某新型复杂火工装置质量控制的方法与实践

/北京航天长征飞行器研究所

航天火工装置具有一次性使用、功能不可检测、关系成败的特点。北京航天长征飞行器研究所应用的火工装置数量多,种类全,功能复杂,可靠性要求高。据不完全统计,型号应用于各种火工装置多达一百余种,可谓“百花齐放”。其中,最为耀眼的正是某新型复杂火工装置。

某新型复杂火工装置历经近十年研制,目前已配套我国新一代重点导弹武器型号。基于其技术的同类产品也在多型重点型号上得到广泛应用。该装置的设计参数要求严苛,力学、热学环境复杂,研制难度极大,具有功能多样性、元件集成性、结构复杂性的特点,同时,在外形尺寸、质量上又做到了小型、轻量,堪称我国目前最复杂的火工装置。

该装置集成的火工元件包含电点火器、隔板起爆器、作动装置、微型火箭、延期点火具、气体发生器、传火药盒、慢旋火箭等;集成的机械机构包括多级活塞展开机构、径向活塞展开机构、减震缓冲机构等;涉及的装药种类包括起爆药、点火药、产气药、烟火药、推进剂等多种药剂;涉及上百道各种关键工序。为了保证产品质量,需要有效使用大量质量控制措施,笔者从设计、生产、试验、验收4个方面介绍了该装置的质量控制方法和实践经验。

一、 工作与实践

1.设计质量保证方法

(1)“三化”设计

火工装置的“三化”是指产品的通用化、系列化、组合化。通用化利于充分利用成熟产品获得的可靠性子样;系列化利于拓展产品应用范围,形成标准件;组合化可以大幅降低复杂火工系统的设计难度。

落实“三化”可分3步。第一,分类整理各型号应用的火工装置,形成产品数据库。第二,按照“三化”的要求,形成产品手册。按照“制定规范、统一条件、压缩品种、形成型谱、规范选用”的实施思路,将火工装置中成熟度高、环境适应性好、通用性强的基础类产品列入手册,为后续型号选用提供有力支撑。第三,从产品手册选用和组合形成新的火工装置。选用目录内产品可以大幅降低研制试验成本、减少方案反复的可能性、提高系统可靠性。

该装置设计之初就按照“三化”设计考虑,电点火器直接选用货架产品,隔板起爆器借用定型产品的装药结构,延期点火具选用定型产品的药剂,不同延期时间的延期点火具按照系列化设计,仅装药长度不同。

(2)冗余设计

冗余设计是指采用多个起爆、传爆序列起爆一个最终实现功能的终端。各爆炸序列之间应完全独立,互不干扰。在结构尺寸、设计质量允许的条件下,采用冗余设计可以大幅提高产品可靠性,保证产品实现最终功能。经过分析,对该装置的轴向伸展、径向展开功能起决定作用的延期点火具I进行了冗余设计,并且2个延期点火具位置对称,在提高可靠度的同时对产品的旋转稳定性不产生任何影响。

(3)裕度设计

裕度设计是指对火工装置各级点火、传火、传爆序列之间的点传火能力在设计上留有一定的余量,能够克服各种装药性能散差、药量散差、装配间隙散差、高低温以及力学环境散差、装配散差、操作散差等带来的不利影响,确保最终功能的实现。裕度设计的基本要求是满足GJB1307A-2004《航天火工装置通用规范》。该装置在对标规范的基础上,又对关键性能如释放速度、轴向展开速度进行了极限拉偏试验,真正摸到边界、摸到底线,充分吃透了产品的裕度。

(4)失效模式分析

失效模式分析是指对能造成产品失效的各种可能性进行分析、分类、分级。该装置在设计过程中,按照零件、元件、整机对组成产品的单点失效故障模式进行分析辨识,对同类产品故障问题进行了动态的举一反三分析,不断扩充故障模式库。按照GJB/Z768A-98《故障树分析指南》以及Q/QJA304《航天型号产品不可检测项目与识别要求》,对产品进行FTA及FMEA分析,确认I,II类单点故障模式,确定3类关键特性及其控制手段。

典型的延期点火具FTA分析例子如图1所示,典型的整机级FMEA分析如表1所示。经过分析,延期点火具识别出14种导致故障的底事件,整机级梳理出5种控制故障的措施。通过故障模式的识别和防止措施的实施,有效解决了火工装置最终功能不可检测的问题。

2.生产质量保证方法

(1)多余物预防与控制

该装置零件、元件、整机产品在加工、装配过程中,严格控制了多余物,总的原则包括:合理选用零件的表面镀覆材料和热处理、表面处理方法,保证产品在规定的使用期限和环境内不脱漆、不脱镀层、不氧化生锈和发生脆断;在螺纹连接部位,合理选用垫圈材料规格,防止其断裂产生多余物;在涂胶、涂脂位置,严格量化控制胶、脂用量,防止胶、脂与药剂接触,或堵塞通道;合理设计密封结构,防止工作前多余物进入产品内部;产品均进行100% 射线检查,判断是否存在多余物。

点火器/隔板起爆器类产品多余物控制。机械加工环节重点针对静放电通道的部位如壳体内孔、放电小孔、瓷芯、绝缘垫外圆,100%检查无飞边、毛刺、划痕、积屑瘤,防止装配过程产生刮屑。对塑压、封接、镀覆等可能影响产品电性能的环节,主要是防止金属多余物的引入,并通过超声波清洗等手段将玻璃粉、残余槽液等杂质清洗干净。装配环节进行严格装前检查,采用显微镜检查确认放电通道相关部位无飞边、毛刺等多余物。电焊桥带通过试焊,在保证不虚焊的条件下尽可能降低焊接电压,减少电焊飞溅物的产生;对焊桥件和药室组件均100%振动筛选,剔除电阻不稳定产品;涂胶、灌胶后及时进行清查,100%检查极针、孔壁、键等部位,确保无残留胶膜。装配过程进行多媒体记录,成品100%进行射线无损检测,确保产品装配正确,无多余物。

固体火箭类多余物控制。装配前,检查密封面、密封圈表面清洁无污染物,涂胶涂脂时不能产生堆积和污染其他非涂脂区域的污染物。100%检查点传火通道螺纹、通孔处无飞边、毛刺,保证塞规顺利通过,传火孔涂胶前量化涂胶量,发火接头拧入火箭壳体前用内窥镜检查传火通道,确定无多余物后立即拧入发火接头,封闭传火通道。装配过程均进行多媒体记录,点火药盒、药柱、火箭成品均100%进行射线无损检测,确保产品装配正确,无多余物。

索类多余物控制。对原始空管和拉伸后空管进行清擦和100% 检查,确保金属管内壁无杂质损伤,无油污、纤维等杂质。烘药过程用专用盖板遮盖,烘药后用划格法检查药剂无可见杂质。筛药时用清擦干净的铝塑薄膜遮盖分样筛,使用橡皮耙辅助过筛,禁止使用毛刷等;装药前用药勺翻动检查药剂筛下物中无夹杂及其他异常情况。装配过程进行多媒体记录,成品100% 进行射线无损检测,确保产品装配正确,无多余物。

作动装置多余物控制。正式装配前,先试装和磨合,检查零件相互之间运动无卡滞,配对放置;采用测力计测量并记录2根作动筒之间的拉力数值,配对好的2个作动筒之间的摩擦力应满足设计要求。试装和磨合后,将

零件上附着的细小金属屑清洗干净;避免螺纹胶液流入运动面。装配过程中,在需要涂油脂的O型圈表面,量化控制涂油脂量,并将多余油脂清擦干净,防止油脂与药剂表面接触。防止O型圈损伤、产生多余物,内外筒安装后检查有无多余物挤出。装配过程进行多媒体记录,成品100%进行射线无损检查,确保装配正确,无多余物。

(2)电子装联质量控制

起爆装置用电点火器。采用桥带式电点火器,其发火元件部分的加工工艺为焊接。

点焊桥带过程控制措施。焊接前极针端头去氧化层;试焊接5～10发,并进行破坏性检查;首检5～10发焊接牢固,每20发一组,取每组最后一发作破坏性检查;100% 自检电焊无虚焊、击穿和突尖;用低电阻测试仪测试桥路电阻,100%自检,10%抽检。

焊导线过程工艺控制措施。焊接前先对极针与导线芯线分别进行挂锡;控制焊接温度应满足260～300℃,焊接时间不大于3s;用低电阻测试仪测试桥路电阻,100% 自检,10% 抽检。

镀金元器件焊接部位除金质量控制。用电烙铁在镀金极针进行重复性上锡;焊接时用电烙铁沾焊锡对镀金极针进行重复性上锡;用低电阻测试仪测试桥路电阻,100% 自检,10% 抽检。

(3)防错、漏装质量控制

该装置由3种速度系列组成,不同代号的装置之间、内零部件、内装火工元件除可相互借用的产品外,均加以区分。从产品标识、外观、结构等方面进行有效的防差错设计。

电点火器、隔板起爆器通过外形和螺纹规格不同加以区分,延期点火器通过长度和外观防差错结构不同加以区分,作动机构通过外形不同加以区分,燃气机构通过外观标识不同加以区分。该装置在明显位置采用不同颜色区分工作速度:低速度黄色,中速度蓝色,大速度黑色。

元件级、整机级在装配前,对每一道工序进行配盘、多媒体记录。确保这道工序的零件数量和装配总数量能够对应。装配完成后,交付前每个元件和装置均需要进行射线检查,逐一确认零件种类、数量。

(4)外包质量控制

该装置涉及一定数量的零件、药剂为外协、外购件。在外协、外购产品投产前,生产厂家组织相关技术人员对产品技术状态进行梳理,确保将产品技术状态变化、工艺禁限用、多余物控制等要求及时准确地传达给外购厂家,在合同中明确技术、质量保证要求。

外协加工中,对试验外协工序,派试验检测人员到外协厂进行现场监督和检验,确保外协过程得到控制;对外协零件进行100%入厂复验,必要时进行首件检验和破坏性检查。

对于推进剂等外协产品,工厂应提出明确的验收项目,包括理化性能、爆热、水分、密度、化学安定性、静态燃速、常温比冲性能等。

3.试验质量保证方法

及时。为确保试验及时性,整机级产品紧前策划制定试验大纲,各级产品根据整机级试验大纲,结合自身特点分别制定各自试验大纲。每级产品在开展考核性试验前,均进行充分摸底试验。确保提前考核,将风险暴露在本级产品中。

真实。为确保试验真实性,所有试验均按照接近真实边界条件来确定试验环境和试验工装状态。为保证测量释放速度、旋转速度的准确性,所有整机释放试验、展开成形试验均在特别设计的真空、失重试验系统内进行考核。

全面覆盖。为保证试验的全面、覆盖性,严格对标总体环境试验条件和国军标等相关标准,对元件级考核全面、覆盖、加严,对整机级考核全面、覆盖。通过对各级产品试验状态的控制,确保了产品研制阶段考核充分。

过程正确,结果有效。为保证试验过程正确、结果有效,对参加试验的测试人员、操作人员进行技术交底和事故预想,对操作人员进行岗前培训,确定每个操作步骤的量化要求。每级产品正式试验前,再次确认产品的安装固定状态,并对产品外观进行拍照记录。试验过程中,对需要采集的数据进行提前、全程记录。试验完成后,对试验数据进行记录,保存原始文件,并对完成试验的产品进行再次拍照记录。如果出现意外情况,则对试验件残骸进行保护、收集和分析,仔细记录能提供故障分析线索的每个环节。

4.验收质量保证方法

该装置的电点火器选用货架产品,除本型号外,也被其它多型号借用。该产品按照“型号管理与产品管理并重”的思路开展组批验收工作。具体分4步:第一,组织成立基于产品的验收队伍;第二,去型号化,各型号统一验收技术要求;第三,按照产品验收队伍对质量负责、型号队伍对技术负责的原则,组织验收;第四,验收完成的产品不改变原有的配套关系和齐套路线,分型号交付使用。该项工作的开展,避免了重复性试验和验收,解放了型号设计人员,大幅提高验收效率,节约验收周期和成本,保证了产品交付进度。

二、 实践效果

1.可靠性提升，成本降低

通过冗余设计和裕度设计,可靠性大幅提升。通过通用化、系列化、组合化的“三化”设计,该装置火工元件都实现了种类和数量的压缩。在产品整体结构复杂的条件下,火工装置内部的元件变的相对“简单”,使设计、生产、特别是试验过程简化、试验子样数量减少,大幅度降低了研制成本。

2.全流程控制，规范化管理

该装置结合失效分析,实现全流程质量控制。解决最终功能不可检、不可测问题,提高装置工作可靠性。在失效分析的基础上,对分解出的底事件采取针对性措施。对设计、研制试验、生产、验收、交付、使用环节的控制措施全部进行量化,并形成规范性文件。采用全流程质量控制手段后落实了对外包单位质量的把控,细化了颗粒度,大幅提高产品质量。最后,形成设计及研制环节控制表、生产过程控制表、验收试验状态检查控制表、验收交付使用环节控制表。在产品验收和使用环节,由任务书提出方牵头,设计、生产、使用方配合,对照检查实施,实现对产品的全流程控制。这一系列措施大幅度提升了产品的生产质量,保证了按时交付。

3.零死角防控，确保成功

该装置在零件、元件、整机级产品的生产中,落实了多余物防控,电子装联控制,防错、漏装控制以及外包质量控制。这些措施的有效实施,确保了零件、火工元件、整机在各环节中的质量。使对最终功能可能造成不利影响的环节得到了有效控制,保证了该装置的质量。

4.组批验收，高效率，低成本

在通用产品中创新开展去型号化组批验收工作。在保证满足不同型号技术要求的前提下,大幅提高产品验收效率,保证了质量,避免了重复性试验和验收,解放了型号设计人员,节约了验收周期和成本,保证了产品交付进度。

三、 后续思路

为继续引领火工技术发展,进一步提升质量,应对不断涌现的新型号、新需求,未来可围绕以下几个方面开展工作:

一是加强组批验收管理能力。在进一步推进火工装置产品化工作的基础上,大力开展去型号化技术研究、通用验收规范编制、基于产品的验收队伍建设等工作。对接上游任务提出方和下游配套产品生产厂,为更多产品开展组批验收工作打通关键环节,铺平道路。

二是加强知识管理能力。对相关火工装置设计、使用单位的故障案例、失效模式进行收集整理,完善故障案例集。进一步加快建设标准体系,在目前已有所标、院标的基础上,按照火工装置分类细化各产品的设计、验收、试验标准,再编写一批高水平的标准群,提升质量控制能力。

三是加强试验能力。在充分挖掘现有试验厂家试验能力的基础上,在地面试验中最大限度的模拟真空、失重、深冷、高温等环境,不断将环境适应性问题暴露并解决在研制过程之中。

四是加强仿真能力。在提高筒内释放仿真技术准确度的基础上,进一步推广火工装置装药燃烧、传热、内外流场机理的研究及仿真应用。提高设计效率,使发火试验更具有针对性、结构优化更合理、裕度分析更准确,实现设计质量再上台阶。