò)程每一個(gè)工藝環(huán)節(jié)的質(zhì)量都滿足要求。固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，絕熱殼體成型手工操作多，襯層成型過(guò)程不可檢不可測(cè)，復(fù)合固體推進(jìn)劑的性能易受原材料的批次性、生產(chǎn)環(huán)境溫濕度及工藝過(guò)程等因素的影響。目前，中國(guó)空間站迎來(lái)高密度發(fā)射期，逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)要大批量裝藥生產(chǎn)，才能滿足高密度發(fā)射的需求。應(yīng)對(duì)高密度發(fā)射帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，保證每一次逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行，這就需要在生產(chǎn)組織模式上創(chuàng)新，管理方式上適應(yīng)批生產(chǎn)要求，運(yùn)用先進(jìn)技術(shù)強(qiáng)化質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)防控體系。

1 批量生產(chǎn)質(zhì)量一致性需解決的問(wèn)題

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)要求快速啟動(dòng)、大推力，因此在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，采取了多項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，其中，為使推進(jìn)劑燃燒速度快，燃燒時(shí)間短以提供大推力，采用了薄肉厚、大燃面的裝藥設(shè)計(jì)。推進(jìn)劑采用高燃速、低鋁配方，為保證推進(jìn)劑有良好的力學(xué)性能及工藝性能，采用IPDI固化體系；小直徑薄肉厚燃燒室采用插管澆注有一定的困難，最終采用插芯澆注工藝。研制階段，常見(jiàn)的缺陷主要有如下幾個(gè)方面：

a）氣孔：燃燒室為薄肉厚、大燃面藥型設(shè)計(jì)，采用插芯工藝。插芯過(guò)程的速度過(guò)快或操作過(guò)程引起芯模的轉(zhuǎn)動(dòng)，都會(huì)導(dǎo)致藥面出現(xiàn)缺陷，從而影響燃燒室的內(nèi)彈道性能。

b）人工脫粘層鼓包：為釋放燃燒室內(nèi)應(yīng)力，燃燒室頭尾設(shè)計(jì)有人工脫粘層，在裝藥過(guò)程中，人工脫粘層中夾縫中氣體通道不暢通，在真空澆注時(shí)，殼體內(nèi)腔和人工脫粘層之間的壓差會(huì)導(dǎo)致人工脫粘層鼓包，影響藥型結(jié)構(gòu)；此外，在裝藥過(guò)程中，若人工脫粘層鼓起與芯模接觸，還會(huì)造成裝藥界面的脫粘。

c）絕熱層/襯層/推進(jìn)劑界面發(fā)軟、脫粘：逃逸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)采用以IPDI為固化劑的丁羥高燃速推進(jìn)劑。由于體系細(xì)氧化劑含量高，對(duì)空氣濕含量非常敏感，且IPDI固化體系的后固化特點(diǎn)，其反應(yīng)速度慢，在界面處的遷移機(jī)會(huì)加大，容易造成界面發(fā)軟，影響產(chǎn)品性能。

d）燃速超差：高燃速推進(jìn)劑配方中添加了高比例的燃速催化劑，并使用大量的細(xì)粒度氧化劑，燃速極易受細(xì)氧化劑粒度波動(dòng)而出現(xiàn)較大的偏差。

上述缺陷直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的最終質(zhì)量，而逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥為單次、單臺(tái)生產(chǎn)模式，保證質(zhì)量一致性，就要從減少工藝波動(dòng)入手，消除原材料批次差異性，固化工藝過(guò)程，標(biāo)準(zhǔn)化操作，精細(xì)化管理。

2 批量生產(chǎn)裝藥質(zhì)量控制

人、機(jī)、料、法、環(huán)是影響質(zhì)量一致性的重要因素，對(duì)于批量產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，就需要從這5個(gè)方面入手，生產(chǎn)前確定人員資質(zhì)，明確設(shè)備、工裝、原材料批號(hào)，確定生產(chǎn)工藝參數(shù)及環(huán)境要求，并在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和管理。

2.1 人員素質(zhì)要求

固體發(fā)動(dòng)機(jī)是由點(diǎn)火裝置、燃燒室、噴管及其他零部件組成，其中燃燒室由殼體、絕熱層、襯層、推進(jìn)劑組成，任何一部分的失效都會(huì)造成整體失敗。人是計(jì)劃實(shí)施中最重要的因素，逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)前，對(duì)工作人員，包括計(jì)劃調(diào)度、工藝人員、操作工人、檢驗(yàn)人員進(jìn)行專門培訓(xùn)、考核，培訓(xùn)內(nèi)容包括歷次生產(chǎn)的工藝質(zhì)量問(wèn)題及措施、生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)的措施以及工藝規(guī)程。要求操作人員考核合格后才能上崗工作。同時(shí)，生產(chǎn)上采用項(xiàng)目組制度、專人專線生產(chǎn)模式。即，由計(jì)劃、工藝及質(zhì)量組成的項(xiàng)目組負(fù)責(zé)產(chǎn)品制造過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)、問(wèn)題處理；由具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的操作人員帶班，負(fù)責(zé)特定型號(hào)特定工序的生產(chǎn)。

人員素質(zhì)的重要因素之一是工作態(tài)度，在生產(chǎn)前召開(kāi)生產(chǎn)啟動(dòng)會(huì)，明確了產(chǎn)品重要性，任務(wù)的重要意義，強(qiáng)化人員的責(zé)任感。絕熱生產(chǎn)過(guò)程采用等級(jí)評(píng)價(jià)制度，對(duì)每發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)級(jí)，并按評(píng)星等級(jí)對(duì)操作人員進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，調(diào)動(dòng)人員的積極性，質(zhì)量控制與激勵(lì)政策并行?？臻g站任務(wù)絕熱產(chǎn)品“四星”率達(dá)80%以上。

2.2 設(shè)備、工裝的檢定維護(hù)

固體發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程很多尺寸需要模具保證，工裝模具的精度和維護(hù)保養(yǎng)狀況對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，例如殼體機(jī)口部位絕熱層的接口尺寸需要絕熱固化工裝保證，藥型結(jié)構(gòu)需要芯模保證。因此，在生產(chǎn)前需要對(duì)涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的絕熱固化工裝尺寸復(fù)驗(yàn)，對(duì)影響產(chǎn)品絕熱質(zhì)量的氣囊嚴(yán)格執(zhí)行入廠測(cè)量、壓力檢測(cè)，嚴(yán)格控制使用次數(shù)；檢查模具表觀質(zhì)量，并對(duì)與推進(jìn)劑直接接觸的工裝表面重新燒結(jié)聚四氟乙烯層，以使藥面平整光滑。

對(duì)關(guān)鍵工序設(shè)備、儀器儀表進(jìn)行鑒定，對(duì)測(cè)試設(shè)備重新鑒定、校準(zhǔn)，確保使用正常，在有效期內(nèi)。

2.3 原材料的批次性管理

固體發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥生產(chǎn)主要包括絕熱、襯層成型及推進(jìn)劑裝藥三大工序，其質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的成敗。生產(chǎn)過(guò)程涉及的直接和間接非金屬原材料29種。準(zhǔn)確合理的選材是保證逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量的前提，在生產(chǎn)前，根據(jù)以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)包的積累，對(duì)29種原材料使用的合格供方、原材料性能指標(biāo)及產(chǎn)品性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以神舟十一號(hào)為基線，確定了空間站任務(wù)用原材料的供方、批次，使批量生產(chǎn)的原材料均在合格包絡(luò)內(nèi)。針對(duì)小批量原材料進(jìn)行組批，以保證批量產(chǎn)品用原材料的質(zhì)量一致性。

生產(chǎn)前對(duì)原材料進(jìn)行再次復(fù)驗(yàn)，生產(chǎn)時(shí)原材料專區(qū)存放，指定型號(hào)專用，即該批次原材料僅用于逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥。嚴(yán)格各型號(hào)用原材料的發(fā)放管理，準(zhǔn)確記錄使用原材料的批次及用量，保證了原材料的可追溯性

2.4 生產(chǎn)環(huán)境的控制

燃燒室裝藥受環(huán)境的濕含量影響較大，絕熱粘貼過(guò)程，水分會(huì)導(dǎo)致界面脫粘，推進(jìn)劑和襯層固化體系對(duì)水分都非常敏感，不僅會(huì)降低性能，嚴(yán)重時(shí)造成產(chǎn)品報(bào)廢。因此需嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程的環(huán)境絕對(duì)濕含量。利用溫濕度監(jiān)控設(shè)備、除濕機(jī)、空調(diào)等裝置控制濕度，采用原材料預(yù)烘，使用前測(cè)試水分含量等措施降低水分的影響。

2.5 生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量控制

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的裝藥、總裝生產(chǎn)過(guò)程是一個(gè)多工序串聯(lián)的過(guò)程，主要由殼體絕熱工序、襯層成型工序、燃燒室裝藥工序及發(fā)動(dòng)機(jī)總裝工序組成。各個(gè)工序中又分為多個(gè)子工序，如圖1所示。

圖1 逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥總裝流程示意Fig.1 Schematic Diagram of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

2.5.1 工藝準(zhǔn)備

逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)空間站任務(wù)啟動(dòng)后，工藝部門針對(duì)設(shè)計(jì)文件的狀態(tài)進(jìn)行全面梳理，細(xì)化落實(shí)文件的要求，并結(jié)合目前生產(chǎn)技術(shù)的特點(diǎn)，編制了空間站任務(wù)的工藝文件，針對(duì)特種工藝，進(jìn)行了識(shí)別和確認(rèn)，編制了專用的技術(shù)文件和質(zhì)量控制程序。并在關(guān)鍵工序首頁(yè)標(biāo)識(shí)，并統(tǒng)計(jì)關(guān)鍵工序、特殊過(guò)程的參數(shù)包絡(luò)線，對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)設(shè)置停止點(diǎn)，監(jiān)督檢查。

2.5.2 工藝過(guò)程的PFMEA分析

根據(jù)Q/QJA 66-2010《航天產(chǎn)品工藝風(fēng)險(xiǎn)分析》對(duì)逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥總裝過(guò)程開(kāi)展PFMEA分析，從殼體絕熱、襯層成型到推進(jìn)劑的裝藥、總裝，涉及生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，梳理風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目41項(xiàng)，并從風(fēng)險(xiǎn)的嚴(yán)重度（見(jiàn)表1）、發(fā)生度（見(jiàn)表2）、檢出度分析（見(jiàn)表3）、評(píng)價(jià)，并制定措施，F(xiàn)MEA分析樣表見(jiàn)表4。

表1 Severity(PFMEA)嚴(yán)重度Tab.1 Severity(PFEMA)

表2 Occurrence（PFMEA）發(fā)生度Tab.2 Occurrence (PFMEA)

表3 Detection（PFMEA）檢出度Tab.3 Detection(PFMEA)

表4 逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥總裝工藝PFMEA分析表Tab.4 PFMEA Analysis of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析識(shí)別的結(jié)果，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)字大于40的項(xiàng)目，制定量化的工藝參數(shù)，確定9項(xiàng)為工藝關(guān)鍵特性，形成了工藝關(guān)鍵特性匯總表，并將措施納入工藝文件中，嚴(yán)格控制。

2.5.3 過(guò)程的監(jiān)控及結(jié)果的測(cè)試

固體發(fā)動(dòng)機(jī)裝藥生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，為了保證最終產(chǎn)品具有高的可靠性和性能重現(xiàn)性，必須對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程嚴(yán)格、有效的控制，對(duì)結(jié)果有可靠的測(cè)試手段。

a）生產(chǎn)過(guò)程的停止點(diǎn)檢查。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程很多工序都是不可逆的，因此，過(guò)程的質(zhì)量控制直接決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量和性能的一致性。絕熱殼體的脫粘、襯層/推進(jìn)劑的界面脫粘以及燃燒室氣孔都是影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。在生產(chǎn)中確定了絕熱殼體固化前的一界面超聲波探傷及絕熱層厚度測(cè)量，避免了固化后一界面脫粘再進(jìn)行二次固化修補(bǔ)。在絕熱殼體噴涂襯層前設(shè)置了絕熱殼體質(zhì)量確認(rèn)的強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)，確定絕熱殼體狀態(tài)復(fù)合設(shè)計(jì)要求；在燃燒室裝藥后設(shè)置了燃燒室評(píng)審的強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)。強(qiáng)制檢驗(yàn)點(diǎn)的檢查確認(rèn)由設(shè)計(jì)、工藝、質(zhì)量、操作人員參與，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量控制的有效性。

b）產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)。

工序中產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)也是一項(xiàng)非常重要的工作，發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)程檢測(cè)主要包括隨爐試件的性能檢測(cè)、絕熱殼體厚度測(cè)量、一界面的超聲波檢測(cè)，燃燒室的CT探傷、發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸測(cè)量、整機(jī)測(cè)試以及氣密檢測(cè)等。對(duì)工序測(cè)試結(jié)果的分析、判定為保障產(chǎn)品質(zhì)量一致性奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.5.4 工藝參數(shù)及性能數(shù)據(jù)的包絡(luò)分析

固體發(fā)動(dòng)機(jī)襯層和推進(jìn)劑的性能是重要的指標(biāo)，影響著發(fā)動(dòng)機(jī)藥柱的結(jié)構(gòu)完整性及內(nèi)彈道性能。由于襯層、推進(jìn)劑的固化是化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，受原材料批次、生產(chǎn)環(huán)境條件的影響，每一次生產(chǎn)都需要適時(shí)調(diào)節(jié)固化參數(shù)和燃速參數(shù)。為保證批生產(chǎn)質(zhì)量的一致性，原材料選取同批次原材料，并進(jìn)行多輪次的25L配方調(diào)試，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取恰當(dāng)?shù)墓袒瘏?shù)和燃速參數(shù)。

生產(chǎn)中注重工藝參數(shù)和性能數(shù)據(jù)的包絡(luò)分析。統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)中的工藝參數(shù)60項(xiàng)，結(jié)合性能數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)合格/超包絡(luò)分析，力求產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

3 結(jié)束語(yǔ)

產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的，是產(chǎn)品固有的可靠性，批量生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量一致性是管理出來(lái)的，也是每一個(gè)從事載人航天工程的技術(shù)人員、管理人員、操作人員高度責(zé)任心的結(jié)晶。扎實(shí)做好生產(chǎn)前的準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)過(guò)程的監(jiān)督，落實(shí)結(jié)果的分析確認(rèn)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都是質(zhì)量一致性的可靠保障。