（工商管理专业论文）航天飞行器设计控制研究.pdf

中国科学技术大学m b a 学位论文航天飞行器设计控制研究 内容摘要p 7 黯9 文章首先在分析4 7 个航天飞行器事故的基础上指出，在造成事故的原冈中，殴计约 ，了7 0 。因此，航天飞行器设计必须进行设计控制。 文章分析了设计控制技术在航天设计中的应用，并结合g j b z 9 0 0 1 中设计控制的具 体内容，研究了设计控制技术和g j b 设计控制内容的关系并将二者结合起来进行了分析。 文章随后研究了航天质量管理成熟度的现状并在具体分析两个b 行试验案例的基础上，指 出如何有效开展设计评审、接口控制、设计验证和可靠性设计j ：作。文章最后提出了项目 经理制是搞好设计控制的一个有效措施的思想，并初步设计了项目经理制的结构和岗位职 责。 文章中，“识别设计控制是提高飞行器质最的关键”、“设计控制技术在航天设计中的 廊_ l j 分析”、“设计控制技术与g j b 设计控制内容的结合分析”和“航天项目经理制在设计 控制中应t ”是根据作者自己的一线设计工作经验，经分析研究后提出的，具有一定的创 新性。 主题词：飞行器设计设计控制质量管理 中国科学技术人学m b a 学位沦文航天飞行器设计拎制研究 a b st r a c t a f t e ra n a l y z i n g4 7m i s s i l ea c c i d e n t s ，w ed r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ed e s i g nis av e r yi m p o r t a n tf a c t o ri nt h eq u a l it ym a n a g e m e n tp r o c e s s s ow em u s tp a y m o r e a t t e n t i o nt ot h ed e s i g nc o n t r 0 1 i nt h ed i s s e r t a t i o n ，w ea n a l y z et h ea p p l y m e n to ft h ed e s i g nc o n t r o lt e c h n o l o g y ， s t u d yt h er e i a t i o nb e t w e e nt h ec o n t e n to ft h eg j b z 一9 0 0 1a n ds o m et e c h n o l o g i e su s e d o nd e s i g nc o n t r 0 1 0 nt h eb a s i so ft h es t u d yo n2r e a la c e i d e n tc a s e s ，w ea n a l y z e t h es i t u a t i o no ft h ea e i o s a p c eq u a l i t ym a n a g e m e n t ，p o i n to u th o wt od ot h ef 0 1 o w l n g w o r kw e l1 ：d e s i g na p p r a i s a l ，d e s i g nv e r i f i c a t i o na n dr e li a b i l i t yd e s i g n a tt h ee n d t h ed is s e r t a t i o n ，w ee m p h a s ist h a tp r o j e c tm a n a g e m e n ti sa ne f f e c t i v ew a yt oc a r r y o u tt h ed e s i g nc o n t r 0 1 i nt h ed is s e r t a t i o n ，t h e r ea r es o m ei n n o v a t i o n sa sf o l l o w s ：t h ea p p l y m e n to f d e s i g nc o n t r o lt e c h n o l o g yo na e r o s p a c ed e s i g np r o c e s s ，t h ec o m b i n a t i o no fd e s i g n c o n t r o lt e c h n o l o g ya n dg j bc o n t e n t ，t h ea p p l y m e n to ft h ea e r o s p a c ep r o j e c t m a n a g e m e n t o nd e s i g nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：m i s s i l ed e s i g n d e s i g nc o n t r o l q u a l i t ym a n a g e m e n t c a s es t u d y 中同科学技术大学m b a 学位论文 航天飞行器设计控制研究 f i u 吾 2 0 0 2 年中国航天“神州三号”飞船的发射成功，标志着中国航天的技术水平和管理水 平上了新的台阶。在取得辉煌的同时，我们应该清醒地牢记伴随我们成功的一次义一次失 败。从1 9 9 2 年3 月2 2e 发射澳星失利，到“神州二号。e 船的不完全成功，我们应该看 到中国航天工业质量形势依然十分严峻。虽然十儿年来，中国航天为此也作出了不懈的努 力，先后颁发了加强航天科研生产管理的若干意见、强化型号质量管理的若干要求 以及质量问题的“技术归零”、“管理归零”等一系列质量控制措施，对中国航天产品质墙 的提高起到了关键性的作用。但是，在上述一系列措施的实施过程中，我们也清醒地看到， 中国航天的质量状态仍然不容乐观。 中国航天的各级组织中，仍有相当一部分单位仅仅将质量管理作为制造部门或纯粹机 关管理f 作的一部分，而没有认识到设计对质量控制的重要性。在产品朱出现质晕问题时， 质量管理部门是一个无人问津的地方，而一旦出现质量问题，质量管理部fj 又往往是“替 罪羊”。质量管理在设计部门仅仅是应付差事、走过场，起不到应有的作州，设计控制没有 充分得到设计人员和质量管理人员的重视，所有这一切，给航天科研工作带来很人损失。 本文根据作者自己在设计一线的j ：作体验出发，经过充分调研，总结了航天质量事故 的原冈，分析强调了航天设计对质量的重要性，研究了国内外先进的设计控制技术在航大 e 行器设计中的应用情况，结合航天试验的案例对设计评审、接口控制、设计验证和可靠 性没计进行了分析研究，力争解决一些实际问题，提高设计水平。 由丁质量管理是一个内容浩瀚的专门学科，涉及的知识范围和深度远远超出了作者的 实际水平，因此本文肯定会有偏颇疏漏之处，还望能得到谅解和支持。 中国科学技术大学m b a 学位论文 航天飞行器设计控制研究 第一章航天飞行器质量事故与设计控制综述 第一节航天飞行器质量事故综述 航天e 行器是一个极其复杂的系统，它由上万个、甚至儿十万个、儿卣万个零部件 组成。民兵l 号导弹仅制导与控制系统就有2 6 0 0 0 个元件：大力神2 运载火箭有5 0 0 0 0 个 电子元件与机械零件：土星5 运载火箭竞有3 0 0 万零部件；阿波罗e 船的零部什多达7 2 0 万个。国产东方红系列通讯卫星有3 6 0 0 0 个零件，长征系列火箭的零部件也有2 0 0 万个零 什。如此庞大的系统，一个微小的设计不科学、不完善，一个微小的小元件故障，都会使 整个系统无法完成预期任务，甚至造成箭毁星亡、机毁人亡，经济损失惨重，研制计划一 再推迟。美国的挑战者号航天飞机起飞1 分多钟后爆炸，价值1 2 亿美元的b 行器顷刻破裂， 七名宁航员全部遇难，事故仅仅是由于右侧固体火箭助推器尾部连接处的密封垫圈失效造 成的。中国航天1 9 9 2 年3 月2 2 日发射澳星失败，仅仅是由丁- 一些铝屑多余物造成。网此， 航天b 行器要求设计科学、合理，要求零件工作稳定可靠。 例如，若元件的可靠性为9 9 9 9 9 9 ，那么航天飞行器的可靠性就只有3 7 。要使航犬 器安全，整体可靠性应达到o 9 9 9 9 9 9 ，元件的可靠性则应达到o 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 ，这就意味着，抽 检1 0 0 亿个零件，不可靠的不得多于一个。除了元件可靠性外，设计的地位也非常重要。在 e 行器研制过程中，对设计的要求也极高，如图l 所示，发现质量缺陷越早，付出的的代 价越小；发现质量缺陷越晚，付出的代价越大。 图1 不同阶段质量成本对比图 2 ! 璺型兰垫查荃兰坚! 垒兰垡笙兰 堕墨! 三! 堂堡! 丝! 业! 塾 第二节事故原因分类 在过去的几十年中，世界各国在发展航天技术过程中，由于各种错综复杂的原冈， 发生了数以千计的事故、数以万计的故障。从1 9 5 8 年到1 9 9 0 年的3 0 多年间美国共发射l 刊 体导弹4 6 9 发，失败的就有1 1 7 发。我国卫星的平均发射成功率仅为x x ，平均任务完成 率为x x 。 世界各国的航天飞行器是在不断出现事故中发展起来的。从失败中得到的教训，往 往比成功的经验更为宝贵。没有早年的失败，也就没有今日的成功。美国先锋号运载火箭 的多次失败为后来雷神艾布尔的研制取得了经验，使发射成功率从2 7 上升到5 7 。雷神 艾布尔的研制经验又为德尔它运载火箭的发展打卜了良好的基础，使德尔它运载火箭的发 射成功率达到9 3 6 。 各种航天事故、故障千差万别，起冈繁杂，我们有必要分析、研究这些质量事故， 研究的目的在丁确定事故的类型、性质及其产生的原因，掌握各种事故及故障的特征，以 便采取相应的措施，减少和预防事故重现，避免再次出现不应有的故障和事故。 f ) - 1 纳起来，事故原因可分为设计原因、人为原因、管理系统原因、采用“三新”带来 的问题等几种类型。 2 - 1 设计原因 设计原因一般发生在研制阶段的初期及产品开始使用阶段，或发生在系统及部件更改 后的前儿次飞行。在这之后，随着时间的推移、经验的积累以及设计的不断优化，设计故 障会越米越少，而且发生率趋于稳定。 航大色行器器是一种对设计要求相当严格的复杂结构。任何设计上的失误都会造成 事故。 1 9 8 9 年，日本对m 2 运载火箭l e 7 主发动机进行地面点火试验时，由于燃料涡轮 泵设计不合理而出现故障，使发动机未能达到规定的转速，混合比失调，促使燃气温度上 升至1 0 0 0 ，导致管道及泵体本身某些部件熔化，造成试验失败。事后分析，原冈是由于 在温度和拉力的作用下，涡轮泵叶片强度不够而出现裂纹。在转速达到4 3 0 0 0 r m i n ( 即全 功率的9 0 ) 时，5 8 块叶片多数遭到损坏。在l e 7 发动机研制的早期，曾发生过此类事 故，也做过设计上的改进，但没有引起足够的重视，使故障重现。 在航天飞行器的设计过程中，那怕是一个元件，一根导线设计不当，都会导致事故的 发生。1 9 8 6 年5 月3 日，德尔它3 9 1 9 运载火箭在发射g o e s 气象卫星时，由于线路设计 ! 塑型兰垫查查堂坚! 垒堂笪堡苎 堕丕王堑墨坠| 堡型竺塑 上的毛病，火箭飞行中产生振动使电气控制系统的导线遭到机械损坏而发生短路。 1 9 8 9 年3 月和8 月，三义戟2 导弹先后两次在潜艇发射冲出水面时，冈发动机喷管 的推力向量控制系统尾部机械组件所承受的水压超过设计值，从而导致发射失败。 我国航天设计中，某型号导弹发动机壳体烧穿造成导弹空中解体、某型号导弹助推 器未脱落造成飞行试验失败、某型号导弹电磁兼容问题造成飞行试验推迟等都是冈为设计 原冈造成。 2 - 2 人为原因 人为差错造成的故障是在制造、装配、测试过程中质量控制不严造成的故障。这类故 障是随机出现的。发生的机会较多，很难预防。 前苏联联盟2 6 号b 船与礼炮6 号空间站对接后，宇航员罗曼年科在送另一名宇航员出 舱活动时，把头伸向窗外观景，被宇宙的奇观异景吸引住了，忘了自己朱穿舱外用的航大 服，身无连接在飞船上的“脐带”，他几乎被甩到窗外的太空中。在这千钧一发之际被已出 舱的宇航员一把扯住，险些造成祸事。 人为差错造成的事故举不胜举。1 9 7 6 年美国进行导弹发射试验时，操作人员对舵机 电刷压紧螺母少拧了半圈，结果电刷压力不足，输入电流产生断续现象，造成舵机控制失 灵，导致发射失败；1 9 9 2 年3 月2 2 日我国首次发射澳星失败，是由于1 、3 助推器发动机 中途熄火。造成故障的直接原因是程序配电器第4 接点上有铝制多余物。 多余物对航天器的危害犹如“千里长堤，溃于蚁穴”。一点焊锡、一颗螺钉、一根线 头、一丝金属屑，落在关键部位，会产生不堪设想的后果。因此，在航天器的研制和生产 过程中，人们把控制多余物列为与设计、1 ：艺同等地位的问题。欧洲空间局对一枚火箭作 试车检杏，发现有偏重，而且偏重的方向是变动的。有偏重的火箭倘若发射出去，肯定会 偏离方向。经多方检查计算，怎么也找不出造成偏重的原因，只得进行分拆，这才发现箱 体内钻进了一只小老鼠。 有时，由于一时的疏忽可导致价值几百万至几千万美元的战略导弹、运载火箭和卫 星坠毁，如果在战争中出现人为差错而导致战略导弹或军事卫星坠毁，那时损失的将不仅 是导弹、运载火箭或卫星本身，而有可能导致整个全局的失败。 一般，人为差错除了“责任心”和“技术”两个因素外，还同人体的内在因素有关。 人体的内在因素包括病理、生理、心理、体力等方面。当外界环境适当时，人的内在冈素 处丁- 最佳状态，一般不会出现人为的失误。当人处于不利的环境时，人的内在因素处r 不 佳状态，这时人的头脑迟钝、精力疲劳、心神烦躁、工作丢三拉四，不能思考细微事项， 4 旦旦型兰垫查奎兰坚堡垒兰竺堕塞 堕墨! 笪璺坠生竺生! 型壅 最容易出现人为差错。 影响操作者的环境因素很多，像温度、噪音、振动、照明、光色、污染都对操作者有 一定的影响。例如，2 0 c 的温度为人的最佳工作温度，人最适宜丁_ 在此环境温度中i 作： 笨重的i 作在1 8 。c 的环境中工作最为适宜；到2 5 。c 时，人的生理因素开始恶化：3 0 。c 以上 人的心理状态开始恶化；一般，人对5 0 。c 的高温只能忍耐一小时，对7 0 。c 人只能忍耐2 0 3 0 分钟。人在噪音环境中工作时，噪音会冲击人的神经中枢系统，使人心神烦躁、心慌意 乱、疲劳、精力无法集中、反应迟钝等等。人在合适的照明度fi i 作感剑舒服，视神经处 丁最佳l 作状态，因而精力旺盛，心明眼亮；反之，光线刺眼会使人眼光模糊、头脑迟钝， 甚至晕眩，导致心神烦躁；光线不足会使视神经疲劳而导致头脑迟钝；振动环境会使人烦 躁，丁作不能得心应手，判读数据不准，当振源的频率约为5 h z 时，能使人体谐振，人受 到谐振最感难受，人为差错最易出现。 2 - 3 管理系统原因 由r 管理系统的差错，航天飞行器器带着隐患发射上天，必然导致事故发生。美国阿 波罗l3 号登月 s 船在太空发生的液氧贮箱的爆炸，就是由于一个开关不合格没被检奇出来 而发生的：挑战者号航天飞机的爆炸，其根本原因也在于管理上的混乱，特别是存在6 个 有裂缝的密封垫圈，仍照样发射上天，造成箭毁人亡的惨剧；联盟1 1 号e 船返回时，因座 舱漏气而宇航员又没穿航天服，使宇航员死亡，客观上好象是由于环境冈素或e 船结构不 牢造成的，但其实质是指挥上的错误：倘若是在通知宇航员整装返航时，在指令中加上一 条宁航员“整装返航”，这场灾难就可以避免。 2 - 4 采用“三新”带来的问题 在发展航天技术的过程中，常常采用一些新技术、新工艺和新材料，但由此也带来 一些新“问题”。新技术、新工艺和新材料自然是在有把握以后采用的，但在这“把握”的 内内外外，常常会冒出问题来。如为提高火箭的性能和减少污染而采用氢氧低温燃料发动 机，这是一项先进技术。但是，液氢液氧易燃易爆，容易泄漏，特别是液氢在- 2 5 5 的低 温带来许多复杂问题。在这种低温下，空气分子会固化为坚实的颗粒，有的材料会发生“氢 脆”等等。阿里安运载火箭早期试验中的问题，多数都出在氢氧低温发动机上。h 一2 运载 火箭的主发动机采用氢氧低温燃料，在试验中也数次因液氢泄漏而引起失败。 第三节设计的地位 如第二节所述，造成航天飞行器事故的原因是多样的，但出现的频率和影响程度是 s 主里型堂垫查叁兰坚呈垒堂垡堡茎 堕墨玉! ! 登堡堡堡型业壅 不同的。如图2 所示。统计数据表明，在航天质最问题中，属丁设计问题部分约【| 17 0 ， 剩f 的3 0 才是由于制造、人为、管理、“三新”等其它原因造成。 图2 质量问题原凼对比 由上图可以得出结论，产品的质量是设计生产出来的，但从根本上讲是设计出来的。 冈此，设计是航天器固有质量可靠性的根本所在，它对产品研制j 【：作起着至关重要的作用。 从一定意义上讲，生产只不过是百分之百地实现设计，试验是验证、暴露设计中的错误、 问题与薄弱环节等。 事实上，近年来世界发达国家已经将质量管理的重点也由制造过程转移到设计过程。 他们经过多年来的实践和统计分析取得了一致性观点产品的设计开发是产品质量的源 头。r 是，近十几年来，各国成倍地增加设计部门的人员，以保证产品设计开发阶段的质 苗。我国航天 ：业企业也对设计开发机构也做了比较合理的调整，相继在企业内部成立“研 发部”，集中优秀技术人员加强产品开发能力朋确了产品设计开发的重要性。 世界著名企业认为q m ( q u a l i t y m a n a g e m e n t ) 重点由制造向设计转移的理由是： 1 统计资料中显示设计质量引起索赔所占的比例显著： 2 外部故障成本的涵义被广泛认同。正如美国质量管理专家菲力浦克劳斯 ：l ( p h i l i p b c l o s b y ) 所说：“第一次就做好。返修的费用是很高的，带来极大损失，延误交货期。” 第四节航天设计的特点分析 产品的设计开发是一个复杂的过程，同时要满足来自用户和制造两个方面的双向要求， 如图3 所示。 近两年数据有明显提高，9 9 年6 0 2 ，2 0 0 0 年6 0 7 ，但总的平均数仍然是7 0 左右。 6 ! 里翌：兰堕查查鲎坚! 垒堂笪堡苎 堕丕! 堡堡堡生丝! ! 竺壅 图3 满足双向要求的追近过程 不同领域的产品设计开发具有不同的特点。航天e 行器作为一种特殊的产品，设计过 程有以f 特点： 4 1 复杂的系统工程 航天e 行器是一种特殊的产品，由多个复杂系统组成；需要应用多个学科领域知识 和新技术的预研成果；要承受多种严酷的工作环境：需要具有高的质量与可靠性：研制时 需要进行多种试验：制造与试验需用的费用昂贵等等。航天飞行器的设计是一个复杂的系 统i 程。 从设计所涉及的组成部分的内容上来看，航天e 行器有总体设计、分系统设计干单 机设计，有预研和试验验证设计等。 从设计发展过程来看，一般经历方案设计( 概念设计) 、初步设计和技术设计( 详细 设计) 等几个阶段。 从完成任务所经历的工程研制阶段来看，设计需要经过实践、修改、完善多次反复 才能完成。 我国航天飞行器，一般要通过模样( 原理样机) 、初样、试样生产与定型等几个阶段 来完成设计任务，其开发程序分为6 个阶段、1 4 个工作程序，如表1 所示。 4 - 2 继承性和预研- 眭 通常，航天飞行器设计可以根据设计对象的情况，根据军方或其它使用方的需求， 选择一个与之相近的产品作为“参考样机”，对照设计对象的各项要求，采用一些新的技术 或进行改进来完成设计 ：作。 例如，我国x x x 导弹以前苏联x x x 导弹为原型，我国x x x x 导弹以法国响尾蛇 导弹为原型，当然我国以上两种导弹性能已经远远超过了原型参考样机。我国军用战斗机 也一直以前苏联米格系列飞机为原型进行仿制和改进设计。以色列的f 1 6 战斗机由美国援 建并授权生产，但以色列对f 1 6 战斗机的设计进行了消化吸收，大量采用新技术，将f 1 6 战斗机进行了2 0 0 0 多处改进，飞机性能大大优于美国f 1 6 ，反过来又出口美国。 7 中困科学技术人学m b a 学位论文 航天飞行器设计挖制研究 但是，由于航天牵涉到国家的战略安全，是比较敏感的话题，多数时候选择不到适当的 产品作为“参考样机”，这时，航天飞行器可采用预研综合法进行设计。预研是航大设计的 重要组成部分，它对设计对象的功能、性能与其它各项技术要求进行分析论证，对其中的 关键技术进行预先研究，在取得成果后再进行综合设计来完成。我们的很多型号导弹都经 过了儿年甚至十几年的预研工作。 表1 航天飞行器开发程序 编号阶段程序号 程序内容 1 策划阶段 l 新产品构思，调研，收集信息和技术情报 ( 预研阶 2 投资预测，资金到位，物资和人员的准备 3 段)对采用的新技术、新材料进行预研先行试验 2 样品设计 4 产品初步设计，即方案设计及可行性报告( 评审) 阶段 5 产品技术设计 6 工作图设计，即完成全部设计图纸和技术资料的编制 3 样品试制 7 样机制造 阶段 8 样机试验，按规范全面试验，作数据分析评价 9 样机技术鉴定( 评价) ( 性能参数，设计的止确性) 4 改进设计 1 0 对样机进行改进( 二次设计和改进计划或_ 二次试验、 阶段鉴定和审批) 5 小批试制 l l 小批试生产和投产鉴定( 检查r 装、i + 艺、材料和供 阶段应的准备| r 作) 1 2 收集故障信息，反馈信息 6 批量投产 1 3 批量投产，产品定型，鉴定( 评价) ( 生产流程到位) ， 阶段分供方定点 1 4 指导技术服务，质量跟踪，用户服务，信息反馈 4 - 3 创新性 航天】：业是国防战略性部门，航天飞行器设计属于国家机密。因此，航天器设计即使 走仿制的道路，创新仍然是设计的主要内容，是在消化吸收的基础上进行创新。但如第 章2 4 所述，航天设计的特点决定了新技术不得采用过多，一般不应超过x x ，否则可能 影响b 行器的可靠性。 综上所述，航天设计的特点决定了设计过程中引入设计控制是很重要的。 8 中同科学技术大学m b a 学位论文 航天飞行器设计拧制研究 第五节航天飞行器设计控制研究综述 如表2 所示，通过对4 7 个航天b 行器事故案例的分析，我们得出结论：在航天质培问 题中，属丁设计问题部分约占7 0 ，剩f 的3 0 才是由于制造、人为、管理、“二新”等 其它原冈造成。因此，在航天设计中做好设计控制是非常重要的i 作。 表2 案例分布表 案例调研单位案例数目 航天一院 8 航天二院 5 航天三院 6 航天四院 1 航天五院 8 上海航天局 3 0 六二 0 0 六六 2 o 六七 5 o 六八 o 3 0 7 厂 1 部科技委 3 质量司 1 经研中心 3 7 1 0 所 总数 1 5 总数 4 7 通过分析航天设计自身的特点，我们知道了航天设计是一个复杂的系统工程。解决 系统【：程问题需要用系统工程的方法，但从我国航天企业的现状来看，做为解决方法的“设 计控制”这个系统工程仍然是航天质量控制的难点和重点。 冈此，通过对国内外设计控制技术的分析和研究，系统地分析航天e 行器设计控制 的现状研究分析航天飞行器设计控制活动的内容，结合具体的案例分析，找出并解决航 天e 行器设计中的一些具体问题，是提高航天设计水平的一个途径，也是本文的一个写作 9 ! 尘墅兰兰垫：! ：! 登坚坠兰垡丝奎 堕丕! 堑登坠生堡塑竺塑 初衷。如图4 所示。 i 航天飞行器设计j国内航大e 控制的重要性 行器设计的 j 应用现状分 析 漫计控制技术的 应用 航犬e 行器质量 分析问 事故原冈分析 u0 题、解决 问题 j 案例1 、案例2 研l 。， 从设计控制 究 的概念与航 】i 天设计的实 b 际结合中找 r g j b z 设计控制内出航天设计 容分析的几个具体 问题 图4 本文结构框图 第二章设计控制技术在航天设计中的应用分析 第一节质量机能展开应用分析 质龋机能展开( q f d ) 是一种把用户或市场的要求转化为设计要求整机特性、零部件 特性、i ：艺要求、制造要求的多层次演绎的分析方法，是保证新产品设计开发质量的重要 方法之。它是6 0 年代末在日本政府的支持下由赤尾洋二教授等联合开发的，推出后得到 j 1 泛应用并取得很好成效。在信息时代，全球性竞争激烈，质量机能展开方法可使企业的 产品能全面满足顾客的需要，从而赢得竞争优势。 日本的q f d 包括两个部分：一是狭义的质量机能展开，水野滋博士给它的定义是：_ 【 j 目的手段系列，将形成质量的机能乃至业务，以不同的层次展开到具体的部分。二是质量 展开，即美国所指的q f d ，赤尾洋二教授给它的定义是：将顾客的需要转换为代用特性， l o ! 竺型! ：i ! ：坠兰坚坠兰垡笙苎 堕墨! 笪堂壁! 丝型盟塑 以确定产品的设计质量，并将其系统地( 关联地) 展开到功能部件的质量、零什的质姑、 i 艺要求乃至1 j 序要求，如图5 所示。 顾 客 要 求 产品l 够设计零部件设计工兰l 设计生产系统设计 设计要求 设 计 要 求 零部件要求 零部 件要 求 丁艺要求 t 艺 要求 设计要求零部件要求t 艺要求 图5 质量机能展开示意图 生产要求 从上述定义可知：狭义的质量机能展开就是把形成质量的职能及业务，按目的手段系 列中的步骤进行详细地展开。 质量展开是将顾客的需求质量转换成质量特性，确定产品的设计质量，经过各功能部 什的质量，直到每个零件的质量和工序要素，系统地展开它们之间的关系。 q f d 其实质是从需求质量和质量特性等不同的侧面对产品进行描述，然后，用二维表 的形式展开它们及其相互关系，并且从质量保证的角度分析设计质量，同时平衡它与技术、 成本、可靠性的关系。 从q f d 的定义来看，两个部分形成完整的产晶开发、生产、控制的逻辑关系，如图6 所示。 图6 产品开发、生产、控制框图 资料柬源：刘广第，质量管理学，清华大学出版社，1 9 9 6 年。 中冈科学技术人学m b a 学位论文 航灭飞行器设计控制硼究 卜1 质量机能展开在其他国家和地区的应用 质景机能展开不仅在日本，在欧美、南美、澳犬利娅和砸洲的一些国家汞j 地区也得 剑了j 泛地应用，并收到显著效果。 卜卜1 质量机能展开在美国的应用情况 人多数美国的工商企业是通过哈佛t ：商周刊( ( ( h a r v a r db u s i n e s sr e v i e w ) 的题 为质量屋( t h eh o u s eo f q u a l i t y ) 的论文了解到质量机能展开的。 引入质量机能展开时，由丁：美国人认为全面质最管理是“舶米品”，对它有同对日本 文化那样的异样感，也认为质量机能展开是一种充满异国情调的方法，从心理上没有认同 感。在此过程中，有两件事起到了关键的作用。 ( 1 ) 通用汽车公司的哈罗德罗斯( h a r o l dr o s s ) 将质量机能展开的术语做了通俗 易懂的说明。日本丰田车厂的泽田将质量表比做“质量屋”( t h eh o u s eo fq u a l i t y ) ，罗斯 从中得剑了启发，将“质量屋”解释为“质量这个家中有着各种各样的房间”。他还和该公 司的比尔尤列f - ( b i l le u r e k a ) 一道将“要求质量项目”、“质量代用特性”等一系列对 美国人很难理解的术语解释为“w h a t ”( 顾客想要什么) 和“h o w ”( 如何满足这些要求) ， 为美国人理解并接受质量机能展开做出了贡献。尤列昔后来进入美国供庶商协会( a s i ) ， 对质量机能展开进行了简化，该简化了的质量机能展开被称为a s i 式质量机能展开。 ( 2 ) 鲍勃金( b o bj i n g ) 执笔的用一半时间做更好的设计( b e t t e r d e s i g n s i n h a l f t h et i m e ) 的出版。书中将相互连接的质量展开变成了矩阵表的矩阵。该方式的质量机能展 开被称为g o a l q p c 式。 卜卜2 质量机能展开在欧洲、南美和亚洲应用情况 除了美国之外，世界其他国家和地区也都开始注意质量机能展开，着手应用并取得 显著成果。其中包括同为发展中国家的巴西和我国台湾。 欧洲于1 9 8 1 年开始注意到设计质量管理，但直到8 0 年代末，总体上都没有对质量 机能展开引起重视。从1 9 8 5 年起，意大利的g a l g a n o la s s o c i a t i 首先开始了质量机能展开 的介绍i 作。不仪在意大利，而且利用全欧洲所有重要的研讨会的机会，宣传推，“质晕机 能展开。f 面列举意夫利一些公司的应用情况： s n i af i b r e 公司首先于1 9 8 5 年在设计过程中应用了质量机能展开。 1 9 8 8 年，r d b 建筑公司将质量机能展开用于准确把握用户对一鹰办公大楼的质量 要求上。 1 9 8 9 年，o l i v e t t i 公司在工序管理中，使用质量机能展开。 ! 里型兰丝查查兰兰旦垒兰垡堡塞 堕丕墨堑登堡生丝塑塑壅 1 9 8 9 年，m e r l o n ia r i s t o n 公司将质量机能展开用t - j “告和公关活动策划。结果h 约成本2 0 ，缩短准备时间的4 0 。 。1 9 8 9 年，菲亚特汽车公司用于“c a s c a d e ”车的开发设计。1 9 9 0 年，川丁汽乍选犁 评价，据称在节约时间上获得了“戏剧性效果”。 1 9 9 2 年，w h i r p o o l 公司将质量机能展开用r 大型会议的组织。 1 9 9 4 年，a b b 集团用质量机能展开为是否从事某项新事业的决策提供帮助。 另外，值得一提的是瑞典的企业对质摄机能展开的研究和应州。 从1 9 8 7 年起，瑞典就开始了质量机能展开的应用，以l i n - k o p i n g 人学的质颦机能展 开讲座和研讨会为中心，企业发表质最机能展开的应用成果并进行讨论。其中包括：爱立 信公司、沃尔沃( v o l v o ) 汽车公司等世界著名的大公司。e l e c t r o l u xf o o d s e r v i c e 公司在导 入质蛙机能展开后6 个月后，成本降低了一半。 巴西的质最机能展开是在日本海外发展协力团和日科技连的帮助r 导入的。其中人 藤正教授先后6 次赴巴西讲学指导，被赤尾洋二教授称为巴西质量机能展开的播种者。 巴两现有十几个质擅机能展开研究小组，每年应用成果达4 0 到5 0 个。最初的研究 小组成员，现在正指导着其他小组开展研究并向企业提供教学和咨询服务。 台湾t1 9 8 5 年首次介绍质量机能展开，是以赤尾洋二教授首次赴台湾讲授质量机能 展开和专著在台湾出版发行为契机的。1 9 8 8 年起，由于加大了推广力度，才逐渐为企业所 采f 。 台湾先后邀请赤尾洋二、福原祉、人藤正、约翰莱森等多名日美专家赴台讲学， 同时组织有关人员到海外学习，参加研讨会和成果发表会，并接受日本专家和台湾专家的 咨询和培训i 。 台湾的质量机能展开首先在制造业得到应用，然后发展到服务业。通常是先在产品 策划和开发设计过程中使用，然后与质量体系相结合，扩大到市场营销活动。通过质量机 能展开的应用，打破了传统的部门间无形的障碍，促进了信息沟通。 卜2 各国、各地区导入质量机能展开的共同特点 各国在导入质量机能展开的过程中有着以下几个共同的特征： ( 1 ) 首先邀请日本质量机能展开的教授专家讲学，了解质量机能展开的基本概念和 内容。 ( 2 ) 依靠某团体、咨询机构或成立推广研究机构。据赤尾洋二教授介绍，他y - 1 9 7 8 1 9 8 5 年期间，多次应邀去韩国讲授质量机能展开，但质量机能展开在韩国的应用一直没有 1 3 ! ! ! ! 堂堡查叁兰竺! 垒兰生堡壅 堕蒌墨堑璺堡! 丝型业壅 取得实质性的进展。直到1 9 9 5 年，成立了质量机能展开研究会后，才迅速得到普及。金星 电子集团就是一例，该集团在名为“v 2 1 ”的改进管理、提高_ l l 户满意度的活动中，成功 地应用了质量机能展开，：f f 发出一种新型的电冰箱。 ( 3 ) 般先在制造业，而且是在把握用户需求，完善设计开发【作方面首先使_ l j 。 1 _ 3 质量机能展开对当前我国航天企业的现实意义分析 卜3 1 质量机能展开在我国 我国企业质量机能展开的知识是零星的，不够系统全面，而且资料来源五花八fj ， 有的来源r 第三国。 住学习美国时，由于a s i 式质量机能展开是省略的形式，通过它可以了解质量信息 传递的原理，但不能把握质量机能展开的全部内容，其中包括很重要的技术展开、成本展 开、可靠性展开等一系列内容，因此我们的知识是不全面的。目前也尚未看到有关系统应 h j 质舒机能展开成果。 1 9 9 4 年至1 9 9 5 年，国家技术监督局两次邀请日本赤尾洋二教授，在北京和上海举行 了质鼍机能展开讲习班。1 9 9 6 年7 月，义邀请了大藤正教授来华与北京科立特管理咨询公 司共同举办讲学，全面系统地介绍了质量机能展开的应用步骤和新产晶策划的有关技法， 使我国企业第一次了解到了质量机能展开的全貌。 卜3 2 质量机能展开对当前我国航天企业的现实意义 质擐机能展开的开展对我国航天企业有现实意义： ( i ) 解决了固有技术与管理方法的接口问题 为解决质量机能展开活动中固有技术与管理方法的中介问题，应用质量机能展开从 军方对产品的要求出发，经过层层分解展开和变换，经过技术展开后，抽出关键技术和重 点1 ：序并组织攻关，或寻求其它解决途径，为固有技术与管理方法之间架设了坚实的桥梁， 从而使企业能顺利生产出产品，并使其更好地满足军方等用户最终要求。 ( 2 ) 可以提高航天企业改造老产品、开发新产品的能力 现阶段，我国航天企业的制造能力与产品开发设计能力之间存在着严重不平衡。产 品开发能力严重落后于生产能力。为了保证航天企业制造能力的延续性，我们甚至拨出资 金生产一些已没有战斗力的导弹等航天飞行器。 质量机能展开是集认识论与方法论为一体，将新产品开发、批量生产的各步骤和技 法具体化，同时兼顾产品质量、成本和可靠性的多元设计手段。无疑在它使企业找出自身 1 4 中国科学技术人学m b a 学位论文 航天飞行器设计控制圳究 的薄弱环节，重点攻关，对症卜药。同时，对有效地培养起具有相当水平的新产品开发和 老产品改造的设计生产人员，提高我国航天企业群体的整体设计水平起到关键作用。 ( 3 ) 可以强化企业的质量保证 随着i s 0 9 0 0 0 系列标准的颁布实施，建立质量体系，取得质量体系认证己成为当前 不少企业质量管理的热点。在采用这套标准的过程中，可以将1 s 0 9 0 0 4 标准与狭义的质量 机能展开对应，以系统的技术展开为中介，找出必须改善和亟待解决的各项具体问题，从 而提高航天企业标准化工作的水平，促进企业内部各机能管理的有机协调，缩短取得认让 资格的时间。 ( 4 ) 可以积累企业的无形资产 质量机能展开通过系列展开表和管理图表，将企业产晶的大量信息和情报记录卜 来，从而促进航天企业内情报的不断积累和共享，为企业进一步发展积蓄了后劲。由丁我 国l ：业化过程的时间还不长，企业再不重视无形资产的积累，与发达国家企业之间的差距 将会被进一步拉人。 卜4 结合案例1 、2 ，分析质量机能展开的应用 ( 1 ) 应用质量机能展开做好接口控制 p 3 8 页案例1 中： a 为什么弹上机对惯测组合没有提出明确的接口要求? b 为什么总体没有全盘考虑惯测组合改变设计对系统的影响? c 接口评审为什么没有发现问题? 航天飞行器设计是涉及许多技术领域和部门参与设计开发的活动。这些参与设计的部 f j 或专业人员之间信息的交流与传递、联络渠道或方式以及职责的界定是接口控制的基本 内容。 航天e 行器设计技术复杂、专业众多，在组织上和技术上的接口更是纵横交错。在整 个设计过程中，与设计有关的各种信息的传递，将直接影响设计质量和设计输出。因此， 不同部fj 之间组织和技术的接口控制，就显得十分重要。 质量机能展开同样是涉及企业设计、试制、生产、销售全过程的一种系统方法。通 过整个企业全方位系统地导入质量机能展开，可以体现质量机能展开的整体效果，可以做 好接口控制工作，避免案例1 、2 事故的发生。 ( 2 ) 质量机能展开的应用可与准备质量体系认证相结合 1 5 ! 里型兰垫查查兰坚望垒兰垡堡茎 堕盔】! 三堂堂! 丝型塑壅 针对案例1 和案例2 ，我们存在下问题： 案例1 中， a 为什么弹上机对惯测组合没有提出明确的接口要求? b 为什么总体没有全盘考虑惯测组合改变设计对系统的影响? c 接口评审为什么没有发现问题? d 为什么设计更改评审没有发现问题? e 为什么地面仿真试验发现不了问题? 为什么设计验证没有发现问题? 案例2 中， a 为什么印制版设计会出现缺陷? b 为什么不进行可靠性设计? c 为什么设计评审没有事先发现问题? d 为什么设计验证没有发现? 为什么历行试验没有发现设计缺陷? 上述问题牵涉到i s 0 9 0 0 0 系列标准中设计控制的内容，包括设计输入输出控制、设 计评审、接口控制、设计验证、设计确认等，i s o9 0 0 0 施行标准的各种模式或指南只是一 些原则性的框架，那么怎样建立起“有血有肉”、充满生机的质量体系昵? 对策之一就是应 用质量机能展开。通过有效的质量机能，可以有效开展设计控制工作，避免案例i 、2 事故 的发生。 ( 3 ) 质量机能展开有利于实现预防为主和早期的质量控制 上e 如第一章第三节所述，统计数据表明，在航天质量问题中，属于设计问题部分约 7 0 ，剩f 的3 0 才是由于制造、人为、管理、“三新”等其它原因造成。 采用q f d 方法可使产品的质量控制重点，由制造阶段转向设计阶段。q f d 能及时帮 助发现研发过程中的各种问题，清楚地意识到潜在的质量问题及影响质量的各种冈素。作 到预防为主，从而避免园设计考虑不周而引起的问题。 ( 4 ) 质量机能展开和其他各种质量控制方法的结合，提高设计水平 q f d 可以和其他各种质量控制方法，例如f m e a 、f t a 、s p c ( 统计过程控制) 和田 口方法等结合起来应用，并形成一种前馈式质量控制，如图7 所示。根据顾客的明确和 隐含的需求，通过q f d 转化为企业内部的各种技术规范。在转化过程中结合应用各种段化 和质量改进的方法，使所制定的规范更为合理，并通过s p c 来达到和保持规定的质量需求。 1 6 ! 鬯型兰丝查查兰坚呈垒兰垡堡苎 堕圣! 堑登堡! 丝型竺壅 确定技术规范 优化、改进 保持 图7 采用q f d 的前馈式质量控制 通过q f d 的前馈式质量控制，可有效提高设计水平，避免案例l 、2 事故的发生。 第二节稳健设计应用分析 2 1 稳健设计基本思想 稳健设计是一种降低生产成本、提高产品质量的统计分析设计方法。它始于第二次十廿： 界人战后的日本，由日本著名质量管理专家田口玄一创立。他于本世纪7 0 年代提出“三次 设计法”，确立了稳健设计的基本原理，奠定了稳健设计的基础。将此方法广泛地应刚于各 种问题，成为日本工业迅速发展的重要因素。目前，稳健设计方法己在日本、美国、加拿 大、美国以及中国等许多国家得到了有效的应用，在国际上被誉为“田口方法”。美国科学 促进会1 9 8 2 年学术年会特邀田口玄一到会作了“日本的质量工程”的专题报告。此后，田 口幺一被美国贝尔电话研究所、福特汽车公司、斯坦福大学等聘为名誉研究员和名誉教授。 我国数学界和质量管理等部门也很重视田口方法，原机械工业部、兵器工业部曾多次邀请 田口到上海、西安、包头、重庆、成都等地讲学和指导质量工作。因此，田i ：1 方法不仅在 我国机械行业有良好的实践基础，同时也培养了一定数量的技术干部。国内外大量的应用 实践证明，在产品开发和工艺设计等技术部门应用田口方法，必将有效地促进产品和1 艺 设计质最的提高。 与传统的质量定义不同，稳健设计其主要观点是产品的质量可用对顾客造成的损失来 衡量，所损失一般正比于产品功能特性与其目标值之间的偏差。因此，田口将产品质量定 义为：产品出厂后避免对社会造成损失的特性，可用“质量损失”来对产晶质量进行定鲑 1 7 中国科学技术大学m b a 学位论文 航天飞行器设计控制州究 描述。质量损失是指产品出厂后“给社会带来的损失”，包括：直接损失，如空气污染、噪 卢污染和化学、核泄漏等：间接损失，如顾客对产品的不满意以及由此而导致的市场损火、 销售损失和附加的保险费用等。田口用货币为单位对产品质景进行度量，偏差越人，给社 会带米损失越人，产品质量越差；反之，产品质量就越好。对待偏差问题，传统的方法是 通过产品检测剔除超差部分或严格控制材料、t = 艺以缩小偏差。这些方法很不经济，有时 技术上也难以实现。田口方法是调整设计参数，使产品的功能、性能对偏差的起因不敏感， 以提高产品自身的抗干扰能力。为了定量描述产品质量损失，田口提山了“损火函数”的 概念，如图8 所示。 损火 m emm + e a 1 损 损 b 、 m c 1 圈8 三种常用的质量损失函数 a ) 确定目标值b ) 目标值越大越好c ) 目标值越小越好 m 以图8 a 质量损失函数为例，产品不符合性能要求会造成损失。在性能要求条件范围 ( m e ，m + e 内) 也会造成损失，只有严格控制在目标值m 上的产品质量损失才会为零。 随着产品性能偏离目标值的程度加大，质量损失按抛物线增加。 损失函数使对产品质量描述得更为精确，而且它使得工程技术人员可以从技术和经济 1 8 ! 里型堂堡查叁兰坚里垒兰垡堡壅 堕丕：! ! ! 堂壁生丝型坐壅 两个方面，同时分析产品的设计和制造过程。质量不再只是质量部f 】、制造部f 的话题， 质量渗透到产品寿命周期的各个阶段和各个领域。 根据质量损失和损失函数定义，质量损失是由于产品功能特性偏离目标值引起的，偏 离越人造成的质量损失越大。减少偏差和变差是田口方法的根本宗旨。 剧9 所示为产品质量损失因素图。引起产品性能偏差的因素可分为可控因素和噪声冈 素。可控因素指易于控制的因素，如材料选用、结构形式、结构参数等。噪芦j 因素是指难 于控制。不可能控制或控制代价很高对产品质量有所干扰的因素，如环境冈素中的温度、 湿度以及情绪等人为因素。 图9