石明 魏強 劉闖斌 凌貿(mào)易 田野 崔佳濤

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

東方紅四號增強型衛(wèi)星平臺優(yōu)化驗證經(jīng)驗與啟示

石明 魏強 劉闖斌 凌貿(mào)易 田野 崔佳濤

(中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

東方紅四號增強型衛(wèi)星平臺(DFH-4E)開發(fā)過程中，為有效地降低驗證工作費用、縮減驗證周期并保證驗證的充分性，按照系統(tǒng)工程理論，首次提出并采用了系統(tǒng)優(yōu)化驗證的方法，以一顆工程星來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)星、電性星(熱控星)等，實現(xiàn)“一星多用、綜合驗證”的目的，同時利用“工程星+熱模擬艙+分系統(tǒng)+單機”的“集中+分散”式驗證模式開展平臺驗證工作。利用該方法，有效地縮短了平臺研制周期，降低了研制經(jīng)費，完成了平臺關(guān)鍵技術(shù)驗證和平臺系統(tǒng)級驗證，達(dá)到了具備轉(zhuǎn)入正樣衛(wèi)星研制的條件。DFH-4E平臺驗證實踐表明，該優(yōu)化驗證方法是一種行之有效的提高驗證效率的方法。

衛(wèi)星平臺；東方紅四號增強型衛(wèi)星；優(yōu)化；驗證方法

1 引言

驗證工作是新型衛(wèi)星平臺開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的驗證模式占據(jù)了開發(fā)工作中大部分的經(jīng)費、人力、周期等資源。在當(dāng)前市場需求快速多變、新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)的形勢下，需要探求新型平臺(衛(wèi)星)新的驗證方法，以降低成本、縮短研制周期實現(xiàn)提升產(chǎn)品競爭力[1-2]。

東方紅四號增強型衛(wèi)星平臺(DFH-4E)是以東方紅四號衛(wèi)星平臺(DFH-4)為基礎(chǔ)研制的大容量地球同步軌道公用平臺，它與東方紅四號衛(wèi)星平臺(DFH-4)、東方紅四號靈巧型衛(wèi)星平臺(DFH-4S)形成通信衛(wèi)星東方紅四號平臺型譜，3個平臺分別覆蓋中大、中和中小載荷容量衛(wèi)星市場[3-4]。DFH-4E平臺需求緊迫并采取自主開發(fā)方式，若采用傳統(tǒng)的驗證方式，需要開展結(jié)構(gòu)(熱控)星、電性星的研制，整個驗證周期近30個月[5]，無法滿足“短周期、低成本”的任務(wù)要求。項目研制隊伍分析DFH-4E平臺的技術(shù)特點，提出采用工程優(yōu)化驗證方法，經(jīng)過DFH-4E平臺的實踐表明，該方法可以快捷、高效地完成平臺驗證。

本文總結(jié)和提煉DFH-4E平臺驗證工作特點，結(jié)合理論基礎(chǔ)，形成一種具有普遍適用性的新型衛(wèi)星平臺驗證方法，可以推廣應(yīng)用于相關(guān)的新型平臺驗證工作中。

2 平臺設(shè)計技術(shù)狀態(tài)分析

DFH-4平臺自2006年首飛以來成熟度和承載能力不斷提高，DFH-4S平臺以突破電推進(jìn)和綜合電子技術(shù)實現(xiàn)平臺承載能力進(jìn)一步提升。DFH-4E平臺主要采取結(jié)構(gòu)擴展、功率增大及多層通信艙、重疊壓緊展開天線等新設(shè)計方法提高平臺承載能力。DFH-4E平臺設(shè)計技術(shù)狀態(tài)與DFH-4、DFH-4S平臺的比較如表1所示。通過表1的技術(shù)關(guān)系比較，識別出的DFH-4E平臺系統(tǒng)級改進(jìn)技術(shù)、分系統(tǒng)級改進(jìn)技術(shù)和主要單機如表2所示。

表1 DFH-4E平臺與DFH-4、DFH4S平臺比較

表2 DFH-4E平臺改進(jìn)技術(shù)及關(guān)鍵單機

3 平臺優(yōu)化驗證思路

3.1 驗證目標(biāo)

DFH-4E平臺的驗證目標(biāo)是：結(jié)合DFH-4和DFH-4S平臺驗證結(jié)果，有重點地開展DFH-4E平臺改進(jìn)技術(shù)驗證，以達(dá)到后續(xù)應(yīng)用DFH-4E平臺整星具備直接開展正樣研制的條件。

3.2 驗證思路

基于對DFH-4E平臺的設(shè)計狀態(tài)及繼承性分析，打破傳統(tǒng)平臺(衛(wèi)星)利用結(jié)構(gòu)星、電性星等整星級資源逐項開展驗證的方式，抓住驗證要點，以一顆工程星來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)星、電性星(熱控星)等，實現(xiàn)“一星多用、綜合驗證”的目的；采用優(yōu)化驗證方法，合理開展有代表性的專項驗證項目，確保驗證覆蓋全面。

4 平臺驗證設(shè)計

DFH-4E平臺驗證工作的重點是表2中所列的各項改進(jìn)技術(shù)和相對DFH-4、DFH-4S平臺狀態(tài)變化的驗證，將待驗證項目在不同驗證層級進(jìn)行分解形成驗證矩陣，如表3所示。根據(jù)表3中所需要的驗證項目，按照優(yōu)化驗證思路，DFH-4E平臺采取“工程星+熱模擬艙+分系統(tǒng)+單機”的“集中+分散”式驗證模式。其中工程星承擔(dān)了5項系統(tǒng)級改進(jìn)技術(shù)的驗證，熱模擬艙完成通信艙三維熱控技術(shù)驗證，分系統(tǒng)、單機通過聯(lián)試和鑒定試驗，驗證分系統(tǒng)和單機性能，通過三個層級聯(lián)動驗證，全面覆蓋了平臺所需驗證的項目。同時，上述工作在技術(shù)流程上并行開展，有效地縮短驗證周期，而且不再開展整星級電氣聯(lián)試和熱試驗工作，節(jié)省資源和經(jīng)費。

表3 DFH-4E平臺驗證矩陣

5 工程星驗證項目

工程星是平臺優(yōu)化驗證的核心。合理、充分地利用工程星實現(xiàn)最大化集中驗證是工程星技術(shù)狀態(tài)確定的優(yōu)化思路，基于這個思路，工程星制定了“覆蓋全面，兼顧新品，系統(tǒng)簡化”的技術(shù)狀態(tài)確定原則，不僅對平臺自身的狀態(tài)進(jìn)行全面驗證，也為新產(chǎn)品、新材料的應(yīng)用提供驗證機會。工程星狀態(tài)確定的原則和技術(shù)狀態(tài)要求如表4所示。

表4 工程星技術(shù)狀態(tài)確立原則及技術(shù)狀態(tài)要求

根據(jù)工程星研制目的和狀態(tài)，圍繞工程星所承擔(dān)的5項改進(jìn)技術(shù)驗證需求和其他驗證，確定工程星應(yīng)開展的試驗項目如表5所示。

表5 工程星試驗項目

6 優(yōu)化驗證實施與效果

DFH-4E平臺驗證先后完成了中心承力筒、大容量貯箱和氣瓶、鋰離子蓄電池組、電源控制器、大功率太陽翼驅(qū)動機構(gòu)、重疊展開天線等鑒定產(chǎn)品研制及鑒定試驗，突破了單項改進(jìn)技術(shù)，完成了主要單機產(chǎn)品驗證。

完成了熱控模擬艙熱平衡試驗，驗證了多層通信艙熱設(shè)計的正確性和獲取了多層通信艙熱傳導(dǎo)特性。

完成了DFH-4E平臺工程星總裝、整星發(fā)射狀態(tài)和空箱狀態(tài)的鑒定級力學(xué)環(huán)境試驗和噪聲試驗，以及工程星力學(xué)試驗前后太陽翼、重疊天線、矢量調(diào)節(jié)機構(gòu)的電爆展開試驗、大功率供電通路測試等工程星試驗驗證任務(wù)，系統(tǒng)驗證了系統(tǒng)間接口設(shè)計的匹配性、分區(qū)布局設(shè)計的合理性，有效驗證了衛(wèi)星承載能力、載荷容量、載荷功率等主要技術(shù)指標(biāo)，以及各項改進(jìn)技術(shù)工程應(yīng)用實施的可行性。

7 優(yōu)化驗證經(jīng)驗

1)采用“V”字型模型開發(fā)和驗證

航天產(chǎn)品開發(fā)通常采用“V”字模型[6]，DFH-4E平臺開發(fā)與驗證也是基于該理論模型，結(jié)合平臺實際特點形成DFH-4E平臺的“V”字模型，如圖1所示。通過對未來應(yīng)用需求的分析，逐步確定平臺的定位與指標(biāo)要求，根據(jù)指標(biāo)要求，從系統(tǒng)頂層逐級分解，梳理出需要驗證的關(guān)鍵技術(shù)和新產(chǎn)品，再通過逐級的綜合的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵產(chǎn)品鑒定等完成整個平臺的工程驗證。

圖1 DFH-4E平臺“V”字模型Fig.1 “V” model of DFH-4E platform

2)充分識別驗證項目和確認(rèn)驗證技術(shù)狀態(tài)是優(yōu)化驗證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

優(yōu)化驗證的核心目的是整合驗證資源、提高驗證工作的效率；工作重點是對驗證項目的識別和驗證狀態(tài)的確定。只有目標(biāo)明確，項目識別充分，才能確保后續(xù)驗證全面、有效。DFH-4E平臺優(yōu)化驗證方法及流程可以用圖2表示。主要經(jīng)驗包括4方面：

(1)優(yōu)化驗證的核心目的是整合驗證資源、提高驗證工作的效率；

(2)優(yōu)化驗證的工作重點是對驗證項目的識別和驗證技術(shù)狀態(tài)的確定；

(3)工程星是優(yōu)化驗證工作中最重要的環(huán)節(jié)，其技術(shù)狀態(tài)的確定要綜合驗證目的、試驗需求以及后續(xù)需求來確定，實現(xiàn)最優(yōu)化的狀態(tài)；

(4)工程星應(yīng)具備重復(fù)應(yīng)用性，DFH-4E平臺完成驗證后，可轉(zhuǎn)入其他特殊需求的驗證中。

圖2 優(yōu)化驗證方法及流程Fig.2 Engineering methodology and flow chart

8 結(jié)束語

衛(wèi)星設(shè)計涉及多個學(xué)科或分系統(tǒng)，且彼此間相互耦合，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程[7]，針對衛(wèi)星設(shè)計方面已經(jīng)開展了大量的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研究工作，取得了不少成果[8]。衛(wèi)星的驗證工作目前仍停留于傳統(tǒng)的驗證思維，在驗證領(lǐng)域結(jié)合系統(tǒng)工程學(xué)理論及多學(xué)科優(yōu)化理論開展驗證優(yōu)化是一個新興的課題。

DFH-4E平臺在驗證優(yōu)化方面進(jìn)行了嘗試，以優(yōu)化驗證為指導(dǎo)思想，按照系統(tǒng)工程思維，以工程星為核心完成了平臺驗證工作，整個研制周期約18個月，相比傳統(tǒng)驗證方法縮短約12個月，取消了電性星以及整星級熱平衡試驗，研制經(jīng)費及人力資源大幅縮減，該平臺已在中星18號衛(wèi)星、亞太-6D衛(wèi)星等開展實際應(yīng)用并直接進(jìn)入正樣研制，表明采用該驗證方法行之有效，具有高效、快捷的優(yōu)點，可以更加有效地適應(yīng)快變、多變的市場需求變化和技術(shù)更新。驗證優(yōu)化研究是一項復(fù)雜和長期的工作，需要通過一定的實踐積累和提煉并結(jié)合相關(guān)理論，形成專有的系統(tǒng)工程驗證優(yōu)化理論。

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Wang Min,Zhou Zhicheng. Analysis of the Alphabus platform development and design characteristics[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(2): 99-105 (in Chinese)

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Yang Jun，Zhou Zhicheng,Li Feng,et al.Analysis on low-cost design of BSS-702 serial platform and its instruction[J]. Spacecraft Engineering,2016,25(1): 141-146 (in Chinese)

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Chen Yujun，Zhou Zhicheng，Qu Guangji. Application of multidisciplinary design optimization in satellite design[J]. Spacecraft Engineering,2013,22(3): 25-28 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Practice and Inspiration of DFH-4E Platform Verification

SHI Ming WEI Qiang LIU Chuangbin LING Maoyi TIAN Ye CUI Jiatao

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology,Beijing 100094，China)

During the development process of DFH-4E satellite platform,the system optimization methodology was raised and adopted for the first time. As a result the verification cost was effectively limited and the development duration was reduced. A system engineering satellite model,instead of the traditional structural model,electrical model (thermal model) etc.,was developed to achieve the purpose of “multi-utilization of one satellite model and integrative verification”. The “integrated + individually” verification mode was implemented successfully through utilizing various model levels of “engineering satellite model + thermal cabin mock-up + subsystem + unit”. Such innovative methodology was practically applied to prove the benefit of reducing development cost and duration. Critical technology verification and system verification on DFH-4E bus was accomplished,which formed the basis of entering into flight satellite model development phase. Engineering verification is practically proved to become the methodology to increase verification efficiency.

satellite platform；DFH-4E satellite；optimization；verification methodology

2016-10-18；

2016-11-24

國家重大航天工程

石明，男，高級工程師，從事通信衛(wèi)星總體設(shè)計工作。Email：castshiming@sina.cn。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.003