氢氧发动机试验过程关键数据控制方法探究

薛方凝 蹇 玥 杨天逸

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

氢氧发动机试验过程关键数据控制方法探究

薛方凝 蹇 玥 杨天逸

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

氢氧发动机试验过程是一个连续、复杂的生产服务过程，只有严格控制试验过程，才能确保试验质量和安全。对氢氧发动机试验的试验过程、工艺、设计进行了关键特性分析，找出了关键环节，提出了氢氧发动机试验过程关键数据的控制措施和紧急处置控制方法，使得试验关键过程得到了有效控制，有助于试验目标的实现。

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随着新一代运载火箭研制、探月工程三期、导航二代二期等重点航天工程研制任务进入关键阶段，我国航天军品试验任务进入高峰期。目前，我国氢氧火箭发动机研制工作已经取得了重大进展，而随着研制进程的不断推进，在型号研制过程中也暴露出了某些薄弱环节，例如，技术风险分析不到位、现场管理不够完善等，这表明，在关键特性识别、量化控制、外包管理等环节，型号研制仍需进一步提高精细化管理水平。针对科研生产任务要求，强化管理是试验成功的有力保障，加强对关键过程、关键岗位、关键数据的把控，能够有效地确保试验质量、安全、风险、计划受控。

以氢氧发动机试验为例，试验过程是一个连续、复杂的生产服务过程。对氢氧发动机试验过程、工艺、设计进行关键特性分析，在试验的各个环节中对关键过程进行重点控制[1]，有利于确保试验质量。本文在氢氧发动机试验关键过程识别的同时，也明确了应急预案制定、岗位职责、判断依据和实施细则，确保应急预案人员分工明确、职责清楚、条理清晰。

1 氢氧发动机试验系统组成

以某型号氢氧发动机试验为例，其试验系统由推进剂供应系统、配气系统、控制系统、测量系统、吊运系统等组成，主要用于完成氢氧发动机试验任务，如图1所示。

2 氢氧发动机试验关键环节的识别与控制

关键过程即对形成产品的质量起决定性作用的过程[2]，包括形成关键、重要特征的过程，以及加工难度大、质量不稳定、易造成重大经济损失的过程等。根据《某型号发动机热试验维护使用条件AA0-0JT4》氢氧发动机试验任务书，梳理氢氧发动机试验的工作流程[3]，如表1所示。

由表1可以看出，氢氧发动机试验共分为24道工序，下面从设计关键特性、工艺关键特性、过程关键特性等3个方面进行分析与实施。

2.1 氢氧发动机试验设计关键特性分析

2.1.1 氢氧发动机试验设计关键特性确定

通过开展严酷度分类、故障模式分析、危险性分析等工作，对氢氧发动机试验进行事故模式分析。

在氢氧发动机试验过程中，氢氧发动机地面吹除压力控制不满足设计要求值、点火回路阻值不符合要求、低温阀门故障的危险性较大，设计功能出现问题将导致发动机严重损坏、重大经济损失、试验重要步骤无法进行或影响试验进度。综上所述，发动机地面吹除系统、点火回路阻值、低温阀门故障应设定为设计关键特性。

2.1.2 某型号氢氧发动机试验设计单点失效模式分析

（1）单点失效模式分析元件确认

依据FMECA分析，对严酷度级别为Ⅰ、Ⅱ的设计关键元件进行单点失效模式分析[4]，包括安全阀、爆破片、控制电源、点火线路、吊车、低温阀门故障等。

（2）单点失效模式分析

表1 某氢氧型号发动机试验系统工艺流程表

单点失效模式的识别依据为：产品故障模式是否会导致系统故障、产品内部是否有冗余或替代操作程序作为补救[5]。依据这一原则，对以上设计元件进行识别，得出以下结论：

吊车无法安全吊装发动机，点火回路阻值不符合要求无法通过替代程序补救，且由于以上设备均为重大设备，较难设置冗余备份，故确定为Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式，需进行严格质量控制。

低温阀门出现异常。在主级段试验过程中，29m3容器隔离阀打开异常，无法进行液氧贮箱液位调整，液氧将首先耗尽，液氧总量无法满足试验要求，会造成气蚀关机，故确定为Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式，需进行严格质量控制。

安全阀无法开启，安全阀开启压力过低，爆破片失效，控制系统供电不符合要求。其中，安全阀、爆破片作为贮箱安装泄放装置可互为冗余，控制电源可通过UPS（不间断电源）提供冗余的方法进行补救。因此，以上故障模式不作为Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式。

2.2 氢氧发动机试验工艺关键特性分析

通过分析，某型号氢氧发动机试验系统归纳出的工艺关键特性包括：推进剂供应系统中，爆破片、安全阀、贮箱压力、容积、管道压力、阀门承压；点火系统中，点火回路阻值；配气系统中，发动机地面吹除压力；控制系统中，控制系统电源。涉及的具体工艺程序包括：液氢液氧加注、点火试验，以及发动机试后处理。将这些工艺关键特性归入试验系统工艺流程中进行统一分析。

为了确保试验安全、可靠地完成，利用工艺FMECA（故障模式、影响及危害性分析）方法分析某型号氢氧发动机试验系统工艺过程的每个环节，并根据分析结果确定出氢氧发动机试验系统的工艺关键特性及其过程控制要求，从而确保试验质量。

2.3 氢氧发动机试验过程关键特性分析

2.3.1 氢氧发动机试验过程FMECA的评判方法

按照严酷度等级S、发生概率等级O、检测难度等级D，对试验过程进行故障分析，得出RPN（风险等级）值，分析试验系统的过程FMECA。

2.3.2 氢氧发动机试验过程控制结果分析

通过对各项试验过程的分析，判断出RPN值明显超出其它过程的项目。以氢氧发动机试验为例，在23项试验过程分析中，多数过程的RPN值在28以下，其中有3项明显超出其它过程，具体为“火工品安装和测试”、“自动紧急关机程序测试”和“综合测试”。确定上述3项为试验过程关键特性，控制方法如下：

（1）火工品安装和测试

过程控制要求：使用力矩扳手安装点火器、电爆管，控制锁紧力矩；使用1941A型数字多用表、兆欧表测量电爆管、点火器线路阻值，将正常值与测量值比较；测量点火电缆与点火器、电爆管之间的回路电阻；测量绝缘电阻。最终，通过各岗位人员有效检查，填写记录表，达到过程控制要求。

（2）自动紧急关机程序测试

过程控制要求：对7种自动紧急关机条件进行测试。试验前进行程序检查，通过各岗位人员有效检查，填写记录表，达到过程控制要求。

（3）试验系统综合测试

过程控制要求：检查试验台的液路、气路、控制及测量系统与发动机系统在试验全过程中的工作协调性和准确性。综合测试在正常情况下进行3次，包括自动紧急关机测试、手动紧急关机测试和正常关机测试。通过各岗位有效检查、测量，填写《某型号发动机单元检查综合测试记录表》，达到过程控制要求。

2.4 氢氧发动机试验过程控制措施

2.4.1 氢氧发动机试验关键过程识别

通过对氢氧发动机试验过程3类关键特性的分析，明确了氢氧发动机试验中的关键岗位和关键过程，并制定了氢氧发动机试验关键过程管理要求，关键工序根据3类关键特性和关键过程分析的内容制定，关键工序应进行标识，对关键或重要特性严格执行自检、互检和专职检查流程，并进行实测记录。氢氧发动机试验关键过程要严格执行“三定”原则，即：定人员，定设备，定方法，同时对关键环节控制实施表格化管理。

2.4.2 氢氧发动机试验关键设备管理

氢氧发动机试验关键过程操作中所使用的设备、工装、计量器具等必须符合试验任务书及工艺规程要求，并具有表明经测试、检定有效的合格证明或标识。通过设备日常检查和维护，制定详细的检查项目，岗位人员负责具体的检查工作，落实“点检制”，同时，明确设备指标和日常维护要求、常见故障和解决方法。

2.4.3 氢氧发动机试验关键过程控制方法

针对上述分析出的氢氧发动机试验关键过程，制定相应的控制方法，以某型号氢氧发动机火工品安装和测试关键过程为例，控制方法为：

关键岗位：某型号氢氧发动机火工品安装工作由30号岗位（王某、路某）承担；火工品测试工作由1号岗位（刘某、王某）承担。

关键设备：力矩扳手（型号B-101B-1，规格：40N·m～100N·m）；兆欧表（500MΩ）；数字多用表（BY1941A）

控制方法：

（1）安装点火器步骤

操作员拧下点火器孔座堵头，在点火器上安装专用垫片，在点火器螺纹上涂少许7805油膏，将点火器安装到点火器孔座内，使用力矩扳手拧紧，锁紧力矩为50N·m。安装完毕后，按三检制，完成自检、副岗复检、组长专检，确定无误后，按AT0B-JT5《发动机使用维护技术条件》规定，给点火器打保险。

（2）火工品测试

1号岗位人员用1941A型数字多用表，在控制台上测量电爆管、点火器线路阻值；将正常值与测量值比较，正确无误后，向0号岗位报告测试结果。其中，点火器测量电阻1和2、3和4间的电阻值应接近0；1和3、2和4间电阻值应在1.2Ω～2.3Ω范围内，与合格证上的电阻值之差不大于±0.15Ω；检查电流不大于50mA。点火电缆与点火器之间的回路电阻阻值应等于点火电缆、测量电缆、点火器电阻值之和，偏差应不大于±0.15Ω；检查电流小于50mA。1号岗位两人配合利用兆欧表进行点火器绝缘电阻测量，绝缘电阻要求不小于20MΩ。

3 氢氧发动机试验关键特性效果分析

通过对氢氧发动机试验流程的全面梳理与分析，辨识出氢氧发动机试验中的关键过程项目，制定针对性措施并落实到位，使试验关键过程得到有效控制，达到降低试验风险、预防质量问题发生、确保试验圆满成功的工作目标，为型号试验保驾护航。因此，推进规范化、精细化质量管理，实施科学量化的全过程控制，做好试验过程关键岗位、关键过程的控制，紧急处置预案的识别和实施，可有效地提升保质量和保安全的能力。

1 孙宏明. 液氧/甲烷发动机评述[J]. 火箭推进, 2006, 32(2): 24～25

2 王黎明. GJB9001B-2001质量管理体系要求[S]. 中国人民解放军总装备部, 2010

3 刘新民. QJ11042A氢氧火箭发动机地面试验方法[S]. 中国航天工业总公司, 1998

4 李文钊. Q/QJA71-2011航天型号单点故障模式识别与控制要求[S]. 中国航天科技集团公司, 2011

5 伍平洋. 航天产品不合格、失效和危险分类[S]. 国防科学技术工业委员会, 2004

1009-8119（2017）04（1）-0059-03