通过细化宇航通用产品成熟度模型的产品化方法研究

2021-12-25刘克承李雅娟刘福鹏许磊肖强

航天标准化 2021年3期

刘克承李雅娟刘福鹏许磊肖强

（兰州空间技术物理研究所，兰州，730000）

当前，国家提出了建设航天强国的新目标，航天领域由科研向装备、由单星向组网、由系统向体系、由定制向组批转变，宇航产品从传统单一型号的产品系统工程研制模型向标准货架采购模式转变，对产品的可靠性提出了更高的要求，同时也会影响航天产品成熟度的等级、评价等方面。

通过对航天产品开展特性分析工作，总结FMECA（故障模式、影响及危害性分析， Failure Mode Effects and Criticality Analysis）分析结果，并将其归纳分类，将基于同一物理原理或行为的故障模式统筹研究。参考元器件基本失效率和工作失效率的概念和定义，给出影响产品可靠性的设计、制造（工艺）、过程控制故障要素及其发生的概率等级，通过该要素识别的全面性、准确性完善产品成熟度模型；以该要素的危害度等级、量化受控程度及可追溯性为产品成熟度等级定级的判定依据；以该要素通过再分析、再设计和再验证（简称“三再”）的技术活动降低发生故障概率等级。笔者结合示例给出完善产品成熟度评价的方法，旨在为深化开展产品化实践提供思路。

1 产品可靠性保证与评价基础理论

1.1 国内外元器件可靠性保证与评价方法

元器件作为基础产品，国内外对其可靠性保证与评价已形成了较为科学的系统方法。

NASA制定了以NHB5300.4（1F）《NASA空间飞行项目的电气、电子和机电（EEE）元器件管理与控制要求》为顶层标准的近千份标准，构成了航天元器件标准体系，涵盖了元器件设计、制造、选择、采购、使用等。

ESA制定了以ECSS-Q-60B《空间产品保证电气、电子和机电（EEE）元器件》为顶层标准的近千份ECSS标准来规范元器件设计、制造、选择、采购、使用等。

我国在上世纪80年代参照美国军用标准（MIL）制定了一系列国家军用标准（GJB），并逐步建立了包括管理标准、基础标准、产品规范和保证标准在内的宇航元器件标准体系。2006年前后，航天科技集团一院、五院和八院陆续制定和完善了自己的元器件采购标准。中国空间技术研究院（五院）从2013年开始逐步形成了以《航天器产品电气电子和机电（EEE）元器件保证要求》为顶层标准的Q/W-Q-60系列元器件保证规范体系，尤其是通过过程确认文件（Process Identification Document，PID），对元器件生产过程控制提出具体要求，使元器件状态得到全面控制。

1.2 元器件可靠性评价与宇航产品可靠性

在元器件可靠性评价方面，以元器件的失效率来表征其固有可靠性和使用可靠性。其中，元器件基本失效率包括电应力和温度作用下的失效率，元器件工作失效率由基本失效率乘元器件质量控制等级、环境应力、应用状态、性能额定值和种类、结构等失效率影响因子得到。基本失效率的数值大小可以表征元器件的复杂程度；由于不同元器件工作环境中的影响因子不同，影响因子的作用权重也不同，各影响因子综合作用而形成可靠性模型也不同。

目前，进口航天高等级元器件依据MILHDBK-217F《美国军用手册电子设备可靠性预计》，国产航天高等级元器件依据GJB/Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》来确定工作失效率预计模型并提供影响因子的基础数据。

在单机产品层面，宇航产品可靠性是由预计、设计、验证、评价、增长等技术活动循环迭代过程来保证的。GJB813—90《可靠性模型的建立与可靠性预计》为军用电子产品可靠性模型的建立与可靠性预计规定了统一的方法和程序；GJB899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》规定了军用电子产品可靠性验证试验要求，并提供了可靠性验证试验的统计试验方案（指数分布）、参数估计和确定综合环境条件的方法以及实施程序；Q/QJA307—2014《宇航单机产品可靠性评估要求》给出了主要故障模式不同产品的可靠性评估模型及基于模型的可靠性评估方法；GJB/Z 77—95《可靠性增长管理手册》规定了以“再分析、再设计、再验证”为基本方法的产品可靠性增长管理，通过建立可靠性增长模型及可靠性增长计划实现产品可靠性的持续增长。航天科技五院自2014年迄今逐步形成了以《航天器产品可靠性保证要求》为顶层规范的Q/W-Q-30系列航天器产品可靠性设计与保证体系。

相对于标准元器件，航天产品由于其复杂性的特点，其可靠性模型受故障模式识别的全面性、原发定位精准性、故障影响因子对产品整体质量影响的权重、系统冗余和故障隔离的有效性及可靠性模型等效转换形式的影响，可能导致可靠性预计结果不足以真正表征产品的可靠性；可靠性设计受对失效物理机理理解的深入性、系统条件下耦合匹配性、过程偶发未完全识别隐患及使用环境认识全面性的影响，可靠性设计结果也不足以真正反映产品的可靠性；可靠性验证受环境应力选择的合理性、各种应力综合效应的评判、系统耦合的真正应力效应及可靠性专项试验受时间限制的影响，可靠性验证也不足以完全表征产品筛选后的可靠性。同时航天产品仍然没有脱离小子样、多规格的特点，宇航单机产品无法像元器件一样获得大量的失效统计数据，可以建立并修正其可靠性数学模型，因此完全靠量化的指标表征其可靠性及不同产品之间可靠性相对高低。

2 宇航产品成熟度与可靠性、产品化

2.1 产品化

宇航产品的产品化是一项综合性的系统技术，包括以下4个过程：①应用这一系统技术得到高质量、低成本产品的过程，包括基于精确量化设计的产品开发、塑造可重复稳定的工程化制造、科学有效的产品质量确认；②应用这一系统技术形成系统性、规范性的产品系列的过程，包括多种诉求的归一化归纳提炼、基础公用模块（CBB）的构建、更新换代的实施策略；③应用这一系统技术形成面向产品的高效管理机制的过程，包括产品技术状态管理、质量与风险管理、批生产与生产线管理、市场推广与应用管理；④应用这一系统技术形成能有效指导产品开发、实现和验证的标准化规范体系的过程，包括技术规范体系、工作规范体系、管理制度体系、产品实现过程的流程，是前3个过程形成智力成果的系统性总结。

2.2 产品成熟度培育与评价

航天产品工程以航天产品成熟度理论为核心，关注航天产品快速成熟的技术与管理过程，实现小子样条件下航天产品快速成熟，并通过成熟产品的选用构建产品化率较高的任务系统，以达到缩短研制周期，提高质量与可靠性以及改善研制效益。

产品成熟度评价与提升是在小子样条件下，从产品实现过程成熟性角度科学评价宇航产品可靠性的方法，也是开展面向产品管理的科研生产常态化的工作之一。

在Q/QJA53—2010《宇航单机产品成熟度定级规定》中，定义“产品成熟度”为：依据产品的设计、生产、试验和应用情况，对其质量与可靠性以及可应用程度的度量；定义“技术成熟度”为：技术经过研究、开发、验证和应用所达到的成熟程度；定义“硬件技术成熟度”为：以硬件产品为载体的技术经过理论研究、技术开发、样机制造、试验验证、系统集成和实际使用等所达到的成熟状态的程度；定义“软件技术成熟度”为：以软件产品为载体的技术经过理论研究、构建模型、技术开发、演示验证和测试、系统集成和实际使用等所达到的成熟状态的程度。

2.3 产品定型中的可靠性、成熟度、产品化及其关系

宇航单机产品可靠性、成熟度、产品定型与基于系统工程论的产品化之间的内在逻辑关系简述如下。在Q/W1192—2009《航天器产品体系术语》中，定义“产品化”为：按可重复生产的要求对产品进行研发、研制和定型等过程的总称，对于在研产品是指定型过程。定义“定型产品”为：在飞行产品（含以飞行产品为基线并经过鉴定试验的产品）或成熟产品基础上，经过设计定型、工艺定型及测试、调试、试验规范化，质量稳定、性能一致性好的可进行重复生产的产品。定义 “设计定型”为：对成熟产品的设计（设计的依据、原则、方法、程序和评估，产品的功能和性能参数及其验证等），加以完善、固化并形成文件的过程。定义“工艺定型”为：对成熟产品加工工艺的要求、原则、所采用的技术、装备、方法、工序和规程等加以完善并固化的过程。定义“产品定型”为：①对成熟产品进行设计定型、工艺定型及测试、试验规范化，产品保证文件完善，保证产品的质量稳定、性能一致性好，达到可以重复生产的过程；②形成定型产品的全过程。

“三再” （再分析、再设计、再验证）是开展产品化工作、提升产品成熟度的一种技术工具和方法。从某种意义上来说“产品总是遗憾的产物”，因为产品总是某个特定历史条件下、某个设计团队应用当下的技术积累、工程经验和所能获得资源实现的“时代产物”。而宇航产品“零缺陷”的要求需通过不断设计（制造）改进与验证的迭代来实现。因此“三再”工作是一项自主开展提升产品成熟度的常态化的科研生产活动，而不是一项专项工作。

因此产品成熟度培育和评定活动的意义在于：①用科学的方法解决某种产品固有可靠性确认与置信度评估的问题；②用系统的方法解决一类产品专业化、标准化、集约化开发模式的问题；③用辩证的方法解决航天产品工程与产业模式相结合的产品开发管理机制的问题。

3 基于细化宇航产品成熟度模型的产品可靠性培育与增长

《航天产品工程》中对产品成熟度的描述为：“产品成熟度提升的本质是对设计关键特性、制造关键特性和过程控制关键特性细化、量化和受控水平的提升。产品成熟度本身并不是针对具体产品的功能、性能进行评价，而是针对产品的可实现和可应用程度的评价”。

产品成熟度的研究，必须运用系统工程的原理和方法，综合考虑产品设计过程、生产制造过程及使用过程，将影响产品成熟的核心要素识别出来，并在产品实现和使用的全过程加以控制。

3.1 可靠性设计步骤

首先，通过科学和系统的可靠性设计方法，保证产品固有可靠性的水平。要正视宇航产品小子样的行业特点，持续深入有效开展可靠性（Reliability）、维修性（Maintainability）和保障性（Supportability）设计，但本文所指RMS应包括可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性以及环境适用性在内的六性。充分识别产品特性，开展产品可靠性验证等正向设计活动。可依据Q/W-Q-30-2012《航天器产品可靠性保证要求》等相关航天器产品可靠性设计标准。

其次，要梳理产品实现过程中制造工艺的可行性、对设计的符合性。依据Q/QJA66—2010《航天产品工艺风险分析》开展工艺过程失效模式及影响分析（PFMECA），对产品实现过程的5M1E，即人（Manpower）、机（Machine）、料（Material）、法（Method）、环（Environment）、测（Measurement），开展薄弱环节分析，针对薄弱环节实施反向设计活动。可依据Q/W-Q-100-2019《航天器生产阶段产品保证要求》等相关航天器产品实现过程产品保证标准。

最后，要梳理产品研制全寿命周期数据，归纳比对基于同一物理原理相近产品研制的数据。依据Q/QJA302—2014《航天型号飞行成功数据包络分析要求》开展产品飞行成功包络线分析，将分析结果反馈到RMS设计中，修订计算与仿真模型、优化设计参数，并传递到制造过程工艺参数及5M1E的相关控制措施中；另一方面将分析结果应用在表征产品健壮性的性能指标参数中。有条件的产品可依据Q/QJA307—2014《宇航单机产品可靠性评估要求》开展产品可靠性评估工作。

3.2 关键技术活动要素与失效分析

Q/QJA146—2013《宇航单机产品成熟度定级实施细则》从设计、生产和使用等3个方面，总结出涵盖产品开发技术流程中从设计输入到交付后产品支持的关键技术活动“要素”，并细分为23项“子要素”。 “子要素”表述了各个工作项目需要细化的要点。 “子要素”是要素的展开和细化，是为落实各要素而确定的基本工作要点，也是实施产品成熟度等级评定的核心对象，所有的产品研制和成熟度等级评定工作均应依据子要素展开实施。

参考元器件失效率的浴盆曲线，在产品研制阶段通过可靠性设计、在产品使用阶段（包括地面及在轨）通过产品保证要素在过程中的识别与控制，保证极低的偶然失效或不出现重大灾难性的失效；通过系统冗余等措施保证在产品寿命末期（损耗失效期），产品整体寿命大于设定的在轨任务要求的寿命。

3.3 产品成熟度定级、培育与提升

产品成熟度定级就是通过审视产品开发活动中23项子要素的完备性、充分性、精细化控制程度来客观评价产品的可靠性设计与验证的置信度。航天某研究所依据Q/QJA146—2013，制定了《宇航单机产品成熟度定级实施细则》，从着重服务型号需求的宇航产品研制（传统型号管理）和强调从产品本征属性实施通用产品开发（面向产品管理）两个维度开展产品成熟度培育和定级工作。融入了以强调产品本征属性孵化、成长、完备所需关注的要素，例如产品指标体系、标准设计程序（Standard Design Procedure，SDP）、标准作业程序（Standard Operation Procedure，SOP）、标准验证程序（Standard Verification Procedure，SVP）、过程识别文件（Process Identification document，PID）、生产线等。

建立固化的SDP、SOP和SVP是表征开发宇航通用产品的组织成熟度完备性及具有的产品开发平台基础。强化生产线建设与管理是产品生产过程保证要素落地的前提，也是产品成熟度培育和提升的基础。以SDP、SOP、SVP+生产线（3+1）为抓手实现面向产品管理的科研生产模式转变。

产品成熟度培育与提升的过程也是产品可靠性增长的过程。产品成熟度等级由低到高，应该是未知的越来越少，可知的越来越多，从不确定→确定→笃定。以子要素“产品设计输入的识别与确定”为例，《宇航单机产品成熟度定级实施细则》细化了子要素，不同成熟度等级工作要点侧重不同，3级以前重点围绕型号要求为主，4级以上逐步以产品本征属性要求为主，见表1。

表1 产品设计输入的识别与确定

4 基于宇航通用单机产品研制程序的成熟度模型及可靠性评价

Q/QJA147—2013《宇航通用单机产品研制程序》将产品研制阶段开展的工作与成熟度培育、提升和定级协调统一，引入从关注产品本征属性角度开发产品的一般程序，两者结合，实现从型号初次研制产品到脱离型号成为通用货架选用产品。从型号研制和通用产品研发两个维度来看，基于宇航通用单机产品研制程序的成熟度模型包括以下几方面。

a）1级～3级产品成熟度为产品初次研制阶段，也是产品成熟度初步形成阶段。但是假定和基于型号研制的积累，产品虽然为首次研制，但是产品开发模式却非首次验证。因此有条件的通用产品在成熟度1级时就要考虑型谱的策划，以及依据型谱建立产品化产品的代号，提前考虑产品规格化、系列化、通用化问题；在成熟度2级时就要初步建立表征产品本征属性的产品规范，并开展产品鉴定工作，考核产品适应环境的边界；在成熟度3级时产品基线初步建立，基于产品本征属性的指标体系初步形成。

b）产品成熟度4级为首飞验证阶段。在轨验证期间，同步开展“三再”工作，实现产品可靠性增长和成熟度培育。从产品成熟度4级以上开始，通过强调产品类或产品族群的概念，即产品成熟度不仅仅是指某个孤立产品的成熟度，而是指在多个相类似产品3级成熟度实践活动基础上归纳、总结、借鉴、互相印证，通过基础数据共享，形成统一标准，从而建立全面评价其成熟度的准则，以提高其成熟度等级评价的置信度。SDP、SOP和SVP初步形成是体现产品开发组织成熟性的标志。成熟度4级的产品开始定型工作，称为 “厂所预定型产品”。

c）产品成熟度5级为重复使用与验证阶段。产品成熟度5级以上开始关注的是：产品批量生产的稳定性、一致性、成品率和成本控制。成熟度等级越高，强调产品状态越可知、可控。同时开始强调产品的装备性，表现在产品制造过程所有环节的规范性（处处有依据、事事有依据），其依据均至少为厂所及以上标准（表征厂所出产品）。产品成熟度本身是一个逐步培育的过程，也是一个“物壮则老”的过程。成熟度5级以在产品成熟度不断培育成长的同时，应适时开展采用新技术、新器件（材料）、新工艺的新产品更新换代的同步工作，及早开展新产品的成熟度培育。因此产品成熟度是一个不断成长和不断更替的有机过程。成熟度5级的产品完成定型工作，称为“厂所定型产品”，发布定型产品规范。

d）6级～8级产品成熟度为可重复获得稳定性质量的批产阶段。围绕生产线管理，实施PID认证与管理，针对产品、产品族群和CBB（公用模块，Common BuildirgBlock）收集可靠性数据，持续开展可靠性评估。从成熟度6级开始，要逐步形成以标准、规范、流程、模型、工具（装）等系列智力成果，形成产品集成开发的平台，组织成熟度得到提升。

从产品成熟度1级开始就按照子要素“产品使用数据的策划和采集”和“产品使用数据的分析和利用”梳理和统计产品研制开发全历程中（包括工程化阶段、型号初次研制阶段和多次应用阶段，族群产品等）的故障及异常、超差、临界等数据，统一定义为“影响产品质量的潜在失效”，应用于全过程FMECA循环迭代工作中，达到尽识失效模式、减少失效模式、降低失效模式发生的几率、减轻失效发生后的危害度的结果。

全过程FMECA从故障模式认知程度、故障原因认知程度、故障影响认知程度和改进措施有效程度这4个方面来权衡其工作的有效性。不仅限于产品故障，还应包括产品及其族群产品研制过程异常、超差、临界数据的分析，与所涉及的成熟度子要素的符合度，进行进一步定性衡量的方法见表2。