◎北京宇航系统工程研究所 刘秉等

关键事件矩阵分析方法在运载火箭研制中的实践

◎北京宇航系统工程研究所 刘秉等*

以新一代运载火箭的具体实践为例，介绍了关键事件矩阵分析的工作流程、实施细节、实践效果及后续工作思路。关键事件矩阵分析方法采用“1条主线、4个层面、5个要素、4个闭合”的具体工作模式，并成功应用到其它型号研制实践工作中。

运载火箭全箭测试及飞行过程状态复杂，一个指令从发出到执行往往需要多个系统（单机）之间配合，涉及电、液、气等多种物理状态之间的信息传递。设计人员一般是在以往的设计基础上加以改进，没有形成系统的分析方法，会造成质量问题多发的现象。为确保全箭方案设计的正确性与接口设计的协调性，提前暴露薄弱环节，新一代运载火箭开展了测试发射及飞行过程关键事件矩阵分析工作。

关键事件矩阵分析方法的运用是确保型号研制顺利进行的有效措施之一，通过该工作模式可以系统分析和梳理各单机、系统间接口及信息流的传递过程，对于某一事件或信息流由哪个单机或系统产生，经过哪些单机或系统最终完成事件或信息流的传递，均可以从关键事件矩阵分析工作中进行检查和梳理。通过这项工作，检查所有接口外围条件是否闭合，“动态”地细化和梳理接口关系。因此，通过关键事件矩阵分析可以达到全箭再协调、技术细节再认识、量化控制再深化、全箭动态仿真、型号设计再闭合的目的。

一、新一代火箭测试及飞行过程的特点

新一代大型运载火箭在新技术应用、运载能力提升等方面均实现了较大的跨越，随之而来的是运载火箭研制难度的增加。综合分析新一代运载火箭技术方案，其呈现出以下特点：

一是时序动作多、电磁阀多、火工品多。据初步统计，新一代运载火箭的火工品数量（不含分离火箭）分别约为CZ-3B、CZ-2F火箭 的1.85和1.71倍；新一代运载火箭的阀门及电磁阀数量分别约为CZ-3B火箭的4.54和44.2倍。电磁阀和火工品的数量增多直接导致测试发射与飞行过程时序动作增加。

二是火箭核心的点火、分离、增压等时序涉及的环节多。点火时序涉及到箭上及地面若干系统，且系统间有一定的配合关系，如发射前增压和加注控制涉及到测量、动力测控、加注控制、发射平台等若干系统与设备，信息传输链路长。同一个时序的完成涉及的专业多，如一个增压动作的实现需要测量系统的传感器进行压力测量，控制系统实现逻辑运算和增压控制，增压系统完成阀门动作。

三是火箭的系统接口复杂。火箭测试发射和飞行控制过程有控制系统、测量系统、增压输送系统、发动机、动力测控系统、发射支持系统等多系统参与，虽然已经进行了优化设计，简化了系统接口，但仍然呈现出系统接口复杂的特点。

二、关键事件矩阵分析工作方法

1．工作流程

关键事件矩阵分析工作遵循“总体牵头，分系统参与，共同确认”的原则，总体提出测试发射及飞行过程关键事件矩阵分析的具体要求，分系统分析本系统在关键事件中的输入输出及具体工作，总体确认分系统间接口正确性，确保关键事件系统间工作协调、闭合，满足型号要求。详细工作流程如图1所示。

图1 关键事件矩阵分析工作流程图

2．关键事件矩阵分析思路

测试发射及飞行过程关键事件矩阵分析工作遵循“1条主线、4个层面、5个要素、4个闭合”的工作方法，实现再分析、再设计、再闭合的管控。

1条主线以测试和发射关键事件为主线，总体系统梳理测试和发射过程关键事件，以此作为矩阵分析的输入条件。

4个层面是围绕主线界定分析工作的层面。一是时段层面。时段是人为划分的时间区域，即将全箭测试发射和飞行过程分为若干个时段，包括加注、点火、一级飞行、助推关机、助推分离、级间分离、整流罩分离、二级飞行等时段。二是事件层面。事件是某一时刻同时发生的若干个“动作”的集合，即相对于某一统一的时刻，全箭各系统在此时刻需要完成的动作。三是时序层面。时序是在某一时刻某系统所需要完成的指令，即在火箭发射流中某一时刻发生的以单独代号命名的一个指令，其包含了一系列信息流的传递，往往需要2个或2个以上的系统参与其中才能完成。四是动作层面。动作是系统和单机实现的细节，如继电器的动作等。过程层面考虑的是动作实现的细节和过程。

5个要素在关键事件矩阵分析工作中实现五维矩阵的交叉分析。一是物理要素，各系统、各单机要阐述具体动作的物理意义，即该动作在物理上的具体实现过程。二是时间要素，即矩阵分析的一个坐标轴，尤其要考虑时序的精度对动作实现过程的影响。三是信息要素，围绕信息传递开展矩阵分析，量化信息流的方向。四是动作要素，围绕每一个动作详细阐述动作的输入、响应和输出过程。五是硬件要素，围绕过程层面开展技术细节梳理，阐述动作实现过程所涉及的硬件。

4个闭合是矩阵分析工作实现4个层面的闭合，最终目的是发现问题并解决问题。一是功能设计实现的闭合，在基本的接口设计、功能实现上实现闭合。二是设计余度保障的闭合，针对飞行中的关键动作，系统和单机要明确设计余度。三是可靠性措施的闭合，针对分析发现的薄弱环节，系统和单机要落实可靠性措施。四是验证环节落实的闭合，针对事件、动作、过程等不同层面，总体、系统和单机均需落实验证环节。

3．命名规范及表格说明

笔者在此以点火时间段为典型分析对象，说明关键事件矩阵分析命名规范及矩阵分析方法。

（1）点火时间段关键事件分析对象的建立

依据新一代运载火箭初样阶段的E构型飞行时序以及动力系统工作程序等有关设计文件，从点火到起飞时间段的关键事件矩阵时序（包含箭上、地面的动作）如图2所示。

（2）测试发射过程的命名规范

图2表示了点火段的时序（局部），每个时刻用一根竖线来表示，每个时刻所发生动作的全体被称为一个事件，一个事件可以包含多个时序和动作。点火时段包含了从点火0秒到火箭起飞指令发出为止的时间区域，命名为DH。

按照时间顺序，点火时段第一个发生的事件命名为DH110，第二个发生的事件命名为DH120，以此类推。DH110和DH120之间间隔10个序列，特殊、临时增加的事件可补充在这10个序列之间，备后续分析中添加事件。例如，随着分析工作的逐渐深入，发现在事件DH110和DH120之间的时间段还有若干个事件发生，那么可以将这些事件命名为DH111至DH119。需要说明的是，数字编号仅反映时序发生的先后时间关系，与数字本身数值的大小无关。

图2 点火段关键事件矩阵分析时序

事件以发生时间排序，同一时间发生的为一个事件，如1D3C、1D4/6C等10个时序均在同一时刻发出，那么编号为DH110，每一个时序分别编号为DH110.1D3C、DH110.1D4/6C等。

时序的概念是某一时刻同时发生的若干个动作的集合，点火段共有58个时序发生。例如，点火时段图2中第一根竖线所表示时刻发生动作的全体被命名为事件DH110，其包含10个时序（见表1）；事件DH120包含3个时序（见表1）。涉及到电磁阀、气路阀门和火工品的开闭，在事件代号后面标注↑、↓分别表示时序发出时为通电和断电。

总结上述分析，时段、事件、时序之间的相互关系如图3所示（由于动作含在每一个具体时序中，因此没有在图中表示）。动作与时序之间关系详见表2。

表1 点火时段所包含事件列表(部分)

图3 时段、事件、时序之间的相互关系示意图

三、实践效果与后续工作思路

1．实施效果

新一代运载火箭目前完成了全箭飞行过程的关键事件矩阵分析，解决了功能实现设计、设计余度和可靠性措施的闭合问题。

以D110.1TOC为例，点火段关键事件矩阵分析情况见表2。按照此方法，以每一个动作涉及的系统为单位，对点火时段的58个时序均进行了详细分析。DH110.1TOC为编号DH110事件中的一个时序，该时序涉及3个动作，分别由控制系统、发动机、测量系统完成信息传递。每个系统（单机）均独自进行本系统（单机）的事件信息传递分析，包括本系统（单机）的输入接口、动作输出及动作时间精度、输出接口。

表2 点火段关键事件矩阵分析表（局部）

按照信息流的传递顺序，经过总体归纳分析和比对可以发现各系统间接口是否匹配，计算出从时序发生到执行结束总共需要的时间。针对测试发射过程的每一个发生的时序均进行如此分析和比对，彻底清查各系统（单机）之间的接口是否匹配，确保设计质量。

2．今后的工作设想

针对新一代运载火箭，后续将完善并固化测试发射和飞行关键事件矩阵分析方法，并以此为基础开展加注和预冷时段的分析工作。

在设计阶段运用该工作方法能够有效地实现全箭设计闭合，对设计质量进行全面检查，明显减少设计质量问题，并可进一步推广到其它型号借鉴使用。目前，关键事件矩阵分析方法不仅在新一代大、中型运载火箭研制中成功进行了实践，同时，该方法还对战略战术武器型号的技术状态复查和质量管控有着积极的实践意义。在武器型号分别进行了飞行时序动作分析确认工作，以每一个飞行时序动作为牵引，对影响成败的关键环节的输入条件、输出结果、设计指标及满足等情况进行系统梳理，查找需要进一步分析和确认的问题，从而辨识和控制技术上可能存在的风险与隐患，最终得出从动作要求、动作实现到动作执行能够完整闭合的推演分析结论。

关键事件矩阵分析的工作实践表明，该方法可作为设计的闭环确认和潜在风险的辨识及控制的一种有效方法，为后续型号研制借鉴使用。◀

*其他作者：李东、娄路亮、何巍、陈海鹏、牟宇