余后滿

(中國空間技術研究院，北京 100094)

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把握技術特性和風險點改進宇航產品研制模式和方法

余后滿

(中國空間技術研究院，北京 100094)

宇航產品在研制和運行過程中發(fā)生的問題，主要是由于對宇航產品技術特性的掌握不全面，對風險點的認識與控制不到位造成的。通過對宇航產品的新技術特性、綜合技術特性、動態(tài)特性、敏感特性等技術特性，以及風險盲點、技術交匯點、特性敏感點等風險點的深入分析，對宇航產品研制模式和方法提出了針對性的改進建議，如組建多學科產品開發(fā)團隊，強化宇航產品詳細設計及評審，強化故障模式與影響分析(FMEA)和故障樹分析/事件樹分析(FTA/ETA)兩種方法的綜合運用。上述研究成果對進一步完善源頭設計，把握關鍵特性，有效管控宇航產品風險，具有指導意義和參考價值。

宇航產品；技術特性；風險管理

1 引言

隨著我國航天重大工程任務的順利實施，空間基礎設施建設步伐的加速推進，以及空間技術的快速發(fā)展，宇航產品研制水平得到快速提高。交會對接敏感器、月面著陸敏感器、單相和兩相流體回路熱控部件、著陸緩沖機構、控制力矩陀螺等一系列復雜高新技術產品的成功研制與應用，為載人飛船與天宮實驗室交會對接、嫦娥三號落月與巡視等重大宇航任務的成功實施作出了重要貢獻。

近幾年來，我國在宇航產品開發(fā)模式、研制程序、產品保證技術等方面，都進行了許多有益探索，如建立宇航產品型譜，開展宇航產品設計隊伍與生產隊伍的分離，進行宇航產品成熟度評價和提升，強化新研宇航產品研制性試驗，完善宇航產品可靠性安全性工作程序等，總結和形成了很多很好的經驗和方法，對推進空間事業(yè)發(fā)展具有重要意義[1-3]。但是，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，特別是近幾年來航天器高強度研制和高密度發(fā)射任務的實施，在宇航產品研制工作中也暴露出一些問題與不足，主要表現在以下幾個方面。

(1)單機產品質量問題暴露較晚。在裝配、總裝與測試(AIT)階段和在軌飛行過程中暴露的問題主要是單機設計問題，說明單機研制階段開展的工作不充分，設計和設計驗證工作存在不足。

(2)復雜產品的研制和生產工作有時出現反復，對航天器研制工作的順利開展造成不利影響，甚至導致航天器發(fā)射計劃進行重大的調整，說明研制過程中一些關鍵工作未做到位。

(3)對一些關鍵環(huán)節(jié)、風險環(huán)節(jié)總是不放心，經常性開展質量復查，說明技術特性研究不夠深入，缺乏一套科學的程序和方法，無法確保有效吃透關鍵技術特性，很難充分識別和有效控制技術風險。

為此，需要對宇航產品技術特性和風險點進行深化研究，針對研制過程中存在的不足，進一步完善宇航產品的開發(fā)模式和研制程序，改進研制方法，提高航天器研制能力和水平。

2 宇航產品技術特性分析

宇航產品的高風險主要是高的技術風險。宇航產品研制的計劃風險、成本風險及管理風險等，主要是由高的技術風險引起的。宇航產品研制工作的核心是技術風險的識別與控制，而技術風險又是由技術特性決定的。與宇航產品高的技術風險有關的技術特性，主要表現在以下幾個方面。

1)新技術特性

宇航產品是高新技術的集中展示，是新技術發(fā)展成果的充分體現。由于宇航技術發(fā)展迅速，因此產品更新換代快。宇航產品在強調功能性能先進的同時，要求具有高的可靠性和安全性，并且要求體積小、質量小、功耗少，這些對先進技術的發(fā)展和應用又提出了更高的要求。如果研制程序不夠科學合理，在新技術應用過程中，可能導致由于技術特性沒有充分吃透、新的失效模式不能充分識別、潛在風險因素不能有效掌握而帶來的研制風險。

2)綜合技術特性

復雜的宇航產品通常是多學科多專業(yè)技術成果的結晶，學科之間存在高度的融合，技術特性高度關聯。這樣，某個局部的細微問題或異常，可能導致產品整體功能的衰減甚至失效；隊伍組織模式和產品研制方式若考慮不周，會經常出現由于設計師隊伍的某一專業(yè)知識欠缺、相關專業(yè)基本技術特性認識不到位，導致產品發(fā)生低層次技術問題。

3)動態(tài)特性

宇航產品中有較多的機構產品，如艙間對接機構、太陽翼驅動機構、天線展開機構、動量輪、控制力矩陀螺、制冷機、載荷驅動機構等，這些機構產品的動態(tài)特性和航天器飛行過程中的關鍵動作，對飛行任務的成功至關重要。對動態(tài)特性研究和分析不透，地面驗證試驗條件不真實，試驗程序和方法考慮不周，有些動態(tài)特性研究不充分，風險識別和控制不到位，會導致相關質量問題的發(fā)生。

4)敏感特性

有些宇航產品對生產過程敏感，例如：多余物容易導致推進系統、熱控流體回路部件堵塞，容易導致機械產品卡滯、電子產品短路；靜電容易導致靜電敏感器件損傷。有些材料和器件對空間環(huán)境比較敏感，例如：有些器件對單粒子敏感；有些材料容易導致靜電積累。在產品研制過程中，需要充分考慮這些敏感特性，有效控制相關風險。

5)離散特性

材料的不一致性、元器件的個體差異、工藝過程的不確定性和加工參數的離散分布等，均會導致產品生產質量的不穩(wěn)定，產品間狀態(tài)的不一致，飛行產品狀態(tài)與鑒定產品狀態(tài)存在差異。有些產品雖然順利通過地面驗證或鑒定試驗，但不能保證飛行任務次次成功。

6)時效特性

有些材料(主要是非金屬材料)在機械應力、熱應力作用下發(fā)生蠕變，在空間環(huán)境作用下發(fā)生退化；有些材料在真空環(huán)境里不斷釋放可凝氣體，對產品自身(如兩相流體回路部件)或安裝在附近的某些產品(如對低氣壓比較敏感、可能導致低氣壓放電的微波器件，對污染比較敏感的光學產品)功能造成不良影響或破壞；有些工藝由于化學反應(如“錫吃金”等)或應力作用，其工藝狀態(tài)隨著時間的推移而發(fā)生改變。上述時效特性導致產品在軌工作狀態(tài)逐漸偏離鑒定狀態(tài)，偏離正常工作狀態(tài)，從而導致在軌故障。

3 宇航產品主要風險點分析

基于宇航產品的風險特性，宇航產品的風險點主要表現在以下幾個方面。

1)風險盲點

新技術攻關不到位，新技術特性未吃透，產品失效模式認識不充分，潛在風險考慮不到位，容易產生技術盲區(qū)和風險盲點。另外，有些宇航產品雖然在設計階段對風險特性和風險點考慮比較充分，但是存在不可測、不可檢環(huán)節(jié)，當產品生產過程控制不當，相關特性控制不到位，后續(xù)驗證環(huán)節(jié)又難以檢測時，容易造成風險控制盲區(qū)。

2)技術交匯點

對于跨學科多專業(yè)技術產品，不同專業(yè)技術特性往往是關聯的、復合的，因此技術風險通常是耦合的、相互影響的。有些產品既采用新技術，又使用未經飛行驗證的新材料、新工藝，多重技術風險并存，使研制風險大幅增加。有些產品既是新產品，又屬于關鍵項目，既存在重要的單點，相關特性在過程中又難以檢測和保證，使其風險控制難度顯著增大。

3)特性敏感點

要重點關注對生產制造過程和生產環(huán)境敏感的材料、工藝、元器件，工程散差較大的工藝環(huán)節(jié)，工藝特性難以控制的薄弱環(huán)節(jié)，以及對多余物、靜電等生產因素敏感的元器件、部組件等；同時，要關注對在軌運行空間環(huán)境敏感的材料、工藝和元器件，以及對航天器誘導環(huán)境(如微振動、雜光、可凝多余物等)敏感的元器件與零部件。

4)性能臨界點

性能臨界點主要表現在：產品設計參數臨界，設計裕度不足，環(huán)境適應性考慮不充分，輸入負載及接口適應性考慮不到位，造成產品功能性能不能在全生命周期中始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。另外，在設計過程中，對產品在各種環(huán)境、各種工作模式、各種負載條件下的功能特性變化趨勢和變化規(guī)律研究不夠，沒有回避特性曲線不穩(wěn)定工作段，導致產品不能始終處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

5)任務單點

由于無人航天器在軌硬件產品的不可維修性而存在單點環(huán)節(jié)，特別是對任務重要功能完成可能造成重大影響的單點環(huán)節(jié)，這是產品設計要特別關注和重點控制的風險環(huán)節(jié)。另外，在進行冗余設計時，也要深入分析冗余的有效性，防止由于冗余設計存在欠缺造成的假冗余(實際上也是單點)。同時，要注意共因失效，特別是對生產過程和在軌道環(huán)境敏感的冗余設計環(huán)節(jié)，要考慮異構設計，盡量采用不同原理與方法實現產品的功能冗余。

6)功能死點

對于機構產品，功能死點主要有鉤掛點、應力集中點；對于機電產品，主要有卡滯點、短路或斷路點。機電產品由于安全間隙考慮不夠，在運行過程可能發(fā)生短路，同時由于長時間工作，零部件磨損，絕緣層破壞導致供配電短路或斷路、電性功能喪失等；對于電性產品，由于電路安全性設計考慮不周，存在潛在短路點等。

4 宇航產品風險類型

從對宇航產品風險知識的掌握、風險識別與風險控制的難度等方面考慮，可以將宇航產品風險分為顯性風險、半顯性風險和隱性風險3種類型。顯性風險是風險源和風險后果都非常明確的風險；半顯性風險是風險后果明確，但風險源并不明確的風險；隱性風險是風險源和風險后果都不明確的風險。

1)顯性風險

在航天器長期研制、生產、試驗和在軌飛行任務實施過程中，積累了非常豐富的顯性風險識別與控制方面的知識，如禁限用元器件、禁限用原材料、禁限用工藝等，以及元器件和原材料使用、通用工藝實施、軟件開發(fā)遇到的常見多發(fā)問題與控制措施等，電性產品裝聯、安全間隙控制等，在產品保證要求中一般都提出了明確的風險控制要求。只要設計工作認真細致，過程檢查確認到位，顯性風險在設計源頭和生產過程中可以得到較好控制。

2)半顯性風險

在宇航產品研制過程中，半顯性風險的識別存在一定難度。對于這類風險，一般都要按照一套科學的程序與方法進行識別，例如：對于熱應力、力學應力等可能造成的失效，要進行專業(yè)的熱分析、力學分析；對于電磁兼容性(EMC)、雜光、羽流、潛在電路等風險，要進行專題分析；對于單點環(huán)節(jié)是否存在，要開展故障模式與影響分析(FMEA)等工作。

3)隱性風險

在宇航產品研制過程中，最困難的是隱性風險的識別與控制，需要通過一套科學的程序和方法將隱性風險“挖”出來，并對風險控制措施的有效性進行驗證。這些風險主要表現在：①新技術特性。由于對新的技術特性認識不夠、對潛在失效模式認識不充分，容易帶來新的風險。②綜合技術風險。由于多專業(yè)技術特性關聯，技術風險耦合，風險分析和識別往往比較困難。③月球與深空探測任務等遇到的新的空間環(huán)境、特殊空間環(huán)境等。材料、元器件、工藝等可能對新的環(huán)境存在未知的敏感特性。④新任務實施。例如，火星探測器在火星大氣進入和火星表面著陸過程中存在新的復雜的動態(tài)特性等。

對于隱性風險，通常要通過跨學科研制團隊建立、跨學科特性分析與設計評審、故障樹/事件樹(FTA/ETA)深化分析、充分的地面研制性試驗等工作，有效暴露和掌握相關風險特性，將風險點識別到位，將風險控制措施驗證到位。

5 改進宇航產品研制模式與方法

5.1 改進宇航產品研制模式

1)組建多學科產品開發(fā)團隊

針對復雜的宇航技術產品，需根據產品涉及的學科內容和專業(yè)特點，建立跨學科多專業(yè)產品開發(fā)團隊，這對于規(guī)避由于學科盲區(qū)、技術盲點而導致的風險識別遺漏非常重要。多學科產品開發(fā)團隊成員可以通過不同的專業(yè)視野從不同的專業(yè)角度對產品特性和風險進行分析，成員之間進行交流和互動，專業(yè)知識相互補充，相互啟發(fā)，這對于跨專業(yè)技術特性分析、關聯特性研究、耦合風險識別與控制措施制定等非常重要，對于加強產品綜合設計、整體優(yōu)化非常關鍵。

對于復雜的宇航產品，在單位內部可以跨專業(yè)室成立研制開發(fā)團隊；對于大型復雜宇航產品，可以跨專業(yè)所成立研制團隊，在單位間建立和形成密切的協同開發(fā)模式。團隊成員不是以專家的身份為產品開發(fā)提供咨詢，而是必須承擔產品開發(fā)主體責任，除非單位內部相關專業(yè)人員確實欠缺，才聘請外部專家提供咨詢。

2)加強工藝性、可測試性、可維修性、保障性等設計

產品的工藝性、可測試性、可維修性、保障性等，是產品的固有質量特性，是在產品設計開發(fā)過程中形成的，在設計開發(fā)階段必須對相關特性進行一體設計、統籌考慮，對相關風險盡可能早地進行分析和識別，在產品研制過程中對風險控制措施進行驗證，并隨著產品狀態(tài)的確定而固化。

工藝設計是產品設計中非常重要的組成部分，工藝特性和工藝方法研究是產品設計的一項重要內容。通過工藝性設計和工藝保證，可以從源頭上避免新材料、新工藝應用造成的新風險，可以盡早關注敏感材料和敏感工藝存在的敏感特性、部分材料與工藝存在的時效特性等。成熟工藝的應用，穩(wěn)定工藝的選用，工藝特性的充分把握，對產品功能性能有效實現、產品全生命周期內可靠穩(wěn)定工作非常關鍵。需要改變工藝是生產階段工作的落后思想，通過工藝性設計，保證產品功能更好更穩(wěn)定地實現。

開展產品的可測試性設計，可盡量規(guī)避產品設計可能產生的不可測、不可檢環(huán)節(jié)，通過對產品特性的持續(xù)檢測，可以不斷深化對產品特性的認識，對特性變化規(guī)律進行深入研究，對產品質量一致性、穩(wěn)定性進行有效評價。

開展產品的可維修性和保障性設計，可以有效降低產品維修及保障成本，提高維修保障效率與效益，減少產品維修保障對人員的依賴。對于宇航產品，需要提高軟件維護、升級能力，通過程序上注，實現在軌軟件缺陷的修補和功能升級。

3)實現新技術研發(fā)人員、工程研制人員、產品保證人員的有機結合

新宇航產品在研制過程中發(fā)生的質量問題，有些并不是新技術特性未有效吃透產生的，而是基礎材料、工藝或者元器件選用、應用不當產生的；有些宇航產品研制工作反復，是因為沒有遵循工程開發(fā)程序，對工程約束條件和要求考慮不周造成的。產品保證人員的早期介入，可以充分利用組織在宇航產品長期開發(fā)過程中積累的豐富知識，有效規(guī)避顯性風險；同時，針對半顯性風險和隱性風險，產品保證人員可以為開發(fā)團隊建立一套科學的程序和方法，確保相關風險得到有效識別和控制。

具有豐富經驗的宇航產品工程研制人員與新技術研發(fā)人員的協同研制，可以在產品開發(fā)早期就充分考慮成熟材料、元器件、工藝的選用和應用，全面考慮空間環(huán)境條件、接口條件及力熱等工程約束條件，開展產品環(huán)境適應性和接口協調性設計，系統開展產品可靠性、安全性設計，制定產品設計驗證方案，確保產品一次開發(fā)成功，避免研制工作反復。

另外，要保持產品設計開發(fā)隊伍的穩(wěn)定性，這樣可以保證設計開發(fā)團隊持續(xù)地對產品特性進行深入研究，對產品綜合技術特性、關聯特性等做到全面充分把握。

5.2 改進宇航產品研制方法

1)強化宇航產品詳細設計及評審

(1)做好宇航產品詳細設計工作。通過開展宇航產品詳細設計，確保產品環(huán)境適應性、接口協調性和各方面的工程約束條件得到全面充分考慮和驗證；確保產品設計、生產、飛行過程可能存在的風險得到全面深入分析和有效識別，控制措施充分有效；確保產品功能性能、可靠性、安全性、工藝性、可測試性、可維修性、保障性等得到全面統籌考慮，確保產品設計參數準確協調，工藝參數細化量化，工藝過程嚴謹細致，確保產品技術狀態(tài)定義清晰、準確，配套文件全面充分；確保產品關鍵技術特性分析到位，風險技術特性識別充分，關鍵件重要件明確，關鍵檢驗點、強制檢驗點設置合理，過程控制措施有效。要建立并形成宇航產品詳細設計文件體系，建立更加嚴謹的設計基線。

(2)改進宇航產品詳細設計評審方法。確定詳細設計評審文件體系，將重要的關聯性的設計文件進行打包評審，確保評審專家能夠全面、系統地對設計思路、設計結果進行評審把關。設計及設計驗證性文件需要進行關聯評審，包括任務/功能分析報告、方案設計報告、環(huán)境試驗條件、產品鑒定狀態(tài)、設計驗證矩陣，測試覆蓋性分析報告，研制、鑒定、驗收等各類試驗大綱等。關聯性強的產品保證文件必須做為一個文件包進行整體評審，如關鍵項目、三類關鍵特性、關鍵件重要件的確定，測試覆蓋性檢查報告、不可測不可檢項目、檢驗計劃、關鍵檢驗點與強制檢驗點清單，可靠性安全性設計報告、FMEA/FTA/ETA報告、殘余風險分析報告、飛控故障預案等。評審專家選擇需要綜合考慮產品各學科的代表，評審時間可以根據產品復雜程度進行多天連續(xù)評審，確保評審專家充分消化、吃透評審文件。

2)強化FMEA、FTA/ETA兩種方法的綜合運用

FMEA和FTA/ETA是產品研制活動中兩種非常重要的風險分析方法，對產品風險識別與控制、產品設計改進非常重要。FMEA是自底向上的風險識別方法，是一種收斂思維，可以在宇航產品的任何一個層次自底向上開展。FMEA需要基于已有的認識和知識，提出每個要素的所有可能的故障模式，分析它們對產品最終功能產生的影響，要對每個故障模式所產生的結果進行評估。如果對新產品、新技術，特別是對底層要素(如新的元器件、新的材料與工藝)的新技術特性認識不充分，失效模式認識不足，就可能造成分析過程存在風險遺漏。FTA/ETA是自頂向下的風險識別方法，是解析思維，原則上可以無窮盡分析下去，對于不能確認的底事件或失效模式，可以刨根問底，開展針對性的研究，對潛在風險進行驗證和確認。FTA/ETA方法可以有效彌補FMEA方法存在的不足。對于一個復雜的新技術產品，建議同時開展FMEA和FTA/ETA，通過兩種方法的綜合運用，確保風險識別全面充分，風險特性有效把握。

在開展FTA/ETA時，建議組建多學科分析團隊，由具有不同專業(yè)知識的團隊對復雜產品進行集同分析，對產品風險逐級推演，對潛在風險因素進行系統、深入、細致的研究。這種跨學科多專業(yè)協同分析模式，可以較好地規(guī)避因專業(yè)知識不全、關聯特性思考不充分導致的風險識別遺漏。

3)強化研制性試驗

新宇航產品在研制階段開展的研制性試驗，主要有兩方面的目的：一是驗證設計方法的正確性，修正設計模型，驗證設計準則，確定設計裕度；二是掌握產品新的技術特性，研究產品失效模式，特別是新的失效模式和潛在的未認識到的新的風險。

對于新宇航產品，基于已有知識，很難通過正向設計對相關技術特性進行全面的分析，也很難對潛在風險進行充分的識別，因此必須通過研制性試驗，使得產品新的技術特性和未認識到的風險得到充分暴露。研制性試驗主要包括功能性能試驗、接口匹配性試驗、各種工作模式及條件的設計驗證試驗、環(huán)境適應性試驗、拉偏試驗、極限摸底試驗、壽命試驗等。

對于復雜單機產品，要從材料、元器件、工藝、零部件、組件，一直到整機，逐級開展試驗策劃；對需要開展的試驗項目和需要投產的試驗件，進行統籌規(guī)劃和安排。為保證設計驗證工作的充分性，應編制設計驗證矩陣，對各層級產品設計驗證工作項目進行梳理，對驗證工作的充分性進行分析、確認。為掌握新技術特性，需加強拉偏試驗、極限摸底試驗、壽命試驗，通過開展這些試驗，確保可以充分掌握新技術特性，充分識別和有效控制未認識到的失效模式和風險。拉偏試驗的目的是通過對產品施加拉偏的試驗參數，有效暴露產品的薄弱環(huán)節(jié)，并加以改進；摸底試驗的目的是對產品的健壯性進行考核，對產品特性變化趨勢進行全面分析，對產品設計裕度進行確認。

6 結束語

復雜宇航產品研制風險管理工作，是建立在對宇航產品技術特性充分掌握，對宇航產品技術風險特點深入認識基礎上開展的?，F有的宇航產品研制模式和方法存在不足，對有些特性和風險難以做到系統全面掌握，風險控制存在隱患，需要采取針對性措施進行改進和完善，以提升工作的精準化，達到技術見底、特性吃透、風險短板消除、質量有保證的效果。

References)

[1] 徐福祥.衛(wèi)星工程[M].北京:中國宇航出版社,2002:257-260

Xu Fuxiang. Satellite engineering [M]. Beijing: China Astronautics Press， 2002： 257-260 (in Chinese)

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Yuan Jiajun. Space product engineering [M]. Beijing: China Astronautics Press， 2011： 1-17 (in Chinese)

[3]譚維熾,胡金剛.航天器系統工程[M].北京:中國科學技術出版社,2009:482-488

Tan Weichi， Hu Jingang. Spacecraft systems engineering[M]. Beijing: China Science and Technology Press， 2009: 482-488 (in Chinese)

(編輯：夏光)

Grasping Technical Characteristic and Risk to Improve Development Mode and Method of Aerospace Product

YU Houman

(China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China)

The problems during aerospace product development and operation result from unenough grasping technical characteristic and not well recognizing and controlling risk. The new technical characteristic， comprehensive technical characteristic， dynamic characteristic and sensitive characteristic， and risk blind spot， technical intersection point and characteristic sensitive point are analyzed. Some suggestions,such as forming multidisciplinary team for product development， enhancing detailed design and review of aerospace product and comprehensive utilization of FMEA and FTA/ETA methods,are proposed for development mode and method of aerospace product.The research results can provide a direction and a reference for improving the source design， grasping the key characteristics and effectively controlling aerospace product risk.

aerospace product； technical characteristic； risk management

2017-03-07；

2017-03-17

余后滿，男，研究員，中國空間技術研究院副院長，從事宇航系統科研生產綜合管理及有關航天工程項目工作，研究方向為系統工程與項目管理、航天器質量與可靠性管理、產品工程建設。Email:htq501@139.com。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.001