前 言进入21世纪,航天技术得到了迅猛的发展,每年火箭的发射数 量也大幅度地增加,但航天发射仍然是一件高风险的事件。造成这 种高风险的原因,主要体现在以下几个方面。首先,航天技术的成 熟度与其他行业相比,仍处在一个相对较低的水平。地球是人类的 摇篮,但人类不可能永远生活在摇篮中,人类首先要解决在地球上 的生存问题,然后才会逐步考虑进入太空,进入太空所涉及的技术 比一般地面的工程技术面临的挑战更大,为此工程师研发了许多先 进的技术。这些技术越先进,说明其得到广泛应用的场合越少,其 技术的成熟度也相对较低,非常容易发生故障。其次,空间环境条 件复杂、恶劣,不确定因素众多,这增加了航天飞行产品设计的难 度。例如,上升段飞行中大量级的振动,白天与夜晚交替的极限高 温与低温条件、严酷的辐射环境,以及未知的空间环境等,这些对 设计人员均是挑战。再次,在地面试验中难以真实地模拟飞行中的 工况。这一方面是由于空间环境不确定因素多,另一方面,即使在 一定程度上了解这些因素,也因手段或设施的限制而难以开展验证。 例如,火箭箭体结构的模态特性,在地面试验中就无法模拟双端自 由状态下的条件。这些都影响了地面试验验证的有效性。 除了技术因素外,还有一些其他因素会对安全产生显著的影响。 航天技术目前仅掌握在少数国家和机构手中,并 没 有 像 其 他 工 业 例如汽车等技术形成广泛的应用,从事这项工作的人员相对较 少,这影响了航天技术的发展。此外,航天界似乎并没有真正地吸 取过去的经验教训,重复性的问题还是时有发生。这些通过实践获 取的知识,没有能够被系统性地进行总结。事实上,由于故障案例 往往非常具体且零散,系统总结的难度也较大,而成功的经验也由 前 言
4 于容易被忽视而导致 成功之后的失败。 本书是作者结合数十年的工程经验,期望形成较为全面而实用、 针对运载火箭控制系统的 最佳实践。运载火箭的控制系统和发动 机的故障,曾经是火箭飞行失败的主要原因。而随着控制技术的快 速发展及控制设备整体水平的提高,以及在经验教训方面有效的总 结和举一反三,控制系统的故障率呈显著下降的趋势;这不仅在国 外,在国内也成为非常明显的趋势。控制系统还逐渐被要求能够在 其他系统出现故障的情况下,尽可能适应或者弥补损失。因此,对 控制系统最佳实践的总结,有利于火箭的其他分系统借鉴参考。 世界各国的航天界均非常重视最佳实践,各国所遵循的标准, 可以理解为最佳实践的总结和提炼。中国航天界针对产品在系统级 测试至飞行中暴露出来的故障而制定的 故障归零五条标准,是对 国际航天界的重大贡献,且已形成国际标准。 故障归零五条标准 中的举一反三,就是要求全体设计和管理队伍要针对某具体问题的 原因查找是否也存在于自身负责的项目中。在美国,NASA 以及空 军均有经验教训 lessonslearned和最佳实践 bestpractice的 总结,有些总结是随着新案例的出现而持续增加的,也有一些是针 对某个具体项目而进行的专项总结;美国的航天公司也有类似的管 理方法。此外,欧洲空间局 ESA、日本宇宙航空研究开发机构 JAXA等也都有相应的质量检查活动。尽管如此,在大多数的总 结中,或者问题十分具体,使得读者难以触类旁通;或者是高度提 炼的描述,难以形成启发性的思考和共鸣。 本书共分为5章。在第1章的概述中,主要对世界范围内航天 发射失效问题的分布和发展趋势进行了统计分析,并简要介绍了国 外同行在最佳实践方面所开展的工作和部分成果。从近年来的各种 故障案例看,火箭的整体可靠性在提升,控制系统的故障比例也逐 渐下降;但低层次问题,例如极性错误等,仍时有发生。由于控制 系统的重要性,这些低层次质量问题也可能造成任务彻底失败,因 此值得关注。 第2章介绍航天系统工程技术。航天系统工程,是在航天项目 运载火箭控制系统最佳实践
5 实践中总结出来的一整套从管理到开发、生产、运营、维护等全生 命周期的各类活动的行为规范。由于各个国家在航天系统工程的开 发中几乎都处于相对独立的状态,因此各国的系统工程技术不尽相 同。本章首先简要介绍了航天系统工程的基本概念;随后将基于模 型的航天系统工程作为最具特色的系统工程活动之一进行了介绍; 接下来讨论了新形势下商业航天对系统工程技术的影响;最后对中 国在航天系统工程方面的最新实践情况进行了简要介绍,包括载人 航天运载火箭软件研发过程中的最佳实践。之所以介绍航天系统工 程技术,是因为这项技术本身就可以作为顶层设计的最佳实践。 从第3章到第 5 章,分别就控制系统的系统设计、产品实现、 验证与确认这三个方面的最佳实践进行总结。每个章节的结构布局 基本类似,首先介绍这一阶段工作的基本流程,随后总结出系统性 的基本要素,这些要素中包含作者总结出的针对这一阶段工作的最 佳实践;随后选择了一些案例进行分析,可以看作是对最佳实践中 部分内容进行的扩展和例化的详细介绍。这些案例均是作者在工作 中所遇到问题的提炼,看上去并非是复杂的技术问题,但均可小中 见大,不仅问题本身容易被人忽略,其背后蕴含的经验教训也常被 轻视,进而给项目带来不期望的烦扰。 本书期望在高度概括的设计准则和详细具体的案例分析之间做 好平衡,通过简洁而启发性的介绍,使得读者真正汲取经验教训。 由于作者水平有限,同时技术的发展可能使得问题的倾向和层次发 生不断的变化,因此对最佳实践的总结必然不是十分完善。但读者 若能从中真正避免类似问题的发生,或者若干年后重新回顾,发现 本书的内容已成为公认的常识,此类问题发生的情况已经越来越少 或几乎不再发生,这也将是本书的价值所在。 宋征宇 2018年小暑
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