航天发射场地面设施设备可靠性工作研究

苏永芝, 陈景鹏

(1.装备学院昌平士官学校,北京102249; 2.装备学院航天装备系,北京101416)

航天发射场地面设施设备可靠性工作研究

苏永芝1, 陈景鹏2

(1.装备学院昌平士官学校,北京102249; 2.装备学院航天装备系,北京101416)

航天发射场地面设施设备的高可靠性对于保障航天任务的测试发射具有重要意义。分析了航天发射场地面设施设备可靠性工作的现状,探讨了可靠性工作中的主要问题,从可靠性管理体系、可靠性设计、快速检测维修、可靠性数据积累、可靠性关键技术等5个方面对开展可靠性工作提出了建议。对促进发射场可靠性工作的组织和开展,推动地面设施设备可靠性水平的提高具有积极作用。

航天发射场;设施设备;可靠性

航天发射场地面设施设备,通常是指各类技术厂房、发射勤务塔、导流槽等设施以及与之配套的非标准设备、加注供气、采暖空调、供配电和接地、消防和给排水、测发指挥监控等系统的设备,是完成航天发射试验任务的重要技术支持与保障[1]。航天发射场地面设施设备具有性能复杂、生产投入大和可靠性要求高等特点,其状态的好坏关系到航天发射的成败。随着我国航天发射活动越来越密集,试验任务交叉并行情况普遍,发射场地面设施设备任务状态变化大、技术状态转换快,检测检修时间越来越紧张,设备状态的可靠性问题越来越突出。在这种情况下,需要确保设施设备连续可靠稳定地运行,实现设施设备的快速恢复、快速检修,保障高密度航天发射条件下设施设备的任务可用性,确保不因设施设备故障耽搁任务进度,不因设施设备失效引起安全问题。因此有必要对航天发射场地面设施设备可靠性工作现状、存在问题和改进措施进行全面深入分析和系统科学的研究。

1 工作现状

近年来,各航天发射场开展了一系列可靠性工作,逐步形成了比较成熟和稳定的模式和方法,积累了成功的经验。我国已经完成100余次航天发射活动,尚未发生因地面设施设备的可靠性问题影响发射任务的事例,这是我国航天发射场高可靠性、安全性和保障性的集中体现。

1.1 高度重视可靠性工作

各级领导和技术人员高度重视可靠性工作,目前可靠性的理念已经比较普及,全员具备了可靠性的工作意识。在总结以往经验的基础上, 2009年底前各航天发射场质量管理体系初步建立,可靠性相关制度规范不断优化完善,初步实现了发射场地面设施设备的科学管理。

1.2 初步应用可靠性设计理念

航天发射场地面设施设备的设计过程,已经从满足功能使用为主导逐步向有意识的可靠性设计转变。在海南发射场设计过程中,已经开始全面探讨可靠性设计思想[2];在现有发射场的设施设备新建和改造中,也初步应用了可靠性设计理念,针对关键设施设备开展了设计可靠性复核工作,进行了相应更新改造。

1.3 严把生产施工质量关

在大多发射场地面设施设备的制造方面,对元器件选型、施工安装质量、技术状态管理与控制等有较为严格的措施。诸如选择资质优、生产施工规范的单位;生产过程进行现场质量监督及安装、调试过程中的质量管控等。

1.4 大力加强设施设备使用过程管理

发射场已经把地面设施设备的使用和管理纳入到质量管理体系中。设施设备的使用维护均有严格的管理措施,制订了操作规程、技术安全检查制度、应急预案等试验文书,对出现的问题按“双五条标准”进行归零,确保设施设备的任务可靠性。

1.5 有计划地进行检修维护和更新改造

对地面设施设备进行检修检测是航天发射场任务准备的一项重要工作,目的在于对设施设备进行全面的检修维护和运行检查,及时发现并消除存在的故障和隐患。根据设施设备在使用过程中出现的问题,通过任务前的更新改造,减少存在的不可靠因素,降低了故障发生的概率,实现了可靠性增长。目前航天发射场地面设施设备基本上采取定期维修策略,基于状态的维修方式尚未在航天发射场得到普及应用。

1.6 积极开展可靠性分析与评估

各个航天发射场积极开展可靠性评估方法的研究与探索[3-4]。通过分析与评估,初步了解和掌握设施设备的可靠性水平,发现了不少设施设备隐患和薄弱环节,并采取相应的整改措施和控制措施,对关键设备制订了相应的预防和改进措施,降低了设备或部件发生故障的可能性,确保了任务中设施设备的可靠性和安全性[5]。

2 存在的问题

各发射场已开展的上述工作确保了地面设施设备处于较高的可靠性水平,但仍然存在一些问题。新的条件下,高密度发射给可靠性工作带来了新挑战和新需求,也使得这些问题的解决变得更为紧迫。

2.1 可靠性工作缺乏系统性

航天型号研制部门充分贯彻“可靠性是设计出来的、生产出来的、管理出来的”思想,把产品的可靠性工作作为一项系统工程[6]。与航天型号产品(运载器、航天器)相比,发射场地面设施设备可靠性工作缺乏系统性和全寿命管理,设计、生产、管理等各个环节没有形成系统的可靠性管理体系。发射场地面设施设备是一个复杂的庞大系统,表现为单台次、小批量、非标准、服役时间长、使用环境恶劣等特点,与运载器、航天器等产品差异较大。发射场地面设施设备类型多、数量大,多数是非电子类产品,其失效模式更为复杂、诱因更多、更难预测,而运载器、航天器等产品都是高度集成的工业产品,系统结构清晰完整,包含大量电子和机电单元,失效模式较为简单。同时,由于兼顾多种型号任务,发射场地面设施设备参加任务时间长,经常处于贮存与使用交替、可维修性与不可维修性并存的状态,系统可靠性工作极其复杂。以上特点导致开展系统全面的可靠性工作存在很大难度。

2.2 可靠性设计存在薄弱环节

设施设备可靠性是设计出来的,如果在设计阶段不考虑可靠性设计,到施工安装阶段之后发现问题再考虑,势必花费更多的时间和代价,有的问题甚至根本无法解决。航天发射场地面设施设备开展有意识的可靠性设计工作时间较短,设计过程还存在一定的问题。目前采取串行设计模式,各设计部门进行功能设计,完成之后再进行可靠性复核,找出薄弱环节。这种方式带来一定的专业沟通障碍,可能导致一些潜在的隐患无法发现,使设计周期过长。设计过程中对各种使用操作失误和维护保养不当带来的安全隐患考虑还不够全面。此外,航天发射场正在服役的设施设备,除部分关键设施设备或系统进行冗余、降额等可靠性设计外,还有部分设施设备没有系统地进行可靠性设计,对其日常维护、寿命评估均带来不利影响,而这些设施设备可能还要使用很长一段时间。

2.3 可靠性控制存在漏洞

在生产、制造、采购、安装、调试环节,还达不到全过程监控,可靠性控制存在漏洞。发射场地面设施设备特装多,且多为非标单台套产品,缺少产品的可靠性增长试验,产品可靠性设计缺少监督反馈;生产过程质量控制主要依靠生产厂家,厂家对生产工艺环节管理和控制的差异性决定了产品质量的差异,不可避免地存在设施设备及零部件可靠性和质量水平参差不齐、生产工艺一致性差的现象。此外,安装调试施工过程还存在较多的人为因素,影响设施设备的建设质量和日后运行。限于设施设备制造企业生产和服务的特点,发射场部分设施设备在出现问题后,难以完全按照质量问题“双五条标准”进行归零。

2.4 可靠性分析与评估结果可信度低

基础数据的不完整降低了可靠性分析与评估结果的可信性。基础数据包括寿命、修复时间等数据和说明书、原理图等文档资料。设施设备资料来源于设计单位和厂家,限于技术保密等因素,文档资料较少,发射场进行全面的设施设备可靠性分析存在较大技术难度。由于对设施设备的认识深度不够,薄弱环节的改造可能会带来其他的安全隐患。设施设备数据统计主体为机房日志和设施设备故障统计表,所能获得的数据呈阶段性和离散型特点,存在系统故障样本少、规律性不强、数据被污染等现象。目前还没有形成一个标准的统计规范,这也是导致数据不完整,可信度低的原因。此外发射场设施设备还较多存在没有故障数据和验前信息等问题,利用这些数据计算出的结果可信度不高,不能反映系统的真实可靠性水平。

2.5 可靠性关键技术尚需进一步发展

可靠性理论只有和工程实践结合起来,才具有生命力。发射场设施设备在设计、生产和使用过程都具有鲜明特色,使得可靠性理论和技术应用到发射场设施设备的设计、试验、管理、定量和定性评估中需要进一步发展完善：一方面,可靠性技术和设施设备的失效机理还没有完全结合,可靠性管理和设施设备的使用还没有完全结合;另一方面,现有的可靠性理论和技术不能很好地适用于发射场设施设备可靠性工作。

3 对我国航天发射场可靠性工作的建议

3.1 建立和完善航天发射场可靠性管理体系

可靠性工作是一项长期、系统的工程,美国、俄罗斯和欧洲等的发射场都形成了质量与可靠性管理体系,从设计、研制、生产施工到发射以至维护的各个环节,实行严格的质量控制。如欧洲的圭亚那航天中心形成了整套可靠性、安全性和质量保证措施、方法和标准,建立了确保飞行安全和工程质量的管理模式和管理体系,保证了航天发射计划的成功实施。我国航天发射场也需要参照航天型号产品可靠性工作的经验,在设计、生产、使用等各阶段全面贯彻可靠性思想,建立和完善适应航天发射场地面设施设备要求的全寿命、全系统可靠性管理体系。可靠性管理体系必须采取集中领导、全员参与的模式,杜绝可靠性管理过程的死角。

3.2 从源头抓起,深入细致地推动可靠性设计和生产工作

设计制造过程决定了设施设备的固有可靠性,必须抓好可靠性设计这个源头,培养设计人员掌握可靠性设计方法,把可靠性渗透到设施设备的设计工作中,将单纯的功能设计转变为系统工程设计;开展航天发射场地面设施设备可靠性设计要采用多种手段和方法,例如故障模式影响及危害性分析、故障树分析、可靠性增长试验、可靠性评审等可靠性技术和管理活动。加强设计、生产和试验的全过程闭环控制,把预防、发现和纠正设施设备在设计、工艺、材料、元器件和软件等方面的故障或薄弱环节作为可靠性工作的重点,及早发现和解决问题,确保设施设备固有可靠性;注重早期投入,合理配置人力、物力及财力资源,按照系统工程的思想,尽早开展可靠性、维修性、保障性设计和生产,避免后期因可靠性问题而影响任务使用。对于直接向生产厂家进行招标采购的设施设备,建立和完善航天发射场设施设备采购指南,并对采购指南进行动态管理,根据产品质量和企业信誉定期进行修订。

3.3 提高设施设备快速检测维修水平,提高任务保障能力

发射场地面设施设备存在储存、使用过程中故障未能及时发现的情况,也存在设施设备有故障征兆未能及时预测到的情况,或出现故障未能及时定位的情况,而这些情况的出现轻则导致任务推迟、影响进度,重则会导致安全事故、发射失败。因此,只有加强对设施设备的健康管理[7],准确把握设施设备的状态,才能有针对性地开展各种工作。通过检测,可以及时发现故障或预测故障;通过维修,可以确保设施设备在任务中的保障能力。只有具备很强的检测、诊断和维修能力,才能实时、正确地排除故障,确保设施设备的可用度[8]。目前,我国航天发射场地面设施设备状态的快速检测和维修能力还较弱,导致发射场的设施设备展开和恢复过程较慢,与发射场满足快速发射能力的发展需求很不匹配。因此,为保障高密度、高质量发射顺利实施,应大力加强发射场地面设施设备的快速检测和维修技术的研究,为发射场配置相应的检测和维修设备,研究故障诊断方法,建立覆盖广泛的发射场设施设备快速检测和诊断体系,全面提高发射场设施设备的快速维修能力。

3.4 注重数据积累和信息共享,解决可靠性技术应用瓶颈问题

为从根本上解决可靠性基础数据不足这一老大难问题,航天发射场应建立和运行由总体单位牵头、各个发射场和设施设备承建承制单位共同参加的质量与可靠性信息系统,按切实可行的管理办法和工作程序,及时、准确、完整、规范地采集、处理、存储和传递设施设备的质量与可靠性信息,设施设备可靠性信息系统应纳入到单位质量管理体系之中。应重视对发射场可靠性工作经验和教训的总结和交流,特别是发射场与发射场之间的信息交流。除对本单位、本系统的设施设备质量管理经验及时总结外,还应充分发挥“故障和事故信息通报”、各单位故障启示录和质量问题归零报告的作用,举一反三,避免重蹈覆辙。逐步建立和完善可靠性数据积累的长效机制,解决可靠性评估信息不足的问题。

3.5 紧密结合航天发射场设施设备现状,加强可靠性关键技术的研究

发射场地面设施设备具有批量小、非标准、可修复、长停短用、使用环境特殊等特点,导致可靠性技术难于贯穿设计、生产和使用过程。必须紧紧围绕发射场设施设备可靠性工作的迫切需求,针对发射场设施设备的现状和特点,深入研究可靠性理论的工程应用技术[9-10],形成发射场系统的可靠性指标体系、可靠性设计分析规范、设施设备的维修决策技术、可靠性试验技术、可靠性评价技术等;针对发射场的设施设备特色,进一步发展相关的可靠性理论、技术,特别是适用于发射场设施设备可靠性工作需求的可靠性理论和技术,为航天发射场可靠性工作提供有力的技术支撑。

4 结束语

我国航天试验高密度、高质量的发射需求对发射场地面设施设备可靠性提出了新的更高的要求。为确保航天发射任务万无一失,必须认真归纳与总结可靠性工作方面的经验和教训,积极探索适合航天发射场特点的可靠性工作体系,在设施设备的设计、制造、使用、维护过程中采用科学、有效的可靠性技术和管理手段,加强可靠性关键技术研究,推进航天发射场可靠性工作全面发展。

References)

[1]刘占卿,郑明强.发射场地面设施设备可靠性设计分析方法探讨[J].载人航天,2007(3)：24-28.

[2]刘松林,刘阳,刘晗,等.新发射场可靠性设计思路[J].导弹与航天运载技术,2008(6)：36-40.

[3]伊善贞,孙雅度,刘占卿,等.航天发射塔安全可靠性检测评估方法与试验研究[J].宇航学报,2009,30(3)：1282-1286.

[4]黄生俊,刘亚杰,郭波.航天发射场PMSCM任务可靠性仿真评估[J].兵工自动化,2013,32(4)：27-31.

[5]徐克俊,金星,郑永煌.航天发射场可靠性安全性评估与分析技术[M].北京：国防工业出版社,2006：175-182.

[6]王小静.航天型号技术风险及产品质量的量化管控[J].航天工业管理,2013(3)：40-43.

[7]赵兵,夏良华,满强,等.设备健康管理系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(5)：1024-1026.

[8]徐克俊.航天发射故障诊断技术[M].北京：国防工业出版社,2007：8-10.

[9]荣吉利,宋乾强,张涛,等.冗余航天火工装置可靠性评估方法及应用[J].宇航学报,2013,34(7)：1021-1026.

[10]唐章东,张凯,宁永成,等.航天用元器件应用验证方法及其应用实例[J].航天器环境工程,2013(3)：296-301.

(编辑：孙陆青)

Research on the Reliability of Spaceflight Launch Site's Facilities and Equipment

SU Yongzhi1, CHEN Jingpeng2

(1.Changping NCO School,Equipment Academy,Beijing 102249,China; 2.Department of Space Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

High reliability of the ground facilities and equipment in spaceflight launch site is essential for the test and launch of space mission.The current situation of ground facilities and equipment reliability works in spaceflight launch site is analyzed,the main problems that restrict the reliability work are discussed,and in terms of reliability management system,reliability design,rapid detection and maintenance,reliability data accumulation,as well as reliability key technology,five suggestions are proposed for the purpose of promoting the reliability work organizing and developing,and the improving of reliability level.

spaceflight launch site;facilities and equipment;reliability

V 551

2095-3828(2014)02-0056-04

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.014

2013-09-18

苏永芝(1976-),女,讲师,硕士.主要研究方向：导弹,火箭测试发射技术.ellosu@sina.com.