某大型运载火箭测试发射流程优化策略

钟文安，张俊新，李智斌，朱良平，晏 政

（西昌卫星发射中心，海口，570203）

0 引 言

测试发射流程是组织指挥运载器和航天器发射任务最重要的总体技术方案，是工程各系统在发射场开展各项工作的基本依据[1,2]。优化的流程对于缩短测试发射周期、提高发射场年发射能力、更好地完成重大航天工程具有重要意义。目前，中国某大型运载火箭采用新“三垂”测发模式，其测试发射工艺流程满足现阶段测试覆盖性，以及对测试发射安全可靠的要求，但存在测试发射周期长、场区总装操作多、发射区占位时间长等问题，导致年发射率不高，亟需开展流程优化设计。

在长期的工程实践中，中国运载火箭流程优化设计综合采用了价值链分析法、重要性矩阵法、关键路径法、流程再造法（Business Process Reengineering，BPR）、渐进式流程优化（Business Process Improvement，BPI）和层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）[2～6]等方法，对成熟型号运载火箭开展了有效的流程优化工作。针对大型运载火箭在新型测发模式下的流程优化，尚有多种制约因素需具体分析。

1 现流程基本情况

有别于美国土星5火箭等采用的子级测试模式，中国运载火箭大多采用子系统测试模式，测试发射工艺流程分为总装与单元测试、分系统匹配测试、总检查测试和加注发射4个阶段。

中国某大型运载火箭现阶段流程较长，见图1，总流程达60天左右，该测试流程周期远超中国现役成熟型号运载火箭。

图1 现阶段基本流程Fig.1 Current Basic Process

2 现流程存在的问题和不足

结合运载火箭的技术特点和实际任务执行过程中积累的经验，现阶段流程主要存在以下不足：

a）发射场总装项目多。

运载火箭需分模块运输至发射场，在发射场区完成垂直总装。与以往型号不同的是，新一代大型运载火箭由于工艺不成熟，尚有大量总装操作需在发射场进行，如低温发动机大喷管及相应管路、传感器的安装等，导致火箭在发射场的总装流程冗长。

b）测试状态转换频繁。

火箭子级模块总装和仪器设备安装状态既有水平状态又有垂直状态，如一级和二级发动机分别在水平和垂直状态执行安装操作；箭地匹配度不够，如工作平台为适应操作可达性，频繁上下调整位置等。

c）部分测试项目重复。

在型号研制和飞行试验初期，由于任务数量相对较少，并未考虑测试效率问题，存在部分测试项目的重复设置，如在各次总检查中，多次进行加注信号联试工作，控制系统在小转台和惯组上箭状态开展相同测试项目等。

d）测试操作自动化程度低。

电气系统各项测试尚未实现“一键测试”，且各测试状态准备工作多、时间长；动力系统多种连接器的连接操作均为手动操作，特别是发射区气液管路连接工作时间长，连接后需要开展大范围置换气检工作等。

e）串行测试项目多。

在子样偏少的情形下，考虑技术成熟度和人员操作熟练度，安排了许多串行测试，尽量减少系统间并行工作，降低相互干扰造成的失误。如产品进场、恢复、交接工作串行进行，避免出现误操作；安排动力、测量、控制分系统串行测试，防止各分系统相互干扰。

3 关键路径法+ECRS方法

根据现阶段流程存在的制约因素，采用“关键路径法+ECRS方法”迭代使用的思路，有针对性地消除流程优化制约，以达到预期的流程优化效果。

3.1 关键路径法

关键路径法是在价值链分析和重要性分析的基础上，识别测试发射核心工作的方法。其重点是区分辅线工作和保障性工作，将重要性程度高、测试时间长的项目识别为测试发射的核心工作。按照5分制打分，对测试项目对产品功能、系统性能、发射成败的影响，以及对系统的影响和对流程的影响进行评价，见表1。

表1 测试项目重要性分析评价Tab.1 Analysis and Evaluation of Test Item Importance

关键路径法的优点是便于发现影响流程优化的重点，适于在多系统、多项目、复杂技术状态和配合条件的工艺流程制定和优化过程中使用。中国载人航天任务工艺流程即以飞船在发射场工作流程为主线，有效把握了流程编排的重点。

3.2 ECRS方法

对某大型运载火箭现阶段流程采用关键路径法后，识别出流程关键路径（主线项目），进一步采用取消、合并、重排、简化（Eliminate Combine Rearrange &Simplify，ECRS）方法，破除制约现阶段流程进一步优化的5大制约因素，对流程进行阶段优化；阶段优化后，重新识别关键路径，重复上述步骤，不断迭代。流程迭代优化示意如图2所示。

图2 流程迭代优化示意Fig.2 Process Iteration Optimization

4 流程优化分析

4.1 关键路径识别

对现流程进行深入分析，识别流程中重要的、测试操作时间长的项目，即关键路径。以垂直总装及单元测试阶段工艺流程为例，火箭进场后各模块总装、设备单元测试等工作多线展开，通过梳理，测试工作基本按3条工作线展开，即围绕芯一级和助推箭体交接总装、二级箭体交接总装和单元测试工作线。通过分析，芯一级和助推交接、测试、总装、发动机安装和相关测试工作是本阶段的主线工作，相关工作项目是本阶段流程的关键路径。

同样方法识别工艺流程中其他子阶段的全部主线项目，形成某大型运载火箭测试发射的关键路径。

4.2 ECRS法流程优化

a）取消与合并。

随着产品技术成熟度的提高，测试覆盖性和可靠性、安全性分析的不断深入，部分项目在发射场测试子样得到一定积累的情况下，可以取消在发射场的测试工作，将相关工作提前至火箭出厂前开展，或合并状态相近的项目，集中至相近时间节点开展，减少技术状态频繁改变。优化的主要方向包括：

1）提升单机产品随箭运输能力，取消大量总装工作，如发动机喷管安装等。

2）取消部分重复测试项目，如蓄压器水平状态测试（可在后续工作中覆盖相关测试内容）、重复的总检查测试、重复的控制分系统测试项目等。

3）将现阶段各次总检查前均开展信号联试工作，合并保留一次，并覆盖所有技术状态测试需求。

4）合并控制分系部分重复测试项目。目前部分项目在惯组转台状态和上箭状态均开展测试，可通过合理设置，在满足测试覆盖性条件下进行合并。

b）重排。

针对串行项目，在项目间逻辑关系不变的前提下，开展并行和交叉并行项目重排，从而减少占用主线流程时间；将发射区项目尽量移至技术区完成，缩短火箭在发射区的占位时间。优化的主要方向包括：

1）优化火箭进场卸车、箭体恢复、产品交接至垂直总装工作流程。现有流程按照各项工作串行安排，占主线流程较长，采用交叉并行方式重新规划，则可缩短进场卸车的时间。

2）优化分系统测试流程。目前电气分系统测试与动力分系统测试串行安排，同样可采用交叉并行方式开展进一步优化。通过项目重排，可以将技术状态转换节点集中到同一时段，以减少状态转换次数。

3）部分并行安排控制与动力分系统测试项目。目前控制与动力分系统测试基本串行开展，在满足测试互不干涉的前提下，可通过合理安排部分并行开展相关测试项目。

4）射后恢复与任务工作并行条件建设。活动发射平台是新“三垂”模式中核心测试单元，其射后恢复时间较长，是制约年发射能力提升的关键。若增加一个活动发射平台，则在理想状态下，对于相同型号运载火箭，在前一枚火箭吊装转入垂直总装测试厂房后，另一枚火箭即可进场开展相关工作，任务间隔大幅缩短。产品进场至总装流程优化示意如图3所示，增加1个活动发射平台流程优化示意如图4所示。

图3 产品进场至总装流程优化示意Fig.3 Process Optimization from Mobilization to Assembly

图4 增加1个活动发射平台流程优化示意Fig.4 Add a Mobile Launch Platform for Process Optimization

（5）开展技术区贮箱氮气置换条件建设，将发射区氮气置换工作移至技术区完成，缩短发射区的占位时间。

c）简化。

随着自动化、智能化测试发射技术的进步，采用机内测试（Built-in Test，BIT）技术，应用数据驱动快速测试技术[7,8]，简化测试操作程序，研制专用智能机械装置，减少人力资源浪费。优化的主要方向包括：

1）对某大型运载火箭总检查测试阶段后尾翼安装工作，开展智能安装机构研制工作，使安装时间减少，且不再占用主线流程。

2）优化电气分系统测试项目，开发一键测试程序，减少测试时间。

3）研制快速对接装置，减少人工对接工作，缩短转入发射区箭地气液电接口连接工作时间；同时采用局部置换技术，完成管路接口处局部环境置换工作，避免重新连接后串联大系统开展复杂的置换工作。

4.3 迭 代

对优化后流程再次识别关键路径，开展ECRS优化，通过实际操作子样积累，完成流程优化不断迭代。

通过重新识别，对新关键路径的项目进行着重分析后，通过开展技术攻关或条件建设，使得原有无法简化的项目可以简化，或具备并行操作或缩短测试时间的条件。如随着火箭自进场至发射流程不断迭代优化，测发周期大幅减少，发射场的特燃特气保障等辅线工作逐渐变为耗时更长的主线工作。此时制约年发射能力进一步提升的关键是提升特燃特气筹措能力，包括增加产能、增加贮运设备设施等。

5 优化计划与效果评估

根据某大型运载火箭测试发射工艺流程现状和实践经验，应用关键路径分析与ECRS方法梳理出“电气系统分系统测试与动力分系统部分项目并行开展”、“优化箭体尾翼安装”等20项流程优化项目，考虑技术攻关难度和建设投入规模，分阶段落实优化举措：

a）近期工艺流程优化计划，指在近1～2年，通过产品技术成熟度和人员测试熟练度提高，通过重排流程，调整测试方案，不新增测试条件建设的优化项目。主要包括“交叉并行安排火箭进场、卸车、交接”、“发动机部分安装操作并行开展”等5项；

b）中期工艺流程优化计划，指在未来3～5年，通过少量技术攻关，适当的条件建设，对较为明确，可行性较强的优化项目。主要包括“优化尾翼安装”、“实现箭地接口快速对接”、“增加活动发射平台”等5项；

c）远期工艺流程优化计划，指随着任务密度进一步提升，需开展较大规模技术攻关和条件建设的项目。主要包括“增加箭体运输车”、“优化吊装流程”、“优化射前流程”和“提升特燃特气筹措能力”等10项。

分阶段对落实优化项后工艺流程开展重排和周期计算，评估优化效果如表2所示，远期优化效果可将年发射能力提升至13.5发。

表2 近中远期优化效果评估Tab.2 Evaluation of Short, Medium and Long Term Optimization Effect

6 结 论

迭代使用“关键路径法+ECRS”方法，分步实施，初步制定了运载火箭近、中、远期流程优化计划，可逐步将火箭测试发射周期优化至27天以内，达到年发射能力提升至13.5发的目标。现阶段，低温液体发动机大喷管随箭运输等措施技术攻关难度较大，增加活动发射平台和检修厂房等措施建设投入较高，工艺流程大幅优化难度大。而自动化测试发射、远程异地数据判读等技术进步将有利于流程进一步优化。大力推动大型运载火箭测试发射工艺流程的优化是发射场能力提升的重中之重，需要持续不断迭代完善，是更好地完成后续高密度航天发射任务的关键举措。