利用“三再”方法提升導彈武器裝備可靠性的研究與實踐

廖 欣，朱建華，卞付國，李克勇

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引 言

當前武器裝備“能打仗、打勝仗”的實戰化運用理念日趨深入，導彈武器裝備所面臨的復雜戰場環境適應能力和作戰使用性能健壯性等要求均極為嚴酷，一次設計往往不能完全滿足實戰化需要。尤其是在研制型號數量快速增加、研制周期大幅縮短的背景下，在迭代設計、關重特性控制和驗證充分性等方面的潛在風險進一步增加，主要體現在以下三個方面：

一是產品設計過程中指標分配不合理，產品關鍵特性裕度不足，存在設計薄弱環節，產品成熟度不夠；

二是產品研制生產過程中關重特性控制或執行不到位，存在不可檢、不可測環節，導致產品可靠性得不到保證；

三是產品在臨界狀態、極限狀態以及復雜的力、熱、電磁等環境中的影響分析不全面，導致產品在實際飛行過程中性能指標達不到要求。

將航天產品“三再”方法應用于導彈武器裝備，通過系統的分析方法，識別型號產品的關鍵特性，發現薄弱環節，進行設計和工藝改進與驗證，是順應武器裝備研制新特點、釋放裝備本質風險、提高裝備任務可靠度的重要手段［1-2］。

1 “三再”的工程研制應用原理

1.1 “三再”定義

“再分析”、“再設計”和“再驗證”是武器裝備提高產品可靠性和成熟度的有效手段。

“再分析”是指對關鍵單機產品在研、在役中發現的問題進行全面分析，確保問題歸零到位；對產品進行特性分析，明確關鍵、重要特性，將關鍵、重要特性控制要求落實到產品保證、強制檢驗、數據包中，確保后續生產的穩定性。

“再設計”是指在對經過飛行試驗的產品試驗數據的監測、對比、分析的基礎上，針對導彈武器裝備存在的薄弱環節和關鍵、重要特性開展二次設計，對影響產品可靠性、安全性的薄弱環節進行再認識，直至徹底消除影響。

“再驗證”是指為確保產品設計驗證的全面性和充分性，補充完善驗證科目，探底裝備設計裕度。

1.2 “三再”關系

航天產品“三再”工作是一種系統的分析設計方法，針對產品在飛行試驗中出現的質量問題或暴露的設計薄弱環節，有重點地進行設計完善。

其中，“再分析”和“再設計”緊密圍繞產品的關鍵特性迭代開展，然后根據識別的關鍵指標、關鍵參數、關鍵特性進行“再驗證”，消除薄弱環節，提高產品的可靠性和成熟度?！叭佟钡南嗷リP系如圖1所示。

圖1 “三再”相互關系Fig.1 Relationship of reanalysis，redesign and reverification

1.3 “三再”與迭代式開發

傳統式單一開發流程受限于設計經驗、驗證手段、分析契機等多方面的不足，并非理想的開發策略。迭代式開發策略與“三再”方法在方法應用層面不謀而合。

“三再”方法是導彈武器裝備全生命周期研制保障由“V”向“W”轉變的重要手段。將“三再”方法融入產品研制和設計的流程如圖2所示。

圖2 “三再”融入產品研制設計流程Fig.2 Development and design process with “three-Re”

從圖2中可以看出，針對導彈武器裝備，“三再”工作可以融入產品的設計開發流程。產品交付使用后，通過對用戶反饋問題和質量問題的梳理，發現產品可靠性和環境適應性等方面的設計薄弱環節，經再分析、再設計、再驗證，解決產品固有的能力不足，完善標準規范，采用技術狀態更改或改進研制等手段，將改進落實到后續產品中，從而提升產品的綜合性能以及客戶滿意度。

1.4 武器裝備的“三再”方法應用適宜性分析

武器裝備具有研制周期短、先進技術多、環境條件邊界復雜等特點。部隊使用中面臨各種復雜的環境，在武器裝備研制階段無法將所有的使用工況和環境進行遍歷驗證，并且隨著飛行試驗子樣的增加，會暴露一些發生概率較小的設計薄弱環節，產品需要改進設計以提高其可靠性和設計裕度?！叭佟狈椒軌蛲ㄟ^問題的現象，深入分析產品特性與使用需求的關聯，進而指導產品改進設計。它能結合使用環境，給出再驗證的條件和方法，提升產品的作戰效能和持續生命力，支撐產品的通用化、系列化發展?！叭佟狈椒ㄊ且环N針對產品特點并快速提高產品成熟度的系統性方法，是新形勢下高質量保成功和高效率完成任務的重要支撐手段［3］。

2 導彈武器裝備“三再”方法應用

2.1 導彈武器裝備“三再”工作流程

導彈武器裝備“三再”工作主要包含以下內容：

1）梳理型號的質量問題和部隊使用反饋意見，確定系統級產品的設計薄弱環節；

2）對系統級產品的薄弱環節進行再分析，定位問題多發產品和產品的關鍵特性，確定“三再”工作項目，“三再”工作項目的識別和確認依據總體-分系統-單機逐級進行；

3）針對具體項目，建立跨型號、跨單位（部門）、跨專業的“三再”工作小組，開展“三再”工作；

4）再分析，以用戶反饋和質量問題為出發點，通過邏輯決斷法、FMEA（C）A 等方法確定產品關鍵特性和設計薄弱環節；再設計，針對辨識出的關鍵特性及發現的設計薄弱環節，采用質量功能展開法等開展再設計，提高產品的可靠性和成熟度；再驗證，對再設計進行全面驗證，明確設計裕度；

5）對“三再”工作進行評估總結，完善技術指標體系、標準規范。

2.2 再分析

導彈武器裝備“再分析”工作以用戶反饋和質量問題為出發點，分為以下三個步驟。

首先，針對系統在實際使用工況（主要指飛行試驗）中出現的問題，開展復查工作，從器材、工藝、設計、操作、設備、管理、軟件、環境等維度對質量問題發生的原因進行歸納與提煉。以產品質量問題分類為線索，定位問題多發產品［4-5］。

其次，針對問題多發的分系統或單機產品，開展產品設計、工藝、過程等關鍵特性再識別?？梢圆捎眠壿嫑Q斷圖識別模型對產品的關鍵特性進行再梳理、再分析，如圖3所示。LDP是一種決策方法，通過將被決策事項分解為一定組合形式的多個判斷項目，按照既定的順序對判斷項目進行邏輯判斷，對每個判斷項目得出0 或1（是或否、對或錯等）的邏輯判斷結論，最終得到決策結果。邏輯決斷法適用于2 個或2 個以上的多目標決策，針對某個具體的指標或參數判斷其是否為設計關鍵特性屬于雙目標決策，因此邏輯決斷法可用于產品關鍵特性識別［6-10］。

圖3 設計關鍵特性識別邏輯決斷圖Fig.3 LDP for recongnization of key characteristics

以單機產品為例，介紹運用邏輯決斷法識別設計關鍵特性的流程。

1）形成指標或參數清單

設計關鍵特性是從設計過程中形成的各種指標或參數中識別出來的，因此，復核復算技術指標分解的合理性、復查技術指標要求是否全面覆蓋產品特性、重新梳理設計過程的指標或參數并形成清單是設計關鍵特性再識別的核心工作。單機產品設計關鍵特性識別要從單機級技術指標、單機設計過程、主要部（組）件設計過程3個方面開展：

① 列舉上級任務書、產品保證要求中規定的各項單機級技術指標要求；

② 列舉單機在設計過程中為實現各項指標要求形成的各項參數，要將功能性指標盡可能轉化為設計過程形成的可測量的具體參數；

③ 列舉主要部（組）件在設計過程中形成的各項參數，尤其是關鍵件、重要件的參數要全面。

將上述梳理出來的指標或參數形成清單，作為判別的輸入清單。

2）識別過程

針對指標或參數清單中所列項目逐一分析和識別，識別過程可遵循以下流程：

① 明確指標或參數滿足合格判據的具體數值或范圍；

② 對照FME（C）A 分析結果，判斷其超出合格范圍造成的故障模式影響是否具有Ⅰ、Ⅱ類的嚴酷度；

③ 對照特性分析的結果，判斷指標或參數是否對關、重特性產生影響；

④ 對照測試覆蓋性分析的結果，判斷指標或參數是否可以得到充分的驗證；

⑤ 對照技術風險分析的結果，判斷指標或參數是否與高技術風險項目存在關聯；

⑥ 分析指標或參數在實現過程（生產、調試等過程）中是否存在危險嚴重等級較高的安全性因素；

⑦ 針對具體產品的特殊要求及同類產品發生的質量問題，分析參數在設計過程中是否具有需重點關注的因素。

通過上述分析，可以得出影響單機產品質量與可靠性的指標或參數，經設計審查得到產品設計關鍵特性。

同樣，產品的工藝關鍵特性和過程關鍵特性也可通過邏輯決斷法進行再識別。生產工藝方面重點復查工藝文件的可操作性、完備性，復查標準規范的使用和落實情況。過程控制方面重點復查不可檢與不可測項目、強制檢驗項目的執行情況以及復查測試的覆蓋性，并結合產品使用的所有工況，分析試驗驗證的充分性。

最后，針對研制生產、試驗中出現的質量問題，以質量復查的線索，采用邏輯決斷法重新梳理得到產品的三類關鍵特性，面向產品設計存在薄弱環節、生產過程管控不精準、環境風險辨識不充分等具體問題，指導開展“再設計”工作。

2.3 再設計

針對“再分析”辨識出的關鍵特性及發現的設計薄弱環節，特別是Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式產品的三類關鍵特性開展“再設計”，確定設計、工藝和過程控制改進方案［11-12］。

“再設計”工作包含三個主要內容：設計輸入優化、技術方案和工藝流程改進、標準規范完善?？刹捎觅|量功能展開（quality function deployment，QFD）方法開展設計輸入優化設計。QFD 方法是一種系統性的決策技術，可以把設計要求準確無誤地轉化成產品的定義。在“再設計”過程中，顧客需求就是對產品設計薄弱環節、生產過程管控不精準、環境風險辨識不充分引起的質量問題進行控制［13-14］。典型的QFD流程如圖4所示。

圖4 典型QFD工作流程Fig.4 Work flow of QFD

根據QFD分析結果獲得產品設計輸入條件，并開展技術方案和工藝流程改進設計。導彈武器裝備“再設計”工作應重點考慮產品通用化、系列化、模塊化要求，關注繼承性和技術成熟度，降低產品的復雜度。在工藝方面，優化工藝流程和工藝方法，確定生產過程檢驗點設置原則，將過程控制采取的措施納入相關工藝文件中。建立檢驗規范或規程等檢驗技術規范體系，實施質量控制表格化，確認過程控制關鍵特性。

根據“再設計”結果，制定計劃開展更改論證和試驗驗證工作，并固化“再設計”成果，編制作業指導文件，形成標準規范，提升基礎設計能力。

在完成上述工作的基礎上，對“再設計”工作進行總結，作為“再驗證”的輸入。

2.4 再驗證

以“兩個一切”要求為標準，開展“再驗證”工作。在充分的產品可靠性設計基礎上，提出試驗驗證方案?！霸衮炞C”方案應包括三個方面：一是對比驗證，通過單機性能對比試驗，驗證再設計的有效性；二是環境適應性、極限能力、性能拉偏、壽命與可靠性等試驗，以充分驗證其設計裕度；三是系統應用驗證，確保設計改進單機的系統協調性和環境適應能力，利用數據庫開展成功數據包絡分析，確保單機性能參數落入系統級產品成功包絡范圍內［15］。

如驗證結果滿足要求，則確定實施改進；如驗證結果不滿足要求，則針對該環節再次開展“三再”工作，實現工作閉環，進一步提升產品質量與可靠性。

“再驗證”工作強調總體的主導作用，一切通過總體，一切通過地面驗證。單機性能試驗、邊界點考核和系統集成驗證均應通過型號總體的統一策劃，結合產品問題分析中的環境因素，對產品的關鍵指標、關鍵參數、關鍵特性進行全面的驗證，具體可采取試驗或與數字模擬仿真相結合的方式，摸清產品設計的余量和裕度。

3 典型產品應用案例

以某發動機設計點火裕度提升為例，對“三再”工作開展情況進行分析。

某發動機點火可靠性設計不足導致小概率發生延遲點火現象。針對該問題，組織專家和設計師成立了該類發動機點火過程“再分析、再設計、再驗證”工作小組，目標是從設計源頭上提高該類發動機的點火裕度，消除點火藥盒生產過程控制參數波動對點火過程的影響。

根據該類發動機點火過程機理分析，確定該類發動機產品的特性。采用FME（C）A 方法開展“再分析”，確定設計薄弱環節：一是點火藥燃燒離散性導致壓強波動大；二是藥盒結構特點導致堵蓋打開后快速泄壓。該類型點火藥盒對不利于點火環境的因素更敏感，對工藝過程控制穩定性要求更嚴格，因此表現出點火過程一致性和控制穩定性較差。

通過FME（C）A 分析可知，雖然發動機的點火裕度不足不會引起Ⅰ、Ⅱ類故障模式，但其對工藝過程偏差和使用環境比較敏感，不能通過有效措施直接消除，因此屬于設計關鍵特性。

按照QFD方法開展“再設計”，實現點火裕度的提升，如圖5所示?！霸僭O計”的目標是通過改進點火藥盒來提高點火可靠性。根據設計要求，重新選擇了一型成熟的點火藥，同時重新選擇了藥盒材料，完善藥盒結構設計，從而提高了點火方向一致性，降低點火能量損失，提高點火裕度。

圖5 點火藥盒質量功能展開Fig.5 QFD design of igniter

針對“再設計”，開展了極限拉偏等條件下的“再驗證”。在低溫、噴管無堵蓋的極限拉偏狀態下，改進前點火裝置未點燃發動機，而改進后點火裝置點燃了發動機。

最后，對整個“三再”工作進行總結，形成“滿裝填、尾部點火”發動機點火藥盒設計規范。

4 結束語

本文探索了導彈武器裝備開展“三再”工作的方法。針對導彈武器裝備研制和使用中暴露的問題，通過系統的分析方法，識別型號產品的關鍵特性，發現薄弱環節；針對產品薄弱環節，進行再設計，形成產品設計、工藝和過程控制改進方案；針對改進設計，開展再驗證工作，評估驗證改進設計后產品在各種工況下的性能裕度。通過開展“三再”工作，有效提升了導彈武器裝備的可靠性，為高質量保成功和高效率完成任務提供重要的技術支撐。后續應加強“三再”方法在導彈武器領域的推廣應用，不斷促進導彈武器型號產品研制保障由“V”向“W”型轉變，提升產品保證能力。