长征四号系列运载火箭研制改进与创新.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）长征四号系列运载火箭研制改进与创新史会涛1，苏新源1，范鑫2，徐文豪1，史韶莉1，王玉平1，仓飚2（1.上海宇航系统工程研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院，上海 201109）摘要:长征四号系列运载火箭是上海航天技术研究院抓总研制的三级常温推进剂运载火箭，面对高密度研制发射的形势，型号主动开展技术改进创新、积极推动“三个转变”，即保成功向高质量保证成功转变、作品向产品转变、研制向批产转变，取得了丰硕的应用成果，2021年以来发射任务连续超过 10发，践行了“三高”发展要求。在长征四号系列运载火箭首个百次发射到来之际，文章系统总结了研制改进与创新成果，希望能给相关型号一些启发。关键词:技术改进；流程优化；去任务化；年度基线；风险管控中图分类号：V 475.1 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.009Improvement and Innovation in the Development of Long March 4 Launch VehiclesSHI Huitao1，SU Xinyuan1，FAN Xin2，XU Wenhao1，SHI Shaoli1，WANG Yuping1，CANG Biao2（1.Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China；2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201109，China）Abstract:The LM-4 launch vehicles are three-stage vehicles with normal temperature propellants developed by the Shanghai Academy of Spaceflight Technology.Facing the high-density development and launch，the researchers of LM-4 launch vehicles have taken the initiative to carry out technological improvement and innovation，and have promoted the“three transformations”，including ensuring the success of high-quality，work-to-products，and the development of batch production.The LM-4 launch vehicles have achieved fruitful application results.Since 2021，the LM-4 launch vehicles have been launched more than 10 times annually，fulfilling the requirements of the“three high”development.When the arrival of the first hundred launches of the LM-4 launch vehicles，the achievements of improvement and innovation in the development were summarized systematically in this article，and inspiration for other related rockets was proposed.Key words:technological improvement；process optimization；detasking；annual baseline；risk control0引言 长征四号系列运载火箭从十一五及之前的 12发/年、十二五十三五期间的 57发/年，至十四五以来的 10+发/年，不仅是量的增加，而且是质的变化，是型号持续开展技术改进创新、从靠资源投入及条件保障等传统定制化模式向新时期产品化批产模式转变的结果，长征四号系列运载火箭任务发射情况如图 1所示。当前航天型号呈现了“任务增长、任务竞争、全面创新、开放合作、成本控制、深化改革”等“六个常态”的新特征，如何在新常态下创新技术应用、改进研制模式，不断提高技术能力、质量产保水平、资源整合效率等核心竞争力、高质量完成任务，已成为航天型号研制亟需解决的课题1。1型号研制模式 运载火箭的研制是一项庞大的系统工程，涉及专业范围广、全流程制造周期长2，其研制模式既要收稿日期：20230603；修回日期：20230609作者简介：史会涛（1984），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为运载火箭总体设计。60第 40 卷 2023 年第 s1 期史会涛，等：长征四号系列运载火箭研制改进与创新适应型号特点也要考虑承制单位的体制模式，需结合发展形势、研制难度、任务体量、技术储备、体系基础、资源保障能力等进行综合考量。长征系列运载火箭研制模式通常采用企业集团领导下的总体院型号两总负责制。长征四号系列运载火箭采用了平衡矩阵式组织架构，院层面成立了型号两总领导下的型号项目管理办公室，对型号研制实施全周期、全过程、全要素管理；各承制单位负责型号队伍、质量体系建设，根据型号下达的研制流程、计划安排、顶层大纲等开展单机、系统级产品研制及总装、总测、出厂及发射。2改进创新措施 为适应新时期运载火箭研制发射要求，型号在深刻理解“六个常态”内涵的基础上，落实“三个转变”，以“提高效率、提高效益、提高质量”为根本目标，从技术、质量、计划、资源、风险等层面采取了一系列改进创新举措。2.1技术改进1）提高任务适应性十三五以来，我国运载火箭发射密度不断增大与现有发射工位任务安排日趋饱和的矛盾逐渐凸显，且近年来任务需求多样化、要求高、明确晚，对型号环境、任务适应性等提出了更高的要求。基于上述形势型号组织开展了构型拓展、复合材料应用、三级发动机提高比冲、长程滑行推进剂管理、组合导航、栅格舵落区控制、末子级留轨应用、高空风减载、防小雨雪、低温发射保障、通用搭载等一系列专题技术研究，结合发射场综合保障能力的提升，经过近年来应用考核，提高了长征四号系列运载火箭的入轨精度、运载能力及一子级落区安全性（落区范围缩小了 85%）、拓展了发射场景、具备了在太原、酒泉、西昌 3 个发射场全年发射能力，并可满足发射前 4个月明确搭载的要求3-4。长征四号系列运载火箭，如图 2所示。2）推行“去任务化”“去任务化”为实现高强密度发射、均衡生产、发射任务快速调整，不断提高运载火箭配套单机、分系统通用性，按运载火箭构型或通用产品组批生图 2长征四号系列运载火箭Fig.2LM-4 launch vehicles图 1长征四号系列运载火箭任务发射情况Fig.1Situation of LM-4 launch vehicles launching61第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）产，在总装总测阶段前不关联任务属性的过程5。型号从统一技术状态及任务构型、推动产品统型、提高软件通用化、实施分系统与任务解耦以及创新“去任务化”研制模式等方面持续开展了“去任务化”工作，减少了产品状态。通 用/型 通/构 型 产 品 等 3 类 产 品 的 占 比 由83.8%提高到 97.4%，提高了产品通用化水平；实现了电气系统去任务化，提高了系统级批产、交付能力；提高了软件的通用化水平；实现了任务总体设计与产品生产的剥离，具备了总装前一个月或发射前四个月任务调整的能力；建立了“去任务化”模式下的型号组批研制模式，研制流程如图 3所示。CZ-4B Y38运载火箭飞行试验中栅格舵解锁展开，如图4所示。3）开展流程优化为提高效率、降低资源占用，型号在不降低验收充分性、测试覆盖性、工作标准的前提下，以缩短工作流程、优化岗位人员为目标，在技术改进创新、可靠性提升基础上，针对总装、总测、进场准备及发射场工作开展了多轮迭代优化。通过测试项目合并、导管协调优化、进场准备并行、岗位人员动态配置及合理兼岗等措施，型号总装、总测及进场准备周期分别缩短了约 60%、30%、50%，发射场资源需求当量（人天）减少了近 50%。2.2质量控制“质量是政治、质量是生命、质量是效益”是航天型号质量管理的指导方针6。把质量方针“内化于型、固化于制、外化于形”、持续提高质量管控能力，是型号高质量保障成功的基础。2.2.1推行年度状态基线基线是技术状态管理的基础7。十三五前型号采用了“发次技术状态基线”模式，即以已飞行且状态相近的发次为设计、产品基线。在发射密度不高的条件下，该模式可针对性满足具体任务技术状态图 3“去任务化”模式下长征四号系列运载火箭研制流程Fig.3Development process of LM-4 launch vehicles under the decommissioning mode图 4CZ-4B Y38运载火箭飞行试验中栅格舵解锁展开（2019年 11月 3日）Fig.4Unlocking and unfolding of the gird rudder in the flight test of the CZ-4B Y38 launch vehicle（November 3，2019）62第 40 卷 2023 年第 s1 期史会涛，等：长征四号系列运载火箭研制改进与创新管理的需求，随着任务密度的增加及型号“去任务化”的实施，该模式的不足也愈发明显：基线多、状态多、成本高，界面模糊。为匹配“去任务化”要求、强化技术状态基线的权威性，型号推行了“基于年度的 A+B 技术状态基线”模式：A 为年度技术状态基线，为和具体任务无直接关系的产品、系统状态；B 为具体发次技术状态，主要是和任务直接相关的产品、系统状态。年度基线年初经评审发布后，即可开展以此为基线的批次任务设计、生产，缩短了研制周期、提高了工作效率。2.2.2完善型号产品保证产品保证是在产品设计、研制、测试、验收等过程中进行的一系列有机会、有组织的技术和管理活动8，是型号保质量、保成功的重要手段。十三五以来，型号在研制应用中持续贯彻产品保证理念、不断完善产品保证体系。1）主动作为、顶层策划：编制产保大纲及年度产保策划，将产品保证嵌入型号研制流程。2）组织保证、固化制度：组建型号产品保证队伍、成立产品保证专家组，建立并固化“产保巡查制”，监督各承制单位产保规范执行；优化评审程序和流程、推行“确认制”，落实确认项目“日清制”，提高基于过程正向确认把关的针对性和有效性；固化了 10条重大任务保成功经验、建立了“重大任务保成功制度”。3）强化外包、精准管控：以“管住、管到、管全、管好”为目标，推进“四全”供应商建设、梳理形成全级次风险供应商清单，针对产品重要性、可测性等要素实施差异化精准管控，确保核心关键外包产品质量。4）重视隐患、正视问题：组织编写“型号故障启示录”，深入挖掘质量隐患、系统总结问题规律，对质量隐患“小题大做”、剖析问题深层次原因，对质量问题“聚焦放大”、按照“三个面向”全面归零，落实改进措施。2.2.3推广数字化系统应用随着全球信息时代的发展，数字化转型已经上升为国家战略，传统企业也在积极寻求数字化转型的机会9。十三五以来，型号积极采用数字化工具、主动推广数字化系统，充分发挥“数字化”倍增器的效能。1）推动建立远程测发系统，打通总装厂、发射场、总体单位的数据壁垒，实现实时数据传输、判读。2）采用完善基于 LDM 的数据包质量确认管理系统：将质量确认嵌入数字化流程，实现数据自动判读、确认，从聚焦结果转变为全过程、全要素实时确认。3）支持改进运载火箭质检云平台建设，利用人工智能图像识别技术，实现操作记录的智能判读，做到拿对产品、装对产品、装准产品；结合 MES系统，实时传递生产和装配过程控制信息，做到研制过程可视化，易错项目、强制检验点等重要环节实时在线判读，以技防结合人防，减少重复性复查，提升总装质量。2.2.4开展可靠性提升工程国内外航天领域工程应用经验表明，复杂航天系统的薄弱环节、可靠性是持续暴露、提高的过程。随着型号飞行子样的增加，对其薄弱环节、固有特性的认知也在不断深入。型号坚持问题导向、目标导向、结果导向，通过老旧产品“三再”、聚焦“设计不可靠、工艺不稳定、过程不严密”，持之以恒查找薄弱环节，策划可靠性提升项目，并按项目成熟度、分 类 分 阶 段 推 动 实 施，实 施 流 程 与 阶 段 如 图 5所示。型号依照“急用先行、边研边用、统筹推进、强化基础”的原则，陆续实施了“电气系统产品可靠性增长专项”“三级动力系统可靠性专项”“拧紧力矩量化控制”“防松、防漏、防堵专题治理”“超差、代料和禁（限）用工艺专项治理”“消除 I/II类单点专项”“增压输送系统质量提升专项”等系统级薄弱环节治理及可靠性提升研究及应用。型号电气系统单点减少了近 85%、三级发动机产品及结构舱段等产品的质量一致性及稳定性明显提高、全箭可靠性由原来的 0.92 提升至 0.95，长征四号系列运载火箭电气系统单机可靠性增长试验如图 6所示。图 5长征四号系列运载火箭可靠性提升项目实施流程Fig.5Implementation process of the reliability improvement project of LM-4 launch vehicles63第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）2.3计划安排型号计划以年度发射安排、研制流程为基础，结合资源保障需求、产品保证及“去任务化”要求等按阶段策划。型号年初以是否进入总装为界编制年度总体计划。总装阶段前，明确单机、分系统节点，不明确发次、无任务属性；进入总装阶段后，根据发射顺序明确具体发次任务总装、总测及出厂安排；计划中嵌入里程碑节点、产品保证要求点及风险控制点等要素，针对短线及矛盾突出的计划，专项专题推进。通过分阶段、多要素嵌入式计划管理，并结合专项专题，总装前可根据任务变化及时调整总装产品配套，提高计划安排的适应性、执行力度及质量。2.4资源保障随着型号任务密度的增大，大量的资源需求与有限的资源保障矛盾愈发突出。型号一方面通过内部挖潜及向组织、体系借力等方式减少、释放资源，同时不断创新工作方法、借助新平台、新工具、新手段等提高工作效率及资源利用效率。1）持续开展流程、岗位优化，完善岗位作业指导书及提高方案预案的可操作性，实现快速上岗、兼岗，减少、释放岗位人员及工作时间；2）借助平台产保、检验队伍开展产品验收及产品过程监督检查，释放设计师资源；3）支持领域专职测发队伍全面接手系统测试、总测及发射场测发，实现型号测发的专业化及职业化；4）借助多学科仿真协同平台、飞行程序快速生产平台、远程测发平台，实现设计迭代快速闭环、测试远程判读，提高工作效率；5）支持各承研单位专业、系统平台化建设，提高资源利用效率；6）根据领域全年任务情况，统筹安排通用设备、工具工装交叉、错峰使用，提高设备利用效率。2.5风险管控风险即不确定性对目标的影响，航天领域风险是在规定的技术、费用和进度等约束条件下，对不能实现装备研制目标的可能性及所导致的后果严重性的度量。航天领域存在难度大、费用多、周期长、风险高、后果严重等特点10。型号以系统工程理论方法为指导，运用风险管理技术、产品保证技术及型号探索形成的保成功长效机制，构建了以流程为牵引、以方法为核心、以组织为保障、以基础为支撑的风险控制体系。根据长征四号系列运载火箭研制风险特点及风险控制体系（如图 7所示），型号在技术状态、研制流程、产保策划等顶层设计文件中明确了风险管控要素，细化明确了重大工程风险管控要求，严格落实状态更改审查制、新技术应用独立评估制、总装总测定岗定责日报制，并从技术、产品、操作、管理等 4个维度汇总形成 30条分析线索，制定 35条风险管控措施，并在型号研制过程中不断完善。十三五末以来型号风险管控的实践表明，型号研制发射过程中发次平均质量问题数量下降了近 50%，无质量问题发次逐年增加。图 6长征四号系列运载火箭电气系统单机可靠性增长试验Fig.6Reliability growth test of the machine in the electrical system of LM-4 launch vehicles64第 40 卷 2023 年第 s1 期史会涛，等：长征四号系列运载火箭研制改进与创新3实践应用效果 型号通过在技术、质量、计划、资源、风险等方面开展的一系列改进创新，提高了长征四号系列运载火箭的运载能力、可靠性及质量产保水平，拓展了任务适应性，完善了多要素计划安排的合理性，提升了资源统筹及利用效率，建立了适应型号的风险管控体系，为长征四号系列运载火箭十三五以来高密度发射及后续持续高强度完成任务奠定了良好的基础。4结束语 长四型号通过持续开展研制改进与创新，达到了预期的实践成果，但仍有进步空间，如箱底整体成形、导管自动取样等新技术、新手段的应用范围仍显不足，产品生产、测试的方法工具还需不断升级。十四五期间，型号将在固化前期经验的基础上，进一步完善研制体系，在践行“高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国和国防建设”的研制目标上贡献型号的智慧和力量。参考文献1 李婷，唐晓梅，禹洪武.航天型号多项目管理中资源冲突与优化配置研究 J.中国管理信息化，2018（24）：117-118.2 朱亚蓉，桑猛，刘东平，等.新一代运载火箭产品质量保证新模式探索 J.航天工业管理，2021（3）：7-9.3 王玮，张众，陈振知，等.现役运载火箭运载能力提升措施研究 J.上海航天（中英文），2020（增刊 2）：59-64.4 李懿德，陈振知，梁艳迁，等.CZ-4C 探月任务多星发射结构总体方案J.导航与航天运载技术，2021（3）：47-50.5 刘琳，程博，岑拯.CZ-3A 系列型号去任务化模式下的计划管理研究 J.航天工业管理，2017（7）：3-6.6 沈学东，周智力，卢康.现场管理星级评价在高性能计算中心管理中的研究与实践 J.航天工业管理，2021（7）：39-42.7 吕慧敏.规范和基线是技术状态管理的基础 J.航空标准化与质量，1988（6）：27-30.8 徐菁宇，于松柏，邓雅.某装备卫星控制分系统产品保证工作实践 J.航天标准化，2021（1）：34-37.9 徐家新.人工智能及数字化在石油企业的应用 J.化学工程与装备，2020（11）：92-95.10 胡青.风险管理方法及其在国外航天领域中的应用J.中国战略新兴产业，2017（12）：16-18.图 7长征四号系列运载火箭风险控制体系Fig.7Risk management system of LM-4 launch vehicles65