張 瑾，李萬紅，賀天鵬，嚴秀俠，朱小波

（1. 西安航天化學動力有限公司, 西安，710025；2. 航天動力技術(shù)研究院，西安，710025）

0 引 言

逃逸發(fā)動機是逃逸系統(tǒng)的重要組成部分，逃逸系統(tǒng)是當運載火箭拋整流罩前發(fā)生重大危險，威脅航天員的生命安全時，負責使航天員脫離危險區(qū)，并為航天員的返回著陸提供必要的條件。航天動力技術(shù)研究院為逃逸系統(tǒng)提供4種發(fā)動機，其中逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機及控制發(fā)動機組成頭部動力裝置。

逃逸系統(tǒng)固體發(fā)動機的可靠性和安全性一直是關(guān)注的重點。逃逸主發(fā)動機、分離發(fā)動機、控制發(fā)動機、高空逃逸發(fā)動機的可靠度要求分別為：0.999、0.9999、0.9995、0.9995。發(fā)動機制造過程的可靠性是設(shè)計固有可靠性的保證，要保證每一臺產(chǎn)品有高的可靠性就要求生產(chǎn)過程每一個工藝環(huán)節(jié)的質(zhì)量都滿足要求。固體發(fā)動機裝藥是一個復雜的過程，絕熱殼體成型手工操作多，襯層成型過程不可檢不可測，復合固體推進劑的性能易受原材料的批次性、生產(chǎn)環(huán)境溫濕度及工藝過程等因素的影響。目前，中國空間站迎來高密度發(fā)射期，逃逸發(fā)動機要大批量裝藥生產(chǎn)，才能滿足高密度發(fā)射的需求。應對高密度發(fā)射帶來的風險和挑戰(zhàn)，保證每一次逃逸發(fā)動機的可靠運行，這就需要在生產(chǎn)組織模式上創(chuàng)新，管理方式上適應批生產(chǎn)要求，運用先進技術(shù)強化質(zhì)量風險防控體系。

1 批量生產(chǎn)質(zhì)量一致性需解決的問題

逃逸發(fā)動機要求快速啟動、大推力，因此在發(fā)動機設(shè)計時，采取了多項技術(shù)攻關(guān)，其中，為使推進劑燃燒速度快，燃燒時間短以提供大推力，采用了薄肉厚、大燃面的裝藥設(shè)計。推進劑采用高燃速、低鋁配方，為保證推進劑有良好的力學性能及工藝性能，采用IPDI固化體系；小直徑薄肉厚燃燒室采用插管澆注有一定的困難，最終采用插芯澆注工藝。研制階段，常見的缺陷主要有如下幾個方面：

a）氣孔：燃燒室為薄肉厚、大燃面藥型設(shè)計，采用插芯工藝。插芯過程的速度過快或操作過程引起芯模的轉(zhuǎn)動，都會導致藥面出現(xiàn)缺陷，從而影響燃燒室的內(nèi)彈道性能。

b）人工脫粘層鼓包：為釋放燃燒室內(nèi)應力，燃燒室頭尾設(shè)計有人工脫粘層，在裝藥過程中，人工脫粘層中夾縫中氣體通道不暢通，在真空澆注時，殼體內(nèi)腔和人工脫粘層之間的壓差會導致人工脫粘層鼓包，影響藥型結(jié)構(gòu)；此外，在裝藥過程中，若人工脫粘層鼓起與芯模接觸，還會造成裝藥界面的脫粘。

c）絕熱層/襯層/推進劑界面發(fā)軟、脫粘：逃逸系統(tǒng)發(fā)動機采用以IPDI為固化劑的丁羥高燃速推進劑。由于體系細氧化劑含量高，對空氣濕含量非常敏感，且IPDI固化體系的后固化特點，其反應速度慢，在界面處的遷移機會加大，容易造成界面發(fā)軟，影響產(chǎn)品性能。

d）燃速超差：高燃速推進劑配方中添加了高比例的燃速催化劑，并使用大量的細粒度氧化劑，燃速極易受細氧化劑粒度波動而出現(xiàn)較大的偏差。

上述缺陷直接影響到發(fā)動機的最終質(zhì)量，而逃逸發(fā)動機裝藥為單次、單臺生產(chǎn)模式，保證質(zhì)量一致性，就要從減少工藝波動入手，消除原材料批次差異性，固化工藝過程，標準化操作，精細化管理。

2 批量生產(chǎn)裝藥質(zhì)量控制

人、機、料、法、環(huán)是影響質(zhì)量一致性的重要因素，對于批量產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，就需要從這5個方面入手，生產(chǎn)前確定人員資質(zhì)，明確設(shè)備、工裝、原材料批號，確定生產(chǎn)工藝參數(shù)及環(huán)境要求，并在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)控和管理。

2.1 人員素質(zhì)要求

固體發(fā)動機是由點火裝置、燃燒室、噴管及其他零部件組成，其中燃燒室由殼體、絕熱層、襯層、推進劑組成，任何一部分的失效都會造成整體失敗。人是計劃實施中最重要的因素，逃逸發(fā)動機生產(chǎn)前，對工作人員，包括計劃調(diào)度、工藝人員、操作工人、檢驗人員進行專門培訓、考核，培訓內(nèi)容包括歷次生產(chǎn)的工藝質(zhì)量問題及措施、生產(chǎn)關(guān)鍵控制點的措施以及工藝規(guī)程。要求操作人員考核合格后才能上崗工作。同時，生產(chǎn)上采用項目組制度、專人專線生產(chǎn)模式。即，由計劃、工藝及質(zhì)量組成的項目組負責產(chǎn)品制造過程各個環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)、問題處理；由具有豐富生產(chǎn)經(jīng)驗的操作人員帶班，負責特定型號特定工序的生產(chǎn)。

人員素質(zhì)的重要因素之一是工作態(tài)度，在生產(chǎn)前召開生產(chǎn)啟動會，明確了產(chǎn)品重要性，任務的重要意義，強化人員的責任感。絕熱生產(chǎn)過程采用等級評價制度，對每發(fā)產(chǎn)品進行評級，并按評星等級對操作人員進行獎勵，調(diào)動人員的積極性，質(zhì)量控制與激勵政策并行?？臻g站任務絕熱產(chǎn)品“四星”率達80%以上。

2.2 設(shè)備、工裝的檢定維護

固體發(fā)動機制造過程很多尺寸需要模具保證，工裝模具的精度和維護保養(yǎng)狀況對產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響，例如殼體機口部位絕熱層的接口尺寸需要絕熱固化工裝保證，藥型結(jié)構(gòu)需要芯模保證。因此，在生產(chǎn)前需要對涉及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的絕熱固化工裝尺寸復驗，對影響產(chǎn)品絕熱質(zhì)量的氣囊嚴格執(zhí)行入廠測量、壓力檢測，嚴格控制使用次數(shù)；檢查模具表觀質(zhì)量，并對與推進劑直接接觸的工裝表面重新燒結(jié)聚四氟乙烯層，以使藥面平整光滑。

對關(guān)鍵工序設(shè)備、儀器儀表進行鑒定，對測試設(shè)備重新鑒定、校準，確保使用正常，在有效期內(nèi)。

2.3 原材料的批次性管理

固體發(fā)動機的裝藥生產(chǎn)主要包括絕熱、襯層成型及推進劑裝藥三大工序，其質(zhì)量直接影響產(chǎn)品的成敗。生產(chǎn)過程涉及的直接和間接非金屬原材料29種。準確合理的選材是保證逃逸發(fā)動機質(zhì)量的前提，在生產(chǎn)前，根據(jù)以往生產(chǎn)數(shù)據(jù)包的積累，對29種原材料使用的合格供方、原材料性能指標及產(chǎn)品性能進行統(tǒng)計分析。以神舟十一號為基線，確定了空間站任務用原材料的供方、批次，使批量生產(chǎn)的原材料均在合格包絡內(nèi)。針對小批量原材料進行組批，以保證批量產(chǎn)品用原材料的質(zhì)量一致性。

生產(chǎn)前對原材料進行再次復驗，生產(chǎn)時原材料專區(qū)存放，指定型號專用，即該批次原材料僅用于逃逸發(fā)動機的裝藥。嚴格各型號用原材料的發(fā)放管理，準確記錄使用原材料的批次及用量，保證了原材料的可追溯性

2.4 生產(chǎn)環(huán)境的控制

燃燒室裝藥受環(huán)境的濕含量影響較大，絕熱粘貼過程，水分會導致界面脫粘，推進劑和襯層固化體系對水分都非常敏感，不僅會降低性能，嚴重時造成產(chǎn)品報廢。因此需嚴格控制生產(chǎn)過程的環(huán)境絕對濕含量。利用溫濕度監(jiān)控設(shè)備、除濕機、空調(diào)等裝置控制濕度，采用原材料預烘，使用前測試水分含量等措施降低水分的影響。

2.5 生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制

逃逸發(fā)動機的裝藥、總裝生產(chǎn)過程是一個多工序串聯(lián)的過程，主要由殼體絕熱工序、襯層成型工序、燃燒室裝藥工序及發(fā)動機總裝工序組成。各個工序中又分為多個子工序，如圖1所示。

圖1 逃逸發(fā)動機裝藥總裝流程示意Fig.1 Schematic Diagram of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

2.5.1 工藝準備

逃逸發(fā)動機空間站任務啟動后，工藝部門針對設(shè)計文件的狀態(tài)進行全面梳理，細化落實文件的要求，并結(jié)合目前生產(chǎn)技術(shù)的特點，編制了空間站任務的工藝文件，針對特種工藝，進行了識別和確認，編制了專用的技術(shù)文件和質(zhì)量控制程序。并在關(guān)鍵工序首頁標識，并統(tǒng)計關(guān)鍵工序、特殊過程的參數(shù)包絡線，對關(guān)鍵點設(shè)置停止點，監(jiān)督檢查。

2.5.2 工藝過程的PFMEA分析

根據(jù)Q/QJA 66-2010《航天產(chǎn)品工藝風險分析》對逃逸發(fā)動機裝藥總裝過程開展PFMEA分析，從殼體絕熱、襯層成型到推進劑的裝藥、總裝，涉及生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，梳理風險項目41項，并從風險的嚴重度（見表1）、發(fā)生度（見表2）、檢出度分析（見表3）、評價，并制定措施，F(xiàn)MEA分析樣表見表4。

表1 Severity(PFMEA)嚴重度Tab.1 Severity(PFEMA)

表2 Occurrence（PFMEA）發(fā)生度Tab.2 Occurrence (PFMEA)

表3 Detection（PFMEA）檢出度Tab.3 Detection(PFMEA)

表4 逃逸發(fā)動機裝藥總裝工藝PFMEA分析表Tab.4 PFMEA Analysis of Propellant Loading and Motor Assembly for Escape Motors

針對風險分析識別的結(jié)果，對風險優(yōu)先數(shù)字大于40的項目，制定量化的工藝參數(shù)，確定9項為工藝關(guān)鍵特性，形成了工藝關(guān)鍵特性匯總表，并將措施納入工藝文件中，嚴格控制。

2.5.3 過程的監(jiān)控及結(jié)果的測試

固體發(fā)動機裝藥生產(chǎn)是一個復雜的工藝過程，為了保證最終產(chǎn)品具有高的可靠性和性能重現(xiàn)性，必須對生產(chǎn)全過程嚴格、有效的控制，對結(jié)果有可靠的測試手段。

a）生產(chǎn)過程的停止點檢查。

固體發(fā)動機生產(chǎn)過程很多工序都是不可逆的，因此，過程的質(zhì)量控制直接決定著產(chǎn)品的最終質(zhì)量和性能的一致性。絕熱殼體的脫粘、襯層/推進劑的界面脫粘以及燃燒室氣孔都是影響產(chǎn)品質(zhì)量的缺陷。在生產(chǎn)中確定了絕熱殼體固化前的一界面超聲波探傷及絕熱層厚度測量，避免了固化后一界面脫粘再進行二次固化修補。在絕熱殼體噴涂襯層前設(shè)置了絕熱殼體質(zhì)量確認的強制檢驗點，確定絕熱殼體狀態(tài)復合設(shè)計要求；在燃燒室裝藥后設(shè)置了燃燒室評審的強制檢驗點。強制檢驗點的檢查確認由設(shè)計、工藝、質(zhì)量、操作人員參與，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量控制的有效性。

b）產(chǎn)品的質(zhì)量檢測。

工序中產(chǎn)品的質(zhì)量檢測也是一項非常重要的工作，發(fā)動機過程檢測主要包括隨爐試件的性能檢測、絕熱殼體厚度測量、一界面的超聲波檢測，燃燒室的CT探傷、發(fā)動機的尺寸測量、整機測試以及氣密檢測等。對工序測試結(jié)果的分析、判定為保障產(chǎn)品質(zhì)量一致性奠定了良好的基礎(chǔ)。

2.5.4 工藝參數(shù)及性能數(shù)據(jù)的包絡分析

固體發(fā)動機襯層和推進劑的性能是重要的指標，影響著發(fā)動機藥柱的結(jié)構(gòu)完整性及內(nèi)彈道性能。由于襯層、推進劑的固化是化學反應過程，受原材料批次、生產(chǎn)環(huán)境條件的影響，每一次生產(chǎn)都需要適時調(diào)節(jié)固化參數(shù)和燃速參數(shù)。為保證批生產(chǎn)質(zhì)量的一致性，原材料選取同批次原材料，并進行多輪次的25L配方調(diào)試，根據(jù)試驗結(jié)果選取恰當?shù)墓袒瘏?shù)和燃速參數(shù)。

生產(chǎn)中注重工藝參數(shù)和性能數(shù)據(jù)的包絡分析。統(tǒng)計生產(chǎn)中的工藝參數(shù)60項，結(jié)合性能數(shù)據(jù)進行對比分析，對合格/超包絡分析，力求產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。

3 結(jié)束語

產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的，是產(chǎn)品固有的可靠性，批量生產(chǎn)發(fā)動機的質(zhì)量一致性是管理出來的，也是每一個從事載人航天工程的技術(shù)人員、管理人員、操作人員高度責任心的結(jié)晶。扎實做好生產(chǎn)前的準備工作，加強過程的監(jiān)督，落實結(jié)果的分析確認，每一個環(huán)節(jié)都是質(zhì)量一致性的可靠保障。