李 靜，張文睿，朱金慧

(西昌衛(wèi)星發(fā)射中心， 四川 西昌 615000)

品管圈(quality control circle，QCC)是由日本石川馨博士于1962年所創(chuàng)，起初應(yīng)用于制造現(xiàn)場(chǎng)品質(zhì)管理。目前全世界約有70多個(gè)國(guó)家實(shí)施品管圈活動(dòng)，應(yīng)用范圍也由企業(yè)制造現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)展到各行業(yè)各領(lǐng)域，效果為各界所肯定[1]。例如，航天科工集團(tuán)通過加大QC小組活動(dòng)獎(jiǎng)勵(lì)和成果發(fā)表，形成了“小、實(shí)、活、新”的QC小組活動(dòng)特色，不斷提高人員的工作積極性和創(chuàng)新熱情，極大地提高了航天產(chǎn)品的質(zhì)量和性能[2]。

隨著空間軍事化進(jìn)程不斷加劇，國(guó)際空間安全形勢(shì)日趨復(fù)雜，運(yùn)載火箭入軌精度更是不斷提高。常規(guī)推進(jìn)劑是運(yùn)載火箭一級(jí)、二級(jí)飛行的燃料，其射前溫度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度是推進(jìn)劑加注量的決定因素，也是滿足火箭最低發(fā)射條件的重要因素，同時(shí)也是影響火箭推力、入軌精度的重要因素[3-6]。常規(guī)推進(jìn)劑預(yù)測(cè)溫度不準(zhǔn)確問題是問題解決型QC課題，遵循PDCA(plan、do、check、action)原則，通過選擇課題、現(xiàn)狀調(diào)查、設(shè)定目標(biāo)、分析原因、確定主要原因、制定對(duì)策、對(duì)策實(shí)施、檢查效果、制定鞏固措施、總結(jié)和下一步打算10個(gè)步驟[7]，解決提高常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度問題，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

1 計(jì)劃階段(P階段)

1.1 選題理由

影響常規(guī)推進(jìn)劑諸元計(jì)算課題方向選定后，小組展開分層分析，確定了3個(gè)可選課題，小組成員使用評(píng)價(jià)表選定了“提高常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度”為QC研究課題。

圖1 課題層選示意圖

1.2 現(xiàn)狀調(diào)查

在某次試驗(yàn)發(fā)射中，運(yùn)載火箭射前二級(jí)燃燒劑溫度為9.65 ℃，與理論計(jì)算值15.03 ℃相差5.38 ℃。統(tǒng)計(jì)32次歷史數(shù)據(jù)，經(jīng)過比對(duì)發(fā)現(xiàn)，射前常規(guī)推進(jìn)劑實(shí)測(cè)溫度與理論溫度均有偏差，見圖2。

圖2 常規(guī)推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)偏差

1.3 確定目標(biāo)

分別以±1 ℃、±2 ℃、±3 ℃為界線，統(tǒng)計(jì)燃燒劑、氧化劑合格率分別為43.75%、56.25%；71.875%、81.25%；96.875%、93.75%，±1 ℃為界限過于嚴(yán)格，±3 ℃為界限過于松散，所以選擇±2 ℃為界線范圍。

設(shè)定優(yōu)(90%～85%)、良(85%～70%)、合格(70%～60%)、差(60%～0%)4個(gè)等級(jí)，燃燒劑預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度為“合格”，氧化劑為“良”。小組將推進(jìn)劑的合格率提升到“優(yōu)”設(shè)為QC活動(dòng)目標(biāo)，即將燃燒劑、氧化劑合格率超過85%設(shè)為QC活動(dòng)目標(biāo)。

1.4 原因分析

常規(guī)推進(jìn)劑加注諸元溫度預(yù)測(cè)模塊工作流程如圖3所示。

結(jié)合預(yù)測(cè)流程和實(shí)際工作中的情況，采用頭腦風(fēng)暴法，從“人、料、機(jī)、法、環(huán)”5個(gè)方面尋找影響常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度預(yù)測(cè)工作的因果關(guān)系[8]，如圖4所示。

圖3 溫度預(yù)測(cè)模塊工作流程

圖4 常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度預(yù)測(cè)工作因果圖

1.5 確定要因

1.5.1 人(人員因素)

項(xiàng)目組從考慮疲勞狀態(tài)、考核和獎(jiǎng)勵(lì)、技術(shù)水平3方面考慮，搜集了崗位人員基本情況，經(jīng)考核確認(rèn)人員基本情況與預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度無(wú)關(guān)，非要因。

1.5.2 料(材料因素)

1) 試驗(yàn)文書可操作性和內(nèi)容描寫精確性

依據(jù)《常規(guī)加注諸元計(jì)算手冊(cè)》等文件，預(yù)測(cè)常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度，依據(jù)完整，操作性完好，操作準(zhǔn)確無(wú)誤，32次試驗(yàn)任務(wù)無(wú)操作事故發(fā)生，未影響火箭正常的測(cè)試、加注及飛行，非要因。

2) 數(shù)據(jù)質(zhì)量

① 庫(kù)房數(shù)據(jù)

庫(kù)房數(shù)據(jù)包括庫(kù)房?jī)?nèi)推進(jìn)劑的溫度、儲(chǔ)量等，為測(cè)試數(shù)據(jù)?？傻脗鞲衅餍阅芎?，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性高、全面性好，非要因。

② 氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

氣溫預(yù)報(bào)與推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度關(guān)系見表1。從表1中可以看出：氣溫預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)質(zhì)量直接影響常規(guī)推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度，為要因。

表1 環(huán)境因素及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

備注：H為質(zhì)量高，L為質(zhì)量低，N為準(zhǔn)確率不好，Y為準(zhǔn)確率好

1.5.3 機(jī)(機(jī)器設(shè)備因素)

加注的設(shè)備，管路，庫(kù)房存放設(shè)備，測(cè)溫設(shè)備，調(diào)溫設(shè)備和火箭一級(jí)、二級(jí)的儲(chǔ)箱設(shè)備均沒有變化，且在氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的情況下，常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確，也輔證了加注和庫(kù)房設(shè)備對(duì)提高常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度影響很小，非要因。

1.5.4 法(預(yù)測(cè)方法)

常規(guī)推進(jìn)劑射前溫度預(yù)測(cè)包括3個(gè)環(huán)節(jié)：

1) 推進(jìn)劑泵出口溫度

推進(jìn)劑從庫(kù)房經(jīng)庫(kù)房管路到泵出口，泵溫升對(duì)推進(jìn)劑溫度產(chǎn)生影響。

2) 推進(jìn)劑加注溫度

從泵流經(jīng)加注管路到運(yùn)載火箭一、二級(jí)儲(chǔ)箱，管路溫升對(duì)推進(jìn)劑溫度產(chǎn)生影響。

3) 推進(jìn)劑停放發(fā)射溫度

推進(jìn)劑加注完成后推進(jìn)劑放置在火箭儲(chǔ)箱內(nèi)直至發(fā)射，大概經(jīng)歷一天的時(shí)間。

通過計(jì)算，研究在各個(gè)計(jì)算階段的溫度變化，結(jié)果如表2所示。停放發(fā)射溫升變化最大，燃燒劑、氧化劑分別達(dá)到76%、66%，超過總溫升變化的一半，所以停放發(fā)射溫度預(yù)測(cè)算法最重要，為要因。泵出口推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)方法、推進(jìn)劑加注溫度預(yù)測(cè)方法為非要因。

表2 溫升比例

1.5.5 環(huán)(環(huán)境因素)

降雨、降溫等產(chǎn)生的溫度驟變，會(huì)影響火箭儲(chǔ)箱內(nèi)推進(jìn)劑的溫度，只要72 h逐時(shí)氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確，就可以彌補(bǔ)溫度驟變對(duì)推進(jìn)劑溫度的影響，非要因。

1.6 制定對(duì)策

1.6.1 改進(jìn)對(duì)策及評(píng)價(jià)

針對(duì)以上識(shí)別出的要因，項(xiàng)目組成員通過頭腦風(fēng)暴法制定改進(jìn)對(duì)策，從數(shù)據(jù)質(zhì)量、預(yù)測(cè)方法、應(yīng)急措施3個(gè)方向入手，制定改進(jìn)對(duì)策6項(xiàng)，見表3。

1.6.2 改進(jìn)對(duì)策驗(yàn)證

運(yùn)用優(yōu)先矩陣方法進(jìn)行打分，結(jié)果見表4。由表4可見：最適宜進(jìn)行改進(jìn)的是第2、3、6(簡(jiǎn)易)項(xiàng)，總分均在70分以上；第1、4、5、6(復(fù)雜)項(xiàng)分?jǐn)?shù)較低，不列入改進(jìn)措施。

2 實(shí)施階段(D階段)

2.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)格要求

1) 氣象逐時(shí)溫度預(yù)測(cè)的重要作用

假設(shè)發(fā)射時(shí)間為24∶00，因常規(guī)加注后需進(jìn)行功能檢查、低溫推進(jìn)劑加注和射前功能檢查，共計(jì)1 d左右，所以常規(guī)推進(jìn)劑加注在射前-1天上午(-39 h左右)進(jìn)行。推進(jìn)劑離開庫(kù)房后，無(wú)任何調(diào)溫、保溫措施，在39 h中受環(huán)境溫度的影響很大，溫度會(huì)升高或者降低，而推進(jìn)劑溫度的高低直接影響火箭的推力和入軌精度，所以氣象部門提供的環(huán)境溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)極為重要。但是，在歷次任務(wù)中，對(duì)溫度預(yù)測(cè)精度沒有明文規(guī)定，也沒有嚴(yán)格要求，影響推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)。

2) 溫度預(yù)測(cè)氣溫變化情況

以0為基準(zhǔn)，計(jì)算推進(jìn)劑溫度隨環(huán)境溫度變化的預(yù)測(cè)結(jié)果，見表5。進(jìn)行逐差統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)氣溫每變化1 ℃，預(yù)測(cè)結(jié)果逐差變化不大，所以用均值代替每1 ℃的變化。

3) 擬定標(biāo)準(zhǔn)

考慮發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)常規(guī)推進(jìn)劑的溫度要求等多方面因素，通過調(diào)溫和發(fā)射溫度預(yù)測(cè)計(jì)算，力爭(zhēng)使第一發(fā)射窗口的推進(jìn)劑溫度偏差為±1 ℃。由表5統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見：一級(jí)燃燒劑受氣溫變化影響最大，變化量為0.338 633 ℃?？紤]1 ℃偏差，建議氣象溫度范圍為±3 ℃。

2.2 改進(jìn)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)計(jì)算方法

2.2.1 推進(jìn)劑計(jì)算算法

將停放發(fā)射溫度計(jì)算模型改為

Tf=Tf0+ftd×ABS(Taj-Tc)+Δtf

(1)

其中：Tf0為推進(jìn)劑預(yù)估發(fā)射溫度；ftd為環(huán)境溫度梯度系數(shù)；Taj為加注全過程氣溫均值；Tc為推進(jìn)劑泵出口溫度；Δtf為補(bǔ)償量。

表3 對(duì)策列表

表4 改進(jìn)對(duì)策優(yōu)先矩陣

表5 發(fā)射溫度隨溫度變化統(tǒng)計(jì) ℃

2.2.2 預(yù)測(cè)溫度補(bǔ)償量

1) 補(bǔ)償算法

Δtf采用最小二乘法(最小平方法)計(jì)算，模型為：

(2)

(3)

2) 預(yù)測(cè)溫度補(bǔ)償量計(jì)算

① 最小二乘法

燃燒劑缺陷數(shù)8次，合格率為75%，未達(dá)目標(biāo)；氧化劑缺陷數(shù)3次，合格率為90.6%，達(dá)到目標(biāo)。

② 正負(fù)優(yōu)化法

考慮燃燒劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)偏差及其均值的正負(fù)性，按照均值的正負(fù)性優(yōu)化月統(tǒng)計(jì)渠道的燃燒劑補(bǔ)償量，燃燒劑缺陷數(shù)6次，減少3次，合格率由72%增至81%，未達(dá)到QC目標(biāo)。

③ 深入優(yōu)化法

在正負(fù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上深入優(yōu)化補(bǔ)償量，根據(jù)9—12月實(shí)測(cè)偏差變化趨勢(shì)，由變化趨勢(shì)可知：9月在0～2 ℃之間變化，變化范圍小，采用系數(shù)修正法進(jìn)行優(yōu)化；10—12月在橫軸附近震蕩，震蕩范圍廣，采用極值優(yōu)化。

④ 系數(shù)修正優(yōu)化法

系數(shù)修正法就是通過修正系數(shù)而修正溫度補(bǔ)償量的方法，計(jì)算公式見式(4)。其中系數(shù)δ采用試探的方法獲得，經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)償系數(shù)δ=1.5，補(bǔ)償量為0.696，經(jīng)補(bǔ)償，9月燃燒劑溫度偏差均在±2 ℃內(nèi)，9月份合格率為100%。

Δ系=Δ*δ

(4)

⑤ 極值修正優(yōu)化法

極值修正法就是通過極大值、極小值確定補(bǔ)償量的方法，計(jì)算公式為式(5)。經(jīng)計(jì)算，10、11、12月的極大值、極小值分別為1.87、-2.02；2.61、-0.72；1.84、-3，補(bǔ)償量分別為-0.075、0.945、-0.21，13次任務(wù)中9次偏差在±2 ℃內(nèi)，燃燒劑缺陷數(shù)為4次。

(5)

通過深入優(yōu)化后，燃燒劑溫度合格率由72%增至87.5%，達(dá)到QC目標(biāo)，如圖5所示。

結(jié)論：QC活動(dòng)達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，燃燒劑合格率由72%增加至87.5%，達(dá)到“優(yōu)”；氧化劑溫度合格率由81%增加至90.6%，達(dá)到“優(yōu)”目標(biāo)。

2.3 改善塔勤環(huán)境(簡(jiǎn)易)

方法1：增加保溫設(shè)備

在一級(jí)、二級(jí)、助推的外壁，通過包裹棉被、海綿等保暖層，減少火箭儲(chǔ)箱與環(huán)境的熱交換，從而為儲(chǔ)箱中的推進(jìn)劑保暖。

方法2：改善環(huán)境溫度

在夏季，增加冰塊等降溫材料，為溫度過高的推進(jìn)劑降溫；全年，打開測(cè)試間空調(diào)等調(diào)溫設(shè)備，改善塔架的環(huán)境溫度，減小火箭儲(chǔ)箱中的推進(jìn)劑受環(huán)境溫度的影響。

圖5 深入優(yōu)化補(bǔ)償結(jié)果

3 檢查階段(C階段)

3.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)格要求成效

復(fù)查歷史數(shù)據(jù)，結(jié)果如表6所示，可見氣溫?cái)?shù)據(jù)預(yù)測(cè)質(zhì)量越高，則推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度越高。所以，數(shù)據(jù)質(zhì)量嚴(yán)格要求措施有效。

3.2 改進(jìn)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)計(jì)算方法的成效

用近期若干次任務(wù)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)改進(jìn)后的推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)計(jì)算方法，可見方法有效，補(bǔ)償后偏差均在±2 ℃之內(nèi)，見表7。

表6 環(huán)境因素及預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

備注：H為質(zhì)量高，L為質(zhì)量低，N為準(zhǔn)確率不好，Y為準(zhǔn)確率好

表7 實(shí)際任務(wù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

3.3 改善塔勤環(huán)境成效(簡(jiǎn)易)

因?yàn)椤案倪M(jìn)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)計(jì)算方法”是在現(xiàn)有的模型、經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)推進(jìn)劑預(yù)測(cè)偏差計(jì)算預(yù)測(cè)溫度補(bǔ)償量，優(yōu)化推進(jìn)劑發(fā)射溫度算法，若改善塔勤環(huán)境，就改變了環(huán)境溫度系數(shù)，使常規(guī)諸元計(jì)算模型不準(zhǔn)確，所以改善塔勤環(huán)境(簡(jiǎn)易)的方法是在應(yīng)急情況下使用的，沒有精確數(shù)據(jù)。在某任務(wù)中，環(huán)境溫度預(yù)測(cè)偏差很大，火箭停放儲(chǔ)箱內(nèi)的推進(jìn)劑溫度偏下限，采用增加保溫設(shè)備的辦法，可使推進(jìn)劑溫度降低速度變緩，證明改善塔勤環(huán)境有效。

4 處理階段(A階段)

4.1 鞏固措施

4.1.1 項(xiàng)目形成的成果

1) 燃燒劑溫度合格率由72%增加至87.5%，達(dá)到“優(yōu)”；氧化劑溫度合格率由81%增加至90.6%，達(dá)到“優(yōu)”目標(biāo)；

2) 梳理了提高常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的辦法：① 限定72 h溫度預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)范圍；② 用最小二乘法、正負(fù)優(yōu)化法、系數(shù)法、極值法，從歷史數(shù)據(jù)推導(dǎo)出停放發(fā)射溫度預(yù)測(cè)補(bǔ)償量；③ 在常規(guī)推進(jìn)劑加注后，若推進(jìn)劑實(shí)測(cè)溫度與預(yù)測(cè)值偏差很大或者有偏差很大的趨勢(shì)，采用改善塔勤環(huán)境方法。

3) 根據(jù)研究成果，對(duì)流程進(jìn)行相應(yīng)完善，修改了溫度預(yù)測(cè)流程模塊和上報(bào)預(yù)測(cè)結(jié)果模塊，如圖6所示。

4) 進(jìn)行軟件程序的修改，見圖7。

4.1.2 鞏固措施

1) 撰寫《提高常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度研究》QC報(bào)告。

2) 撰寫《調(diào)整常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)射溫度預(yù)測(cè)對(duì)策》方案。

3) 將課題成果形成課件進(jìn)行授課。

圖6 流程完善示意圖

圖7 軟件程序截圖

4.2 總結(jié)

首次采用QC方法，通過使用質(zhì)管、統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析現(xiàn)有情況，采用多種辦法達(dá)到優(yōu)化常規(guī)推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的預(yù)定目標(biāo)，優(yōu)化方法有效，適用于西昌發(fā)射中心發(fā)射場(chǎng)區(qū)。同時(shí)，通過開展QC活動(dòng)，總結(jié)、優(yōu)化常規(guī)推進(jìn)劑溫度預(yù)測(cè)流程、方法，首次應(yīng)用質(zhì)管方法優(yōu)化工程問題，掌握發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的有效方法(如圖8所示)，結(jié)果可應(yīng)用于其他發(fā)射場(chǎng)及其他行業(yè)中。

圖8 無(wú)形效果對(duì)比雷達(dá)圖