火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)管道多余物人機(jī)環(huán)境控制方法

秦永濤，宋 陽(yáng)，蘇紅芳，李 榮

（西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所，陜西西安710100）

0 引言

液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比常規(guī)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，試驗(yàn)系統(tǒng)與試驗(yàn)產(chǎn)品配套大量的液路、氣路、測(cè)控、工藝、吹除、增壓等工藝管道和閥門。其中，工藝管道配套的數(shù)量多、接口形式多樣，安裝工序復(fù)雜。由于試車準(zhǔn)備工作過(guò)程中，部分位置空間窄小，工作人員多，造成操作困難，從而連接產(chǎn)品的管路多余物產(chǎn)生的可靠性增加。有時(shí)人為疏忽以及工藝管道交付驗(yàn)收過(guò)程中對(duì)多余物控制的不嚴(yán)，容易造成多余物隨著工藝管道一起帶入產(chǎn)品。因此，液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中試驗(yàn)系統(tǒng)及產(chǎn)品內(nèi)多余物的控制難度較大。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，多余物容易引起試車過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃燒不均勻、零部件磨損加劇、閥門無(wú)法正常打開(kāi)與關(guān)閉、參數(shù)下降等異常情況，嚴(yán)重時(shí)引起重要零部件如渦輪泵等提前失效、損壞，甚至爆炸。多余物造成火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)質(zhì)量問(wèn)題的概率大幅上升，一些重大的航天試驗(yàn)或發(fā)射失敗的原因就是由于多余物造成的。因此，液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中，需要從全過(guò)程自始至終嚴(yán)加預(yù)防和控制多余物，制定合理科學(xué)的檢查方法，避免多余物進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部。

針對(duì)多余物的控制與檢查，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者進(jìn)行了大量的工作，例如Cui Jinshi，Julius Z.knapp，熊濤，李大南等。目前，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制已從單純的以產(chǎn)品為主發(fā)展到結(jié)合具體工程實(shí)際與理論知識(shí)綜合分析，從直觀的控制到防患于未然的提前控制階段，但是，目前還沒(méi)有綜合考慮人-機(jī)環(huán)境因素，從人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程出發(fā)研究液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程多余物控制方法。

為此，通過(guò)分析產(chǎn)生多余物的主要環(huán)節(jié)，從人機(jī)環(huán)境等方面出發(fā)，探索多余物產(chǎn)生的影響因素間耦合關(guān)系，確定工藝管道多余物的產(chǎn)生根源，制定液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制方法，進(jìn)行早期有效預(yù)防，避免由于地面試驗(yàn)系統(tǒng)造成的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品損壞，為準(zhǔn)確、客觀評(píng)價(jià)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的固有質(zhì)量提供保障。

1 多余物產(chǎn)生的因素分析

1.1 試驗(yàn)過(guò)程多余物來(lái)源分析

根據(jù)QJ2850-96《航天產(chǎn)品多余物預(yù)防和控制》，多余物的定義為：產(chǎn)品中存在的由外部進(jìn)入或內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品規(guī)定狀態(tài)無(wú)關(guān)的一切物質(zhì)。對(duì)于液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程來(lái)說(shuō)，在總裝交付驗(yàn)收時(shí)帶有不符合設(shè)計(jì)圖紙、技術(shù)文件以及技術(shù)條件規(guī)定的物質(zhì)均稱為多余物。

多余物的種類是多種多樣的，常見(jiàn)的是金屬、非金屬、人及其排泄物。此外，超過(guò)規(guī)定的塵埃和介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)的生成物也是多余物。

1)金屬類多余物 這是比較常見(jiàn)的一類，主要有脫落的標(biāo)準(zhǔn)件、加工金屬屑、遺忘的裝配工具、鋼絲頭、焊渣、工藝件、鉚釘頭等。這類多余物是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程控制的重點(diǎn)。

2)非金屬多余物 這類多余物涵蓋的范圍廣，包括總裝使用的非金屬（如泡沫、襯帶、膠帶、鍍鋁膜、滌綸網(wǎng)、阻燃布等）、材料碎屑、超過(guò)規(guī)定的塵埃、膠類及膠類固化后的碎渣，這類多余物的控制難度比較大。

3)其他多余物 主要包括生物化學(xué)多余物和有害氣體多余物。

1.2 多余物產(chǎn)生的因素關(guān)系分析

試驗(yàn)過(guò)程的多余物影響因素?cái)?shù)量多，涉及范圍廣，存在相互制約、相互影響的錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，引起故障的產(chǎn)生、增長(zhǎng)、積累和傳遞，最終可能影響發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)成敗。因此，需要從錯(cuò)綜復(fù)雜的影響因素中全面定量確定多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，從問(wèn)題的薄弱環(huán)節(jié)出發(fā)，控制工藝管道的安裝過(guò)程，減低多余物產(chǎn)生的可能性。

人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程是由我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森提出的，通過(guò)運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想和方法，揭示人、機(jī)、環(huán)境之間相互關(guān)系的規(guī)律，確保系統(tǒng)最優(yōu)組合的一門綜合性學(xué)科。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程最大特點(diǎn)是把人、機(jī)、環(huán)境看作是一個(gè)系統(tǒng)的三大要素，在深入研究三者各自性能的基礎(chǔ)上，著重強(qiáng)調(diào)從全系統(tǒng)的總體性能出發(fā)研究對(duì)象特性。人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程和5M1E (Man,Machine,Material,Method,Measure,Environment)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制方法相比，人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)工程不僅分析組成要素的單獨(dú)性能，更進(jìn)一步分析研究系統(tǒng)中各要素的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并通過(guò)人、機(jī)、環(huán)境間的信息傳遞、加工和控制，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜的巨系統(tǒng)，并運(yùn)用系統(tǒng)工程方法加以分析，使系統(tǒng)具有“安全、高效、經(jīng)濟(jì)”的綜合效能。

在此以人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，從人-機(jī)-環(huán)境三個(gè)主要方面對(duì)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的多余物影響因素進(jìn)行全面定量識(shí)別與分析，其多余物影響因素主要包括：一是人 (工作人員)的影響方面，包括如使用經(jīng)驗(yàn)、檢查周期等；二是機(jī)器 (客觀運(yùn)行實(shí)體)的影響方面，包括管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等；三是環(huán)境 (主、客觀環(huán)境)的影響方面，包括介質(zhì)溫度、壓力、流量、環(huán)境溫度、振動(dòng)等。

試驗(yàn)過(guò)程的多余物影響因素Qp可以表示為：

式中：PW為試驗(yàn)過(guò)程中人 (工作人員)的主要方面；PM為試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)器 (客觀運(yùn)行企業(yè)實(shí)體)的主要方面；PE為試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的主要方面；pxk為第k個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的多余物的人-機(jī)環(huán)境影響事件；{ps1,ps2,ps3,...psm}表示有m個(gè)人員方面的影響事件，例如使用經(jīng)驗(yàn)、檢查周期等；{psm+1,psm+2,...psr}表示有r-m個(gè)機(jī)器方面的影響事件，例如管道材料、管道酸洗情況、管道探傷、管道清洗等； {psr+1,psr+2,...psh}表示有 h-r個(gè)環(huán)境方面的影響事件，介質(zhì)溫度、壓力、流量、環(huán)境溫度、振動(dòng)等；h表示試驗(yàn)過(guò)程多余物的人-機(jī)-環(huán)境影響事件總數(shù)，1≤m＜h，1≤r＜h。

根據(jù)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程，試驗(yàn)過(guò)程的多余物的影響因素來(lái)自于人機(jī)環(huán)境，并且存在錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，其試驗(yàn)過(guò)程的多余物的影響因素相互關(guān)系如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)過(guò)程多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素相互關(guān)系Fig.1 Mutual relation of man-machine-environment influence factors on foreign object debris in test process

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素相互關(guān)系，試驗(yàn)過(guò)程的多余物Ps可以表示為：

式中：Ru為人 (工作人員)的因素間相互關(guān)系；Rv為機(jī)器 (客觀運(yùn)行企業(yè)實(shí)體)的影響因素間相互關(guān)系；Rd為環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間的相互關(guān)系；Ruv為人 (工作人員)與機(jī)器 (客觀運(yùn)行企業(yè)實(shí)體)的影響因素間相互關(guān)系；Rud為人 (工作人員)與環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間相互關(guān)系；Rvd為機(jī)器 (客觀運(yùn)行企業(yè)實(shí)體)與環(huán)境 (主客觀環(huán)境系統(tǒng))的影響因素間相互關(guān)系；Pxi為第i個(gè)試驗(yàn)過(guò)程的多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素。

1.3 多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵因素確定

對(duì)于液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素間相互關(guān)系，根據(jù)集對(duì)分析，利用因素同一度、對(duì)立度、波動(dòng)度關(guān)系，可以分析多余物的人機(jī)環(huán)境影響因素的緊密程度，確定一個(gè)因素與其他因素的耦合程度，有：

定義1：試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度ai。ai表示第i個(gè)人機(jī)環(huán)境影響因素波動(dòng)對(duì)其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物。

定義2：試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的對(duì)立度bi。bi表示第i個(gè)人機(jī)環(huán)境影響因素波動(dòng)對(duì)其他人機(jī)環(huán)境影響因素不產(chǎn)生波動(dòng)，從而避免其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物。

定義3：試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的波動(dòng)度ci。ci表示第i個(gè)人機(jī)環(huán)境影響因素對(duì)其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生波動(dòng)，可能導(dǎo)致其他人機(jī)環(huán)境影響因素產(chǎn)生工藝管道的多余物，或者不產(chǎn)生工藝管道的多余物。

在t時(shí)刻，試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度、對(duì)立度、波動(dòng)度分別為：

式中：μij(t)為在t時(shí)刻第i個(gè)人機(jī)環(huán)境影響因素對(duì)第j個(gè)人機(jī)環(huán)境影響因素的權(quán)重系數(shù)，其值根據(jù)脆性熵確定。

試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的脆性聯(lián)系函數(shù)為：

試驗(yàn)過(guò)程多余物影響因素的耦合度Hi定義為：

式中：α，β，γ 分別為 ai，bi，ci的權(quán)重系數(shù),J，I，α，β，γ其值可以根據(jù)具體實(shí)際過(guò)程情況確定。

根據(jù)確定的試驗(yàn)過(guò)程多余物的人-機(jī)環(huán)境影響因素，通過(guò)計(jì)算相互關(guān)系的同一度、對(duì)立度、波動(dòng)度，確定試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的耦合度Hi，從而根據(jù)確定試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的耦合度Hi，可以確定試驗(yàn)過(guò)程多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素。

2 試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制方法

根據(jù)人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程確定多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，采取相應(yīng)的措施，可以從根源上清除試驗(yàn)過(guò)程多余物。在長(zhǎng)期液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，為提高效率，滿足試驗(yàn)要求，結(jié)合崗位多年實(shí)際，針對(duì)多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，研究了多余物改進(jìn)與控制方法，其基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制過(guò)程如圖2所示。

圖2 基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制過(guò)程Fig.2 Control process of foreign object debris in test process according to man-machine-environment system engineering

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程中工藝管道清理維護(hù)

在與產(chǎn)品對(duì)接的工藝管道安裝前，應(yīng)選取合適型號(hào)的不銹鋼管子，對(duì)管子進(jìn)行一對(duì)一的制作，因?qū)涌谛问揭粯樱煞乐构艿澜渝e(cuò)。制作時(shí)對(duì)管道進(jìn)行標(biāo)記，焊接時(shí)應(yīng)對(duì)管道接口檢查，防止對(duì)接口有多余物。焊接完接頭酸洗、清洗、吹除、打壓、清洗、吹除，避免制作過(guò)程產(chǎn)生多余物。與發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)接前包白布，采用高壓氣體吹出，確保干凈。

2.2 多余物的排除方法

對(duì)于液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程多余物，主要應(yīng)從人機(jī)環(huán)境方面（人員、設(shè)備、環(huán)境、配套庫(kù)房、工藝、操作、檢驗(yàn)等）各方面進(jìn)行排查，從關(guān)鍵因素入手認(rèn)真剖析各環(huán)節(jié)，具體可以從以下方面展開(kāi)：

1）擦 用海綿對(duì)管子內(nèi)壁做活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)（或用白綢條清洗）。

2）吹 用經(jīng)過(guò)凈化的潔凈氮?dú)?，?duì)沉積在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的多余物進(jìn)行吹除。

3）洗 對(duì)管道進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品金屬表面及可觸及部位，用布?jí)K擦拭或沾酒精（T3）等有機(jī)溶劑清洗。

4）振動(dòng)排除 將發(fā)動(dòng)機(jī)敞口部位置于最下方，用橡皮榔頭在產(chǎn)品上適當(dāng)敲擊、振動(dòng)排除多余物。

5）吸 用磁鐵對(duì)管道鐵屑多余物進(jìn)行吸取與收集。

試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的同一度、對(duì)立度、波動(dòng)度分別為：

式中：同一度ai包括了白綢條體積、質(zhì)量、往復(fù)次數(shù)、往復(fù)力、洗的清洗劑、次數(shù)、吹除氣體壓力、流量等；對(duì)立度bj包括了振動(dòng)強(qiáng)度與頻率；波動(dòng)度cl包括了吸的磁鐵磁場(chǎng)、距離、次數(shù)等。

試驗(yàn)過(guò)程的多余物人機(jī)環(huán)境影響因素的脆性聯(lián)系函數(shù)為：

式中：I，J與權(quán)重系數(shù)分別為1，取相同重要性等級(jí)。

2.3 多余物的檢查方法

在液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，除了根據(jù)主要人機(jī)環(huán)境因素進(jìn)行有效的清除，還需要早期進(jìn)行檢查，早期消除隱患。針對(duì)液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程實(shí)際情況，結(jié)合實(shí)際工作，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)可以采取的多余物的早期檢查方法進(jìn)行了總結(jié)。

2.3.1 系統(tǒng)檢查

在新配制相關(guān)管道中進(jìn)行系統(tǒng)改造時(shí)，系統(tǒng)與外界接口不用或者人員不在現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)快速將試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)接口敞口部位蓋好，確保試驗(yàn)系統(tǒng)無(wú)多余物。產(chǎn)品安裝和關(guān)鍵崗位嚴(yán)格按照規(guī)定的品種、規(guī)格、數(shù)量領(lǐng)取物品（螺栓、密封墊、工具等），安裝完并進(jìn)行清點(diǎn)。工作現(xiàn)場(chǎng)如有丟失，少裝零件，必須立即停止工作，保持現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)報(bào)告，直到有可靠結(jié)論方可繼續(xù)工作，做好工作記錄。

2.3.2 關(guān)鍵部件檢查

對(duì)于液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程管道中的關(guān)鍵部件，應(yīng)重點(diǎn)檢查，例如密封件發(fā)生擠壓變形，對(duì)接口安裝不正確等，容易使密封件部位產(chǎn)生碎屑等多余物，應(yīng)加以控制。

2.3.3 管道清洗

目前液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接管路的管徑大小從DN2到DN300不等，為此提出不同的防治方法。例如針對(duì)小口徑管道（小于DN6），首先進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，然后采用T3清洗劑清洗去除清脂，采用1 MPa以上氮?dú)膺M(jìn)行吹除，并立即封口；針對(duì)大口徑管道（大于DN6），首先進(jìn)行酸洗去除氧化物質(zhì)，然后采用T3清洗劑清洗去除油脂，并采用鋼絲捆綁白綢布進(jìn)行管道內(nèi)壁的擦洗，保證白綢布無(wú)多余物，最后采用1 MPa以上氮?dú)膺M(jìn)行吹除并立即封口。

通過(guò)采用基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)工程的試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制，液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)近百余次，工藝試驗(yàn)管道多余物得到有效控制，滿足了試車要求，提升了試驗(yàn)水平，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)研制要求。

3 結(jié)論

通過(guò)分析產(chǎn)生多余物的主要環(huán)節(jié)，基于人機(jī)環(huán)境系統(tǒng)理論，從人機(jī)環(huán)境綜合方面出發(fā)，尋找工藝管道的多余物產(chǎn)生的根源，并根據(jù)集對(duì)理論，定義了影響因素間的同一度、對(duì)立度、波動(dòng)度，探尋了其人機(jī)環(huán)境因素間耦合關(guān)系，分析了多余物產(chǎn)生的關(guān)鍵影響因素，確定工藝管道多余物產(chǎn)生的根源；并針對(duì)多余物的人機(jī)環(huán)境關(guān)鍵因素，結(jié)合實(shí)際工作，研究液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程的多余物控制方法，為編制多余物預(yù)防和控制標(biāo)準(zhǔn)提供了一種方法指導(dǎo)與參考。

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