長征二號丙運載火箭應(yīng)急更換—子級重新組織發(fā)射的實踐與探討

陳昌旭，惠興晨，王鞠林，劉 焱，周玉寧

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2.首都航天機械有限公司，北京，100076）

0 引言

2021年9月13日，CZ-2C Y41火箭在發(fā)射中心射前15 min視頻監(jiān)視時被發(fā)現(xiàn)一子級氧安溢活門出口處有四氧化二氮氣體/液體溢出，存在發(fā)射安全性風(fēng)險，領(lǐng)導(dǎo)小組決定終止發(fā)射。

Y41火箭一子級產(chǎn)品在經(jīng)過現(xiàn)場推進(jìn)劑泄出、置換、分解、進(jìn)箱排故處理后，已不具備在現(xiàn)場恢復(fù)狀態(tài)并繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的條件。通過全面分析，決定使用在北京已完成總裝的CZ-2C Y53火箭一子級進(jìn)行故障一子級整體更換并重啟發(fā)射。型號面臨著一系列的技術(shù)分析與產(chǎn)品處理，產(chǎn)品狀態(tài)一致性、測試覆蓋性保障、關(guān)鍵環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)與評審確認(rèn)工作。一個月內(nèi)圓滿完成一子級的更換與發(fā)射，在中國航天史上為首次，是高密度發(fā)射形勢下應(yīng)急處置、快速發(fā)射工作新模式。

1 超常規(guī)工作的任務(wù)形式

針對Y41 火箭一子級氧安溢活門燃料溢出問題，任務(wù)指揮部決定暫停發(fā)射任務(wù)，進(jìn)行全面的故障定位排查。在巨大的思想壓力與工作壓力下，團(tuán)隊在5天時間內(nèi)晝夜不停，經(jīng)歷了故障應(yīng)急處置方案分析與制定、塔上搶險→推進(jìn)劑泄出→產(chǎn)品下塔→殘余推進(jìn)劑置換→進(jìn)箱產(chǎn)品處置等一系列的逆流程關(guān)鍵操作，加之2個月的時間內(nèi)已在2個基地連續(xù)執(zhí)行了3發(fā)任務(wù)，核心團(tuán)隊工作負(fù)荷已經(jīng)超限。同時，故障一子級已無法在發(fā)射場恢復(fù)使用，生產(chǎn)線上沒有狀態(tài)一致并完成總裝的整箭產(chǎn)品可直接調(diào)換承擔(dān)任務(wù)，如何在最短時間內(nèi)再次組織完成發(fā)射，是完成故障定位后面臨的直接難題。

團(tuán)隊快速返京重新組織一發(fā)火箭總裝測試，按部就班完成發(fā)射任務(wù)是最穩(wěn)妥的決策。但穩(wěn)妥的決策將使衛(wèi)星面臨加注后長時間停放的巨大風(fēng)險，也必將使年度高密度發(fā)射計劃面臨更加重大的調(diào)整。為了滿足快速重啟發(fā)射的工作要求，制定了利用已有產(chǎn)品基礎(chǔ)，僅進(jìn)行一子級更換的實施方案，克服面臨的各方面難題，以最少的資源代價、最快的響應(yīng)周期，重啟并圓滿完成了衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

2 火箭一子級可更換性

確保同型號兩發(fā)執(zhí)行不同任務(wù)的一子級產(chǎn)品的可更換性是工作開展的前提。使用已完成總裝工作的一子級進(jìn)場替換原一子級參加飛行任務(wù)，沒有可參照先例，確保已完成總裝的一子級與發(fā)射場故障一子級的可互換性是一項系統(tǒng)性命題。為此團(tuán)隊組織了全面分析復(fù)查，對需要考慮的各方面要素進(jìn)行了研究確認(rèn)，確保決策方案無遺漏、可執(zhí)行，避免出現(xiàn)重大反復(fù)。

2.1 基礎(chǔ)性研究工作

已開展的基礎(chǔ)性研究工作，為一子級更換的可行性提供了有力支撐，保證了任務(wù)不受其他邊界條件的影響。

a）同類型液體飛行器推進(jìn)劑加注長期停放的性能實踐研究，為已泄出二子級在發(fā)射場參加第二階段發(fā)射任務(wù)的可行性提供了技術(shù)支撐。

b）基礎(chǔ)級和上面級的分離彈簧均已開展壓縮后長期存放的試驗，可以保證1年內(nèi)處于壓縮狀態(tài)而不影響后續(xù)功能。

c）本次執(zhí)行任務(wù)的上面級首次使用鋰電池供電，避免因銀鋅電池?zé)o法長期貯存而需開罩下箭的問題。

2.2 技術(shù)可行性確認(rèn)

經(jīng)過機械和電氣接口一致性確認(rèn)、測試覆蓋性對比分析，一子級更換具有技術(shù)可行性。

a）經(jīng)過設(shè)計技術(shù)狀態(tài)復(fù)查確認(rèn)，兩發(fā)任務(wù)的一子級結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)、電氣系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)一致，并沒有因發(fā)射任務(wù)不同而進(jìn)行差異性設(shè)計更改。

b）由于新一子級與在場二子級未在總裝過程連接過，為確保工作一次到位，總體和控制系統(tǒng)針對接口項目，開展全面復(fù)查與數(shù)據(jù)復(fù)核，確認(rèn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品包絡(luò)數(shù)據(jù)支撐一二級現(xiàn)場連接、電氣接口的連接器規(guī)格一致、相互插接的匹配性良好。

c）兩發(fā)不同一子級的火箭常規(guī)出廠測試項目狀態(tài)基本一致，慣組冗余、箭機冗余以及飛行軟件等關(guān)鍵測試狀態(tài)相同。在新一子級進(jìn)場后，補充一子級火工品通路導(dǎo)通絕緣測試，并充分進(jìn)行分系統(tǒng)測試考核，即可覆蓋一子級出廠狀態(tài)。

實踐證明，CZ-2C型號一子級產(chǎn)品，在沒有針對任務(wù)需求或研制優(yōu)化的特殊性更改情況下，具有較好的可互換性，為此次更換一子級工作奠定了產(chǎn)品基礎(chǔ)。

3 火箭二子級再次加注質(zhì)量可靠性

對于兩級常規(guī)液體火箭，二子級是確保發(fā)射載荷準(zhǔn)確入軌的關(guān)鍵。CZ-2C火箭二子級（含儀器艙）上集中了全箭的核心電氣系統(tǒng)、二級主發(fā)動機及游機、增壓輸送管路閥門產(chǎn)品，任務(wù)使命是將衛(wèi)星和上面級組合體送入上面級交班軌道。二子級在經(jīng)歷推進(jìn)劑泄出后停放，再次加注執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量可靠性是圓滿完成發(fā)射任務(wù)的關(guān)鍵。

3.1 技術(shù)可行性確認(rèn)

2021年以來研制部門針對“重大任務(wù)保成功”的需要，開展的常規(guī)推進(jìn)劑加注后停放1個月適應(yīng)性研究，給二子級推進(jìn)劑泄出后的再次使用處理提供了有力的理論支撐。按研究形成的成果，對二子級泄出后停放的新狀態(tài)進(jìn)行了技術(shù)可行性確認(rèn)，為深入開展具體工作奠定了基礎(chǔ)。

3.2 履歷復(fù)查及數(shù)據(jù)復(fù)核

在基礎(chǔ)性研究理論的支撐下，對Y41火箭箭體結(jié)構(gòu)、增壓輸送系統(tǒng)、箱內(nèi)傳感器及其密封件和緊固件、發(fā)動機系統(tǒng)的產(chǎn)品履歷、滿足泄出后貯存、需再次加注的情況進(jìn)行了全面復(fù)查與數(shù)據(jù)復(fù)核。結(jié)果表明均滿足加注貯存3個月的要求。

同時，針對上面級產(chǎn)品前期已進(jìn)入發(fā)射程序、預(yù)計超兩個月的加注貯存期，且在一、二級泄出過程接觸推進(jìn)劑氣體的具體情況，進(jìn)行了重啟發(fā)射可行性分析，確認(rèn)滿足同年11月份發(fā)射的貯存要求，且不需進(jìn)行開罩產(chǎn)品更換，規(guī)避了星罩對接操作逆流程。

4 火箭全箭重新組裝對接、補充全箭測試

按常規(guī)模式，全箭需完成多輪不同狀態(tài)的總裝廠測試。新一子級與二子級之前未對接，與全箭系統(tǒng)相關(guān)的測試均未開展。因此，需要在發(fā)射場補充分系統(tǒng)及全箭狀態(tài)測試，確保全箭的測試覆蓋性。

4.1 靈活設(shè)計測試流程

火箭產(chǎn)品更換一子級后再次重啟發(fā)射流程，須嚴(yán)格滿足質(zhì)量要求。涉及火箭出廠測試、技術(shù)陣地狀態(tài)恢復(fù)、發(fā)射陣地測試等一系列工作［1］。考慮到任務(wù)周期、發(fā)射場設(shè)備設(shè)施條件的具體限制，制定了全新流程。

按照新一子級技術(shù)陣地恢復(fù)→導(dǎo)通絕緣測試→火箭二次轉(zhuǎn)場→發(fā)射塔機械及電氣接口對接→分系統(tǒng)測試→總檢查測試→與發(fā)射場履行箭體交接程序→啟動發(fā)射陣地流程執(zhí)行，確保了對接、測試等關(guān)鍵流程全面有效覆蓋。

4.2 測試考核重點

核心團(tuán)隊為保證測試覆蓋性，以有限條件、有限周期為約束，對測試流程設(shè)計有了全新的認(rèn)識與實踐。在發(fā)射塔架上，重點補充考核控制分系統(tǒng)、總檢查Ⅱ狀態(tài)測試項目，既滿足了全箭的測試覆蓋性要求，又為重啟發(fā)射工作縮短了周期。通過全新流程設(shè)計與控制，使更換一子級后重啟發(fā)射的關(guān)鍵過程、關(guān)鍵產(chǎn)品狀態(tài)得到充分考核。

5 全過程風(fēng)險控制把關(guān)

本次更換一子級并重啟發(fā)射任務(wù)，不僅包括全新的技術(shù)狀態(tài)確認(rèn)流程、工作實施流程，更重要的是質(zhì)量控制流程與風(fēng)險審查，必須根據(jù)新形勢、新情況，按照新要求、新程序，實施有效控制，落實到位［2］。

調(diào)用的新一子級，源于待發(fā)射計劃明確后總測出廠的Y53火箭，原任務(wù)性質(zhì)為商業(yè)發(fā)射，其生產(chǎn)過程未納入用戶監(jiān)管。因此，將新一子級執(zhí)行發(fā)射任務(wù)，必須履行用戶監(jiān)管流程，且一二級組合成的新火箭的質(zhì)量管理流程也需確認(rèn)。這需要各方快速達(dá)成共識，確保程序有效、質(zhì)量控制有效。經(jīng)各方快速協(xié)同，按三個階段完成了質(zhì)量控制流程。

第一階段，完成單機產(chǎn)品驗收，即對新一子級所有產(chǎn)品及將更換的二子級電池和整流罩橫向分離火工品進(jìn)行質(zhì)量確認(rèn)，由用戶代表審查。第二階段，結(jié)合發(fā)射場補充測試，再次執(zhí)行全箭出廠測試審查程序，即對更換一子級后的Y41火箭在總裝廠測試未覆蓋的測試項目進(jìn)行聯(lián)合檢查驗收。第三階段，前兩階段完成后，集團(tuán)公司、用戶、發(fā)射場三方聯(lián)合，重新組織完成新產(chǎn)品、新狀態(tài)下的Y41火箭的出廠評審，形成完整的質(zhì)量管理鏈條。

在各方充分理解和支持下，常規(guī)需要1個月時間完成的質(zhì)量控制組織工作，結(jié)合實際情況在不到半個月時間內(nèi)完成了全面閉環(huán)。充分體現(xiàn)了在應(yīng)急模式下各方快速協(xié)同工作扎實有效，也為類似應(yīng)急模式下快速響應(yīng)積累了可借鑒經(jīng)驗。

6 重新組織火箭發(fā)射的啟示

本次CZ-2C火箭發(fā)射場應(yīng)急處置更換一子級，重新啟動發(fā)射并獲得圓滿成功，是在高密度發(fā)射、多任務(wù)并行的常態(tài)化工作形勢下，踐行集團(tuán)公司“三高”發(fā)展要求，作出的有益探索和實踐，主要啟示如下：

a）技術(shù)閉環(huán)是前提。

基礎(chǔ)性研究應(yīng)始終重視?！凹幼⒑笸７乓粋€月”的命題是CZ-2C型號在2021年7月執(zhí)行某重大工程任務(wù)期間開展的研究，當(dāng)時并沒有應(yīng)用場景，但對本次發(fā)射任務(wù)的重啟卻起到了決定性的作用?；A(chǔ)性研究工作要始終重視并持續(xù)開展，也要注重結(jié)合任務(wù)形勢與發(fā)展需要抓出實效。

產(chǎn)品“三化”工作須持續(xù)推進(jìn)?！叭惫ぷ魇侵笜?biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、信息化，“三化”工作實施了近20年的時間，其要求的執(zhí)行與成果的應(yīng)用，為長征系列火箭持續(xù)10 多年的高密度發(fā)射任務(wù)順利執(zhí)行提供了有力保障。此次兩發(fā)不同任務(wù)屬性的一子級可應(yīng)急更換，正是由于在高密度發(fā)射形勢的實踐中，有意識、有目標(biāo)地按照“三化”要求，在設(shè)計上基本實現(xiàn)了火箭一子級模塊的狀態(tài)一致性［3］。

測試覆蓋性要強化結(jié)果導(dǎo)向。本次任務(wù)的關(guān)鍵是在發(fā)射塔架上，通過對關(guān)鍵系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行加嚴(yán)測試考核，選擇最適合的總檢查項目獲取測試數(shù)據(jù)，通過對測試數(shù)據(jù)的包絡(luò)性、全面性檢查，覆蓋了出廠總裝測試考核狀態(tài)，這是對測試覆蓋性一次全新的實踐與認(rèn)識。測試覆蓋性命題常論常新，須針對具體情況不斷地研究積累，才能持續(xù)提高測試覆蓋性的水平與效率。

b）管理閉環(huán)是保障。

流程優(yōu)化宜因地制宜。在搶險排故、一子級更換、重啟發(fā)射的整個過程中，面臨各種未預(yù)見的困難，但團(tuán)隊始終咬定目標(biāo)，嚴(yán)謹(jǐn)全面地研究、策劃工作，務(wù)實高效地創(chuàng)新流程、組織實施。首先在整個過程中保障人員安全、產(chǎn)品安全底線不放松，其次嚴(yán)格遵循質(zhì)量管理控制程序要求不降標(biāo)，最后根據(jù)實際情況，與各方充分溝通、大力協(xié)同，高效、高質(zhì)地完成了全新模式的發(fā)射工作。

產(chǎn)品管理須關(guān)注一致性。一子級產(chǎn)品得以順利更換，基礎(chǔ)是“三化”工作的有效實施。首先，在橫向上通過設(shè)計狀態(tài)控制，使型號一子級在執(zhí)行同類型宇航發(fā)射任務(wù)中產(chǎn)品狀態(tài)達(dá)到基本一致。其次，在縱向方面，生產(chǎn)過程的工藝方案、方法、檢測控制手段通過總裝精細(xì)化控制流程的實施與全面推廣，達(dá)到了基本一致。

質(zhì)量管理要不斷精細(xì)化。在整個任務(wù)執(zhí)行過程中，質(zhì)量控制貫穿每一個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了精細(xì)化管理的本質(zhì)。首先，針對一子級是否可以更換、二子級是否可以泄出后再用，進(jìn)行全面的適應(yīng)性分析，確定了可行條件下的質(zhì)量控制關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其次，針對實施過程，制定了一系列的產(chǎn)品準(zhǔn)則與方案，包括二子級箭體的質(zhì)量檢查項目及標(biāo)準(zhǔn)、新一子級再進(jìn)場的質(zhì)量復(fù)查與控制準(zhǔn)則、塔架狀態(tài)下新一二級組合開展補充出廠測試方案及細(xì)則等，對過程進(jìn)行有效控制。最后，按照與用戶、發(fā)射場協(xié)商的新模式，嚴(yán)格履行了質(zhì)量確認(rèn)與評審把關(guān)程序，確保了工作結(jié)果的有效性。

7 結(jié)束語

一個半月的時間，從故障搶險排除故障到一子級更換、重啟發(fā)射程序，整個過程未發(fā)生任何質(zhì)量問題和技術(shù)安全事故。型號隊伍面對壓力與困境，主動擔(dān)當(dāng)、穩(wěn)扎穩(wěn)打，最終圓滿完成了發(fā)射任務(wù)，也為中國航天發(fā)射應(yīng)急處置探索驗證了新模式、新流程及新的質(zhì)量管控機制。