◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 劉秉等

關(guān)鍵事件矩陣分析方法在運載火箭研制中的實踐

◎北京宇航系統(tǒng)工程研究所 劉秉等*

以新一代運載火箭的具體實踐為例，介紹了關(guān)鍵事件矩陣分析的工作流程、實施細節(jié)、實踐效果及后續(xù)工作思路。關(guān)鍵事件矩陣分析方法采用“1條主線、4個層面、5個要素、4個閉合”的具體工作模式，并成功應用到其它型號研制實踐工作中。

運載火箭全箭測試及飛行過程狀態(tài)復雜，一個指令從發(fā)出到執(zhí)行往往需要多個系統(tǒng)（單機）之間配合，涉及電、液、氣等多種物理狀態(tài)之間的信息傳遞。設(shè)計人員一般是在以往的設(shè)計基礎(chǔ)上加以改進，沒有形成系統(tǒng)的分析方法，會造成質(zhì)量問題多發(fā)的現(xiàn)象。為確保全箭方案設(shè)計的正確性與接口設(shè)計的協(xié)調(diào)性，提前暴露薄弱環(huán)節(jié)，新一代運載火箭開展了測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析工作。

關(guān)鍵事件矩陣分析方法的運用是確保型號研制順利進行的有效措施之一，通過該工作模式可以系統(tǒng)分析和梳理各單機、系統(tǒng)間接口及信息流的傳遞過程，對于某一事件或信息流由哪個單機或系統(tǒng)產(chǎn)生，經(jīng)過哪些單機或系統(tǒng)最終完成事件或信息流的傳遞，均可以從關(guān)鍵事件矩陣分析工作中進行檢查和梳理。通過這項工作，檢查所有接口外圍條件是否閉合，“動態(tài)”地細化和梳理接口關(guān)系。因此，通過關(guān)鍵事件矩陣分析可以達到全箭再協(xié)調(diào)、技術(shù)細節(jié)再認識、量化控制再深化、全箭動態(tài)仿真、型號設(shè)計再閉合的目的。

一、新一代火箭測試及飛行過程的特點

新一代大型運載火箭在新技術(shù)應用、運載能力提升等方面均實現(xiàn)了較大的跨越，隨之而來的是運載火箭研制難度的增加。綜合分析新一代運載火箭技術(shù)方案，其呈現(xiàn)出以下特點：

一是時序動作多、電磁閥多、火工品多。據(jù)初步統(tǒng)計，新一代運載火箭的火工品數(shù)量（不含分離火箭）分別約為CZ-3B、CZ-2F火箭 的1.85和1.71倍；新一代運載火箭的閥門及電磁閥數(shù)量分別約為CZ-3B火箭的4.54和44.2倍。電磁閥和火工品的數(shù)量增多直接導致測試發(fā)射與飛行過程時序動作增加。

二是火箭核心的點火、分離、增壓等時序涉及的環(huán)節(jié)多。點火時序涉及到箭上及地面若干系統(tǒng)，且系統(tǒng)間有一定的配合關(guān)系，如發(fā)射前增壓和加注控制涉及到測量、動力測控、加注控制、發(fā)射平臺等若干系統(tǒng)與設(shè)備，信息傳輸鏈路長。同一個時序的完成涉及的專業(yè)多，如一個增壓動作的實現(xiàn)需要測量系統(tǒng)的傳感器進行壓力測量，控制系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯運算和增壓控制，增壓系統(tǒng)完成閥門動作。

三是火箭的系統(tǒng)接口復雜?；鸺郎y試發(fā)射和飛行控制過程有控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)、發(fā)動機、動力測控系統(tǒng)、發(fā)射支持系統(tǒng)等多系統(tǒng)參與，雖然已經(jīng)進行了優(yōu)化設(shè)計，簡化了系統(tǒng)接口，但仍然呈現(xiàn)出系統(tǒng)接口復雜的特點。

二、關(guān)鍵事件矩陣分析工作方法

1．工作流程

關(guān)鍵事件矩陣分析工作遵循“總體牽頭，分系統(tǒng)參與，共同確認”的原則，總體提出測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析的具體要求，分系統(tǒng)分析本系統(tǒng)在關(guān)鍵事件中的輸入輸出及具體工作，總體確認分系統(tǒng)間接口正確性，確保關(guān)鍵事件系統(tǒng)間工作協(xié)調(diào)、閉合，滿足型號要求。詳細工作流程如圖1所示。

圖1 關(guān)鍵事件矩陣分析工作流程圖

2．關(guān)鍵事件矩陣分析思路

測試發(fā)射及飛行過程關(guān)鍵事件矩陣分析工作遵循“1條主線、4個層面、5個要素、4個閉合”的工作方法，實現(xiàn)再分析、再設(shè)計、再閉合的管控。

1條主線以測試和發(fā)射關(guān)鍵事件為主線，總體系統(tǒng)梳理測試和發(fā)射過程關(guān)鍵事件，以此作為矩陣分析的輸入條件。

4個層面是圍繞主線界定分析工作的層面。一是時段層面。時段是人為劃分的時間區(qū)域，即將全箭測試發(fā)射和飛行過程分為若干個時段，包括加注、點火、一級飛行、助推關(guān)機、助推分離、級間分離、整流罩分離、二級飛行等時段。二是事件層面。事件是某一時刻同時發(fā)生的若干個“動作”的集合，即相對于某一統(tǒng)一的時刻，全箭各系統(tǒng)在此時刻需要完成的動作。三是時序?qū)用?。時序是在某一時刻某系統(tǒng)所需要完成的指令，即在火箭發(fā)射流中某一時刻發(fā)生的以單獨代號命名的一個指令，其包含了一系列信息流的傳遞，往往需要2個或2個以上的系統(tǒng)參與其中才能完成。四是動作層面。動作是系統(tǒng)和單機實現(xiàn)的細節(jié)，如繼電器的動作等。過程層面考慮的是動作實現(xiàn)的細節(jié)和過程。

5個要素在關(guān)鍵事件矩陣分析工作中實現(xiàn)五維矩陣的交叉分析。一是物理要素，各系統(tǒng)、各單機要闡述具體動作的物理意義，即該動作在物理上的具體實現(xiàn)過程。二是時間要素，即矩陣分析的一個坐標軸，尤其要考慮時序的精度對動作實現(xiàn)過程的影響。三是信息要素，圍繞信息傳遞開展矩陣分析，量化信息流的方向。四是動作要素，圍繞每一個動作詳細闡述動作的輸入、響應和輸出過程。五是硬件要素，圍繞過程層面開展技術(shù)細節(jié)梳理，闡述動作實現(xiàn)過程所涉及的硬件。

4個閉合是矩陣分析工作實現(xiàn)4個層面的閉合，最終目的是發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。一是功能設(shè)計實現(xiàn)的閉合，在基本的接口設(shè)計、功能實現(xiàn)上實現(xiàn)閉合。二是設(shè)計余度保障的閉合，針對飛行中的關(guān)鍵動作，系統(tǒng)和單機要明確設(shè)計余度。三是可靠性措施的閉合，針對分析發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，系統(tǒng)和單機要落實可靠性措施。四是驗證環(huán)節(jié)落實的閉合，針對事件、動作、過程等不同層面，總體、系統(tǒng)和單機均需落實驗證環(huán)節(jié)。

3．命名規(guī)范及表格說明

筆者在此以點火時間段為典型分析對象，說明關(guān)鍵事件矩陣分析命名規(guī)范及矩陣分析方法。

（1）點火時間段關(guān)鍵事件分析對象的建立

依據(jù)新一代運載火箭初樣階段的E構(gòu)型飛行時序以及動力系統(tǒng)工作程序等有關(guān)設(shè)計文件，從點火到起飛時間段的關(guān)鍵事件矩陣時序（包含箭上、地面的動作）如圖2所示。

（2）測試發(fā)射過程的命名規(guī)范

圖2表示了點火段的時序（局部），每個時刻用一根豎線來表示，每個時刻所發(fā)生動作的全體被稱為一個事件，一個事件可以包含多個時序和動作。點火時段包含了從點火0秒到火箭起飛指令發(fā)出為止的時間區(qū)域，命名為DH。

按照時間順序，點火時段第一個發(fā)生的事件命名為DH110，第二個發(fā)生的事件命名為DH120，以此類推。DH110和DH120之間間隔10個序列，特殊、臨時增加的事件可補充在這10個序列之間，備后續(xù)分析中添加事件。例如，隨著分析工作的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)在事件DH110和DH120之間的時間段還有若干個事件發(fā)生，那么可以將這些事件命名為DH111至DH119。需要說明的是，數(shù)字編號僅反映時序發(fā)生的先后時間關(guān)系，與數(shù)字本身數(shù)值的大小無關(guān)。

圖2 點火段關(guān)鍵事件矩陣分析時序

事件以發(fā)生時間排序，同一時間發(fā)生的為一個事件，如1D3C、1D4/6C等10個時序均在同一時刻發(fā)出，那么編號為DH110，每一個時序分別編號為DH110.1D3C、DH110.1D4/6C等。

時序的概念是某一時刻同時發(fā)生的若干個動作的集合，點火段共有58個時序發(fā)生。例如，點火時段圖2中第一根豎線所表示時刻發(fā)生動作的全體被命名為事件DH110，其包含10個時序（見表1）；事件DH120包含3個時序（見表1）。涉及到電磁閥、氣路閥門和火工品的開閉，在事件代號后面標注↑、↓分別表示時序發(fā)出時為通電和斷電。

總結(jié)上述分析，時段、事件、時序之間的相互關(guān)系如圖3所示（由于動作含在每一個具體時序中，因此沒有在圖中表示）。動作與時序之間關(guān)系詳見表2。

表1 點火時段所包含事件列表(部分)

圖3 時段、事件、時序之間的相互關(guān)系示意圖

三、實踐效果與后續(xù)工作思路

1．實施效果

新一代運載火箭目前完成了全箭飛行過程的關(guān)鍵事件矩陣分析，解決了功能實現(xiàn)設(shè)計、設(shè)計余度和可靠性措施的閉合問題。

以D110.1TOC為例，點火段關(guān)鍵事件矩陣分析情況見表2。按照此方法，以每一個動作涉及的系統(tǒng)為單位，對點火時段的58個時序均進行了詳細分析。DH110.1TOC為編號DH110事件中的一個時序，該時序涉及3個動作，分別由控制系統(tǒng)、發(fā)動機、測量系統(tǒng)完成信息傳遞。每個系統(tǒng)（單機）均獨自進行本系統(tǒng)（單機）的事件信息傳遞分析，包括本系統(tǒng)（單機）的輸入接口、動作輸出及動作時間精度、輸出接口。

表2 點火段關(guān)鍵事件矩陣分析表（局部）

按照信息流的傳遞順序，經(jīng)過總體歸納分析和比對可以發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)間接口是否匹配，計算出從時序發(fā)生到執(zhí)行結(jié)束總共需要的時間。針對測試發(fā)射過程的每一個發(fā)生的時序均進行如此分析和比對，徹底清查各系統(tǒng)（單機）之間的接口是否匹配，確保設(shè)計質(zhì)量。

2．今后的工作設(shè)想

針對新一代運載火箭，后續(xù)將完善并固化測試發(fā)射和飛行關(guān)鍵事件矩陣分析方法，并以此為基礎(chǔ)開展加注和預冷時段的分析工作。

在設(shè)計階段運用該工作方法能夠有效地實現(xiàn)全箭設(shè)計閉合，對設(shè)計質(zhì)量進行全面檢查，明顯減少設(shè)計質(zhì)量問題，并可進一步推廣到其它型號借鑒使用。目前，關(guān)鍵事件矩陣分析方法不僅在新一代大、中型運載火箭研制中成功進行了實踐，同時，該方法還對戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器型號的技術(shù)狀態(tài)復查和質(zhì)量管控有著積極的實踐意義。在武器型號分別進行了飛行時序動作分析確認工作，以每一個飛行時序動作為牽引，對影響成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)的輸入條件、輸出結(jié)果、設(shè)計指標及滿足等情況進行系統(tǒng)梳理，查找需要進一步分析和確認的問題，從而辨識和控制技術(shù)上可能存在的風險與隱患，最終得出從動作要求、動作實現(xiàn)到動作執(zhí)行能夠完整閉合的推演分析結(jié)論。

關(guān)鍵事件矩陣分析的工作實踐表明，該方法可作為設(shè)計的閉環(huán)確認和潛在風險的辨識及控制的一種有效方法，為后續(xù)型號研制借鑒使用。?

*其他作者：李東、婁路亮、何巍、陳海鵬、牟宇