装备环境适应性闭环管控方法研究

2021-09-03李炳蔚牛智玲张子骏余慕春丁晨

装备环境工程 2021年8期

李炳蔚，牛智玲，张子骏，余慕春，丁晨

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

“环境适应性”与“可靠性、安全性、测试性、维修性、保障性”等并列，是一项重要的装备通用质量特性。装备的环境适应性水平，是决定了装备在实战条件下是否强壮的“先天基因”，一定程度直接决定了装备能否在战场中发挥应有的战斗力，相关技术受到工业界和学术界越来越多的关注。

装备环境适应性是设计出来的，也是管理出来的，是通过系统严格的试验鉴定出来的。目前，装备环境适应性工作主要遵循相关标准进行实施和管控[1-4]。然而，在实际的工程实践中，环境适应性工作往往处于“开环”状态，过程的闭环管控和工作成效有待提升[5-10]。近年来，多位学者在环境适应性设计方面进行了思考，结合具体产品的工程实践，提出了适用于装备研制的、细化的环境适应性工作流程[11-16]，但是目前还缺乏对装备环境适应性管控的系统性研究。为此，提出了一种环境适应性闭环管控方法，为装备环境适应性工作的有效开展提供方法支撑。

1 环境适应性闭环管控工作体系

装备环境工程面向复杂的装备系统，并且涵盖项目管理、工程技术的大量学科，遵循系统工程的科学方法。系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、试验和使用的科学方法，是一种对所有系统都具有普遍意义的方法[17]。系统工程方法得到钱学森先生等学者的大力推动，在我国航空航天等国家重大工程的研发中发挥了重大作用[17-19]，并沿用至今，是环境适应性闭环管控的方法基础。系统工程的一项重要思想是通过“总体设计部”将用户需求转换为满足要求的、优化的总体方案，然后将总体方案分解为若干系统的技术要求，再经由总体-系统-分系统-单机的多级配套协作，实现产品的研发和集成。基于此，相关标准要求设立涵盖环境工程项目经理、专家组和设计师队伍组成的专业组织架构，以确保装备环境工程有效落地[1-2]。GJB 4239—2001规定的装备环境工程工作主要包括环境工程管理、环境分析、环境适应性设计、环境适应性试验与评价4部分工作。其中，环境工程管理工作主要内容有制定环境工程工作计划、环境工程工作评审、环境信息管理、对转承制方和供应方的监督和控制等内容，见表1。

表1 装备环境工程工作项目Tab.1 Working items of closed-loop control of equipment environmental adaptability

文中在现有环境工程工作标准体系的基础上，结合航天工程中的具体实践，提出了环境适应性闭环管控工作体系，如图1所示。该工作体系由环境适应性总体抓总牵头，牵引各系统、单机单位开展武器装备的环境工程管理工作的落实，开展的主要工作包括基于流程前置的环境工程工作计划、面向流程闭环的环境适应性工作过程控制，以及全寿命周期环境适应性信息管理等内容。

图1 环境适应性闭环管控工作体系Fig.1 Closed loop control system of environmental adaptability

设立专门的环境适应性总体的岗位或角色，是从系统工程实施的角度，可以更好地对环境工程工作进行抓总，推进各项工作的实施和落地。可以在总体设计部设立环境适应性总体岗位，作为六性专业之一。环境适应性专业可以作为实施环境工程的主体，对装备系统环境工程管理和共性技术工作负责，通过运用各种管理和技术手段，提高武器装备的环境适应性。环境适应性专业是环境和产品的纽带，开展环境工程管理工作顶层的策划、分解、监督、管控和评价，提出并开展共性基础课题研究，负责相关标准的制定，研发并应用环境适应性工作平台，确保装备环境适应性的先天品质优良。笔者单位作为装备的总体设计部，设立了六性工程研究室，下设环境适应性总体设计工程组，设置环境适应性总体岗位，对环境工程工作抓总。通过3年的运行，不但牵头圆满完成了多个型号的环境工程管理工作，而且建立了环境适应性标准体系，攻克了多项环境适应性共性技术，开发了环境适应性信息化工作平台，形成制定了完善的环境适应性工作体系，运行的整体效果良好，提升了环境工程工作的效率，对于确保装备飞行试验成功、提升装备环境适应性水平提供了重要支撑，可以作为其他单位开展环境工程工作的参考。

文中提出的装备环境适应性闭环管控工作涵盖表1中列出的所有传统工作项目，并且在此基础上，主要针对目前存在的环境适应性工作“开环”、效果不明显等突出问题，提出了一套闭环管控方法。该方法从系统到单机纵向贯通，通过全流程闭环管控，提高装备的环境适应性。通过多年工程实践表明，该方法可以有效避免方案反复，提升环境适应性工作效率和工作效果。

2 基于流程前置的环境工程工作计划

在型号研制的初期，需要制定环境工程工作计划，明确环境适应性要求、环境工程工作组织机构及其职责，规定型号各阶段的环境工程工作具体项目及计划安排。环境工程工作计划一般以环境适应性大纲、环境适应性工作计划等纲领性文件的形式下发各个级次研制单位，并纳入到型号质量工作中，从顶层对环境工程工作进行指导和约束。

为确保环境适应性工作效果，应尽可能在工作中把环境适应性工作前置。传统的研制模式是在论证和方案阶段先进行环境设计、研制，然后进行试验验证，验证后再修改，整个过程是一个“试错式”的过程，可能会造成方案的反复，并且会导致较高的研制经费和较长的研制周期，影响装备的环境适应性水平的提升。为了将工作重心转移到方案设计阶段，在研制阶段重点考核产品的实现。通过环境适应性工作的前置，在方案设计阶段就要运用有限元仿真等先进的手段开展环境适应性分析、评价等相关工作，使得产品设计、分析融为一体，边设计、边改进，符合要求后再出图生产，极大地避免了后续的方案反复，大大提高了研制效率。六性工作审查在方案设计阶段启动，可以及时发现环境适应性条件理解不一致、设计不合理、环境不适应等问题。通过及时发现、及时纠错等方式，使环境适应性工作切实在设计中起到作用，把环境适应性要求落实在产品设计中。

环境适应性工作计划应突出重点和特点。制定环境适应性工作计划，做到要素全面：规定装备各阶段环境适应性工作总要求，涵盖环境工程管理、环境分析、环境适应性设计、环境试验及评价等内容。在进行工作项目的细化策划时，应该有“精准思维”，应根据型号的特点，对环境适应性工作进行细化和合理剪裁。一方面，开展的环境适应性工作要有型号特点，有针对性地开展型号环境适应性工作；另一方面，合理剪裁环境适应性工作，把与型号、阶段相关的环境适应性工作作为重点工作，在进行工作计划和策划的制定时，加以重点考虑。通过精准的工作策划，可以确保每项工作都能够深入地开展，确保环境适应性工作的有效落地。

制定环境试验条件，做到条件合理：要系统分析全寿命周期环境剖面，规定装备全寿命周期遇到的环境及量值，供各系统开展环境适应性设计，环境试验条件应做到项目覆盖、量级合理、制定方法正确、满足现有标准。

除此之外，为了确保环境适应性工作计划落地，应针对相关顶层要求制定解释和指导性文件，在方案和研制初期下发，并开展培训，具体一般应包括以下内容。

1）给出环境适应性设计准则（包括定量、定性两类），其中定量准则是根据频率管控，给出产品等应避开的频率或应满足的频率特性范围，定性准则是通过梳理历史上天地试验环境类故障，给出针对性的环境适应性设计要求。如包含固态继电器、恒温晶振、脆性陶瓷材料、玻璃器件、陶瓷封装集成电路、薄膜电阻、微波功放模块等对冲击敏感的部件，必须100%开展冲击环境适应性设计，并采取安装减振垫等抗冲击防护措施。

2）环境试验剪裁指南：为了防止分系统、单机实施环境试验时出现条件理解错误、边界条件不当、试验方向不正确等问题，制作环境试验条件的剪裁指南，对上述问题进行明确规定，确保环境试验有效。

3）例行试验序贯原则：给出例行试验的序贯原则，给出推荐的例行试验顺序。

4）环境试验管理要求：规定环境试验文件会签、数据管理要求，包括总体大型地面试验、分系统重要单机环境试验等。

5）环境试验方法：给出随机振动、冲击试验、运输试验、噪声试验、高温试验等试验的方法、流程和注意事项。

6）环境适应性仿真方法：给出环境适应性仿真的方法，如边界条件设定原则、分析方法、网格划分要求、阻尼系数确定方法等。

7）环境适应性工作计划：给出各个阶段实施的环境适应性的具体工作项目、工作要求、责任单位、输入输出文件、时间节点等。

3 面向流程闭环的环境适应性工作过程控制

环境适应性工作要求提出后，需要进行一系列的过程控制来确保工作的闭环。闭环管控工作强调要求提出后的工作监督和审查，以工作综合审查的形式对分系统、承制方的工作效果进行及时管控，在方案设计评审、转段等时机对六性工作开展情况进行把控，对发现的问题及时纠正。通过环境适应性工作的培训，面对面交流、手把手辅导等方式，确保工作的真正闭环。

开展环境适应性过程控制，具体实施途径如下：

1）开展环境适应性相关文件会签，总体对分系统的环境适应性工作计划、重要设备的试验大纲进行会签。

2）开展环境适应性评审工作，加强对外协单位的把控，专家组对总体的大型地面试验策划、环境试验条件进行专项评审，总体对分系统的环境适应性工作计划、重要设备的试验大纲、环境适应性分析进行评审，可以结合方案设计评审、转段评审、试验大纲评审等进行。

3）开展对转承制方和供应方的监督和控制。一方面，要开展全级次供应商的合格供方认证管理；另一方面，需要在产品研制过程中对转承制方和供应方的设计、生产、工艺等进行全方位、全流程的监督和控制。

4）制定环境适应性评价要求，并根据要求对产品的环境适应性进行评价，一般结合出厂验收和评审进行。在进行环境适应性评价时，可以采用基于时序的环境适应性分析方法[20]。

4 全寿命周期环境适应性信息管理

按照环境适应性信息搜集要求，对关键设备、部件的全寿命周期环境适应性数据进行汇总，形成数据库，并随着环境适应性工作的开展逐渐完善，通过对环境适应性信息的管理、分析和应用，为环境适应性分析和后续其他装备的研制工作提供支撑。

开展全寿命周期环境适应性信息管理，主要涵盖以下内容。

1）实施环境适应性信息管理：发布环境适应性试验信息收集要求，汇总、分析环境适应性信息，包括产品技术状态变化历史、试验方案、试验数据、试验结果、故障信息；产品数据包络，为定型鉴定、贮存延寿等提供支撑；借用产品环境适应性分析提供依据。

2）环境适应性信息平台：应建立相关信息的平台，对装备环境信息进行统一的管理。

3）自然环境信息：根据使用环境要求、GJB 1172—1991等，确定装备系统承受的高低温、湿度、盐雾、霉菌、砂尘、太阳辐射等自然环境条件，纳入到环境信息数据库中。

4）诱发环境信息：根据寿命剖面分析，开展装备产品经历的力、热、电磁等诱发环境信息分析和收集，纳入到诱发环境数据中。

5）技术状态：产品的技术状态基线和变化历史，产品借用情况。

6）环境履历：产品经历过的力、热、自然、电磁环境试验的项目及条件，包括借用型号的环境试验。

7）频率特性：系统、部件、产品的固有频率特性。

8）力学特性：产品的关键部件相对于设备安装处的振动、冲击传递特性，以及力学环境适应性（力学环境耐受极限信息）。

9）热特性：产品冷热透时间、热容、工作时发热功率、主要材料的热导率。

10）电磁特性：产品的电磁兼容特性。

11）自然环境特性：产品采取的防护手段等。

12）历史故障：产品或类似产品在研制、总装、服役期间发生过的全寿命周期环境适应性问题的相关信息。由于装备产品种类多样，并且可能经历的环境涵盖力、热、电磁、自然和空间环境，所以进行装备环境适应性仿真的难度很大。因此在开展这项工作时，应该从小处着眼，逐渐积累环境预示、产品建模、多物理场仿真的方法和基础数据，以提升工作效果[21-24]。此外，如确有必要且条件具备，可以开展实体样机环境试验或者原理性试验，对产品的环境适应性仿真模型进行校验。