航天产品设计关键特性“五维度”分析方法研究与实践

权晓波、王永明、翟磊、邰艳芳 /中国运载火箭技术研究院

周一磊 /北京宇航系统工程研究所

近年来，随着航天产品更新换代的速度加快，新技术的不断应用，系统的复杂度日益提高，有效降低技术风险，提高可靠性和产品质量是目前需要解决的主要问题。中国航天在长期型号研制实践中，通过开展故障模式及影响分析（FMEA），辨识I、II类单点故障模式，自上而下分析识别产品设计关键特性、工艺关键特性和过程控制关键特性，从“测试、验收、检验、工艺、人员”5个环节制定控制措施，确保产品高可靠、高质量。

产品设计关键特性是关键特性识别的源头，其识别、分析与量化控制反映了设计人员对产品设计和实现过程关键环节的把控水平，准确识别分析设计关键特性是实现产品关键特性管理、有效降低和避免风险发生的重要基础，更是产品设计和控制过程中的关键。为此，针对产品设计关键特性分析工作，本文提出了试验验证、仿真分析、参数包络、冗余保证、类比佐证5个维度的闭合分析方法，并在航天产品研制过程中实践应用，降低了产品研制技术风险。

一、产品设计关键特性辨识流程和方法

产品设计关键特性识别主要围绕产品设计输入文件各项要求转化、分配的产品各类性能、功能指标，通过对设计各环节的梳理，应用相关的分析和仿真手段，按照指标要求逐级分解的思路，识别出在产品设计过程中应重点加以关注和验证的关键技术指标。产品设计人员应与生产单位充分沟通，确保对识别出的关键特性与控制相关要求保持一致。航天产品设计关键特性辨识流程如图1所示。

图1 产品设计关键特性辨识流程

1.FMEA是设计关键特性可靠辨识的前提

FMEA处于产品设计关键特性辨识开始阶段，直接影响后续单点故障模式识别及特性分类分析的准确性，因此FMEA分析是设计关键特性可靠辨识的前提。FMEA是一种对系统、子系统、单机中各产品的故障模式、原因及影响进行可靠性分析的方法，其目的在于找出所有潜在的失效模式和产品的薄弱环节，有针对性地采取相关预防、改进或裕度措施，以提高产品的质量及可靠性。随着数字化技术和仿真技术的广泛采用，FMEA分析验证技术逐步代替了传统的产品FMEA分析，其利用数字仿真手段的定量推理代替过去由手工计算的定性推理，使故障模式识别和推理得以量化，分析中能够准确测量并获取几乎所有参数的变化情况，包括故障件及故障件的各项参数，还可以进行多因素分析以及共因或共模故障的分析。

为确保FMEA工作有效，需要全面识别产品失效模式和薄弱环节并采取有效的控制措施。一是要确保FMEA与设计同步开展，保证FMEA开展的及时性和规范性；二是识别失效模式及其起因的全面性，表述失效模式及其原因影响的正确性，采取针对性和可操作性的控制措施。

2.单点故障识别是设计关键特性辨识的保证

单点故障是指系统中一点失效就会让整个系统产生故障，且没有冗余作为补救措施的产品故障。单点故障识别是航天产品设计关键特性辨识的保证，是释放产品技术风险非常有效的方法和手段。

分析系统／单机的组成和工作原理是单点故障识别的起点。系统级颗粒度分析可以达到能够完成某一特定功能的单机或者组件；单机级颗粒度分析可以达到元器件及零部组件。识别过程为：首先按照功能、组成及任务剖面构建全系统的可靠性框图。其次，识别存在单点故障模式的组件（单机），开展单点故障分析工作。再次，识别单点故障模式，筛选故障模式严酷度为灾难型和成败型的单点故障模式，综合分析原理、组成、冗余、发生概率等因素，统计出全系统单点故障模式。最后，设计人员在设计文件下厂生产前，按照航天产品特性分类要求开展产品特性分类分析，重点对型号I、II类单点故障模式进行分析，识别产品关键特性(件)、重要特性（件）。

此外，航天产品设计关键特性分析还有技术指标分析、通用质量特性分析、技术风险分析等方法，通过总体—分系统—单机—部组件层层传递特性分析要求，确保设计关键特性分析完整、正确、高效。

二、设计关键特性“五维度”分析方法

基于航天项目技术复杂、环境苛刻、风险高等特点，在辨识出的诸多设计关键特性中，需要对设计参数指标的闭环性和生产实现要求的有效性进行科学分析与评价。为此，在总结航天项目多年研制经验基础上，提出了“五维度”分析方法，具体分析流程如图2所示。

图2 产品设计关键特性“五维度”分析流程

1.试验是验证产品关键特性的首选方法

试验是航天项目研制工作中的重要组成部分，是验证设计方案正确性、设计关键参数合理性以及产品可靠性的重要手段，是化解研制风险的有效措施，是验证产品设计的首选方法。

为通过试验有效验证设计关键特性，一方面，要关注试验设计的充分性：一是应满足试验项目覆盖飞行的全过程和所有飞行环境，每个使用剖面和使用环境；二是单机测试覆盖系统测试项目；三是系统测试覆盖试验基地测试项目；四是试验接口满足设计要求或协调要求；另一方面，要关注试验状态的真实性：一是检查试验参试产品的技术状态与正式产品的差异性；二是检查试验环境与试验条件是否接近真实情况及与真实状态的差异；三是关注测试设备运行条件和边界模拟的真实性。

2.仿真分析是试验验证考核的有力补充

虽然试验是验证产品关键特性的首选方法，但随着航天型号研制周期越来越短，成本约束越来越多，无法达到所有关键特性均通过传统地面试验验证。随着计算机信息技术的迅猛发展，仿真技术越来越成熟，仿真分析在航天工程项目中发挥的作用越来越大，已成为方案论证、系统集成、产品设计以及生产过程中的重要研制手段，同时，也成为试验验证考核的有力补充。

航天项目中应用的仿真可分为专业、系统和综合仿真。通过开展多状态和偏差状态下的专业仿真，可以有效发现设计过程中的薄弱环节，化解风险。系统仿真主要指以总体、分系统的性能仿真或关键环节的过程模拟为目标，开展的多专业联合仿真。通过开展偏差状态或故障状态下的系统仿真，可以分析系统之间接口参数的敏感性，提高系统设计的可靠性，实现综合类风险的分析与化解。综合仿真主要指系统级的涉及多专业、多系统的联合仿真，以及针对特定任务与目标分析的虚拟试验等，通过开展全系统的综合仿真，可以验证各大系统之间的接口关系，实现对风险控制措施的验证与评估。

3.参数包络是评估特性设计的可靠方法

参数包络方法是评估产品关键特性设计正确性、合理性的可靠手段。根据以往成功子样数据包工作，结合关键特性以及关键工序、特殊过程、原材料数据、产品功能性能指标、生产工艺参数控制等方面内容，在不同系统设备中开展原材料性能、工艺参数、产品性能和环境条件4条包络线横向和纵向的数据包络线分析和确认工作，评估产品是否满足执行任务能力。

在原材料性能、工艺参数、产品性能和环境条件包络分析基础上，针对存在“包络/超差”“不包络/合格”“不包络/超差”的产品逐一进行风险分析，从参数设计指标的裕度以及地面试验结果分析2个方面进行分析，得出是否影响飞行试验的结论。开展产品性能数据差异性分析，将产品各阶段实测数据之间进行比对，找出实测参数的离散、偏差情况，对处于超差、临界、跳变的参数进行专题分析，充分利用以往航天飞行成功子样，明确偏差量对飞行试验的影响程度。

4.冗余设计是消除单点故障的可靠手段

冗余设计是一种优化技术。一般指在费用、质量和体积等因素的限制下，如何设置冗余单元，使整体系统可靠性最大。冗余设计是有效提高产品可靠性水平的可靠手段之一。针对识别出的I、II类单点故障模式，在考虑性价比和效能比等基础上采取冗余设计等措施，消除或减少I、II类单点故障模式。

采用冗余设计技术提高系统的可靠性，应与性能、成本等进行综合权衡分析。为消除单点故障提升系统的可靠性而采用冗余设计时，应优先在低层次产品中采用冗余技术，并充分分析构成冗余布局所需的转换器件、误差检测器和其他外部器件可能引起系统失效的风险。采用冗余设计的工作状态应是可以检测的，采用冗余设计时，应根据冗余产品的故障（失效）模式采用相应的冗余方式。

5.类比佐证是发现薄弱环节的有效工具

类比佐证是从已有的对象中提取所需特征和信息，将其应用于相似的对象中进行对比论证，通过系统之间的相似性分析，将已有系统的问题解决方案或问题解决过程映射至待改进的目标系统中，从而对产品可靠性进行间接证明。类比佐证能够有效地引导和开发创造性潜力，发现并改进产品薄弱环节，提高产品质量和成熟度。

为提高典型航天产品类比佐证的全面性和有效性，建立基于产品特征和故障模式的数据库意义重大。经过长期积累，一些航天单位逐步建立了基于产品特征和质量问题的信息库，信息库主要包括典型产品、故障模式、故障机理、技术准则或禁忌、复杂故障的故障树、可能涉及的专业类别等。对于无法采取冗余的I、II类单点故障模式，应开展同类产品的类比佐证，以提高产品裕度，降低故障发生的可能性。

三、实践情况

以某航天项目结构系统研制为例，开展了设计关键特性试验验证、仿真分析、参数包络、冗余保证、类比佐证“五维度”分析。其结构系统是航天项目主要的分系统之一，主要用来维持气动外形、安装仪器、连接相邻结构、承受并传递载荷、提供良好的力学环境等。结构系统设计的特点是接口多、技术难度大、地面试验多、载荷环境复杂等，存在着各种技术风险因素。

该项目结构系统为一个充气展开的气囊装置，包括内囊组件、外囊套组件、进气管、主连接带、连接结构附件等部分，采用产品特性分析、FMEA和可靠性分析，辨识出内囊导流管破损、进气管破损、外囊套加强带断裂、主连接带断裂等26个II类单点故障模式，设置了59个设计关键特性，并从设计关键特性的试验验证、仿真分析、参数包络、冗余保证和类比佐证五个维度进行了具体的分析（见表1），统计了仅靠类比佐证单一维度保证、仅靠仿真分析和类比佐证2个维度保证及3、4、5个维度保证数量，辨识出进气管承受外部冲击压力载荷的承载能力这一设计关键特性仅靠仿真分析和类比佐证2个维度保证，主连接带动态冲击载荷的承载能力这一设计关键特性仅靠类比佐证单个维度保证。针对这2处关键特性，设计开展了进气管外压冲击载荷拍击试验以及主连接带动态冲击破坏试验，通过地面试验对进气管的外压冲击载荷承载能力进行了验证。另外，识别出主连接带动态冲击载荷承载薄弱环节为轭圈连接部位钢结构圆角半径偏小采取了改进措施，有效提高了设计可靠性和关键特性控制措施的针对性。

表1 某航天项目结构系统设计关键特性“五维度”分析统计表

中国航天已进入快速发展期，多个重大项目同步开展、工程研制与批产及服务并行的局面已成为常态，高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国的要求不断提高，与之对应的风险也更显突出。在今后航天型号研制过程中，将在总结前期实践基础上，持续推广“五维度”设计关键特性分析方法，充分释放技术风险，提升产品可靠性，保证各航天型号圆满成功。