空间站产品保证工作探索与实践

聂小亮 于文泽 张宇光 李涛 朱光辰

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

中国空间站(以下简称空间站)是迄今我国研制的系统规模最大、发射质量最高、设计难度最大的载人航天器，由核心舱、实验舱I和实验舱II三个舱段在轨组装而成，提供三个对接口，支持载人飞船、货运飞船及其他来访飞行器的对接和停靠。三舱组合体质量约68.5 t，实验舱单翼展开长度超过25 m，阵面面积超过110 m2，供电能力不低于7 kW，配置了全套的再生生保系统，支持6名航天员短期轮换，同时配置了机械臂支持航天员出舱活动和舱外载荷操作，为试验载荷设备提供机、电、热和信息支持，保障在轨试验的可靠实施[1-2]。如何针对这些特点采取有效控制措施，确保空间站建造任务圆满成功，对空间站研制过程质量控制工作提出了严峻挑战。

近年来，针对宇航任务高风险、系统复杂特点，已逐步形成了以技术风险识别与控制为核心的产品保证方法，在航天器研制、生产、交付全过程开展一系列有组织、有计划的技术和管理活动，保证产品达到规定的任务目标，实现安全、可靠[3]。

空间站产品保证工作充分继承了航天器产品保证经验，针对自身任务特点，全面、规范、有效实施产品保证工作，有效保证了空间站各飞行器发射任务成功、在轨组装建造完成。本文对空间站研制任务特点进行了分析，并对研制过程中针对性产品保证工作进行了总结。

1 空间站研制任务特点

1.1 技术跨越大

空间站采用了多个我国首次在轨开展应用的全新技术，研制风险大。如实验舱采用了国内最大的柔性太阳翼[2]，通过双自由度驱动机构实现太阳跟踪，通过舱段间供电并网，实现飞行器间的能源调配；配置了推进剂补加系统，可接受天舟货运飞船的推进剂补加，同时还能提供来访飞行器的推进剂补加；配置了霍尔电推进系统，实现化学推进系统的补充，为世界载人航天领域首次；采用电解制氧、冷凝水收集与处理、尿液收集与处理等物化再生生保技术，实现资源再生利用；配置了具有7个自由度的大小两个机械臂，实现航天员出舱辅助以及载荷照料和舱外监测。

同时，全面推进元器件自主可控，空间站使用了大量的新研国产化元器件。以核心舱为例，国产元器件使用量高达56万只，典型器件包括大型现场可编程门阵列(FPGA)、宇航员舱外可维修电连接器、大功率直流接触器等关键元器件。大批量应用新研国产元器件在实现自主可控的同时也带来了质量风险。

1.2 工作模式多

空间站阶段包括关键技术验证、组装建造以及运营三个阶段，采用在轨搭积木的方式，需要在轨实现三个舱段以及神舟载人飞船和天舟货运飞船在轨交会对接，飞行模式包括了单舱、两舱、三舱一字、L字和T字等50多种构型。不同构型下，组合体质量特性动力学特性以及羽流、遮挡影响都需要进行全面仿真；同时，组合体阶段飞行器数量最多达到6个，这些都对组合体姿态控制及状态管控提出了非常高的要求。

1.3 产品状态新

由于空间站采用了多个新技术，大部门产品需要重新研制。同时为了确保航天员在轨拥有良好的居住环境，空间站将智能家居的理念搬到了太空，采用了大量日常家用的商业产品。产品种类多和技术状态新，以核心舱为例，一级配套设备1240台，C、D类单机产品约占90%。同时机械臂、柔性太阳翼、再生生保子系统等设备均为重达百千克以上的复杂产品。

1.4 工作寿命长

空间站建造完成后，需在轨运行寿命不小于10年[4-5]，考虑地面研制周期，单机产品设计和工作寿命达到15年左右，是目前我国设计寿命最长的载人航天器和低轨道航天器。对于回路泵等不可通过加速寿命验证的机构类产品，寿命试验周期长，地面寿命试验与在轨飞行并行。

1.5 协作单位广

空间站设置了空间站系统总体、飞行器总体、分系统、单机及部组件等多级管理组织。参与研制任务的单位设计中国科学院、航天科技集团、航天科工集团、电子科技、高校、地方以及民营企业超过3000家，既有航天系统内单位，也有系统外单位，同时还有首次承担载人航天任务的单位。各单位研制体系、质量管理模式以及对于载人航天特殊的产品保证要求的掌握和理解均存在较大不同。

1.6 验证难度高

由于上述几个任务特点，导致空间站系统设计验证难度高。在技术难度方面，如使用的柔性太阳翼在轨需进行二次展开，由于天地重力环境差异和地面试验条件限制，地面试验难以模拟；在工作模式方面，核心舱作为空间站的核心飞行器，具有前向、径向、后向、侧向共5个对接口，与实验舱I、实验舱II、载人飞船、货运飞船、光学舱均需在轨进行交会对接形成组合体，但由于各飞行器研制进度不一致，系统联试状态控制难度高。

2 空间站产品保证工作实践

在充分继承航天器产品保证经验基础上，空间站产品保证工作重点围绕空间站研制任务特点，通过六个强化(强化风险识别与控制、强化产品特性分析、强化要求传递与落实检查、强化试验覆盖性和有效性验证、强化产品状态控制和归零管理以及强化研制过程正向质量确认)，有效保证了空间站产品质量受控。

2.1 强化风险识别与控制

航天器风险管理能力对航天器任务的顺利实施和圆满完成至关重要[6]，空间站始终将风险识别与控制工作作为产品保证的重中之重。我国载人航天器研制具有明显的阶段性[7]，空间站风险识别与控制工作主要分为综合论证与方案阶段评估、初样验证阶段评估、正样生产阶段评估、关键技术验证阶段评估、组装建造和运营阶段评估5个阶段。

综合论证与方案阶段，空间站重点从大系统设计方案的可行性、合理性、新技术应用性和成熟产品核心技术的继承性等方面，开展系统顶层风险的识别，识别出了推进剂补加、物化式再生生保、电源、机械臂等四项风险较大项目列为论证和方案阶段关键技术以及大型变结构组合体动力学和控制技术等技术难点，并提前组织相关单位开展技术攻关、方案验证机生产以及核心关键功能指标的可行性验证，避免方案设计出现重大反复风险。

初样验证阶段利用故障模式及影响分析(FMEA)、故障树分析(FTA)以及相关性故障分析(CFTA)等方法，充分识别研制风险。同时加强产品关键特性识别，确定产品设计关键特性、工艺关键特性和过程控制关键特性，制定量化、可检查、可评价的控制措施，并加强初样测试和试验覆盖性分析，制定空间站系统级、飞行器级、分析同级以及单机级设计验证矩阵，并根据飞行任务剖面，确定各项试验条件，确保地面验证覆盖在轨飞行工况。总体组织对系统级、飞行器级和关键试验方案及试验总结进行评审、审查，并组织对单机鉴定试验后进行开盖检查，确保试验验证充分，设计风险得到有效控制。

在正样产品投产前，组织各单机单位开展了单机产品生产准备评审，确保产品生产基线与鉴定状态一致。同时加强状态变化的识别并进行严格管控，如元器件和材料规格的更改、辅助材料和工艺的更改、生产单位的变更等，均按照更改五条原则进行了严格管理。

关键技术验证、组装建造和运营是空间站区别于其他航天器的重要阶段，该阶段的风险识别与控制重点是考虑飞行器单飞、交会对接和组合体控制等不同构型状态对系统风险的影响。关键技术验证阶段重点是针对地面研制过程中，对于地面无法真实模拟验证的设计状态，如大型变结构动力学控制、柔性太阳翼在轨参数辨识、再生生保等进行全面的在轨验证，为后续空间站建造和运营阶段航天员安全和平台稳定可靠奠定基础。

组装建造和运营阶段重点是针对空间站在轨长寿命需求，加强关键系统、关键功能的在轨状态监视，尽早识别出可能存在的风险，建立常规维护和应急维护策略。

2.2 强化关键产品管理

严格关键产品管理，全面识别关键项目、关重件，设置关键强制检验点，明确量化控制措施，严格产品过程管理及验收把关。如核心舱共识别关键项目102项、关重件733项，设置408项强制检验点、1225项关键检验点，控制措施均制定了量化可实施的检验项目、检验方法、合格判据。产品研制过程中，单机和分系统收集汇总原始数据，总体与分系统对强制检验点进行现场确认。验收过程中，总体验收组对过程控制原始数据的完整性、有效性、可追溯性进行检查确认，产品制造、装配和测试过程受控，关键项目、关重件控制措施100%落实，控制结果满足要求。

针对推进主承力模块、机械臂、再生生保子系统组件等大型复杂产品，总体验收检查层级由一级配套延伸至阀门、传感器、关节、末端执行器等产品内部的部组件级功能单元，对产品研制过程数据包和产品保证要素落实情况进行了检查确认。

同时为确保产品功能性能最优，严格产品超差偏离管理，对产品关重特性以及关键/强制检验点指标不允许超差和偏离，一般产品超差偏离由主管副总师审批，进一步加强超差偏离控制，实现了核心舱出厂阶段仅1项一般超差。

2.3 强化三舱通用化设计

针对空间站在轨组装建造及长寿命特点，空间站开展了自系统到单机的通用化设计，整体开展系统设计、三舱跨舱段的系统资源融合使用。

空间站系统总体统一制定了17份空间站建造规范，以规范空间站各舱段的总体系统设计、分系统和单机设计和研制过程中的技术和管理行为，指导产品设计，固化生产过程工艺，提升空间站产品的设计和研制水平。空间站采用能源、信息、测控链路、控制、环热控一体化设计，实现三舱融合和统一调配，统一开展长寿命验证试验。

空间站三舱单机产品开展了通用化设计，三舱通用设备约600台，两舱通用设备约200台，实验舱I通用化比例74.8%，实验舱II通用化比例86.8%，降低了地面研制成本和周期减少了在轨维修备件储存需求。

2.4 强化要求传递与落实检查

空间站研制过程中充分继承已有航天器产品保证工作的成功经验，结合空间站三个飞行器在轨组装的任务特点，对产保工作方法进行必要的改进完善，保证空间站产品保证工作与研制工作同步策划、同步落实、同步检查、同步总结。通过产品保证要求，形成空间站系统总体、飞行器总体、分系统总体、单机及部组件逐级自上向下逐级抓产保大纲、产保计划，自下向上逐级落实产品保证要求的产品保证工作贯彻机制(见图1)，确保空间站研制满足要求。

其中，针对空间站系统各层级承研单位均需要执行落实的通用产品保证要求，由空间站系统统一制定和下发；各飞行器总体在落实空间站系统总体要求的同时，根据飞行器自身特殊特点，提出飞行器产品保证要求；各分系统综合空间站系统总体和飞行器总体产品保证要求，结合分系统自身特点，提出分系统产品保证要求。

2.5 强化试验覆盖性和有效性验证

测试覆盖性分析和检查是加强产品研制过程质量控制的重要手段之一[8]。为确保空间站地面研制阶段验证充分、有效，空间站从工程总体指标要求验证、系统总体指标要求验证、关键技术攻关要求验证、大系统接口验证、主要功能验证、飞行事件验证、发射飞控工作验证、故障模式与对策验证、可靠性安全性验证等9个方面深入开展试验覆盖性分析：

(1)分解工程总体对空间站技术要求，梳理出每项技术要求对应的试验验证项目；

(2)分解空间站总体对飞行器的技术要求，梳理出每项技术要求对应的验证试验项目；

(3)针对空间站关键技术攻关要求，梳理出每项技术要求对应的验证试验项目；

(4)针对与各大系统的接口关系，从机、电、热等方面接口分析梳理出相应的验证试验项目；

(5)根据整舱主要系统功能，进一步分解成不同的子功能，梳理每个子功能的验证项目；

(6)针对飞行程序不同阶段的每个事件进行分解并梳理出相应事件的验证试验项目；

(7)针对整舱主要故障模式进行分析，确定故障对策的验证试验项目概述；

(8)针对发射场的每项工作，梳理相应的验证试验项目；

(9)根据可靠性、安全性要求，识别确定需要进行的可靠性安全性验证项目。

以核心舱为例，通过深入开展测试覆盖性分析，共策划验证试验787项，包括单舱验证项目30项、系统级专项试验24项、分系统级试验项目34项、大系统间联试项目39项、可靠性安全性及寿命试验172项以及488项极限拉偏试验。

为确保试验验证有效，组织各分系统和单机承研单位，按照飞行任务剖面，识别各类产品在轨飞行工况和飞行环境，确定各类试验条件和试验状态。针对由于天地差异、地面试验难以模拟真实工作条件或缺少完整验证现场，导致设计验证不充分的风险，通过实物试验与仿真、半物理仿真验证结合以及试验现场分解的方式进行验证。如针对机械臂转位实验舱任务，在转位开始后，机械臂各关节要按照给定的关节角速度运动，带动实验舱从节点舱轴向转动至节点舱侧向，期间舱体需持续进行喷气。为此，利用气浮台模拟零重力空间环境，开展机械臂转位功能试验和转位任务试验，分别验证机械臂捕获、连接、解锁和分离功能，以及转位时序的正确性；利用对接机构产品和数字机械臂开展转位再对接半物理仿真试验，验证转位过程中控制方案的正确性、动力学特性及与对接机构协同程序的匹配性。

同时为了解决大批量使用无在轨应用经验的新研国产元器件的质量风险问题，空间站系统配合五院物资部系统性开展了2个批次的自主可控元器件的应用验证工作，提前识别出20余项质量问题并进行了改进，保证了元器件在空间站的顺利应用。目前各类器件在轨工作良好，未发生由于元器件地面应用验证不充分导致在轨工作异常。

2.6 强化产品状态控制和归零管理

技术状态控制和归零管理是全面质量管理过程中的重要环节[9]。空间站重点针对空间站产品三舱通用的特点，进一步强化产品技术状态更改及质量问题归零举一反三的管理。

2.6.1 产品技术状态管理

空间站系统总体负责系统、通用产品和飞行器间接口的状态管理。以空间站系统对各舱段的技术要求、各舱段间接口，以及通用产品设计规范等文件为依据，涉及飞行器的功能、性能、指标、对外接口和通用产品的技术状态由空间站系统负责。各飞行器总体负责本飞行器的状态管理，并报系统总体备案。空间站核心舱研制阶段发生技术状态更改94项，均按要求进行了相应级别审批，涉及通用产品的36项状态更改均由空间站系统进行了审批，并组织实验舱I和实验舱II进行了技术状态更改落实，有效保证了三舱通用产品研制过程技术状态统一，为后续在轨维修方案设计及维修备件研制奠定基础。

2.6.2 质量问题归零管理

质量问题按其发生阶段分为单机研制阶段、分系统联试阶段、AIT阶段和组合体测试阶段。其中，单机研制及分系统联试阶段发生质量问题由飞行器总体组织归零，关键单机、通用产品由飞行器组织归零，系统总体和相关飞行器总体参加归零评审；AIT阶段质量问题由飞行器总体组织，关键单机、通用产品发生质量问题时，由飞行器总体组织归零，系统总体、相关飞行器总体参加。通过采取上述措施，实现了三舱质量问题信息及时传递、举一反三全面有效。

2.7 强化研制过程正向质量确认

为保证空间站产品满足要求、研制质量受控，空间站将传统产品保证事后确认的方式，改为边工作、边确认、边签署的并行工作模式，结合研制进展同步开展了质量确认工作，并按照“单机产品验收、系统总装、系统测试、出厂试验、软件落焊、出厂准备”等关键技术点分步开展质量确认工作，做到边研制边确认，避免研制工作的反复。质量确认重点能源相关的太阳翼、对日定向装置、驱动机构、综合驱动控制器、分流调节器、扩展电源控制器等配套产品的测试与验证的正确性和有效性，机械臂、出舱相关的1 m出舱舱门以及舱外云台灯，与应用系统相关的载荷适配器被动端、载荷回路四通阀、应用真空截止阀、应用排放阀、应用真空复压阀、真空计截止阀等配套产品的功能和性能，对接与控制相关的转位机构转臂、主动对接控制器、空空通信机等相关产品的设计和交付状态以及链路测试的覆盖性和有效性。

空间站出厂前充分发挥集团内外相关领域专家作用，从运营可靠性、机械臂、能源系统、动力与控制、环热控共5个方面开展了独立评估，有效识别和控制重大技术风险。同时，通过质量确认可提升研制过程质量管理的效率和效果[10]，空间站研制阶段充分利用质量确认系统，开展出厂前和发射场质量确认工作，确认内容覆盖了精测、检漏结果，火工品阻值测试，机械臂、对接机构、中继天线等关键单机状态，综合测试结果，设备安装极性，运输前后状态，技术状态变化，强制检验点，技术风险控制，质量问题归零及举一反三等118类234项共计3109个关键项目和产品。

3 结束语

空间站产品保证工作在充分继承以往航天器产品保证经验的基础上，结合空间站研制任务特点，在风险识别与控制、产品特性分析、产品保证要求传递与落实检查、试验验证覆盖性和有效性、产品技术状态更改控制和质量问题归零管理、研制过程质量确认等方面，制定了6类126项针对性的产品保证措施。通过有效组织开展各类行之有效的产品保证活动，5项关键新技术、314项国产化器件、50项新模式、1116台新产品得到有效验证，248项研制风险得到有效控制，确保了空间站产品设计可靠性、验证充分性以及系统方案的正确性，实现了空间站三个飞行器连续发射成功、在轨组装，空间站关键技术验证和组装建造任务取得圆满成功，并为后续长期稳定运行奠定坚实基础。