江理東 郭鵬 張延偉 孫明

（1 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071） （2 西北工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院，西安 710072）（3 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

驗證是一個提供證據(jù)的質(zhì)量保證過程，為產(chǎn)品、服務(wù)或系統(tǒng)滿足其預(yù)期目的提供了高水平保證［1-2］。這一過程通過提供客觀證據(jù)來確定產(chǎn)品針對特定應(yīng)用要求的符合程度和適用性［3］。隨著我國航天科技工業(yè)的快速發(fā)展，新型航天器和新一代運載器對配套元器件的性能、功能、可靠性和適應(yīng)性提出了更高的要求。宇航元器件研制和保證思路也由“單純達到產(chǎn)品規(guī)范、滿足合同要求”，向“盡可能加大產(chǎn)品耐應(yīng)力裕度、保留合理使用余量、提高宇航應(yīng)用適應(yīng)性、保證工程應(yīng)用中不出故障”轉(zhuǎn)變。因此，急需提高國產(chǎn)新研制元器件的技術(shù)成熟度和宇航應(yīng)用適用度，經(jīng)充分驗證獲取評價數(shù)據(jù)，得出明確評價結(jié)論并促進元器件成熟應(yīng)用。

宇航元器件應(yīng)用驗證是指對元器件在宇航工程應(yīng)用前開展的一系列試驗、分析、評估和綜合評價等工作，以確定元器件研制成熟度和在宇航工程中應(yīng)用適用度，并綜合分析評價得出其可用度?！皬南到y(tǒng)的角度看，應(yīng)用驗證項目是將委托方的驗證需求作為項目系統(tǒng)的輸入，通過一系列的驗證活動，輸出詳細(xì)的應(yīng)用驗證數(shù)據(jù)和明確的應(yīng)用驗證結(jié)論及應(yīng)用指南，提供給委托方，以滿足委托方的驗證需求”［4］。應(yīng)用驗證項目搭建了宇航元器件研制和應(yīng)用之間的橋梁，應(yīng)用驗證結(jié)論是元器件研制及應(yīng)用管理的重要技術(shù)支撐。它對促進我國宇航元器件的自主研制，提升自主創(chuàng)新和自主保障能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。

本文在梳理國內(nèi)外宇航元器件應(yīng)用驗證開展情況的基礎(chǔ)上，以分析應(yīng)用驗證的目標(biāo)和實現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)途徑為主線，總結(jié)、歸納應(yīng)用驗證工作的主要特征，論證系統(tǒng)工程理論和方法，指導(dǎo)宇航元器件應(yīng)用驗證研究的適用性，以系統(tǒng)工程思想和方法為指導(dǎo)，建立我國應(yīng)用驗證技術(shù)體系框架，并對應(yīng)用驗證的技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新進行總結(jié)。

2 國內(nèi)外研究及工程實踐現(xiàn)狀

宇航元器件應(yīng)用驗證是為適應(yīng)宇航產(chǎn)業(yè)需求和宇航元器件發(fā)展而形成的新領(lǐng)域，國際上航天技術(shù)比較發(fā)達的國家及組織都很重視這項工作，成立了專門的研究和組織機構(gòu)，開展了充分的實踐工作。

美國非常重視宇航元器件的應(yīng)用驗證相關(guān)工作，美國國家航空航天局（NASA）設(shè)置了專門的組織機構(gòu)——NASA元器件和封裝項目組（NEPP）及NASA電子、電氣和機電元器件保證組（NEPAG），負(fù)責(zé)元器件的評估和應(yīng)用研究工作，此外還有提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐的很多研究機構(gòu)和團體。NEPP主要由NASA 的各中心組成，其領(lǐng)導(dǎo)單位為NASA 元器件的主管部門——安全與任務(wù)保證辦公室。NEPAG 是由政府支持的國際性研究機構(gòu)，由NASA 安全與任務(wù)保證辦公室發(fā)起建立，以宇航新型元器件驗證和評價方法為主要研究內(nèi)容。NASA 通過研究來降低新型元器件空間應(yīng)用風(fēng)險，確定新工藝元器件通用驗證流程，以及實現(xiàn)驗證信息交換、結(jié)果分析交流及發(fā)布。NASA 開發(fā)了技術(shù)成熟度評估技術(shù)，將新產(chǎn)品技術(shù)成熟度劃分為9個度量等級，美國國防部在2003年頒布了技術(shù)成熟度評價手冊。

歐洲航天局（ESA）也非常重視宇航元器件的評估、準(zhǔn)入和應(yīng)用研究工作，設(shè)立了專門的組織機構(gòu)和研究機構(gòu)，建立并維護包括歐洲宇航元器件保證要求、鑒定合格元器件目錄和優(yōu)選元器件目錄等標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織（ECSS）和歐洲空間元器件協(xié)作組織（ESCC）規(guī)范體系。目前，元器件的空間應(yīng)用研究是在宇航元器件指導(dǎo)委員會（SCSB）的贊助，以及政策與標(biāo)準(zhǔn)工作組（PSWG）和元器件技術(shù)委員會（CTB）的支持下進行的，形成了完整的技術(shù)方法體系。該體系中包括識別元器件在空間應(yīng)用中的缺陷并提出改進建議，改進技術(shù)以適應(yīng)測試和工程評價要求，采用評估和審核方式對產(chǎn)品規(guī)范和保證要求符合性進行確認(rèn)，最終進行試驗并評估宇航應(yīng)用適應(yīng)性。

日本在航天領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）在宇航元器件應(yīng)用驗證研究發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。在日本宇航元器件保證大綱中，“驗證”主要是指在規(guī)定環(huán)境下驗證元器件功能、性能和可靠性與元器件研制及應(yīng)用要求符合性的一系列試驗。

我國宇航元器件使用單位結(jié)合實際工程應(yīng)用要求，開展了應(yīng)用驗證相關(guān)的實踐活動，近年對BB3656、64KSRAM-KW064和P1750等國產(chǎn)化產(chǎn)品進行了驗證和評估工作。這些工作屬于針對具體應(yīng)用的驗證，缺乏系統(tǒng)、科學(xué)的理論指導(dǎo)，未建立明確的流程、方法和判據(jù)，也缺乏必需的結(jié)構(gòu)分析、極限評估等基礎(chǔ)技術(shù)，導(dǎo)致系統(tǒng)性、規(guī)范性和權(quán)威性不夠，制約了驗證結(jié)果的全面推廣。在國家重大專項支持下，中國航天科技集團公司組織相關(guān)單位對我國宇航元器件應(yīng)用驗證進行了專門和系統(tǒng)的研究，設(shè)計了一套完整的應(yīng)用驗證流程和方法，提出了“成熟度-適用度-可用度”綜合評價框架，以及以其為核心的“需求調(diào)研→需求分析→指標(biāo)建立→項目確定→流程建立→流程實現(xiàn)→綜合評價→結(jié)果應(yīng)用”工程路線；對隱含和散布的元器件特性指標(biāo)進行系統(tǒng)歸納，形成可量化的驗證指標(biāo)體系，并建立主客觀相結(jié)合的評價模型和判據(jù)；提出宇航元器件極限評估相關(guān)概念，建立評估模型和評估試驗設(shè)計原則；提出建立在結(jié)構(gòu)單元分解、結(jié)構(gòu)要素識別和結(jié)構(gòu)判別三要素理論基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)分析方法；提出空間環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)適應(yīng)性評估方法；構(gòu)建應(yīng)用驗證項目集成管理框架，建立應(yīng)用驗證工程項目驅(qū)動型矩陣式組織結(jié)構(gòu)和管理體系。

3 宇航元器件應(yīng)用驗證系統(tǒng)工程

3．1 目標(biāo)及特點

我國宇航元器件應(yīng)用驗證的主要目標(biāo)包括：通過對宇航元器件的系統(tǒng)驗證分析，盡早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、制造缺陷和質(zhì)量隱患等“不好用”問題，及時反饋研制單位進行改進、完善，促進產(chǎn)品成熟；通過對元器件的科學(xué)評價，為用戶提供選用的依據(jù)，解決用戶因應(yīng)用支持?jǐn)?shù)據(jù)缺乏、應(yīng)用風(fēng)險不明而決策困難的“不敢用”問題，促進元器件在宇航工程中推廣應(yīng)用；通過與用戶的互動和發(fā)布應(yīng)用指南，有效指導(dǎo)應(yīng)用，解決用戶選擇錯誤、應(yīng)用不合理等“用不好”問題，提高應(yīng)用水平。

為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，應(yīng)用驗證需要開展元器件的研制成熟度、應(yīng)用適用度評價和可用度綜合評價。研制成熟度（以下簡稱成熟度），是指元器件在設(shè)計、工藝、材料、試驗和過程控制等研制生產(chǎn)及質(zhì)量保證能力的綜合得分，與對應(yīng)等級判據(jù)比對得出的評價結(jié)果；成熟度評價關(guān)注元器件在設(shè)計、制造及工藝、過程控制等方面的過程要素和元器件的功能性能、可靠性等產(chǎn)品指標(biāo)。應(yīng)用適用度（以下簡稱適用度），是指元器件的宇航應(yīng)用環(huán)境及系統(tǒng)的適應(yīng)能力的綜合得分，與對應(yīng)等級判據(jù)比對得出的評價結(jié)果；適用度評價關(guān)注元器件空間環(huán)境應(yīng)性、系統(tǒng)適應(yīng)性等指標(biāo)?？捎枚仁菍Τ墒於群瓦m用度進行進一步綜合分析和評估，并與對應(yīng)等級判據(jù)比對得出元器件可滿足宇航應(yīng)用要求的量化綜合評價結(jié)果?？捎枚乳g接表征了元器件在宇航應(yīng)用中的風(fēng)險程度，可用度越高，風(fēng)險越小，反之亦然。因此，成熟度、適用度和可用度綜合評價，構(gòu)成了應(yīng)用驗證工作的核心，同時也決定了應(yīng)用驗證工作具有多階段、多領(lǐng)域、多目標(biāo)、多任務(wù)和多參與方等特點。這些特點具體表現(xiàn)為：①應(yīng)用驗證需要開展元器件研制生產(chǎn)階段的過程要素評價和產(chǎn)品的元器件階段、地面整機階段及飛行階段等多個階段的驗證評估；②應(yīng)用驗證涉及元器件研發(fā)與制造、質(zhì)量保證、宇航項目系統(tǒng)與工程、質(zhì)量管理和項目管理等多個領(lǐng)域；③應(yīng)用驗證要解決“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多個問題；④應(yīng)用驗證涉及多類型、多品種元器件的評價分析，涵蓋了綜合評價技術(shù)、流程設(shè)計技術(shù)、項目管理技術(shù)、質(zhì)量管理技術(shù)、平臺構(gòu)建技術(shù)、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)、極限評估技術(shù)、空間環(huán)境適應(yīng)性評估技術(shù)、系統(tǒng)適應(yīng)性評估技術(shù)和驗證測試技術(shù)等多項研究任務(wù)；⑤應(yīng)用驗證包括宇航項目系統(tǒng)、元器件用戶單位、元器件生產(chǎn)單位、驗證實施單位和第三方鑒定機構(gòu)等多個參與方。

3．2 應(yīng)用驗證與系統(tǒng)工程

系統(tǒng)工程理論是以研究大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)為對象的一種方法論，從20世紀(jì)50年代的“阿波羅”登月計劃，到20世紀(jì)90年代我國的三峽區(qū)域經(jīng)濟研究，再到21世紀(jì)的載人航天工程，系統(tǒng)工程已經(jīng)成功應(yīng)用到社會、經(jīng)濟、軍事等各個領(lǐng)域。系統(tǒng)工程的理論和方法，在航天事業(yè)的發(fā)展中也得到了廣泛應(yīng)用［5-9］。實踐證明，系統(tǒng)工程是研究解決復(fù)雜系統(tǒng)的行之有效的技術(shù)手段［10-11］。

一般而言，宇航元器件研制和應(yīng)用系統(tǒng)規(guī)模龐大，層次結(jié)構(gòu)嵌套復(fù)雜，影響因素眾多，有很多不確定因素，具有明顯的復(fù)雜系統(tǒng)特征，這些必將導(dǎo)致應(yīng)用驗證工作的復(fù)雜性。同時，應(yīng)用驗證的目標(biāo)和特點，更是決定了其具有復(fù)雜性、層次性、整體性和環(huán)境適應(yīng)性等復(fù)雜系統(tǒng)特征。

（1）應(yīng)用驗證的復(fù)雜性體現(xiàn)在：驗證目標(biāo)需解決元器件“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多個問題；驗證過程涵蓋元器件階段驗證、地面整機階段驗證和飛行階段驗證等多個階段，各階段關(guān)注重點不同，又相互關(guān)聯(lián)；驗證技術(shù)途徑需開展元器件研制成熟度、適用度評價和可用度綜合評價，并給出分級量化評估結(jié)論；驗證的多個參與方包括宇航項目系統(tǒng)、元器件用戶單位、元器件生產(chǎn)單位、驗證實施單位和第三方鑒定機構(gòu)等；主客觀評價需要元器件研制、質(zhì)量保證、宇航項目系統(tǒng)與工程、質(zhì)量管理、項目管理等多領(lǐng)域的專家廣泛參與；應(yīng)用驗證技術(shù)涉及多學(xué)科的交叉融合、綜合歸納與集成創(chuàng)新。

（2）應(yīng)用驗證的層次性體現(xiàn)在驗證指標(biāo)分為三級。一級指標(biāo)包括研制生產(chǎn)過程要素、功能性能、可靠性和應(yīng)用適應(yīng)性；應(yīng)用適應(yīng)性包括空間環(huán)境適應(yīng)性、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性、熱學(xué)環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)適應(yīng)性等二級指標(biāo)；系統(tǒng)適應(yīng)性又包括裝聯(lián)工藝適應(yīng)能力、電磁兼容適應(yīng)能力、容差能力和插拔替換能力等三級指標(biāo)。驗證判據(jù)包括單指標(biāo)判據(jù)和綜合判據(jù)；驗證結(jié)論需先形成研制成熟度和應(yīng)用適用度結(jié)論，再綜合分析得出元器件的可用度結(jié)論。

（3）應(yīng)用驗證的整體性體現(xiàn)在技術(shù)整體性、管理整體性和資源整體性。技術(shù)整體性表現(xiàn)為：應(yīng)用驗證技術(shù)是由總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)構(gòu)成，基礎(chǔ)技術(shù)又包含結(jié)構(gòu)分析、極限評估、系統(tǒng)適應(yīng)性評估等新開發(fā)技術(shù)與已掌握的失效分析、破壞性物理分析等技術(shù)的整合。管理整體性表現(xiàn)為：中國航天科技集團公司的應(yīng)用驗證，以總指揮和總師為決策協(xié)調(diào)核心，應(yīng)用驗證中心（含分中心和認(rèn)可實驗室）為主體；各研究院主管部門、宇航項目系統(tǒng)、主要用戶單位和研制單位有效參與。資源整體性表現(xiàn)為：需充分發(fā)揮國內(nèi)元器件研制單位優(yōu)質(zhì)資源和優(yōu)勢應(yīng)用單位能力，經(jīng)認(rèn)證成為認(rèn)可實驗室，共同承擔(dān)驗證工作，同時做好資源協(xié)調(diào)。技術(shù)、管理和資源多個子系統(tǒng)協(xié)同，才能將應(yīng)用驗證工作整合為一個系統(tǒng)整體。

（4）應(yīng)用驗證的環(huán)境適應(yīng)性，體現(xiàn)在開展應(yīng)用驗證需與目前我國宇航元器件研制與應(yīng)用的具體情況相適應(yīng)。在技術(shù)上，需將新開發(fā)的結(jié)構(gòu)分析、極限評估等驗證技術(shù)與已掌握的破壞性物理分析（DPA）、失效分析等技術(shù)進行有效整合應(yīng)用；在管理上，需針對目前宇航元器件產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性評估數(shù)據(jù)較少、研制生產(chǎn)單位應(yīng)用支持能力較弱、缺少元器件宇航應(yīng)用技術(shù)成果支撐、尚未建立驗證信息交流和結(jié)論發(fā)布平臺等特點，建立并完善管理模式。

可以看出，宇航元器件應(yīng)用驗證是一個典型的系統(tǒng)工程工作，系統(tǒng)工程理論可以指導(dǎo)應(yīng)用驗證方法的構(gòu)建。具體來說，在系統(tǒng)論的基礎(chǔ)科學(xué)層面，宇航元器件應(yīng)用驗證屬于開放復(fù)雜系統(tǒng)。在應(yīng)用驗證過程中，需要應(yīng)用信息學(xué)、控制學(xué)、運籌學(xué)和模糊學(xué)等基礎(chǔ)科學(xué)。應(yīng)用驗證主要是解決元器件的整體應(yīng)用問題，最終目標(biāo)是工程應(yīng)用；而系統(tǒng)工程是從總體上改造客觀世界的工程技術(shù)實踐，是系統(tǒng)科學(xué)的工程應(yīng)用。對于宇航元器件應(yīng)用驗證，系統(tǒng)工程綜合研討的方法，能夠?qū)＜业目茖W(xué)理論、經(jīng)驗知識乃至專家智慧，轉(zhuǎn)化成對應(yīng)用驗證的全面認(rèn)知；系統(tǒng)分解-集成的思想能夠?qū)?yīng)用驗證分解為若干個子系統(tǒng)，并對分解出的子系統(tǒng)進一步分解，直至涵蓋應(yīng)用驗證的全部主要要素；運用由定性到定量的評價思想，采用相對定量方式將元器件成熟度、適應(yīng)度和可用度均劃分為5個等級。宇航元器件應(yīng)用驗證系統(tǒng)工程方法論體系框架，如圖1所示。

圖1 宇航元器件應(yīng)用驗證系統(tǒng)工程方法論體系框架Fig．1 Methodology system framework of application validation for space components

3．3 系統(tǒng)工程視角下的應(yīng)用驗證技術(shù)框架

具有復(fù)雜系統(tǒng)特性的應(yīng)用驗證工程，其技術(shù)和管理體系的建立，首先需要進行宏觀整體設(shè)計和框架構(gòu)建，然后對框架中的各個組成部分進行微觀細(xì)化和深化設(shè)計構(gòu)建。應(yīng)用驗證的宏觀方法論是指應(yīng)用驗證的總體框架和相關(guān)方法，它以應(yīng)用驗證整體為對象，解決應(yīng)用驗證如何科學(xué)和有計劃地開展，如何有序地組織和管理的問題；應(yīng)用驗證的微觀方法論是指應(yīng)用驗證總體框架各部分的展開及相關(guān)方法，主要以應(yīng)用驗證具體問題為對象。

首先，以系統(tǒng)工程理論為指導(dǎo)，進行整體布局和協(xié)同優(yōu)化。其次，將研究內(nèi)容分為應(yīng)用驗證總體技術(shù)研究和應(yīng)用驗證基礎(chǔ)技術(shù)研究兩大部分。①應(yīng)用驗證總體技術(shù)研究，解決應(yīng)用驗證的總體內(nèi)容框架和相關(guān)方法，如應(yīng)用驗證的指標(biāo)體系、工作項目和流程、方法和判據(jù)、項目管理和質(zhì)量管理，以及整個應(yīng)用驗證工作的支撐平臺等問題，其中包括應(yīng)用驗證流程研究、方法和判據(jù)研究、項目管理研究、質(zhì)量管理研究和驗證平臺研究等5個方面；②應(yīng)用驗證基礎(chǔ)技術(shù)研究，解決應(yīng)用驗證工作項目實施需要的具體技術(shù)相關(guān)方法，其中包括應(yīng)用驗證測試技術(shù)研究、結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究、極限評估技術(shù)研究、空間環(huán)境適應(yīng)性評估技術(shù)研究、力和熱環(huán)境適應(yīng)性評估技術(shù)研究、系統(tǒng)適應(yīng)性評估技術(shù)研究等6個方面。應(yīng)用驗證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)框架，如圖2所示。

目前，在宇航元器件應(yīng)用驗證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的牽引下，應(yīng)用驗證已經(jīng)取得了一系列研究成果，如圖3所示。其中包括：核心框架、工程路線和技術(shù)體系，以及標(biāo)準(zhǔn)、指南、手冊和軟硬件等方法工具，應(yīng)用驗證工作模式、組織結(jié)構(gòu)和管理制度規(guī)范等。隨著應(yīng)用驗證工程的開展，這些研究成果將有效指導(dǎo)工程實踐，并通過工程實踐進一步完善、豐富，為我國宇航元器件應(yīng)用驗證工程實施和管理積累寶貴的理論和實踐經(jīng)驗。

圖2 系統(tǒng)工程視角下的宇航元器件應(yīng)用驗證技術(shù)框架Fig．2 Technology framework of application validation for space components from perspective of system engineering

圖3 宇航元器件應(yīng)用驗證成果體系Fig．3 Achievement system of application validation for space components

3．4 應(yīng)用驗證工程實踐

為了保證國產(chǎn)1553總線控制器電路J61580能夠滿足航天器的應(yīng)用要求，中國空間技術(shù)研究院結(jié)合應(yīng)用驗證總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)研究的階段性成果，遵循“需求調(diào)研→需求分析→指標(biāo)建立→項目確定→流程建立→流程實現(xiàn)→綜合評價→結(jié)果應(yīng)用”的工程路線，開展了J61580的專項應(yīng)用驗證工作。針對該電路的產(chǎn)品和應(yīng)用特點，建立了驗證指標(biāo)體系，將元器件功能性能、可靠性和應(yīng)用適應(yīng)性分解為15個二級指標(biāo)、35個三級指標(biāo)，形成針對性驗證流程和技術(shù)方案，應(yīng)用了結(jié)構(gòu)分析、極限評估、項目管理、綜合評價等總體技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，實施了與元器件研制及航天器應(yīng)用關(guān)聯(lián)協(xié)同的應(yīng)用驗證工作模式。經(jīng)驗證，該產(chǎn)品成熟度評為4級、適用度評為3級，可用度評為4 級，可以滿足某衛(wèi)星的應(yīng)用。目前，J61580在軌工作正常，并已在多個航天器中推廣應(yīng)用。上述實踐結(jié)果，在一定程度上證實了應(yīng)用驗證研究成果的科學(xué)性、有效性，同時也推動了相關(guān)研究成果的進一步豐富和完善。

4 結(jié)束語

在系統(tǒng)工程理論和方法的指導(dǎo)下，本文通過研究建立了宇航元器件應(yīng)用驗證技術(shù)體系和管理體系框架，取得了較多創(chuàng)新性的科學(xué)和技術(shù)成果，形成了具有中國特色的宇航元器件應(yīng)用驗證系統(tǒng)工程管理的理念、體系和方法，為我國宇航元器件應(yīng)用驗證工程提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)方法工具，為加快我國宇航元器件推廣應(yīng)用提供了可行的技術(shù)路徑，為提升我國宇航元器件自主保障能力提供了有效支撐，為我國宇航元器件工程體系的完善奠定了基礎(chǔ)。通過應(yīng)用驗證工程的推廣和實施，在不斷豐富和完善技術(shù)體系和管理體系中，我國的宇航元器件應(yīng)用驗證工作能夠為我國宇航元器件和航天事業(yè)的發(fā)展提供有力保障。

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