楊慶 黃震 吳文瑞 張柏楠 楊雷

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

多用途飛船縮比返回艙創(chuàng)新研制管理模式探索

楊慶 黃震 吳文瑞 張柏楠 楊雷

(中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部,北京 100094)

為驗證新一代載人飛船返回艙新氣動構(gòu)型、可重復(fù)使用等關(guān)鍵技術(shù),研制多用途飛船縮比返回艙,并開展關(guān)鍵技術(shù)在軌演示驗證飛行試驗,探索并實踐預(yù)研成果與型號相結(jié)合的創(chuàng)新研制管理模式,采用一步飛行產(chǎn)品投產(chǎn),按照方案階段和飛行演示階段規(guī)劃研制流程,對照衛(wèi)星和飛船等航天器開展全生命周期計劃管理和關(guān)鍵節(jié)點調(diào)度,制定適應(yīng)性產(chǎn)品保證體系,實施產(chǎn)品分類質(zhì)量管控,圓滿完成項目研制和飛行任務(wù)實施,達到了預(yù)期試驗?zāi)康?。該項目研制實現(xiàn)了預(yù)研項目與型號研制的有機結(jié)合,拓展了研發(fā)范疇,為提升研發(fā)成果探索了新路徑。

多用途飛船;縮比返回艙;項目管理;飛行試驗

1 引言

為滿足我國載人深空探測任務(wù)、在軌服務(wù)應(yīng)用的任務(wù)需求以及低成本天地往返運輸?shù)氖褂眯枨?迫切需要研制新一代天地往返運輸系統(tǒng)。當(dāng)前,美、俄等國均在加緊研制功能和性能更強的新一代多用途飛船[1-7],瞄準(zhǔn)空間站、載人登月、載人深空探測等多個領(lǐng)域,紛紛開展飛行試驗,在未來幾年內(nèi)將具備載人飛行能力。

本文介紹了利用長征七號運載火箭首飛機會,研制的多用途飛船縮比返回艙,并對新一代載人飛船氣動構(gòu)型設(shè)計與驗證等關(guān)鍵技術(shù)進行在軌演示驗證,為研制新一代載人飛船奠定基礎(chǔ)。項目在借鑒以往載人航天工程管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,結(jié)合任務(wù)及研制特點,采用了創(chuàng)新研制管理模式,圓滿組織完成了項目研制和飛行任務(wù)實施,達到了飛行試驗?zāi)康摹?/p>

2 縮比返回艙方案概述

多用途飛船縮比返回艙為長征七號運載火箭首飛的主要載荷之一,其主要任務(wù)是通過飛行試驗,獲取新氣動外形返回艙的氣動數(shù)據(jù),驗證返回艙氣動外形設(shè)計,同時對新一代載人飛船可重復(fù)使用設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)進行探索和驗證。

受運載火箭包絡(luò)和首飛載荷質(zhì)量限制,按照氣動相似原理,多用途飛船縮比返回艙的外形尺寸相對新一代載人飛船返回艙采用一定比例縮比,如圖1所示?？s比返回艙設(shè)置了構(gòu)型與承載、姿態(tài)與軌道控制、氣動測量、回收、信息管理、能源管理和熱管理等7個功能,共配置124臺/套設(shè)備?？s比返回艙發(fā)射入軌后,利用火箭末級完成在軌飛行期間的姿態(tài)與軌道控制以及返回制動,與末級分離后,返回艙自主起旋,采用慢速自主升旋無控再入飛行模式,再入飛行期間利用配置的氣動測量傳感器完成動壓、溫度/熱流等參數(shù)的測量,并存儲在黑匣子中。返回地面后,通過彈道重建和氣動參數(shù)解算獲取氣動力/熱參數(shù),用于評估返回艙氣動外形。

3 項目研制特點

1)工程研制管理模式新

本項目是基于載人航天后續(xù)任務(wù)綜合論證和相關(guān)預(yù)先研究成果,策劃并實施的一次關(guān)鍵技術(shù)在軌飛行演示試驗,主要目的是突破關(guān)鍵技術(shù),為新一代載人飛船研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

該項目在任務(wù)性質(zhì)、工程組織實施管理等方面都與目前正在實施的神舟飛船、貨運飛船等載人航天工程項目不同,因此,不能完全照搬目前的載人航天工程研制體系,須探索預(yù)研成果與型號相結(jié)合的項目研制管理模式。

2)研制周期短

多用途飛船縮比返回艙為全新的項目,從開始搭載立項論證到完成出廠僅30個月,研制周期短,因此需要在進度約束下,統(tǒng)籌規(guī)劃研制技術(shù)和計劃流程。

3)產(chǎn)品狀態(tài)復(fù)雜

為滿足研制任務(wù)要求,大量使用了神舟飛船返回產(chǎn)品,采用了其他型號成熟設(shè)備,使用了多臺商業(yè)采購產(chǎn)品,并搭載了多臺載荷設(shè)備,返回艙上產(chǎn)品構(gòu)成及狀態(tài)復(fù)雜。不能完全照搬其他載人航天器產(chǎn)品保證要求,須根據(jù)本次飛行試驗任務(wù)目標(biāo),在衛(wèi)星和飛船等型號通用產(chǎn)品保證相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,結(jié)合多用途飛船縮比返回艙產(chǎn)品特點,探索制定適應(yīng)性的產(chǎn)品保證要求。

4 項目創(chuàng)新研制管理實踐

結(jié)合項目研制特點,從項目組織管理、項目研制流程規(guī)劃與組織實施、復(fù)雜狀態(tài)產(chǎn)品保證管理等方面進行了創(chuàng)新性探索與實踐。

4.1 拓展載人航天研發(fā)范疇

通過在軌演示,拓展了載人航天研發(fā)范疇。項目探索并實踐了預(yù)研與型號相結(jié)合的載人航天工程項目組織管理模式。項目成果應(yīng)用單位(用戶)與項目研制抓總單位簽署研制合同,并按型號要求組織開展項目研制、發(fā)射任務(wù)實施和飛行任務(wù)總結(jié),同時按合同要求完成項目結(jié)題驗收,對預(yù)研成果的在軌演示驗證情況進行總結(jié);項目研制抓總單位將項目納入科研生產(chǎn)管理,根據(jù)用戶要求組織完成項目研制、發(fā)射和任務(wù)總結(jié)。

通過一次飛行試驗,實施了多項關(guān)鍵技術(shù)集成演示驗證,拓展了載人航天研發(fā)范疇,為提升載人航天預(yù)研成果提供了新途徑,并積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

4.2 制定飛行演示研制流程

結(jié)合項目研制周期短的特點,統(tǒng)籌優(yōu)化,按照方案階段和飛行演示階段規(guī)劃研制流程,對研制技術(shù)流程和計劃流程實施統(tǒng)籌策劃和精細(xì)安排,方案設(shè)計、仿真分析、試驗驗證、詳細(xì)設(shè)計和產(chǎn)品投產(chǎn)交付等多條線研制工作同步開展,并結(jié)合多用途飛船縮比返回艙熱控和結(jié)構(gòu)設(shè)計特點,采用力熱仿真分析和虛擬力熱試驗,替代大型力熱實物試驗,全面使用電纜三維數(shù)字化設(shè)計制造、三維虛擬總裝設(shè)計及裝配、全三維無圖紙數(shù)字化現(xiàn)場總裝等數(shù)字化設(shè)計、仿真與制造技術(shù),優(yōu)化研制流程,縮短研制周期。

4.3 按照正樣型號計劃管理

為不影響火箭首飛進度,節(jié)點調(diào)度按照項目科研生產(chǎn)管理要求,借鑒其他載人航天器型號經(jīng)驗,開展全生命周期和年度工作項目策劃,制定詳細(xì)的計劃流程,定期召開調(diào)度會,對計劃節(jié)點和短線項目實施動態(tài)跟蹤管控,確保研制進度。

4.4 創(chuàng)新產(chǎn)品分類質(zhì)量管控

在產(chǎn)品保證管理方面,為確保返回艙產(chǎn)品質(zhì)量,根據(jù)產(chǎn)品特點,對配套的124臺/套產(chǎn)品進行合理分類,分為A～G七類,如表1所示。以取得關(guān)鍵技術(shù)飛行演示驗證試驗任務(wù)成功為目標(biāo),在借鑒衛(wèi)星和飛船等型號通用產(chǎn)品保證相關(guān)要求的基礎(chǔ)上,圍繞產(chǎn)品保證管理、質(zhì)量保證、可靠性保證、安全性保證、空間環(huán)境適應(yīng)性保證、元器件保證、原材料及工藝保證、軟件保證、地面設(shè)備保證等產(chǎn)品保證要素,制定了適應(yīng)性的產(chǎn)品保證大綱、要求和計劃,并經(jīng)過專家評審確認(rèn),作為開展產(chǎn)品分類質(zhì)量保證管理的依據(jù)。

表1 多用途飛船縮比返回艙產(chǎn)品分類說明Table 1 Product classification of scaled-down crew capsule

由表1可知,針對不同類產(chǎn)品的特點,產(chǎn)品質(zhì)量管理保證工作也不一樣,具體要求如下。

1)A～D類

A～D類產(chǎn)品涉及平臺的關(guān)鍵產(chǎn)品,須嚴(yán)格按照神舟飛船、貨運飛船等載人航天器通用型號的產(chǎn)品保證要求開展產(chǎn)品保證管理,確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2)E類產(chǎn)品

E類產(chǎn)品為返回艙平臺非關(guān)鍵產(chǎn)品,產(chǎn)品工作失效對系統(tǒng)功能、性能不會產(chǎn)生較大的影響。采取以下產(chǎn)品保證管理措施:總體制定產(chǎn)品技術(shù)要求,明確功能、性能、對外接口和產(chǎn)品保證管理相關(guān)要求;產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗和測試期間,重點對產(chǎn)品的外部接口、功能、性能、設(shè)備配套、產(chǎn)品狀態(tài)(工藝件或正樣件)實施技術(shù)狀態(tài)控制;要求產(chǎn)品承制單位梳理產(chǎn)品使用的元器件、原材料和工藝清單,并備案;允許按照產(chǎn)品承制單位相關(guān)質(zhì)量管理要求開展元器件、原材料和工藝保證工作,但要按照項目環(huán)境試驗規(guī)范要求100%通過驗收級力學(xué)和熱環(huán)境試驗考核,以通過整機環(huán)境應(yīng)力篩選,確保產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性;允許按照產(chǎn)品承制單位相關(guān)軟件管理要求開展產(chǎn)品軟件質(zhì)量管理,但要求開展測試覆蓋性分析,在產(chǎn)品交付前加強單機產(chǎn)品測試,以充分暴露軟件設(shè)計等問題,產(chǎn)品交付后總體加強系統(tǒng)綜合測試,確保軟件測試充分;制定產(chǎn)品驗收要求,精簡產(chǎn)品交付數(shù)據(jù)包,主要包括產(chǎn)品測試報告、產(chǎn)品環(huán)境試驗報告、專項試驗報告、測試覆蓋性檢查報告、研制(質(zhì)量)總結(jié)報告、產(chǎn)品證明書和履歷書,并加強產(chǎn)品驗收過程管理,對產(chǎn)品功能、性能和接口等要求的符合性進行確認(rèn)。

3)F類產(chǎn)品

F類產(chǎn)品涉及平臺關(guān)鍵產(chǎn)品?？s比返回艙使用該類產(chǎn)品的目的是通過飛行試驗對單機產(chǎn)品的可重復(fù)使用技術(shù)進行探索和評估。產(chǎn)品包括以下兩類:第一類是直接繼承返回狀態(tài)的產(chǎn)品;第二類是在繼承返回狀態(tài)基礎(chǔ)上進行適當(dāng)更改的產(chǎn)品。為確保返回產(chǎn)品滿足任務(wù)使用要求,采取以下措施:

(1)策劃并實施了返回產(chǎn)品可重復(fù)使用專項試驗。選取其他若干臺典型的神舟飛船返回產(chǎn)品,按照神舟飛船產(chǎn)品環(huán)境試驗規(guī)范要求,開展20次驗收級正弦振動-隨機振動-沖擊力學(xué)環(huán)境循環(huán)試驗,每次試驗后測試產(chǎn)品性能指標(biāo),并進行開蓋,檢查設(shè)備內(nèi)部印制板和元器件受損情況,對返回產(chǎn)品經(jīng)歷多次力學(xué)環(huán)境后的可重復(fù)使用能力進行評估,對返回艙上使用的返回產(chǎn)品是否具備再次飛行能力進行旁證。

(2)從功能、性能、對外接口和使用環(huán)境等方面開展返回產(chǎn)品的任務(wù)適應(yīng)性分析,并由原單機承制單位將返回產(chǎn)品取回進行復(fù)測。對于第一類返回產(chǎn)品,經(jīng)復(fù)測合格后直接交付使用,元器件、原材料和工藝維持返回狀態(tài)不變,軟件隨硬件一并復(fù)測并交付;對于第二類返回產(chǎn)品,嚴(yán)格按照神舟飛船等載人航天器技術(shù)狀態(tài)管理要求實施更改論證,更改涉及的元器件、原材料或工藝選用按照原型號要求執(zhí)行,完成產(chǎn)品更改及測試驗證后,按照環(huán)境試驗規(guī)范要求補充開展環(huán)境試驗,軟件按照原型號軟件工程化要求開展分類管理、需求分析、更動論證、第三方回歸評測和軟件驗收。

(3)簡化返回產(chǎn)品的數(shù)據(jù)包,返回產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)等過程數(shù)據(jù)包文件均沿用神舟飛船,交付數(shù)據(jù)包文件包括產(chǎn)品復(fù)測報告(第一類返回產(chǎn)品)、產(chǎn)品復(fù)測及更改總結(jié)報告(第二類返回產(chǎn)品)、產(chǎn)品證明書和履歷書。

4)G類產(chǎn)品

制定對有效載荷產(chǎn)品的接口要求,明確機械、供電、熱控、信息等接口和安全性相關(guān)要求;載荷研制期間,對產(chǎn)品的外部接口、設(shè)備配套、產(chǎn)品狀態(tài)(工藝件或正樣件)實施技術(shù)狀態(tài)控制;載荷按照項目環(huán)境試驗規(guī)范要求100%通過驗收級力學(xué)和熱環(huán)境試驗考核,并開展電磁兼容性試驗(EMC)的分析和測試,確保有效載荷不影響返回艙平臺產(chǎn)品;制定產(chǎn)品驗收要求,明確產(chǎn)品數(shù)據(jù)包及具體交付驗收要求,交付數(shù)據(jù)包主要包括產(chǎn)品接口測試報告、產(chǎn)品環(huán)境試驗報告、專項試驗報告、接口測試覆蓋性檢查報告、研制(質(zhì)量)總結(jié)報告、產(chǎn)品證明書和履歷書,驗收過程中加強對載荷與平臺接口的設(shè)計與驗證確認(rèn)。

4.5 嘗試扁平化項目管理

多用途飛船縮比返回艙研制取消了分系統(tǒng)設(shè)置,采用“總體-單機”兩級的總體一體化設(shè)計全新研制管理模式。通過加強系統(tǒng)任務(wù)分析、總體設(shè)計和指標(biāo)體系分解,直接給單機提出研制和驗收要求;總體單位作為單機產(chǎn)品的用戶,直接參與單機強制檢驗點確認(rèn)等生產(chǎn)過程控制;采用單機直接交付驗收模式;根據(jù)單機產(chǎn)品特點識別單機在總裝和綜合測試期間的具體要求,并落實在裝配、總裝和測試(AIT)過程中;采用集中判讀綜合測試模式,測試判讀人員由總體單位人員組成,大幅縮減綜合測試人員規(guī)模。相對以往載人航天器型號采用的“總體-分系統(tǒng)-單機”三級研制管理,采用兩級的扁平化管理模式,提升了系統(tǒng)設(shè)計性能,提高了研制效率。

5 實踐效果

多用途飛船縮比返回艙飛行演示試驗項目于2013年8月啟動立項論證,2014年4月18日正式批復(fù)立項。項目采用了一步飛行產(chǎn)品投產(chǎn)、“總體-單機”一體化設(shè)計的新研制模式,全面使用了三維數(shù)字化設(shè)計、仿真與制造技術(shù),創(chuàng)新探索并實踐了適應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)飛行演示任務(wù)性質(zhì)和不同類型產(chǎn)品特點的產(chǎn)品保證體系。2014年12月完成了首輪總裝測試,先后完成了6輪總裝、5個階段綜合測試、5項載荷組合體和大系統(tǒng)間試驗,于2016年4月下旬完成出廠評審,空運至發(fā)射場,在發(fā)射場歷時45天,按照測試發(fā)射技術(shù)流程完成了發(fā)射場全部工作項目及發(fā)射準(zhǔn)備工作。

2016年6月25日20時00分,多用途飛船縮比返回艙在海南文昌發(fā)射場搭載長征七號運載火箭成功發(fā)射,在軌穩(wěn)定飛行約19 h后,于6月26日15時41分安全著陸在巴丹吉林沙漠,飛行演示任務(wù)取得了圓滿成功(見圖2)。

飛行試驗后,完成氣動測量數(shù)據(jù)處理和氣動參數(shù)辨識,成功獲取新一代載人飛船返回艙近地返回的氣動特性參數(shù),驗證了返回艙氣動外形設(shè)計的正確性,突破了新一代載人飛船氣動構(gòu)型設(shè)計與驗證的關(guān)鍵技術(shù),以及可拆卸式防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù),驗證了新型鋁鎂鈧合金材料的制造技術(shù)和性能,初步探索并驗證了可重復(fù)使用關(guān)鍵技術(shù),為后續(xù)研制新一代載人飛船奠定了堅實基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

通過多用途飛船縮比返回艙項目的實施和創(chuàng)新管理模式的探索與實踐,實現(xiàn)了預(yù)研成果與型號工程實施的有機結(jié)合,有效拓展了載人航天研發(fā)范疇,項目的研制管理經(jīng)驗可為航天工程后續(xù)相關(guān)任務(wù)的組織實施提供一定的參考借鑒。

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Exploration of Innovative Management of a Scaled-down Crew Capsule of Multi-purpose Spaceship

YANG Qing HUANG Zhen WU Wenrui ZHANG Bainan YANG Lei
(Institute of Manned Space System Engineering,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

In order to demonstrate the new aerodynamic shape and reusable design technology of China’s new generation manned spaceship crew capsule.A scaled-down crew capsule of multipurpose spaceship is developed.According to the project characteristics,innovative project management methods are researched and practiced,including combination of advance research of key technologies and demonstration by flight test,flying products are produced while designs are still being tested,project development process is divided into two phases of scheme research and flight-model design,the lifecycle planning management method is carried out according to other aerocrafts such as satellite and spaceship,the products are sorted so as the product quality could be managed accordingly.By these project management methods,the development and flight test of scaled-down crew capsule are successfully conducted.By the flight test of scaled-down crew capsule,the project and scientific objectives of scaled-down crew capsule are successfully achieved.By the project,the combination of research and development and flight demonstration are realized,the research and development scope of space engineering is expanded,which opened a new path for demonstrated the research and development achievements.

multi-purpose spaceship;scaled-down crew capsule;project management;flig ht test

V475

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.020

2017-09-20;

2017-09-30

楊慶,男,博士,從事載人航天器總體設(shè)計工作。Email:qingyang1128@126.com。

(編輯:李多)