基于系统思维加强液体火箭发动机可靠性管理

熊莉芳、林源、夏开红 /西安航天动力研究所

高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设是我国航天事业目前的“三高”发展目标，液体火箭发动机具有系统复杂、性能高、环境恶劣、成本高等特点，确保发动机工作可靠性对于保证航天任务的成功至关重要。钱学森说：“产品的可靠性是设计出来的、生产出来的、管理出来的。”可靠性设计、生产、管理是个系统工程，三者缺一不可。其中，可靠性管理起着提纲挈领作用。液体火箭发动机的可靠性管理应用系统工程方法，将发动机在设计、生产、试验、使用等全寿命周期内的各项可靠性活动进行计划、组织、监督和控制等，用最少的资源实现产品的可靠性目标。当前，液体火箭发动机的可靠性管理在全局状态系统把控、可靠性工作体系健全、可靠性标准有效规范等方面还有较大提升空间，为保证任务成功，液体火箭发动机可靠性管理必须强调系统工程和系统思维理念。

一、可靠性管理发展现状

可靠性工程自1957年美国电子设备可靠性咨询组（AGREE）发布《军用电子设备可靠性》而问世，20世纪80年代深入发展。美国国防部1980年颁布顶层文件《可靠性与维修性》，1985年推出了《可靠性及维修性2000年行动计划》，旨在从可靠性管理入手，自上而下增强各级对可靠性管理工作的重视。为贯彻和实施以可靠性增长过程为核心的GEIA-STD-0009标准，美国国防部于2009年5月颁布了《可靠性增长管理手册》。美国国家航空航天局在2008年率先提出一套基于系统工程理论的全生命周期故障管理理论与方法。欧洲空间局紧跟其后，在欧洲宇航企业全面推行可靠性管理工作，构建可靠性保证管理系统。目前，美国和欧洲均已建立起较为完善的故障模式库、故障案例库，实行可靠性信息一元化管理，做到资源共享，合理利用。

20世纪80年代，可靠性管理技术开始在我国宇航型号和武器装备研制中全面推行。1998年，我国制定了《装备可靠性工作通用要求》和《航天产品可靠性保证要求》顶层标准，在航天型号研制过程中得到广泛应用。进入21世纪，可靠性系统工程理念已经深入人心，更加强调如何加强系统思维、做好可靠性工作的顶层策划，以提升可靠性管理能力。本文结合液体火箭发动机发展现状，提出基于系统思维构建和完善可靠性组织体系、技术体系、标准体系、流程体系和文件体系，构建完整系统的可靠性管理体系，从而进一步加强液体火箭发动机的可靠性管理能力。

二、可靠性组织体系

提升液体火箭发动机可靠性管理能力需先建立清晰的可靠性组织体系，液体火箭发动机的可靠性组织体系建议从2个维度同步建立（见图1）。一个维度是以产品为基线，按照不同领域发动机分类，分别成立以总设计师和总指挥为产品可靠性工程的负责人，下设专业可靠性工程师；另一个维度是以组织为基线，按照院级、厂所级、科室级等类别，自上而下成立可靠性组织。院级可靠性部门应用系统思维，统筹策划全院可靠性管理工作，包括可靠性技术的规划、实施、监督、考核等，并建立不同层级的可靠性组织目标体系。厂所级可靠性部门主要负责全所可靠性技术规划、重大共性基础可靠性技术研究、可靠性标准制定、可靠性信息管理分析、可靠性流程和文件体系建立、可靠性教育培训、可靠性设计分析试验评估管理的工具开发等。科室级可靠性小组负责主管产品的具体可靠性工作。院级、厂所级和科室级可以同时采用矩阵式，又称系统式组织体制，即科室级可靠性小组同时隶属于厂所级可靠性部门。

图1 液体火箭发动机可靠性组织体系框架

目前，随着液体火箭发动机产品保证体系的建设，研究所初步形成了可靠性组织体系框架。后续，还需系统完善，明晰岗位职责，同时建立不同层级的可靠性组织目标体系。

三、可靠性技术体系和标准体系

根据GJB 450A和QJ 1408A等标准，研究所充分结合液体火箭发动机的工作特点，从可靠性要求、管理、设计、分析、试验、评估等工作项目开展技术体系建设，初步研究建立了液体火箭发动机可靠性技术体系框架，如图2所示。其中，可靠性管理工作项目包含可靠性保证计划、可靠性评审、对供方的可靠性监督、可靠性信息管理、可靠性增长管理、可靠性培训；强度设计包含疲劳设计、耐久性设计、损伤容限设计等；热设计包含主动热设计和被动热防护设计；发动机可靠性试验分为环境与应力筛选、可靠性研制/增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性验收试验4种；可靠性研制/增长试验包含可靠性研制试验、可靠性增长试验及燃烧稳定性试验；可靠性验收试验包含工艺验收试车、热标试车及抽检试车等；可靠性评价不仅包含对发动机的性能和结构可靠性评估，还包含对交付产品可靠性评价及产品成熟度评价等。后续，研究所将根据实际应用情况，持续迭代完善液体火箭发动机的可靠性技术体系，为发动机研制提供可靠性专业支撑。

图2 液体火箭发动机可靠性技术体系框架

根据可靠性技术体系，同步完善液体火箭发动机可靠性标准体系建设，针对技术体系中的可靠性要素，梳理相关标准。目前，还需进一步进行系统顶层策划，从产品、过程、可靠性要素等维度全面覆盖，按照急用先行原则，迭代完善二层次和三层次的可靠性标准，从而构建完整的液体火箭发动机可靠性标准体系，发挥标准的技术支撑作用。

另外，研究所持续加强对国外可靠性标准的移植工作，如《可靠性增长管理手册》《策划、编制、管理有效的可靠性与维修性大纲》等。

四、可靠性流程体系和文件体系

要将可靠性工作落到实处，仅仅有可靠性技术理论和工作热情是不够的，还必须有规范的可靠性流程体系和文件体系。液体火箭发动机可靠性工作与设计、生产、试验、使用等工作同步进行，目前研究所已形成液体火箭发动机不同研制阶段的可靠性保证工作流程框架，如图3所示。

图3 液体火箭发动机可靠性保证工作流程框架

应用系统思维理论，将同一领域发动机、不同型号、各级次产品作为一个整体，并将涉及的多个研制单位、研制阶段和工作项目形成有机整体，引入流程管理、数据技术等先进技术，建立不同领域发动机可靠性信息库，通过流程和数据驱动，将可靠性保证技术项目嵌入流程中，实施精准高效的可靠性管理。

目前，液体火箭发动机已形成一定量的可靠性相关文件，但文件发挥的作用有限，建议借鉴美国国家航空航天局的可靠性管理文件树，进一步系统完善可靠性文件体系。液体火箭发动机文件体系框架如图4所示。

图4 液体火箭发动机可靠性保证文件体系框架

文件体系建设建议针对不同型号发动机的实际特点来编制，如成熟批产型号发动机和新型预研发动机的可靠性保证大纲等文件的关注点是不同的。另外，文件体系应加强标准应用、数字化生成和信息化管理。

流程和文件体系是同步开展的，研究所应加强可靠性评审管理、组织监督审查评价等，充分发挥专家作用，强调闭环管理。同时，应用系统思维，与发动机数字化设计、生产、试验等数字化流程相结合，充分发挥信息化、智能化的优势。

“惟有成功才能专注发展、惟有奋斗才能实现发展、惟有创新才能持续发展”。基于系统思维加强液体火箭发动机的可靠性管理，是适应航天“三高”发展的需要。笔者提出基于系统思维完善液体火箭发动机可靠性组织体系、技术体系、标准体系、流程体系和文件体系，并给出了5个体系的研究框架及后续完善思路。组织体系是基础保证，标准和技术体系是专业支撑，流程和文件体系是规范应用，应用系统思维加强信息化和数字化能力建设，将5个体系实现系统一体化，从而进一步提升液体火箭发动机的可靠性管理能力，实现产品和组织的高可靠性。