余后满

(中国空间技术研究院，北京 100094)



把握技术特性和风险点改进宇航产品研制模式和方法

余后满

(中国空间技术研究院，北京 100094)

宇航产品在研制和运行过程中发生的问题，主要是由于对宇航产品技术特性的掌握不全面，对风险点的认识与控制不到位造成的。通过对宇航产品的新技术特性、综合技术特性、动态特性、敏感特性等技术特性，以及风险盲点、技术交汇点、特性敏感点等风险点的深入分析，对宇航产品研制模式和方法提出了针对性的改进建议，如组建多学科产品开发团队，强化宇航产品详细设计及评审，强化故障模式与影响分析(FMEA)和故障树分析/事件树分析(FTA/ETA)两种方法的综合运用。上述研究成果对进一步完善源头设计，把握关键特性，有效管控宇航产品风险，具有指导意义和参考价值。

宇航产品；技术特性；风险管理

1 引言

随着我国航天重大工程任务的顺利实施，空间基础设施建设步伐的加速推进，以及空间技术的快速发展，宇航产品研制水平得到快速提高。交会对接敏感器、月面着陆敏感器、单相和两相流体回路热控部件、着陆缓冲机构、控制力矩陀螺等一系列复杂高新技术产品的成功研制与应用，为载人飞船与天宫实验室交会对接、嫦娥三号落月与巡视等重大宇航任务的成功实施作出了重要贡献。

近几年来，我国在宇航产品开发模式、研制程序、产品保证技术等方面，都进行了许多有益探索，如建立宇航产品型谱，开展宇航产品设计队伍与生产队伍的分离，进行宇航产品成熟度评价和提升，强化新研宇航产品研制性试验，完善宇航产品可靠性安全性工作程序等，总结和形成了很多很好的经验和方法，对推进空间事业发展具有重要意义[1-3]。但是，随着航天事业的快速发展，特别是近几年来航天器高强度研制和高密度发射任务的实施，在宇航产品研制工作中也暴露出一些问题与不足，主要表现在以下几个方面。

(1)单机产品质量问题暴露较晚。在装配、总装与测试(AIT)阶段和在轨飞行过程中暴露的问题主要是单机设计问题，说明单机研制阶段开展的工作不充分，设计和设计验证工作存在不足。

(2)复杂产品的研制和生产工作有时出现反复，对航天器研制工作的顺利开展造成不利影响，甚至导致航天器发射计划进行重大的调整，说明研制过程中一些关键工作未做到位。

(3)对一些关键环节、风险环节总是不放心，经常性开展质量复查，说明技术特性研究不够深入，缺乏一套科学的程序和方法，无法确保有效吃透关键技术特性，很难充分识别和有效控制技术风险。

为此，需要对宇航产品技术特性和风险点进行深化研究，针对研制过程中存在的不足，进一步完善宇航产品的开发模式和研制程序，改进研制方法，提高航天器研制能力和水平。

2 宇航产品技术特性分析

宇航产品的高风险主要是高的技术风险。宇航产品研制的计划风险、成本风险及管理风险等，主要是由高的技术风险引起的。宇航产品研制工作的核心是技术风险的识别与控制，而技术风险又是由技术特性决定的。与宇航产品高的技术风险有关的技术特性，主要表现在以下几个方面。

1)新技术特性

宇航产品是高新技术的集中展示，是新技术发展成果的充分体现。由于宇航技术发展迅速，因此产品更新换代快。宇航产品在强调功能性能先进的同时，要求具有高的可靠性和安全性，并且要求体积小、质量小、功耗少，这些对先进技术的发展和应用又提出了更高的要求。如果研制程序不够科学合理，在新技术应用过程中，可能导致由于技术特性没有充分吃透、新的失效模式不能充分识别、潜在风险因素不能有效掌握而带来的研制风险。

2)综合技术特性

复杂的宇航产品通常是多学科多专业技术成果的结晶，学科之间存在高度的融合，技术特性高度关联。这样，某个局部的细微问题或异常，可能导致产品整体功能的衰减甚至失效；队伍组织模式和产品研制方式若考虑不周，会经常出现由于设计师队伍的某一专业知识欠缺、相关专业基本技术特性认识不到位，导致产品发生低层次技术问题。

3)动态特性

宇航产品中有较多的机构产品，如舱间对接机构、太阳翼驱动机构、天线展开机构、动量轮、控制力矩陀螺、制冷机、载荷驱动机构等，这些机构产品的动态特性和航天器飞行过程中的关键动作，对飞行任务的成功至关重要。对动态特性研究和分析不透，地面验证试验条件不真实，试验程序和方法考虑不周，有些动态特性研究不充分，风险识别和控制不到位，会导致相关质量问题的发生。

4)敏感特性

有些宇航产品对生产过程敏感，例如：多余物容易导致推进系统、热控流体回路部件堵塞，容易导致机械产品卡滞、电子产品短路；静电容易导致静电敏感器件损伤。有些材料和器件对空间环境比较敏感，例如：有些器件对单粒子敏感；有些材料容易导致静电积累。在产品研制过程中，需要充分考虑这些敏感特性，有效控制相关风险。

5)离散特性

材料的不一致性、元器件的个体差异、工艺过程的不确定性和加工参数的离散分布等，均会导致产品生产质量的不稳定，产品间状态的不一致，飞行产品状态与鉴定产品状态存在差异。有些产品虽然顺利通过地面验证或鉴定试验，但不能保证飞行任务次次成功。

6)时效特性

有些材料(主要是非金属材料)在机械应力、热应力作用下发生蠕变，在空间环境作用下发生退化；有些材料在真空环境里不断释放可凝气体，对产品自身(如两相流体回路部件)或安装在附近的某些产品(如对低气压比较敏感、可能导致低气压放电的微波器件，对污染比较敏感的光学产品)功能造成不良影响或破坏；有些工艺由于化学反应(如“锡吃金”等)或应力作用，其工艺状态随着时间的推移而发生改变。上述时效特性导致产品在轨工作状态逐渐偏离鉴定状态，偏离正常工作状态，从而导致在轨故障。

3 宇航产品主要风险点分析

基于宇航产品的风险特性，宇航产品的风险点主要表现在以下几个方面。

1)风险盲点

新技术攻关不到位，新技术特性未吃透，产品失效模式认识不充分，潜在风险考虑不到位，容易产生技术盲区和风险盲点。另外，有些宇航产品虽然在设计阶段对风险特性和风险点考虑比较充分，但是存在不可测、不可检环节，当产品生产过程控制不当，相关特性控制不到位，后续验证环节又难以检测时，容易造成风险控制盲区。

2)技术交汇点

对于跨学科多专业技术产品，不同专业技术特性往往是关联的、复合的，因此技术风险通常是耦合的、相互影响的。有些产品既采用新技术，又使用未经飞行验证的新材料、新工艺，多重技术风险并存，使研制风险大幅增加。有些产品既是新产品，又属于关键项目，既存在重要的单点，相关特性在过程中又难以检测和保证，使其风险控制难度显著增大。

3)特性敏感点

要重点关注对生产制造过程和生产环境敏感的材料、工艺、元器件，工程散差较大的工艺环节，工艺特性难以控制的薄弱环节，以及对多余物、静电等生产因素敏感的元器件、部组件等；同时，要关注对在轨运行空间环境敏感的材料、工艺和元器件，以及对航天器诱导环境(如微振动、杂光、可凝多余物等)敏感的元器件与零部件。

4)性能临界点

性能临界点主要表现在：产品设计参数临界，设计裕度不足，环境适应性考虑不充分，输入负载及接口适应性考虑不到位，造成产品功能性能不能在全生命周期中始终处于稳定的工作状态。另外，在设计过程中，对产品在各种环境、各种工作模式、各种负载条件下的功能特性变化趋势和变化规律研究不够，没有回避特性曲线不稳定工作段，导致产品不能始终处于稳定的工作状态。

5)任务单点

由于无人航天器在轨硬件产品的不可维修性而存在单点环节，特别是对任务重要功能完成可能造成重大影响的单点环节，这是产品设计要特别关注和重点控制的风险环节。另外，在进行冗余设计时，也要深入分析冗余的有效性，防止由于冗余设计存在欠缺造成的假冗余(实际上也是单点)。同时，要注意共因失效，特别是对生产过程和在轨道环境敏感的冗余设计环节，要考虑异构设计，尽量采用不同原理与方法实现产品的功能冗余。

6)功能死点

对于机构产品，功能死点主要有钩挂点、应力集中点；对于机电产品，主要有卡滞点、短路或断路点。机电产品由于安全间隙考虑不够，在运行过程可能发生短路，同时由于长时间工作，零部件磨损，绝缘层破坏导致供配电短路或断路、电性功能丧失等；对于电性产品，由于电路安全性设计考虑不周，存在潜在短路点等。

4 宇航产品风险类型

从对宇航产品风险知识的掌握、风险识别与风险控制的难度等方面考虑，可以将宇航产品风险分为显性风险、半显性风险和隐性风险3种类型。显性风险是风险源和风险后果都非常明确的风险；半显性风险是风险后果明确，但风险源并不明确的风险；隐性风险是风险源和风险后果都不明确的风险。

1)显性风险

在航天器长期研制、生产、试验和在轨飞行任务实施过程中，积累了非常丰富的显性风险识别与控制方面的知识，如禁限用元器件、禁限用原材料、禁限用工艺等，以及元器件和原材料使用、通用工艺实施、软件开发遇到的常见多发问题与控制措施等，电性产品装联、安全间隙控制等，在产品保证要求中一般都提出了明确的风险控制要求。只要设计工作认真细致，过程检查确认到位，显性风险在设计源头和生产过程中可以得到较好控制。

2)半显性风险

在宇航产品研制过程中，半显性风险的识别存在一定难度。对于这类风险，一般都要按照一套科学的程序与方法进行识别，例如：对于热应力、力学应力等可能造成的失效，要进行专业的热分析、力学分析；对于电磁兼容性(EMC)、杂光、羽流、潜在电路等风险，要进行专题分析；对于单点环节是否存在，要开展故障模式与影响分析(FMEA)等工作。

3)隐性风险

在宇航产品研制过程中，最困难的是隐性风险的识别与控制，需要通过一套科学的程序和方法将隐性风险“挖”出来，并对风险控制措施的有效性进行验证。这些风险主要表现在：①新技术特性。由于对新的技术特性认识不够、对潜在失效模式认识不充分，容易带来新的风险。②综合技术风险。由于多专业技术特性关联，技术风险耦合，风险分析和识别往往比较困难。③月球与深空探测任务等遇到的新的空间环境、特殊空间环境等。材料、元器件、工艺等可能对新的环境存在未知的敏感特性。④新任务实施。例如，火星探测器在火星大气进入和火星表面着陆过程中存在新的复杂的动态特性等。

对于隐性风险，通常要通过跨学科研制团队建立、跨学科特性分析与设计评审、故障树/事件树(FTA/ETA)深化分析、充分的地面研制性试验等工作，有效暴露和掌握相关风险特性，将风险点识别到位，将风险控制措施验证到位。

5 改进宇航产品研制模式与方法

5.1 改进宇航产品研制模式

1)组建多学科产品开发团队

针对复杂的宇航技术产品，需根据产品涉及的学科内容和专业特点，建立跨学科多专业产品开发团队，这对于规避由于学科盲区、技术盲点而导致的风险识别遗漏非常重要。多学科产品开发团队成员可以通过不同的专业视野从不同的专业角度对产品特性和风险进行分析，成员之间进行交流和互动，专业知识相互补充，相互启发，这对于跨专业技术特性分析、关联特性研究、耦合风险识别与控制措施制定等非常重要，对于加强产品综合设计、整体优化非常关键。

对于复杂的宇航产品，在单位内部可以跨专业室成立研制开发团队；对于大型复杂宇航产品，可以跨专业所成立研制团队，在单位间建立和形成密切的协同开发模式。团队成员不是以专家的身份为产品开发提供咨询，而是必须承担产品开发主体责任，除非单位内部相关专业人员确实欠缺，才聘请外部专家提供咨询。

2)加强工艺性、可测试性、可维修性、保障性等设计

产品的工艺性、可测试性、可维修性、保障性等，是产品的固有质量特性，是在产品设计开发过程中形成的，在设计开发阶段必须对相关特性进行一体设计、统筹考虑，对相关风险尽可能早地进行分析和识别，在产品研制过程中对风险控制措施进行验证，并随着产品状态的确定而固化。

工艺设计是产品设计中非常重要的组成部分，工艺特性和工艺方法研究是产品设计的一项重要内容。通过工艺性设计和工艺保证，可以从源头上避免新材料、新工艺应用造成的新风险，可以尽早关注敏感材料和敏感工艺存在的敏感特性、部分材料与工艺存在的时效特性等。成熟工艺的应用，稳定工艺的选用，工艺特性的充分把握，对产品功能性能有效实现、产品全生命周期内可靠稳定工作非常关键。需要改变工艺是生产阶段工作的落后思想，通过工艺性设计，保证产品功能更好更稳定地实现。

开展产品的可测试性设计，可尽量规避产品设计可能产生的不可测、不可检环节，通过对产品特性的持续检测，可以不断深化对产品特性的认识，对特性变化规律进行深入研究，对产品质量一致性、稳定性进行有效评价。

开展产品的可维修性和保障性设计，可以有效降低产品维修及保障成本，提高维修保障效率与效益，减少产品维修保障对人员的依赖。对于宇航产品，需要提高软件维护、升级能力，通过程序上注，实现在轨软件缺陷的修补和功能升级。

3)实现新技术研发人员、工程研制人员、产品保证人员的有机结合

新宇航产品在研制过程中发生的质量问题，有些并不是新技术特性未有效吃透产生的，而是基础材料、工艺或者元器件选用、应用不当产生的；有些宇航产品研制工作反复，是因为没有遵循工程开发程序，对工程约束条件和要求考虑不周造成的。产品保证人员的早期介入，可以充分利用组织在宇航产品长期开发过程中积累的丰富知识，有效规避显性风险；同时，针对半显性风险和隐性风险，产品保证人员可以为开发团队建立一套科学的程序和方法，确保相关风险得到有效识别和控制。

具有丰富经验的宇航产品工程研制人员与新技术研发人员的协同研制，可以在产品开发早期就充分考虑成熟材料、元器件、工艺的选用和应用，全面考虑空间环境条件、接口条件及力热等工程约束条件，开展产品环境适应性和接口协调性设计，系统开展产品可靠性、安全性设计，制定产品设计验证方案，确保产品一次开发成功，避免研制工作反复。

另外，要保持产品设计开发队伍的稳定性，这样可以保证设计开发团队持续地对产品特性进行深入研究，对产品综合技术特性、关联特性等做到全面充分把握。

5.2 改进宇航产品研制方法

1)强化宇航产品详细设计及评审

(1)做好宇航产品详细设计工作。通过开展宇航产品详细设计，确保产品环境适应性、接口协调性和各方面的工程约束条件得到全面充分考虑和验证；确保产品设计、生产、飞行过程可能存在的风险得到全面深入分析和有效识别，控制措施充分有效；确保产品功能性能、可靠性、安全性、工艺性、可测试性、可维修性、保障性等得到全面统筹考虑，确保产品设计参数准确协调，工艺参数细化量化，工艺过程严谨细致，确保产品技术状态定义清晰、准确，配套文件全面充分；确保产品关键技术特性分析到位，风险技术特性识别充分，关键件重要件明确，关键检验点、强制检验点设置合理，过程控制措施有效。要建立并形成宇航产品详细设计文件体系，建立更加严谨的设计基线。

(2)改进宇航产品详细设计评审方法。确定详细设计评审文件体系，将重要的关联性的设计文件进行打包评审，确保评审专家能够全面、系统地对设计思路、设计结果进行评审把关。设计及设计验证性文件需要进行关联评审，包括任务/功能分析报告、方案设计报告、环境试验条件、产品鉴定状态、设计验证矩阵，测试覆盖性分析报告，研制、鉴定、验收等各类试验大纲等。关联性强的产品保证文件必须做为一个文件包进行整体评审，如关键项目、三类关键特性、关键件重要件的确定，测试覆盖性检查报告、不可测不可检项目、检验计划、关键检验点与强制检验点清单，可靠性安全性设计报告、FMEA/FTA/ETA报告、残余风险分析报告、飞控故障预案等。评审专家选择需要综合考虑产品各学科的代表，评审时间可以根据产品复杂程度进行多天连续评审，确保评审专家充分消化、吃透评审文件。

2)强化FMEA、FTA/ETA两种方法的综合运用

FMEA和FTA/ETA是产品研制活动中两种非常重要的风险分析方法，对产品风险识别与控制、产品设计改进非常重要。FMEA是自底向上的风险识别方法，是一种收敛思维，可以在宇航产品的任何一个层次自底向上开展。FMEA需要基于已有的认识和知识，提出每个要素的所有可能的故障模式，分析它们对产品最终功能产生的影响，要对每个故障模式所产生的结果进行评估。如果对新产品、新技术，特别是对底层要素(如新的元器件、新的材料与工艺)的新技术特性认识不充分，失效模式认识不足，就可能造成分析过程存在风险遗漏。FTA/ETA是自顶向下的风险识别方法，是解析思维，原则上可以无穷尽分析下去，对于不能确认的底事件或失效模式，可以刨根问底，开展针对性的研究，对潜在风险进行验证和确认。FTA/ETA方法可以有效弥补FMEA方法存在的不足。对于一个复杂的新技术产品，建议同时开展FMEA和FTA/ETA，通过两种方法的综合运用，确保风险识别全面充分，风险特性有效把握。

在开展FTA/ETA时，建议组建多学科分析团队，由具有不同专业知识的团队对复杂产品进行集同分析，对产品风险逐级推演，对潜在风险因素进行系统、深入、细致的研究。这种跨学科多专业协同分析模式，可以较好地规避因专业知识不全、关联特性思考不充分导致的风险识别遗漏。

3)强化研制性试验

新宇航产品在研制阶段开展的研制性试验，主要有两方面的目的：一是验证设计方法的正确性，修正设计模型，验证设计准则，确定设计裕度；二是掌握产品新的技术特性，研究产品失效模式，特别是新的失效模式和潜在的未认识到的新的风险。

对于新宇航产品，基于已有知识，很难通过正向设计对相关技术特性进行全面的分析，也很难对潜在风险进行充分的识别，因此必须通过研制性试验，使得产品新的技术特性和未认识到的风险得到充分暴露。研制性试验主要包括功能性能试验、接口匹配性试验、各种工作模式及条件的设计验证试验、环境适应性试验、拉偏试验、极限摸底试验、寿命试验等。

对于复杂单机产品，要从材料、元器件、工艺、零部件、组件，一直到整机，逐级开展试验策划；对需要开展的试验项目和需要投产的试验件，进行统筹规划和安排。为保证设计验证工作的充分性，应编制设计验证矩阵，对各层级产品设计验证工作项目进行梳理，对验证工作的充分性进行分析、确认。为掌握新技术特性，需加强拉偏试验、极限摸底试验、寿命试验，通过开展这些试验，确保可以充分掌握新技术特性，充分识别和有效控制未认识到的失效模式和风险。拉偏试验的目的是通过对产品施加拉偏的试验参数，有效暴露产品的薄弱环节，并加以改进；摸底试验的目的是对产品的健壮性进行考核，对产品特性变化趋势进行全面分析，对产品设计裕度进行确认。

6 结束语

复杂宇航产品研制风险管理工作，是建立在对宇航产品技术特性充分掌握，对宇航产品技术风险特点深入认识基础上开展的。现有的宇航产品研制模式和方法存在不足，对有些特性和风险难以做到系统全面掌握，风险控制存在隐患，需要采取针对性措施进行改进和完善，以提升工作的精准化，达到技术见底、特性吃透、风险短板消除、质量有保证的效果。

References)

[1] 徐福祥.卫星工程[M].北京:中国宇航出版社,2002:257-260

Xu Fuxiang. Satellite engineering [M]. Beijing: China Astronautics Press， 2002： 257-260 (in Chinese)

[2]袁家军.航天产品工程[M].北京:中国宇航出版社,2011:1-17

Yuan Jiajun. Space product engineering [M]. Beijing: China Astronautics Press， 2011： 1-17 (in Chinese)

[3]谭维炽,胡金刚.航天器系统工程[M].北京:中国科学技术出版社,2009:482-488

Tan Weichi， Hu Jingang. Spacecraft systems engineering[M]. Beijing: China Science and Technology Press， 2009: 482-488 (in Chinese)

(编辑：夏光)

Grasping Technical Characteristic and Risk to Improve Development Mode and Method of Aerospace Product

YU Houman

(China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China)

The problems during aerospace product development and operation result from unenough grasping technical characteristic and not well recognizing and controlling risk. The new technical characteristic， comprehensive technical characteristic， dynamic characteristic and sensitive characteristic， and risk blind spot， technical intersection point and characteristic sensitive point are analyzed. Some suggestions,such as forming multidisciplinary team for product development， enhancing detailed design and review of aerospace product and comprehensive utilization of FMEA and FTA/ETA methods,are proposed for development mode and method of aerospace product.The research results can provide a direction and a reference for improving the source design， grasping the key characteristics and effectively controlling aerospace product risk.

aerospace product； technical characteristic； risk management

2017-03-07；

2017-03-17

余后满，男，研究员，中国空间技术研究院副院长，从事宇航系统科研生产综合管理及有关航天工程项目工作，研究方向为系统工程与项目管理、航天器质量与可靠性管理、产品工程建设。Email:htq501@139.com。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.001