运载火箭去任务化研究与实践

/北京宇航系统工程研究所

2014年以前,我国“长征”系列运载火箭采取定制式研制生产管理模式。在该模式下,某一发火箭从立项研制到出厂发射固定对应一次卫星(飞行器)发射任务,对其给定一个代号并按照任务发次进行火箭构型、系统及单机产品状态的明确以及生产计划下达,尽管对于技术状态变化较少的部分单机产品实行了组批生产,但是每发火箭与任务属于强关联,任务一旦发生变化,系统级产品乃至整发火箭不能直接调整替代,因此带来了技术状态管控难度大、生产效率不高、适应任务调整变化能力差、资源利用率低等一系列问题,越来越不能适应高密度常态化的形势任务需要。

经过对后续宇航发射任务进行预测,某系列运载火箭型号在2015-2022年甚至更长的时间内面临年均10余发的发射任务需求,真正进入高密度发射常态化阶段。在新的任务需求和环境条件下,需要研究解决原有的定制式研制生产模式存在的问题和不足,提出新的研制生产管理模式,以提高研制生产效率,同时提高火箭对任务调整的适应性和对市场的反应能力,更好地适应当前高密度常态化条件下多型号并举、多任务并行、资源高度紧张的形势任务需要。为此,中国运载火箭技术研究院从2014年初开始开展了某系列型号运载火箭去任务化研究和实践,确立了运载火箭去任务化的目标,提出了去任务化管理模式并组织实施,并得到中国航天科技集团有限公司的高度认可,被纳入2016年航天科技集团党组一号文件加以推广。

一、总体策划思路

通过对原有运载火箭定制式研制生产管理模式进行分析,认为在该模式下主要存在火箭技术状态管控难度大、研制生产效率不高、生产交付进度紧张、对任务调整适应性不强等问题。针对这些问题,为适应高密度常态化条件下多型号并举、多任务并行、资源高度紧张的形势任务需要,经过多轮深入论证和研究探索,将突破点放在技术、管理模式和流程创新方面,在航天领域范围内首次提出运载火箭去任务化研制生产管理模式,并分步组织实施。

首先,全面剖析原有的运载火箭定制式研制生产管理模式存在的问题和不足,针对问题提出解决方案,提出去任务化研制生产管理模式。

其次,基于某系列运载火箭现有能力水平,从技术和管理2个方面入手对去任务化研制生产管理模式实施的可行性进行分析,并进行试点实施。

再次,确立运载火箭去任务化的目标,并提出“运载火箭构型统一,系统技术状态固化;通用产品批量投产,特殊产品定制生产;火箭投产明确发次,总装绑定任务属性”的工作思路和详细的技术路线、计划路线,并提出具体的管理办法作为实施保障。

最后,按照确立的目标、工作思路和技术路线、计划路线及管理办法分步实施,实现提升运载火箭研制批生产效率以及加强火箭对任务调整适应性的目的。

二、研究与实施内容

1.全面剖析原有管理模式存在的问题，提出去任务化管理模式

在去任务化管理模式下,从立项研制开始明确火箭构型和状态并给定一个代号,但是不指定其发射的任务,进入总装阶段之前的系统级、单机级产品生产均按批进行,进入总装总测阶段后再明确火箭执行的发射任务;单发火箭完成总装后,可以灵活调整其承担的发射任务;理论上具备火箭出厂前一个月再明确或调整执行的发射任务的能力。通过去任务化模式管理,促使运载火箭构型统一和技术状态稳定,提高系统级、整箭级的通用性、互换性和对任务调整的适应性,统筹任务需求和科研生产组织管理,更好地控制火箭批生产节奏,提高批生产效率。

2.对去任务化管理模式进行可行性分析并试点实施

从技术和管理2个方面入手,对某系列运载火箭现有能力水平进行评估,对去任务化管理模式实施的可行性进行分析。

在技术可行性方面,经过梳理统计和分析,某系列运载火箭85%以上的产品和技术文件(工作项目)完全与任务无关,本身就具备去任务化的条件;15%左右的产品和技术文件(工作项目)开展相应工作后可具备去任务化的条件;5%左右的产品和技术文件(工作项目)与任务必须关联,不能去任务化,对此部分产品按照与任务相挂钩的单件研制的模式进行定制式生产,在火箭总装总测过程中再与整箭关联。

在管理可行性方面,从2006-2012年的高密度发射阶段,某系列运载火箭型号在定制式研制生产管理模式的基础上采取了柔性作业的运载火箭批生产管理模式,即对技术状态变化较少的部分单机产品实行组批生产和组批验收,具备了一定的组批生产经验。在此基础上,通过在统一火箭构型和技术状态固化、计划及生产进度管理、验收及交付管理、质量管理、用户管理、经费管理等方面进行相应的管理模式变革,即可实现去任务化管理模式。

为了验证去任务化管理模式的可行性和有效性,某系列运载火箭型号制定了单机产品生产取消发次代号试点管理工作要求,将助推器、发动机、电气系统单机等产品与火箭发次和任务脱钩,试点实施了产品取消任务发次代号组批生产。结果表明,通过单机去型号化、去任务化管理,有利于产品技术状态控制和质量控制,有利于加强产品质量稳定性和产品一致性,可以极大地提高产品批生产效率。

3.确立工作目标和原则、工作思路和技术路线、计划路线

一是工作目标和原则。

某系列运载火箭型号针对原有研制生产管理模式存在的不足,在助推器、发动机、电气系统单机等产品试点实施的基础上,确立了实现“单机产品去型号化、整箭(系统)产品去任务化”的去任务化工作目标,即火箭进入总装阶段之前的系统级、单机级产品生产均按批进行,进入总装总测阶段再明确火箭执行的发射任务;单机级、系统级、整箭级通用化组批生产,单发火箭完成总装总测后可以灵活调整其承担的发射任务;理论上具备火箭出厂前一个月再明确或调整执行的发射任务的能力。

根据去任务化管理模式特点,提出了“五个确保”的工作原则,即确保不因去任务化出现生产线和管理混乱;确保火箭满足任务需求,确保用户满意;确保火箭产品技术状态清楚,保证状态控制的正确性;确保有利于产品质量控制,有利于提升产品质量稳定性;确保有利于提升产品生产效率,降低成本。

二是工作思路和技术路线、计划路线。

运载火箭去任务化的关键是将火箭生产和卫星发射任务剥离开,直到火箭总装总测时再给火箭明确执行的发射任务。经分析研究,明确了“运载火箭构型统一,系统技术状态固化;通用产品批量投产,特殊产品定制生产;火箭投产明确发次,总装绑定任务属性”的工作思路,具体方案如下:

首先,开展运载火箭构型统一和技术状态固化工作,为去任务化工作提供技术前提;其次,按照通用产品批量化投产,特殊产品定制式生产的管理创新模式组织产品投产;最后,按照火箭投产明确发次、总装绑定任务属性进行节点控制,如图1所示。

根据某系列运载火箭型号特点,将产品分为3类:一是型号内通用的产品,二是与火箭构型相关的产品,三是任务本身带来的、与任务必须关联的专用产品。针对不同类别的产品进行分类管理,适用不同的生产管理模式。

针对通用产品进行组批生产,按批管理、按批验收交付,系统级综合试验按批进行管理;针对构型相关的产品,如整体吊、分体吊状态三子级、电缆网等,按发射任务对构型数量的需求进行组批生产;针对专用产品,如卫星支架、控制系统飞行软件等,与任务挂钩进行编号,进行单件定制式生产,进入总装总测阶段后与火箭进行关联。在去任务化工作思路指导下,提出了新模式下运载火箭研制生产的技术路线图,如图2所示。

根据去任务化总体研究思路和边研究、边实践、边完善的指导思想,型号顶层策划、统筹布局,形成了去任务化计划路线图并组织实施,如图3所示。

按去任务化计划路线图,分为6个阶段进行了分步实施:

· 策划与部署阶段,完成必要性、可行性研究,提出去任务化工作方案,包括基本管理模式、目标和原则、实施步骤等。

图1 去任务化工作目标和思路

图2 去任务化技术路线图

图3 去任务化计划路线图

· 技术准备阶段,完成运载火箭构型统一和各系统技术状态固化。

· 典型产品试点实施阶段,在助推器、发动机和电气单机产品上试点实施去任务化模式。

· 单机(大部段)产品全面实施阶段,全面实施大部段、单机产品与任务发次代号脱钩。

· 系统级产品实施阶段,实现系统级产品与任务发次代号脱钩。

· 整箭级产品实施阶段,形成与去任务化模式相对应的研制流程、标准规范和管理体系,实现去任务化目标,整箭发次和发射任务脱钩,总装总测前再明确火箭执行的发射任务。

4.统一火箭构型、固化产品技术状态并提升产品成熟度

由于各大工程项目的顶层要求和型号自身30余年的技术发展,某系列运载火箭构型达11种之多,大部段、单机及各系统的技术状态更是纷繁复杂,如测量系统就分为2MbPs、5MbPs过渡状态和5MbPs最终状态等三大类,而且由于测点设置的不同,每一发火箭的测量系统电缆网技术状态都不一致。

针对运载火箭构型和产品技术状态多样的特点,为了提高单机(大部段)级、系统级、整箭级产品的通用性和互换性,某系列运载火箭型号致力于减少、统一火箭构型和固化火箭产品技术状态,以更有利于组织批生产和提高火箭对发射任务调整的适应性。重点从3个方面对火箭构型和技术状态进行梳理分析并统一固化:第一,将原有11种构型统一到6种,同时这6种构型中的助推级、一、二级火箭产品做到完全一致,三级产品大部分也做到状态一致,仅仅是与卫星接口等相关的小部分产品状态不一致;第二,对各系统、大部段和单机产品的技术状态进行固化,设置火箭批生产技术状态基线;第三,制定单机产品成熟度定级实施细则和成熟度模型,在航天科技集团范围内率先开展单机产品成熟度提升和评估工作,使绝大部分单机产品的成熟度达到5级(95%的产品)或6级(2%的产品)。

5.对制约去任务化的系统产品进行改进，解决技术瓶颈

经过梳理发现,推进剂利用系统三级液氧点式液位传感器、控制系统电缆网、测量系统电缆网等系统和产品存在制约去任务化的因素,为此开展了推进剂利用系统液氧点式液位传感器更改、电气系统电缆网统一构型和状态统一等技术创新改进,从技术上解决了制约去任务化的技术瓶颈。

为了满足去任务化要求,通过对液氧点式液位传感器进行硬件、软件和结构安装更改,以及加注系统、动力测控、总体网等系统适应性更改,对推进剂利用系统三级液氧点式液位传感器的发讯点高度进行了调整,改变了以前3级总装封箱前必须由总体根据本发贮箱和发动机的特性进行计算,并根据计算结果确定是否调整液位传感器高度的工作流程,总装车间可以直接封箱,加注量根据实际需求选择相应液位,从而实现去任务化要求。

针对电气系统电缆网状态差异制约去任务化的问题,通过研究改进实现了电气系统箭上电缆网构型和设计状态的统一化,具备去任务化组批投产条件。

6.开展管理创新，保障型号研制工作高效运转

一是创新实施层次化、梯度化投产计划管理模式和批生产验收交付管理模式。

在计划进度方面,改变传统的将火箭与发射任务绑定、按单发火箭下达计划并组织产品验收交付的计划管理和验收交付模式,按照去任务化技术路线图,通过将某系列运载火箭产品分为通用产品、构型产品和专用产品3类进行投产,并推行“单机产品齐套计划组批下达、综合试验计划按构型/状态下达、总装齐套计划按发次下达”的层次化、梯度化计划管理模式和组批生产、组批验收、组批交付的管理模式,提高了批生产效率。

在产品配套方面改变原有的按每发火箭下发配套表的模式,改为按构型下发产品配套表,固化构型产品状态,并按此组织产品生产和总装齐套,同时将由单发任务产品的贮存期、校验期要求改为组批交付总装节点产品的贮存期、校验期要求,并按“先入先出”的原则进行总装,提高了产品交付齐套和总装管理效率。

二是创新开发型号产品信息二维码管理系统并成功投入应用。

在去任务化管理模式下,产品按照通用化组批生产的管理模式批量交付总装厂,需要加强对产品贮存、流转、装箭和质量状态的管理,加强对总装产品信息的自动采集、跟踪和反馈。为规范产品去任务化后的交付配套管理,逐步形成规范高效的型号产品信息管理、流转交付、总装配套、信息反馈和状态查询及管理体系,创新开发了型号产品信息二维码管理系统,并已投入应用。交付总装齐套的单机产品,其产品信息二维码随产品实物一起交付,实现了型号产品信息的自动化采集和管理。

三是优化火箭产品技术状态和质量管理控制。

在产品技术状态管理和控制方面,加强去任务化模式下的火箭产品技术状态更改控制。按照通用产品、构型产品和专用产品3类进行分类控制,对于通用产品和构型产品,按版本(按批)进行集中控制的概念严格进行,不允许进行个别更改;对于专用产品按照任务进行严格控制,并进行特殊标记和密切跟踪。为了逐步固化技术状态,减少技术状态更改,适应去任务化组批生产的模式,某系列运载火箭型号研究优化了技术通知单、更改单会签审批流程,在原有的审批管理基础上增加型号办公室会签等管理环节,并在AVDIM系统上正式运行,进一步加强了技术状态更改的规范控制。

在质量管理控制方面,针对去任务化模式开展质量管理流程适应性优化,改变以往按单发控制的质量管理控制办法,火箭产品在批生产阶段重点按组批控制进行,在总装总测阶段赋予任务以后再按发次进行。同时,改变电子元器件装机清单录入与任务发次紧关联的做法,解决元器件质量控制手段对去任务化模式的适应性问题。

四是创新提出去任务化模式下的用户管理和经费管理流程。

在用户管理方面,改变以往定制式管理模式的做法,提出创新管理方案,以适应去任务化下的用户管理模式,保证产品研制满足用户合同要求,并加强去任务化模式下的用户沟通,以保证用户满意。对于通用(构型)产品,由于产品按取消任务代号进行批生产,总装配套后才明确交付火箭的任务发次,因此在部段、单机、系统研制生产阶段与用户和上级机关沟通时,主要汇报同批产品生产技术状态、进度、质量和验收交付时间等情况;交付总装齐套后,向用户和上级机关汇报配套关系及产品技术状态、质量等情况;对于任务相关产品,在与用户和上级机关沟通时主要汇报发射任务工程总体要求落实、大系统协调、运载火箭总体技术状态、专用产品技术状态、研制进度、质量和验收交付等情况。

运载火箭去任务化后,对经费管理模式进行了相应的优化调整,提出了与运载火箭去任务化管理相匹配的管理模式和管理办法,重点理顺组批生产产品与用户单发签订合同的关系,并进行了适应性的成本归结,以适应型号组批产品与任务发次产品计账方式不同带来的经费管理变化。

三、实施效果

通过去任务化模式管理研究与实践,全面实施了某系列火箭全箭产品去型号化、去任务化工作,实现了全箭单机(大部段)、系统级、整箭级产品与任务发次脱钩进行组批生产和组批交付,直到火箭进入总装总测阶段再明确火箭执行的发射任务,并且单发火箭完成总装总测后可以灵活调整其承担的发射任务,理论上具备火箭出厂前一个月再明确或调整执行的发射任务的能力。

在去任务化管理模式下,单机级、系统级、整箭级产品按批生产进行,大大提高了火箭批生产效率,生产发射能力从年均6～8发提升到12发的水平,在资源有限的情况下满足了年均10余发的高密度发射任务需求;提高了火箭对任务调整的适应性,目前已有3发火箭产品在原定卫星发射任务时间推迟后直接用于其它卫星发射任务,全面实现了运载火箭去任务化的目标,提高了运载火箭批生产和发射能力,加强了火箭对任务调整的适应性和对市场的反应能力,更好地适应了当前持续高密度发射形势任务需要,推进了运载火箭的市场化转型和产业化发展,取得的经济和社会效益显著;同时,为其它航天型号研制生产管理提供了参考和借鉴,具有重要的推广应用价值。