面向快速发射的固体运载火箭技术准备流程优化

/北京宇航系统工程研究所

固体运载火箭具有高性能、强生存、快反应的特点,可大幅提升我国快速进入空间和有效利用空间的能力,是我国航天运输领域的重点发展方向,也是我国由航天大国向航天强国迈进的重要里程碑。

我国某固体运载火箭是为满足用户应急发射和快速发射需求而立项研制,目前已投入使用。发射前的技术准备工作是保证固体运载火箭成功发射的前提。用户根据规定的测试流程和技术文件要求,在开展发射前的相关技术准备工作后,可随时随地发射应急载荷。

与液体火箭相比,固体运载火箭具有多箭并行准备复杂、集中维护难度大等突出特点。但在型号研制时,未能充分认识到固体运载火箭这一独特的维护使用模式,仍然借鉴以往型号的成熟经验设计了技术准备流程。随着用户对运载火箭数量需求的增加以及发射任务的日益增加,用户反映测试项目、测试流程和总装操作工作繁杂,存在部分易错操作项目、作业现场管理不规范等问题,给用户的人员保障和资源保障带来了极大挑战,甚至可能导致用户不能按时完成国家安排的既定任务,因此向研制部门提出了技术准备流程优化的迫切需求。

一、流程优化项目建设

为了推动工作的顺利开展,成立了项目小组,成员主要包括总体主任设计师、各专业副主任设计师和骨干,涵盖总体、电气、结构等各专业,他们有多年的型号工作经验,具有较高的技术研究水平和较强的技术攻关能力,并进行了相关工作策划。

2016年1-2月:精益管理项目策划;2016年2-12月:精益管理初步实施;2017年1-3月:精益管理项目效果评估;2017年4-5月:精益管理项目总结。

1.项目建设目的

缩减并优化技术准备流程测试项目,合理优化测试流程安排。单元测试时间缩减0.5天,分系统测试时间缩减1天,系统测试时间缩减2天,总装操作缩减2天,取消等待转轨时间。技术准备流程优化目标如图1所示。

图1 技术准备流程优化目标

2.设计原则

技术准备全面可靠。考虑用户现有人力保障和资源保障的约束,以确保使用安全、测试全面覆盖及装备可靠技术准备为前提,提高技术准备全流程保障效率。

状态变化最小最优。技术准备流程优化基于现有装备技术状态不变。

统筹考虑全使用周期。统筹总装厂工作、单元测试、分系统测试、系统测试等测试安排,对技术准备流程测试项目进行整合优化,减少测试状态准备和转换工作。

3.建设方案

(1)优化流程具备的条件

技术准备流程总装测试工作与总装厂一致,且两者间隔时间较短,仅经历运输环节。通过对运输试验和前期产品情况结果分析,其仍能适应运输环境,质量稳定,出厂前所做的各项测试结果仍然是有效的。

技术准备流程设置了3次系统测试,测试内容上存在重复。单机设备的功能性能在完成全面考核的前提下,为减少总装操作和状态转换,可对系统测试进行优化。对于不能覆盖的测试内容,通过增加相关的测试项目确保测试覆盖性。

另外,为了获取箭体运输箱的屏蔽效能,项目组组织进行了箭体运输箱屏蔽效能测试,对运输箱的箱体、门窗等重要关键部位进行了测试,确保产品运输的电磁环境能够满足运输要求,为设备装箭运输奠定了良好的技术条件。

(2)优化的技术途径

在优化流程具备条件的基础上,除总体分析可开展优化流程的工作外,还可在以下几个方面开展优化流程工作:

·技术准备流程中单元测试不再开展总装厂已完成的项目。目前部分箭上设备在总装后开展单元测试工作,可取消技术准备流程中此部分设备的单元测试工作。

·根据平台系统各性能指标的稳定情况,优化平台单元测试项目,取消性能稳定的参数测试,通过增加导通绝缘自动测试设备以及算法优化和软件升级,缩短测试时间,进而减少测试工作量,提高工作效率。

·根据末修气瓶和贮箱的使用情况与数据分析结果,可取消相关工作。

·优化分系统及系统测试。裁减分系统测试、系统测试流程中的重复测试内容,减少测试状态转换带来的总装操作工作量,尽可能减少如整流罩的分解再装、火工品电缆插接与防护等工作量大、操作复杂的工作项目。

·目前产品箭上贮存比率低,设备在测试时需要反复拆装,导致总装工作操作复杂,可在总装出厂时提前上箭安装,技术准备流程中可不再开展相关工作。

(3)优化流程项目

单元测试主要目的是检查箭上各单机设备功能性能指标是否满足技术要求的情况。目前,单元测试项目主要包括动力单机、管路气密检查、火工品、控制设备和平台。项目组应用“连续流动无法向上游扩展时,使用‘超市’方式控制生产”的精益生产原理,将动力单机、管路气密检查、火工品的单元测试前置至总装厂,技术准备流程中不再开展相关的单元测试工作。优化后的单元测试项目如图2所示。

取消与总装厂重复的测试项目,包括动力设备、气密检查、火工品。技术准备流程与总装出厂测试时间间隔较短,在出厂前均进行了出厂测试,得到了充分的检查和考核,产品的长途运输对这些参数没有影响,而且这些产品在技术准备流程的单元测试中从未出现过问题。因此,控制系统取消与总装厂重复的单元测试项目是完全可行的。

平台单元测试项目优化包括取消性能稳定的参数测试、导通绝缘测试自动化、算法改进和测试软件升级等。通过对平台测试数据和平台测试项目特点进行分析,出厂后部分性能参数稳定,可不再开展相关测试。为了进一步提高测试效率,通过对算法改进和测试软件升级缩短测试时间,实现数据自动处理。因此,平台系统单元测试优化完全可行。

图2 单元测试流程优化

分系统测试主要是在总装完成后对装备重要属性进行有针对性的检查。目前分系统测试设置了控制分系统、测量分系统和动力分系统3项。优化前后分系统测试如图3所示。

图3 分系统测试优化

控制分系统测试内容在系统测试中可以被覆盖,取消控制分系统测试,但考虑到在系统加电前需保证系统连接状态的正确性,所以保留配电分系统测试。

测量系统、动力系统装箭后性能参数稳定,且能够在后续系统测试中覆盖,所以可以取消测量、动力分系统测试。

系统测试是针对装备电气系统进行的测试,目的是验证电气系统是否满足技术要求。目前,系统测试设置了高压测试、发射测试和临射低压测试3项。为了减少当前系统测试中的浪费,并考虑实际实施的可行性,提出了系统测试优化方案,如图4所示。

通过对系统测试内容进行对比,存在较多的重复测试内容。单机设备的功能性能在完成全面考核的前提下,为减少总装操作和状态转换,仅进行临射测试,取消高压测试和发射测试。对于不能覆盖的高压测试和发射测试内容,通过增加相关测试来确保测试覆盖性。

总装操作主要包括2个部分:一个是为满足测试要求而必须进行的操作;另一个是技术准备流程中的一些保留工序,涉及卸车及对接、口盖分解、仪器设备安装、火工品安装、整流罩分解、箭体封舱等多个环节。优化前后的总装操作如图5所示。

控制系统单机设备在总装出厂时完成单元测试并上箭安装,在技术准备流程中可取消与之相关的总装工作;考虑到箭体贮存库温湿度等环境情况良好,满足贮存要求,可不着箭衣状态贮存,箭衣仅作为长期空调故障情况下的备用措施;整流罩对接的导爆索输出接头连接采用快速防松方式,能够保证2年的正常使用期,操作简单易于实现,可减少操作时间。

图4 系统测试优化

4.并行方案

一是双测试工位同时使用。

图5 技术准备流程总装操作优化

在执行每个阶段技术准备流程工作时一般使用1#测试工位开展测试工作,用2#测试工位进行总装工作。由于测试工位地面轨道只有一条,当1#测试工位的装备完成相关工作要推出时,2#测试工位的装备就必须停止工作并推出至转载区。因此,2#测试工位只能进行简单的总装工作,以便装备的及时推出。而且,在当前快速发射和应急发射的要求下,如果多发装备需要进行技术准备工作时,则必须等待1#测试工位完成相关测试工作推出至转载区后,另一发装备才能转至1#测试工位,导致2发任务间隔周期至少需要7天。

根据多发火箭并行准备、充分利用1#和2#测试工位的需求,型号提出了地面测试轨道改造要求,即在原有一条测试轨道的基础上再增加一条测试轨道,以满足2发装备同时测试的需求。

二是多发火箭箭串并联技术准备流程。

由于在技术准备流程设计时只考虑了单发火箭的使用流程,当要求多发火箭同时进行技术准备流程时,只能采用串联的方式进行,即一发火箭完成技术准备工作后,再将另一发火箭推出。技术准备工作周期长、效率低,对贮存库的测试装备和测试空间未能完全利用。

为充分利用用户资源,应对多发火箭快速发射的需求,型号和用户对技术准备流程进行详细的分析论证,经过多次推演提出了基于串并联模式的多发火箭技术准备流程方案,即一发火箭总装操作和测试工作采用串联模式,多发火箭采用并行工作模式。按目前的用户资源,一次可以同时推出2发装备,当2发装备完成了前期的总装操作推至测试工位后,可以立即再次推出2发装备开展相关的准备工作,如此循环。

三是末修推进剂集中加注。

在流程优化前,末修推进剂加注工作安排在出库技术准备流程中,当完成相关的测试工作后开始推进剂加注工作。为了缩短出库技术准备流程时间,实现装备的快速发射,型号和用户经过论证分析,提出了将末修推进剂加注作为一项单独技术流程的方案。根据用户任务情况,并利用任务空闲期,集中对装备进行末修推进剂加注。

图6 时间价值图

二、实践效果及后续思路

综合考虑装备优化前的技术准备流程,即卸车及产品恢复、箭体对接、整流罩分解、单元测试、分系统测试、系统测试、末修推进剂加注、对接整流罩等项目,重点针对电气系统和总装操作工作项目采取多项优化流程措施。经统计,入库技术准备流程由14天缩短至8天,单元测试时间由3天缩短至2.5天,分系统、系统测试时间由4天缩短至1天,总装操作时间由6.5天缩减至4.5天,取消转轨等待时间0.5天。

采用时间价值流程图和价值分析之后,可优化流程部分主要集中在单元测试、分系统测试和系统测试,时间价值如图6所示。

经过优化后,将无价值又不需子步骤(VAN)消除后,有价值子步骤(VA)的时间价值比例由32.1%提高至59.5%。

随着该项目的实施落地,后续还有几个方面工作可以延续拓展:末修推进剂采用预包装技术,取消推进剂的加注工作;设备采用智能化、集成化、一体化的设计方案,减少箭上设备数量;设备采用BIT技术,实现综合测试代替单元测试和分系统测试,取消设备单元测试;综合测试采用一键操作,彻底取消相关测试状态准备和状态转换工作。