泵压式液体火箭发动机产品成熟度模型研究

◎航天推进技术研究院 李新波 刘禾

泵压式液体火箭发动机产品成熟度模型研究

◎航天推进技术研究院 李新波 刘禾

分析和研究液体火箭发动机与传统一般单机的区别，进一步探索适合液体火箭发动机的成熟度评价工作模式，根据泵压式液体火箭发动机在设计、生产、试验等方面的特点，重点关注关键部组件的设计、生产、试验和验收工作对整机成熟度的影响，从整机设计、关键子产品控制、总装总测、应用管理等方面确定要素和子要素内涵，并制定相应的定级细则，运用成熟度理论加强质量过程管控，准确评价产品的稳定性和一致性。

近年来，随着我国航天科技工业的不断发展，产品成熟度理论和方法得到了持续应用和完善，形成了大量理论研究和工程应用成果。实践证明，产品成熟度理论及配套方法工具能够有效支持航天产品质量与可靠性的持续提升，为推进航天科研生产模式转型升级发挥重要作用。

通过先期研究发现，泵压式液体火箭发动机在很多方面区别于传统单机，同时由于系统级产品不同，单机产品成熟度定级实施细则中所规定的定级准则有不适用的地方，笔者在充分研究已有产品成熟度定级标准的基础上，针对发动机的特点对定级模型和准则进行了适应性修改与完善，以期更有针对性地指导液体火箭发动机产品成熟度评估工作。

一、液体火箭发动机产品成熟度内涵

泵压式液体火箭发动机通常包括启动系统、主系统、副系统、推进剂贮箱增压系统。启动系统是发动机由非工作状态向工作状态过渡的动力源系统，它由火药起动器及电爆管等组成；主系统是主要产生推力和供应推进剂的系统，它由启动阀门、电爆管、涡轮泵、主节流圈、隔板节流圈、主阀、推力室及导管等组成；副系统是提供涡轮工作能源的系统，它由过滤器、氧化剂副断流阀门、电爆管、汽蚀管、单向阀门、燃气发生器、氧化剂副节流圈及导管等组成；推进剂贮箱增压系统是由推力室头腔引出四氧化二氮，用涡轮将废气加热成蒸气，供火箭氧化剂贮箱增压使用，它由四氧化二氮蒸发器、汽蚀管、单向阀门、集合器及导管等组成。

泵压式液体火箭发动机产品成熟度是宇航产品成熟度理论体系的组成部分，是将泵压式液体火箭发动机作为完整、独立的宇航产品，对其研制和使用全生命周期所有质量要素的合理性、完备性以及在一定功能、性能水平下质量的稳定性和可控性的一种度量，包括整机设计、关键子产品控制、总装总测、应用管理4个方面。其中关键子产品指构成发动机的部组件中，经发动机总体单位认定，对发动机功能、性能、研制质量和进度有重要影响的部组件，可根据不同发动机的研制特点进行选择。

二、构建评价模型的意义

在宇航产品成熟度理论的基础上，结合型号研制的工程实际构建液体火箭发动机产品成熟度评价模型，建立产品成熟度等级和定级标准，确定产品成熟度评价所涉及的要素和子要素，丰富要素内涵和定级准则。同时，通过该模型的研究可以解决传统单机产品成熟度模型和系统级产品成熟度模型的不适用问题。

一是泵压式液体火箭发动机的组成比一般通用单机复杂，兼具系统及单机产品的特点。需要在研制过程中重点关注发动机所涉及到的关键部组件，这些关键部组件的设计、生产、试验和验收工作对整机的成熟度有着重要影响，所以不能像一般单机一样，只关注整机总体的设计、生产和使用等工作。

二是泵压式液体火箭发动机整机试验验证的资源投入大。发动机的整机试验一般指整机热试车工作，其单次试车的经费、资源投入相对较大，很难像一般单机一样在状态固化阶段（一般情况下研制工作已结束）开展相应的整机试验验证（如极限工况试验、性能拉偏试验等），更多的是在产品研制阶段进行相应验证，结合实际应用不断分析、识别，并持续改进薄弱环节，提升整机产品的固有可靠性。

三是火箭发动机飞行过程测量参数极为有限，主要依靠研制试车、热标或工艺试车以及抽检试车来获取其在工作环境下大量有价值的数据与信息，为产品的持续改进和可靠性增长提供支撑，同时涡轮泵、推力室、燃气发生器等关键子产品的系统协调性、可靠性也必须在整机状态下才能得到最为接近实际工况的考核。因此，整机试车过程管理、参数获得的能力以及结果评价也应作为产品成熟度评价的一个重要方面。

四是发动机的结构没有系统级产品复杂，所涉及的单机只有阀门类（其它多为部组件），因此在总装管理、综合测试等方面与系统级模型有较大区别。

三、研究思路

为了使液体火箭发动机产品成熟度模型更加适用于发动机产品本身，以有效指导发动机产品的设计、生产和试验工作，笔者首先研究了模型的适用性，将系统更加复杂的泵压式液体火箭发动机作为研究对象，而对于结构相对简单的挤压式发动机仍然采用传统的成熟度模型定级准则。

其次，采取联合研究的模式，充分发挥中国航天标准化与产品保证研究院在成熟度模型研究方面的先期经验，组织专家分析了原有模型的不足之处，同时借鉴系统级产品成熟度的经验方法，具体分析发动机设计、生产和试验特点，对模型进行有针对性的修正，从而初步形成模型框架。

模型框架初步建立后进一步丰富模型内涵，完善所有方面所对应的内容，使得要素定义更加贴合发动机实际，模型具有较强的针对性，与传统模型相比更加适用于评价工作，并组织研讨会对模型内涵进行把关和审查。

最后，选取YF-50D发动机开展试点评价工作，向发动机研制人员充分宣贯模型原理，在系统分析发动机工作机理基础上，合理组织专家开展审查，结合评审结果指导发动机研制，同时继续修订模型要素组成，使得模型日臻完善。泵压式液体火箭发动机产品成熟度模型的研究思路如图1所示。

图1 研究思路

四、研究方法

1.等级要求

泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级的设定包含等级数值和等级定义2个部分。等级数值采用连续整数标识不同等级，其目的是量化区分各等级及其差异。等级定义一方面为不同成熟度等级中型号研制各项工作的完成程度提出了基本要求；另一方面也为各等级的评定和确认提供基本判别标准。

为了简化模型，便于应用，泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级的设定仅在产品成熟度总评等级和子要素成熟度等级2个层次上展开。理论上，随着泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级的提升，各子要素的成熟度等级应逐步提升，子要素各等级的定义也应逐级递进。但对于设计过程相关子要素而言，由于在系统级产品成熟度达到较高等级（3级以上）后，设计过程的主要工作已基本完成，所以设计过程类子要素的成熟度等级定义不再随后续系统级产品成熟度提高而逐级强化。

2.等级划分

QJA53《宇航单机产品成熟度定级规定》确定的单机产品成熟度分为8个等级，鉴于液体火箭发动机的研制特点，从研制工作的验证程度出发对状态固化后的成熟度等级设置进行适当压缩，将泵压式液体火箭发动机产品成熟度划分为7个等级（见表1）。

第1～3级从研制工作要求的细化、验证的程度、研制中各项工作的落实情况识别工程风险与不确定性；第4～5级通过对技术状态更改情况的判定，分析更改对可靠性、安全性等的影响；第6级通过对技术状态固化情况和货架式供应能力的判定，确定研制和使用中的工作弱项；第7级通过小批量生产，质量可靠性水平已经达到稳定水平。泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级与研制阶段的对应关系如图2所示。

表1 泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级划分

图2 泵压式液体火箭发动机产品成熟度等级与研制阶段的对应关系

3.定级要素

泵压式液体火箭发动机产品成熟度模型中的要素表征了实施泵压式液体火箭发动机产品成熟度评价必须关注的基本工作项目和风险点。在各阶段工作的基础上，通过分析、比对、筛选和优化最终确立了成熟度模型的基本要素。为清晰阐述各要素的梳理过程和隶属关系，从设计、生产、整机试验、交付与使用4个方面逐级递进对各要素进行表述，见表2。

一是设计方面。设计过程是从型号任务要求转化为实体产品的先决步骤，设计过程的结果将详细定义预期发动机的功能和分配基线，其核心是指发动机及其关键子产品设计结果所实现的固有能力的完备程度，以及与预期任务对应的功能、性能、寿命、可靠性等各项技术要求的符合程度。

二是生产方面。生产过程是在产品设计满足任务要求的情况下，按照系列技术文件生产实物产品的过程。当产品技术状态基线确定后，需要通过合适的生产方式予以实现，保证全部设计要求在生产过程中得以实现是至关重要的。应持续关注生产过程，提高其可重复性和稳定性。生产方面的要素主要是表征和度量工作进展程度，其核心是指产品生产能力实现产品设计要求的完备程度，以及在生产过程中与质量、成本、进度等方面要求的符合程度。

三是整机试验方面。整机试验是检验在发动机研制及生产过程中产品是否满足设计要求和质量要求的重要手段，也是全面获取发动机实际工作性能及其工作过程中力、热等参数的主要方式，因此应持续关注并逐步提高整机试验过程的稳定性和准确性。这部分要素用于表征和度量在整机试验方面开展技术准备及管理完善的程度，其核心是指整机试验要素的固有能力实现发动机整机设计要求的完备程度，以及与单次或重复生产过程中质量、成本和周期等方面要求的符合程度。

表2 泵压式液体火箭发动机成熟度评价要素

四是交付与使用方面。在发动机交付、验收、发射及任务测试的过程中，应向用户及相关操作人员提供充分有效的操作、维护和使用说明，以避免由于操作错误造成的产品异常或故障。同时需要向用户充分传递产品使用可能存在的风险，并明确相应风险的处置措施。这一部分要素将用于衡量产品在使用维护方面的工作进展程度，其核心是明确产品操作、交付、使用等环节保障措施的有效性和完备性。

在总结泵压式液体火箭发动机设计、生产、试验质量管理经验的基础上，笔者提出了泵压式液体火箭发动机产品成熟度评价方法，根据发动机研制特点确定了产品成熟度评价准则，并在产品转阶段的过程中同步予以实施。根据设计、生产、试验、使用过程中重点关注的质量检查要点明确成熟度评价要求和要素，在与一线研制人员充分研讨和沟通后确定各要素内涵，并选取典型发动机开展试点工作，进一步修改完善评价模型，使得模型适用性得到大幅提高。

研究成果可以为泵压式液体火箭发动机的质量和产品一致性水平提升提供量化度量工具，为产品成熟度水平提升提供实现途径，同时将更加丰富宇航产品成熟度评价理论。后续，航天推进技术研究院将与总体设计单位进一步研讨分析，不断完善各项评价准则，进而应用到各型泵压式液体火箭发动机的研制生产中，为发动机规模化、产业化发展提供有力支撑。