編者按：凝聚“三高”全面發(fā)展的思想共識，匯聚“三高”全面發(fā)展的強大合力。今天的《“三高”全面發(fā)展進行時》專欄為大家介紹五院總體設計部以優(yōu)化冗余設計、保證冗余有效性為抓手，走不斷提升航天器可靠性設計水平之路。
黨的十八大以來，習近平總書記圍繞防范化解重大風險發(fā)表一系列重要論述，指出：“我們必須把防風險擺在突出位置，‘圖之于未萌，慮之于未有’。”“既要有防范風險的先手，也要有應對和化解風險挑戰(zhàn)的高招”。黨的十九大報告進一步明確了建設“航天強國”“質(zhì)量強國”的重大戰(zhàn)略部署，同時提出深化“質(zhì)量變革、效率變革、動力變革”，把“航天”“質(zhì)量”提升到了更加突出的地位。
著眼航天強國和國防建設新目標、新要求，中國航天科技集團有限公司在第八次工作會議上進一步明確提出“形成高質(zhì)量、高效率、高效益全面發(fā)展新局面”。集團公司黨組書記、董事長吳燕生指出：“航天作為高風險事業(yè)，始終與風險為伴，始終腳踏堅實的質(zhì)量基石前行?！蓖瑫r，針對風險的防范與化解，吳燕生特別提出對單點故障模式的識別與控制要求，強調(diào)要針對航天器單點問題，尤其是對系統(tǒng)有冗余但還存在單點的，進行全面治理，使整星、整器可靠性實現(xiàn)大提升。
作為我國空間飛行器抓總研制的龍頭單位，五院總體設計部始終堅持貫徹落實這一要求，對標航天強國和質(zhì)量強國要求，不斷發(fā)展進步，以優(yōu)化冗余設計、保證冗余有效性為抓手，切實提高航天器可靠性設計水平。
一、冗余設計是高質(zhì)量保證成功的關(guān)鍵所在
航天器產(chǎn)品既要面對高性能、高質(zhì)量、高安全、高可靠等任務要求，又要面對工程研制中小子樣、小體積、重量輕、功耗省、不易維修等約束，這決定了航天器研制具有先進性、復雜性和高風險性。特別是重大工程，舉國關(guān)注、舉世矚目，必須確保圓滿成功。在中國航天事業(yè)66年的發(fā)展歷程中，我們逐步認識到：航天器產(chǎn)品高風險的核心是較高的技術(shù)風險，而技術(shù)風險的核心是可靠性風險。作為航天器可靠性設計的重要部分，冗余設計是保證系統(tǒng)整體性能、提升任務可靠性和避免單點的重要手段。
冗余設計是確保任務關(guān)鍵功能實現(xiàn)的必要舉措。關(guān)鍵功能一旦失效將導致航天器的關(guān)鍵任務和科學目標無法實現(xiàn)，為此，一些關(guān)鍵功能（環(huán)節(jié)）或設備通常采用一種以上的手段保證在發(fā)生故障時仍能完成同一種規(guī)定功能，完成該功能的每種手段未必相同，這種設計特性就是冗余。根據(jù)工作模式，冗余可分為工作冗余和非工作冗余。工作冗余是指執(zhí)行規(guī)定功能的所有手段同時處于工作狀態(tài)的冗余，如常見的“雙點雙線”；非工作冗余是指執(zhí)行規(guī)定功能的一部分手段處于工作狀態(tài)，而其余部分在需要之前處于不工作狀態(tài)的冗余，如常見的設備冷備份。
冗余設計是提高系統(tǒng)可靠性的重要手段?？煽啃燥L險是航天產(chǎn)品技術(shù)風險的核心，當產(chǎn)品不能滿足可靠性要求，并且改進設計所需要的費用、時間比進行冗余配置更多時，采用冗余設計方法是自然選擇。一般通過定性判斷和定量分析來確定是否需要冗余并確定具體的冗余方案。開展定性判斷主要是根據(jù)總體任務要求和FMEA（故障模式和影響分析）來定性判定冗余必要性，若不能定性確定是否需要冗余，應進行定量分析，即通過可靠性建模和計算，開展定量分析，定量判斷是否需要冗余。比如簡單的并聯(lián)，比無冗余時的可靠性有很大提高。以載人飛船的一個重要產(chǎn)品測控應答機為例，單機可靠性能達到0.999，但仍不能滿足分系統(tǒng)0.99999的要求。怎么辦？設計人員經(jīng)過論證，提出采用熱備份的方法來提高產(chǎn)品的可靠性，冗余后的可靠性能到達0.999999，從而滿足設計要求。
冗余設計是消除單點故障模式的可靠方法。單點故障模式影響航天任務的成敗，必須盡量消除。當需要消除產(chǎn)品中單點故障模式，并且考慮改進設計的代價更大時，采用冗余設計方法是不二選擇。災難性、致命性的Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式直接影響安全和任務成功，要盡量消除，然而只有從設計上消除才是真的消除。這個設計就包括產(chǎn)品本身的完善設計和冗余設計，優(yōu)先順序是產(chǎn)品本身的設計改進，其次是冗余設計，冗余設計要優(yōu)先在低層級產(chǎn)品上實施。
二、冗余設計精準應用是保證高效率完成任務的有效途徑
通過長期實踐，五院總體設計部形成了冗余設計的規(guī)范和方法，通過培訓等手段使各級設計師具備了開展冗余設計分析的能力，通過精準應用冗余設計，降低因產(chǎn)品故障帶來的風險，一次把事情做好，為高效率完成任務奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
標準先行是推動冗余設計落地的先決條件。五院近年來加大航天器可靠性安全性保證技術(shù)的研究和提煉，形成了《航天器產(chǎn)品可靠性維修性測試性保障性保證要求》《航天器產(chǎn)品安全性保證要求》等標準，明確了冗余設計的要求，在此基礎(chǔ)上對冗余設計實踐、方法等進行總結(jié)和提煉，編制了《航天器產(chǎn)品冗余設計指南》《航天器故障容限設計指南》等三層次標準，并從組織層面開展“兩總”及設計師培訓，從型號層面對總體及外協(xié)的全線隊伍進行宣貫，上下貫通，形成了雙線同向的落實機制，使各級設計師具備了開展冗余設計等可靠性設計的能力。同時，不斷完善可靠性分析工具手段建成“六性一體化平臺（ARW+）”，提升工作效率，有力推進了冗余設計技術(shù)在各層次產(chǎn)品中的更好應用。各型號為確保冗余的有效性，還采取了單點專項復查、過程確認、測試驗證、出廠前質(zhì)量確認等措施，確保一次做對。
工程應用是總結(jié)提煉冗余設計手段的著力點。經(jīng)過多年的實踐，航天器工程應用了多種冗余設計手段，包括不同層次的功能冗余和直接的硬件冗余等。其中，功能冗余主要在子系統(tǒng)或系統(tǒng)級實現(xiàn)。例如，載人飛船著陸緩沖功能同時采用大底結(jié)構(gòu)變形和座椅緩沖的不同手段，嫦娥五號探測器采用表取和鉆取兩種采樣方式實現(xiàn)月表采樣任務。直接的硬件冗余是人為地增加備用件數(shù)量，一般在設備及以下產(chǎn)品層次實施。例如，火工鎖采取雙起爆器、雙爆炸螺栓、雙執(zhí)行機構(gòu)冗余設計，數(shù)據(jù)存儲冗余設計采取存儲設備的雙機冷備份方式。冗余的級別越低，故障屏蔽的效果越好，同時對故障檢測和電路設計的要求也越高、難度越大，這也表明大量的工程應用為不斷完善冗余設計積累了經(jīng)驗。
▲嫦娥五號月面鉆取采樣模擬圖
▲嫦娥五號月面表取采樣模擬圖
問題導向是提升冗余設計能力的必由之路。單點是航天器設計中無法避免的情況，冗余設計是消除單點故障模式的法寶，但是不完善的冗余設計很可能帶來新的單點故障模式或不能達到設計目的，即為“偽冗余、真單點”，這也是在開展冗余設計過程中發(fā)現(xiàn)的新問題。其主要原因包括可能導致多個冗余單元同時或先后失效的共因故障，以及冗余設計“三要素”（隔離保護單元、交叉連接切換單元、故障檢測管理單元）本身存在的單點故障模式。為此五院開展共因故障專題研究和FMEA標準修訂工作，形成了航天器產(chǎn)品共因故障檢查單和預防共因故障策略（設計）指南，完善了FMEA標準中冗余系統(tǒng)故障模式分析方法和單點故障模式識別方法。冗余備份之間過分的關(guān)聯(lián)和依賴是共因故障的根本原因，確保獨立性是解決共因故障的手段，應做到模塊之間盡可能獨立、設計異構(gòu)、物理隔離等。
三、以深耕冗余設計篤行冗余實踐推動高效益發(fā)展
“高效益”就是與以往的效益指標和方法相比，理念更科學、指標更完備、流程更優(yōu)化、措施更精準，實現(xiàn)整體效益最佳。
冗余優(yōu)化設計是提高航天器效能的主要方向。隨著設計師隊伍能力和產(chǎn)品成熟度的提升，具備了深化開展航天器冗余設計優(yōu)化的能力和條件，逐漸探索在費用、重量、體積等因素約束的限制條件下，通過配置冗余單元，使航天器系統(tǒng)效能達到最大，或者在一定效能指標要求的條件下使用的資源最少。通過建立基于ADC模型法的航天器效能評估指標體系和效能評估模型，采用以費用為獨立變量的權(quán)衡方法，將效能和費用之間的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化為效能—費用模型，建立權(quán)衡空間，進行效費比優(yōu)化，最終得出權(quán)衡優(yōu)化方案。
保證冗余有效性是提升整體效益的持續(xù)動力。冗余是針對故障而設的，一旦發(fā)生嚴重影響任務完成的故障，冗余又不起作用時，對用戶來說損失研制費用、影響相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展和國防建設，對承制單位來說可能降低信譽和用戶能力評價，影響后續(xù)任務的承接，對經(jīng)濟效益、政治效益和社會效益都有不同程度的影響。因此要不斷發(fā)揮專業(yè)技術(shù)機構(gòu)支撐作用，深耕深化航天器冗余有效性分析方法與實踐，實現(xiàn)高效益發(fā)展。
守正出新，嚴慎細實；控制風險，成功有我。五院總體設計部要以持續(xù)提升質(zhì)量能力、確保任務圓滿成功為目標，不斷完善航天器冗余設計和冗余有效性驗證工作，推動高質(zhì)量保證成功的能力不斷邁上新臺階，在“三高”全面發(fā)展中不斷贏得歷史主動，在全面建設航天強國的新征程中不斷書寫新的輝煌，以優(yōu)異成績迎接黨的二十大勝利召開。
