1、量多惠性一国外质量管理NASA可靠性及维修性政策和要求及启示刘春雷，周海京，杨静，高树成，沈岭（中国航天标准化研究所，北京10 0 0 7 1)摘要NASA对可靠性及维修性政策和要求进行了调整，从关注过程到更加关注结果。新版NASA航天系统可靠性及维修性标准不再规定具体的可靠性及维修性工作项目，而是从故障预防、控制、维修等方面建立了完善的可靠性及维修性要求体系，要求承制方全面落实并采用结构化的方法对要求的实现情况进行综合验证。采用该种方式，既能保证订购方的要求得以贯彻落实，又能充分发挥承制方的自主性，使得可靠性及维修性工作与产品研制过程结合更紧密，从而以更加高效的方式保证装备的可靠性及维修性，
2、这方面值得国内航天行业参考和借鉴。关键词NASA；可靠性及维修性；政策；要求；启示NASA Reliability&Maintainability Policies and RequirementsLiu Chunlei,Zhou Haijing,Yang Jing,Gao Shucheng,Shen Ling(China Astronautics Stanards Institute,Beijing 100071,China)Abstract NASA has adjusted its reliability and maintainability policies and requirem
3、ents,from focusingon the process to focusing more on the results.The new version of the NASA Reliability and MaintainabilityStandard for Spaceflight and Support Systems does not specify specific reliability and maintainability tasks,but establishes a complete reliability and maintainability requirem
4、ent system from the aspects of faultprevention,control,maintenance,etc.,requiring the contractors to fully implement and comprehensively verifythe implementation of the requirements by using the structural method.In this way,it can ensure that therequirements of the ordering party can be implemented
5、,and give full play to the autonomy of thecontractors,so that the reliability and maintainability work can be more closely combined with the productdevelopment process,and the reliability and maintainability of the equipment can be guaranteed in a moreefficient way,which is worth of reference by the
6、 domestic aerospace industry.Keywords NASA;reliability&maintainability;policy;requirements;inspiration有新项目从开始直至最终验收，均须围绕如何落实引言和验证这些可靠性及维修性目标和要求来开展工2017年，美国航空航天局（NASA）对可靠性作。新项目开始实施时，订购方首先依据该标准给及维修性（R&M）政策进行了重大修订，发布了出的通用可靠性维修性要求体系，提出初始可靠性NASA-STD-8729.1AN A S A 航天系统可靠性及维及维修性要求，并研究逐级分解落实和验证的策修性标准。与上一版本
7、不同的是，新版标准不略。承制方需要根据本单位特点开展相关可靠性及再规定具体的可靠性及维修性工作项目，而是规定维修性工作，并提供相关证据证明满足了这些可靠了顶层的可靠性及维修性目标和要求体系，要求所性及维修性要求，而不是仅阐述开展了哪些具体的QUALITYANDRELIABILITY512023年第3 期总第2 2 5期国外质量管理可靠性及维修性工作项目，且需要回答的不仅是定所有空间飞行项目的管理要求，要求这些项目应量指标，还需要回答整个要求体系。符合NASA政策指令NPD1000.0N A S A 管理和新标准规划的可靠性及维修性设计过程，主要战略管理手册中的管理模式要求。该文件规定围绕目标和
8、要求开展工作，且自上而下逐级分层工了NASA所有项目的阶段划分、评审点设置、各作，首先确定顶层要求，并研究落实这些要求的顶级管理人员职责等方面内容，是开展可靠性及维层策略，然后再将这些顶层策略作为下一层次要求修性工作的基础。的基础，依此类推，逐级迭代，直至到达最低级别4）N A S A 航天系统可靠性及维修性标准的部组件层级。该种方法旨在确保从项目一开始就该文件是NASA技术标准类文件，定义了将可靠性及维修性设计进产品中，而不是在后续阶NASA顶层可靠性及维修性目标和要求体系，段再将可靠性及维修性加人到产品设计中，防止可NASA所有项目均应执行该标准，以满足全寿命周靠性及维修性工作与产品设计过
9、程脱节，形成“两期可靠性及维修性等要求。张皮”现象。该标准新修订版本对NASA的可靠性及维修性工作方式进行了重大改变，突出了全面依据合同、1NASA顶层可靠性及维修性标准体系简介更注重结果的工作方式。NASA不再要求承制方在1）N A S A 可靠性及维修性顶层标准各研制阶段开展特定的可靠性及维修性工作项目，NASA在可靠性及维修性方面，规划有政策、而是要求根据顶层的可靠性及维修性要求，制定和要求、技术标准3 个层次的文件体系，表1给出了实施定制化的、细化的可靠性及维修性要求和落实NASA在可靠性及维修性方面最重要的3 份文件。策略。所有工作的重点是要提供证据证明其满足了可靠性及维修性要求，而
10、不仅是说明开展了哪些可表1NASA可靠性及维修性顶层文件靠性及维修性工作项目。总体而言，其主要目的序号编号1NPD 8720.1C2NPR 7120.5F3NASA-STD-8729.1A2)N A S A 可靠性及维修性政策该文件是NASA政策指令性文件，要求所有项目均应建立、实施并记录可靠性及维修性要求和开展相关设计工作，并定义可靠性及维修性概念、要求、主要工作和工作计划，评估与可靠性及维修性要求的符合性等。可靠性及维修性工作包括要求论证、故障识别、设计确认、数据收集、定性定量建模和分析、试验和演示验证等。可靠性及维修性工程是一项特定的但不孤立的活动，需按系统工程要求，将可靠性及维修性工作
11、系统地融人到产品设计过程中。可靠性及维修性工作必须与风险管理、安全性、安保、质量保证、综合保障、概率风险评估、寿命周期费用和技术状态管理等相协调。3）N A S A 空间飞行工程和项目管理要求该文件是NASA要求类文件，规定了NASAQUALITY AND RELIABILITY522023年第3 期总第2 2 5期名称NASA可靠性及维修性政策 2 NASA空间飞行工程和项目管理要求3NASA航天系统可靠性及维修性标准是从“基于流程”的方法，转向如何回答用户和订购方规定的“技术目标”，这与系统工程过程更趋一致。2N A S A 航天系统可靠性及维修性标准概况1）可靠性及维修性目标和策略框架该
12、标准定义了综合性的、各层级的可靠性及维修性目标，并在各层级分别确定了落实这些目标的工作策略。首先定义了顶层目标，再制定一个或多个落实该目标的策略，然后使用这些策略来定义下一级别的目标，并通过其支持策略进一步落实这些目标，具体层次结构见图1。这里的目标和策略指可靠性及维修性要求和为满足要求而实施的设计工作或其他活动等。可靠性及维修性工作过程与系统设计保持一致，有助于确保从一开始就将可靠性及维修性要求设计进系统中。该版标准还给出了为验证各类型策略是否实现所需的可靠性及维修性证据的建议，以及为了获取这些证据所需要开展的可靠性及维修性技术工作。具体项目在实施过程中，需要根据项目特点，国外质量管理目标：
13、描述系统必备的特征要求：确定与目标相关或属性（顶层目标是最高级的各类要求别要求）背景：描述与目标相关的要素，这些要素可能是约束或其他相关活动等策略：描述实现上级目标的方式或方法子目标1：描述上级策略的中间目标子目标2：描述上级策略的中间目标子策略：描述实现上级目标的方式或方法图1可靠性及维修性目标及策略层次结构示意图对这些目标和策略进行剪裁。2）可靠性及维修性目标和策略概况该标准规定的可靠性及维修性目标和策略体系，适用于NASA所有新项目，共包含2 0 个目标（1个总目标、4个子目标、15个分目标）和49个策略（1个顶层策略、7 个子策略、41个分策略），并给出了每个策略的适用范围和验证这些策
14、略所需要的证据等，用于指导项目规划和评估可靠性及维修性活动。这种基于目标的层次分析方法反映了创新的系统思维，可用于当前先进的系统工程方法，如基于模型的系统工程（MBSE）、基于模型的任务保证（MBSA）等。3）可靠性及维修性策略证明方法该标准要求必须使用合适的证明方法对可靠性及维修性策略进行验证，说明所有策略已得到落实。该标准中的49种策略均提供了建议的证明方法，如试验、故障分析、降额设计等。同时，扩展了前一版本标准中规定的可靠性及维修性工具集，给出了6 9种可靠性及维修性要求的证明方法，包括可靠性分析、维修性分析、可靠性试验和评估、维修性测试和评估等方法。为便于这些方法使用，每种方法都附有简
15、要说明，包括目的、作用、时机等方面内容。4）可靠性及维修性要求规划与实施该标准还指出，可靠性及维修性要求应在NPR7120.5要求的安全性和任务保证（SMA）工作计划中进行规划和落实。可靠性及维修性要求和工作计划中应包括以下内容：（1）可靠性及维修性标准和准则，包括从安全性、综合保障等专业领域推演而来的要求；(2）支持可靠性及维修性活动的可靠性及维修性目标和要求；(3）影响可靠性及维修性的产品设计和工艺标准；（4）各类可靠性及维修性目标和策略的验证要求等。3NASA航天系统可靠性及维修性标准主要内容该标准规定了NASA可靠性及维修性的主要目标和策略等，具体介绍如下。1）顶层目标：系统在寿命周期
16、内按要求运行且满足任务要求开展可靠性及维修性工作的目的是确保实现顶层目标，即系统在寿命周期内按要求运行且满足任务要求。此处应强调的是，可靠性及维修性与性能验证方法不同，可靠性及维修性往往需要对概率指标进行验证，需要在系统寿命周期内持续关注。可靠性及维修性顶层目标有4个子目标，具体分解结构见图2。QUALITYAND RELIABILITY2023年第3 期总第2 2 5期53国外质量管理背景：从人员安全、设施安全、公共安全、任务目标等演化而来背景：可参考的其他项目或工程的经验要求：规划并实施可靠性及维修性设计要求和活动，以实现目标及由此产生的子目标要求：根据需要与相关方进行沟通，以准确获取需求
17、并保证效果要求：在寿命周期内，获取并应用经验教训、最佳实践等的要求及相关风险承受能力等背景：系统或功能的描述和要求，包括设计信息和接口等顶层目标：系统在寿命周期内按要求运行，满足任务要求顶层策略：防止发生故障和失效，并根据需要提供容错和恢复能力，确保系统的安全性、性能和可持续性目标等保持在合理水平背景：正常或非正常的使用方式、各种条件或环境等子目标2子目标1系统在规定时间、规定条件系统满足设计要求并按计划下，按规定要求使用时，功运行能正常图2 可靠性及维修性顶层目标分解结构子目标3系统具备抵御故障、失效和内外部异常事件等的容错能力子目标4系统满足维修性和使用可用度等要求2）子目标1的分解结构说
18、明该目标要求系统达到最初设计意图，实现所有预期功能。为落实该子目标，需要3 个子策略、4个分目标和8 个分策略，具体分解结构见图3。3）子目标2 的分解结构说明该目标要求系统在规定时间、规定条件下，按规定要求使用时功能正常。为落实该子目标，需要2个子策略、3 个分目标和9 个分策略，具体分解结构见图4。4）子目标3 的分解结构说明对于复杂系统而言，并非所有故障、失效和异常事件都可预防，这就要求系统具备一定的容错能力，在发生异常事件时仍能保证稳定可靠运行。为落实该子目标，需要1个子策略、4个分目标和6个分策略，具体分解结构见图5。5）子目标4的分解结构说明该目标要求系统的维修难度和维修时间等满足
19、要求。为落实该子目标，需要1个子策略、4个分目标和18 个分策略，具体分解结构见图6 所示。QUALITY AND RELIABILITY542023年第3 期总第2 2 5期4工作启示N A S A 航天系统可靠性及维修性标准是NASA可靠性及维修性顶层标准，19 9 8 年首次发布，历经2 0 多年发展，在2 0 17 年进行了首次修订。新版标准对原有标准的架构和内容等均进行了大幅调整，反映了NASA在可靠性及维修性政策方面的变化，即从关注过程到更关注结果，从订购方规定承制方必须做哪些可靠性及维修性工作，到订购方仅提出体系化的可靠性及维修性目标、要求和策略，具体可靠性及维修性工作由承制方自
20、主开展，给承制方更大的工作自主性和灵活性，但承制方必须提供全面、完整的能够验证满足NASA可靠性及维修性体系化要求的可靠性及维修性技术结果。这一转变具有以下优点。1）可靠性及维修性目标和要求更加系统和全面NASA以顶层标准的形式，全面规定了可靠性及维修性的目标、要求和策略体系，避免了由于订购方缺乏经验，提出的可靠性及维修性目标或要求不完备，或由此导致的可靠性及维修性工作出现纰核量了惠性一国外质量管理子目标1：系统满足设计要求并按计划运行背景：所有其他非以可靠性及维修性为中心的验证和确认活动子策略：验证和确认系统达到了所有的标称功能子策略：试验或检验等手段足以识别并解决所有故障、问题或缺陷等子策
21、略：实现高水平的工艺可靠性分目标1.1系统各层级标称功能均经过验证和确认（包括软硬件兼容性等）分目标1.2在试验及检验过程中发现所有故障、缺陷或其他问题等分目标1.3所有可靠性及维修性相关问题都已解决或降低到可接受风险等级分目标1.4开发的系统及其部组件等不包含降低可靠性的缺陷或故障分策略：证明系统的功能符合设计要求分策略：通过试验、检验和演示等手段，确保发现所有问题分策略：识别导致异常的原因图3 子目标1的分解结构分策略：通过闭环问题解决程序，跟踪和解决所有问题分策略：选择合适的高质量组件和材料分策略：开展工艺可靠性评审，确保与工艺可靠性设计的一致性分策略：建立和验证制造工艺和处置标准分策略
22、：开展环境应力筛选、可靠性验证和验收试验子目标2：系统在规定时间、规定环境、按规定进行使用操作时，功能正常子策略：理解失效机理，消除或控制失效原因、降级和共因故障，并控制故障传播，将失效可能性降低到可接受水平背景：描述操作环境，包括静态、周期性和随机变化的载荷等子策略：定量评估可靠性措施，提出或支持系统设计或使用操作的改进分目标2.1系统及其各部组件应能在任务期间内，承受规定的和极端的载荷和应力（放射性、温度、振动、湿度、压力、机械应力等）分策略：应用设计标准，开展裕度设计，考虑可变和未知的各种应力分策略：评价和控制标称应力和相关的失效原因分策略：评价和控制潜在极限应力和相关的失效原因分策略：
23、开展鉴定试验和寿命试验，以验证设计分目标2.2系统及其部组件不会发生共因故障分策略：评估和控制几余和关联组件之间的耦合因素和共同原因图4子目标2 的分解结构分目标2.3系统及其部组件满足定量可靠性要求分策略：开展可靠性分配分策略：基于适用的性能数据、相似系统历史数据、物理模型等定量评估可靠性分策略：支持基于可靠性分析的设计权衡分策略：寿命期内持续跟踪和监测可靠性QUALITY AND RELIABILITY2023年第3 期总第2 2 5期55国外质量管理子目标3：系统具备抵御故障、失效和内外部异常事件的容错能力背景：软硬件接口和交互作用子策略：确保系统包括必要的屏蔽和减缓措施，以防止异常事件
24、影响任务目标实现分目标3.3分目标3.1分目标3.2任务和安全性关键功能应由应限制故障传播或组合多种方式实现的物理及功能路径分策略：系统应提供相分策略：从功能和物理两似或不同的功能几余方面分离允余路径分目标3.4系统能够从影响功能的异系统可降级或丧失功能，常中恢复（这些功能对顶但不会显著影响顶层目标层目标很重要）实现（通过应急操作）分策略：提供故障管理（检分策略：设置应急或测、隔离和恢复）功能其他非正常操作功能分策略：隔离和容忍故障分策略：评估和控制最坏情况影响的最短路径图5子目标3 的分解结构子目标4：系统满足维修性和使用可用度要求子策略：评估、控制和监视系统维修、恢复的便利性、更改系统的能
25、力和维修性总需求子目标4.1在可用的费用和时间约束下，维修和保养工作可完成子目标4.2系统可明确指示健康状态、退化和诊断信息等子目标4.3系统允许在任务期间进行重构和升级子目标4.4根据可用的维修数据，在运行期间确认和优化维修性分策略：产品便于在轨和地面进行维修和检查分策略：将维修复杂性降至最低，减少维修时间和培训需求分策略：设计过程中，虑工具的选择、搬运、存储、易用性、关键性及使用机器人进行维修的可能性和复杂性分策略：使用标准化方式限制设计的可选方式，鼓励使用通用产品、规程、工艺及工具等漏或重复等。同时，订购方和承制方也有了一个共同的工作标准，更容易达成共识，便于承制方在工程研制过程中更好地
26、进行理解和落实。2）可靠性及维修性工作与产品研制过程结合更紧密QUALITY AND RELIABILITY562023年第3 期总第2 2 5期分策略：设计过程中，开展以可靠性为中心的维修性设计（在轨及地面支持系统），优化维修性设计分策略：根据需要进行维修性仿真和分析，支持设计和综合保障分析分策略：开展演示试验，验证系统的“检测、诊断、隔离、恢复”能力，并确认纠正和预防性维修任务措施和分析结果图6 子目标4的分解结构前一版本标准以工作项目的形式规定了可靠性及维修性工作要求，该种方式比较适用于承制方对可靠性及维修性工作还不是很理解和熟悉的早期阶段，可指导和督促承制方更好地落实各项可靠性及维修性
27、工作。但采用该种方式的问题在于将可靠性分策略：识别并优化测试性和可诊断性，支持维修性需求分策略：将“故障检测、隔离和恢复”纳人可行的最低级别，支持维修性需求分策略：制定测试点设计分策略，将可达时间和诊断时间降至最低分策略：设计组件的自我诊断，最大限度降低维修、恢复时间和虚警率分策略：系统允许通过维修活动，适应未来的技术升级及在寿命周期内的应用变化分策略：互换性设计，系统中类似组件可进行物理和功能互换分策略：模块化设计，便于拆卸和维修更换，并允许设计灵活性分策略：建立收集和存储操作历史、健康状态、退化、诊断和维修数据的能力和规程分策略：定期分析试验和运行历史、健康状态、退化、诊断和维修数据，以确
28、定维修性和趋势分策略：定期评审和更新维修分策略和活动分策略：确保未来项目和工程的数据可用性国外质量管理及维修性工作从整个型号研制流程中独立出来，容6结束语易导致可靠性及维修性工作与型号整个研制工作脱节，形成“两张皮”现象。新版标准要求承制方能够达到可靠性及维修性相关目标和要求即可，更有利于承制方将可靠性及维修性要求系统地纳人到型号研制总要求中去，与型号研制其他工作一体化开展，提高可靠性及维修性工作的效果和效率。3）推动承制方加强可靠性及维修性要求验证新版标准中，全面规定了可靠性及维修性指标要求体系，包括定量指标和定性要求，而且对这些指标和要求进行了细化，这要求承制方针对这些指标和要求进行全面的
29、验证。目前NASA要求采用结构化的方法进行可靠性及维修性验证，验证方法包括试验、分析、演示、评估等，对所有工程研制过程中开展的可靠性及维修性相关技术结果进行综合，全面回答是如何满足量化指标和要求的。采用该种验证方法的优点在于便于订购方更好地理解承制方在可靠性及维修性方面开展的各项工作的工作结果，也便于订购方开展基于风险的工程决策。5工作建议通过以上对于NASA航天系统可靠性及维修性标准及相关标准的研究，对国内航天行业可靠性及维修性工作提出如下建议。1）系统总结航天行业可靠性及维修性工作经验近年来，我国航天行业已取得巨大发展，积累了丰富的可靠性及维修性工作经验。建议对照国外先进的可靠性及维修性标
30、准，对可靠性及维修性工作理念、目标和要求、工具和方法等方面的经验进行全面总结，研究提出航天可靠性及维修性的新技术方法。2）修订航天行业可靠性及维修性顶层标准我国航天可靠性及维修性顶层标准为航天产品可靠性保证要求和航天产品维修性保证要求，这两个标准分别在19 9 8 年和2 0 0 0 年发布，均以工作项目的方式规定了可靠性及维修性的各方面工作。建议在系统总结近年来国内航天行业可靠性及维修性经验的基础上，同时吸收国外航天行业可靠性及维修性方面的先进经验和做法，对以上两个标准进行修订，进一步促进我国航天行业可靠性及维修性专业发展，高效保证航天产品的可靠性及维修性。本文对新版NASA航天系统可靠性及
31、维修性标准进行了研究，总结了新版标准的主要特点，并对国内航天行业可靠性及维修性工作提出了工作建议。NASA新版可靠性及维修性标准，从如何预防故障、控制故障传播、降低故障影响，到故障发生后如何快速修复及考虑更新换代等维度，全面规划了航天产品顶层可靠性维修性要求体系，并以标准的形式予以固化。采用该种方式，既能保证订购方的要求在工程研制过程中得以很好地贯彻落实，又能充分发挥承制方的自主性，使得可靠性及维修性工作与产品研制过程结合更紧密，有效规避“两张皮”现象。NASA新版可靠性及维修性标准，体现了NASA可靠性及维修性工作模式的改变，即“抓两头”的工作思路，其主要目的是更好地适应商业航天的发展和不断
32、变化的采购模式，即“以最小的代价获得最有价值的产品”。当前，国内航天行业在可靠性及维修性方面积累了大量经验，而目前国内航天行业在可靠性及维修性方面的标准相对落后，为了满足航天行业“高质量”“高效率”“高效益”发展需求，有必要对当前可靠性及维修性工作体系进行系统地探索和完善，并对相关标准进行修订。参考文献1 Terrence W Wilcutt.NASA Reliability andMaintainability Standard for Spaceflight andSupport Systems:NASA-STD-8729.1As.2017:18-52.2 NASA Reliability
33、 and Maintainability Pro gramPolicy:NPD 8720.1Cs.2013:1-5.3 NASA Space Flight Program and Project Man-agement Requirements:NPR 7120.5Fs.2021:1-10.4 M S Feather.Identifying Where Mission Assur-ance Can Benefit from Model-Based SystemsEngineering:AIAA 2016-5543S.2016:13-16.5王国辉，李文钊航天可靠性工程技术体系及关键技术研究 J.宇航总体技术，2 0 2 0（4)：1-5.QUALITYAND RELIABILITY2023年第3期总第2 2 5期57
