邱家穩(wěn) 劉慶華 張也弛

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

基于成熟度評價的航天器跨領(lǐng)域成熟產(chǎn)品集成管理模式

邱家穩(wěn)1劉慶華2張也弛1

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

針對低成本衛(wèi)星市場的需求,綜合考慮功能、性能、價格和進(jìn)度等約束條件,提出了基于成熟度評價的“低成本、短周期、全可靠”航天器集成研制管理模式。該管理模式應(yīng)用成熟度評價方法指導(dǎo)航天器產(chǎn)品的跨領(lǐng)域、跨平臺、跨等級選用,以較低投入、較快進(jìn)度、全系統(tǒng)可靠為目標(biāo)實現(xiàn)航天器系統(tǒng)的集成與運行。管理模式已成功應(yīng)用于實踐十號衛(wèi)星的研制管理過程,有效降低了研制經(jīng)費,縮短了研制周期,且衛(wèi)星任務(wù)獲得了圓滿成功,可為低成本航天器的研制提供參考。

航天器產(chǎn)品;成熟度評價;集成管理;實踐十號衛(wèi)星

1 引言

技術(shù)成熟度的概念是由美國國家航空航天局(NASA)提出的,后來美國國防部(DoD)強調(diào)在國防正式采辦工作中須引入技術(shù)成熟度評價[1],將技術(shù)按其成熟度劃分為9個等級[2]。我國也在其基礎(chǔ)上,應(yīng)用產(chǎn)品成熟度的概念對產(chǎn)品進(jìn)行評價[3]。對于復(fù)雜項目,最終產(chǎn)品可由若干分系統(tǒng)的上百件產(chǎn)品組成,技術(shù)成熟度難以評價系統(tǒng)內(nèi)的匹配程度和集成程度,為此,文獻(xiàn)[4]中提出一種綜合技術(shù)指數(shù),并形成了集成技術(shù)分析方法論。文獻(xiàn)[5]中首先開展了技術(shù)集成度量標(biāo)準(zhǔn)的研究,提出了9級集成成熟度標(biāo)準(zhǔn),用以評價多種技術(shù)的接口匹配程度及相互間的兼容性。文獻(xiàn)[6]對復(fù)雜研制項目的成熟度評價進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[7]中對國防裝備系統(tǒng)工程中的成熟度理論與應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。上述研究形成了完整的成熟度評價標(biāo)準(zhǔn),但對于如何采用成熟度評價方法改善衛(wèi)星的研制模式尚未進(jìn)行深入探討。

實踐十號衛(wèi)星項目啟動時,原有的返回式衛(wèi)星研制生產(chǎn)能力已不復(fù)存在,而用戶又要對衛(wèi)星的熱控、供配電、控制等分系統(tǒng)功能進(jìn)行升級換代,并要增加數(shù)管、工程參數(shù)測量分系統(tǒng)。另外,衛(wèi)星的研制經(jīng)費和研制周期是按原有返回式衛(wèi)星確定的,因此實踐十號衛(wèi)星的研制面臨較大的經(jīng)費和進(jìn)度壓力。為了保證任務(wù)圓滿完成,在堅持“高可靠、長壽命”研制模式的基礎(chǔ)上,要探索建立適應(yīng)市場及民、商用需求的“低成本、短周期、快響應(yīng)”的航天器研制模式。為此,本文提出了基于成熟度評價的航天器跨領(lǐng)域成熟產(chǎn)品集成管理方法,用于采用跨領(lǐng)域、跨平臺、跨等級成熟產(chǎn)品進(jìn)行航天器系統(tǒng)的快速集成,取代傳統(tǒng)的新研產(chǎn)品或平臺繼承研制模式。該管理模式優(yōu)選出基于型譜、長期庫存、新研、商用和返回復(fù)用等多種類型產(chǎn)品的整星研制方案,對停產(chǎn)產(chǎn)品、功能性能不滿足用戶新需求的返回式衛(wèi)星產(chǎn)品采用跨領(lǐng)域、跨平臺產(chǎn)品進(jìn)行補位,大大減少了新研產(chǎn)品占比,降低了研制進(jìn)度、經(jīng)費及質(zhì)量風(fēng)險,并且優(yōu)化了研制試驗矩陣與研制流程,強化了衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性分析及接口匹配性驗證。通過衛(wèi)星管理實踐,形成了衛(wèi)星工作成熟度評價方法與管理機制,可推廣應(yīng)用于有低成本需求的商業(yè)航天器質(zhì)量、進(jìn)度、經(jīng)費優(yōu)化工作的開展。

2 管理方法

本文提出的管理模式可概括為:首先,開展成熟度管理頂層策劃,明確評價組織形式、評價對象、評價方法和結(jié)果等要素,確保成熟度評價工作的有序開展。然后,通過綜合運用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度理論,制定成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)和評價模型,建立成熟度評價程序;在此基礎(chǔ)上,基于中國航天器產(chǎn)品型譜進(jìn)行跨平臺產(chǎn)品選型,并依據(jù)成熟度評價模型開展研制方案優(yōu)選和研制流程優(yōu)化,進(jìn)而針對薄弱環(huán)節(jié)制定管理和強化措施。

2.1 開展成熟度管理頂層策劃

構(gòu)建基于成熟度評價的系統(tǒng)研制頂層策劃,明確成熟度評價的組織管理形式及工作內(nèi)容,確保成熟度評價工作的有序?qū)嵤?/p>

2.1.1 明確成熟度評價組織管理形式

借鑒NASA和DoD的先進(jìn)理念,結(jié)合中國產(chǎn)品成熟度標(biāo)準(zhǔn)和定義[8],構(gòu)建貫穿衛(wèi)星研制全階段、基于成熟度評價的頂層管理策劃,包括評價組織機構(gòu)、評價對象、評價方法和評價結(jié)果4個要素,結(jié)構(gòu)如下。

(1)評價對象:單機產(chǎn)品、分系統(tǒng)和整星系統(tǒng)。

(2)評價組織機構(gòu):分為決策層、管理層和實施層。決策層是評價機構(gòu)的發(fā)起人;管理層主要負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)評價工作;實施層是評價工作的具體操作層[7]。在實踐十號衛(wèi)星項目中,中國空間技術(shù)研究院是成熟度評價工作的發(fā)起人,并聯(lián)合中國航天科技集團(tuán)、用戶進(jìn)行最終決策,明確和批準(zhǔn)管理方案、技術(shù)方案及研制進(jìn)度;北京空間飛行器總體設(shè)計部負(fù)責(zé)組織相關(guān)項目的評價工作,并組織對評價結(jié)果的審定;技術(shù)狀態(tài)委員會受實踐十號項目辦公室委托開展成熟度評價工作,包括組建專家組,組織專家組對項目進(jìn)行評價并完成評價結(jié)果的審核。評價工作組織機構(gòu)見圖1。

(3)評價方法:分別應(yīng)用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度評價方法,針對單機產(chǎn)品和分系統(tǒng)、系統(tǒng)級產(chǎn)品開展成熟度評價活動。以上2種方法覆蓋了從產(chǎn)品選型、產(chǎn)品制造到產(chǎn)品集成的全過程,最終目的是采用最成熟的產(chǎn)品和技術(shù),在滿足實踐十號衛(wèi)星進(jìn)度和經(jīng)費約束條件下,保證衛(wèi)星的功能和性能滿足用戶的需求。

(4)評價流程:由中國航天科技集團(tuán)啟動評價工作,技術(shù)狀態(tài)委員會制定工作計劃,評價工作負(fù)責(zé)人提交評價報告,技術(shù)狀態(tài)委員會組織專家對報告進(jìn)行評審,北京空間飛行器總體設(shè)計部簽署意見,中國航天科技集團(tuán)、中國空間技術(shù)研究院和用戶三級聯(lián)合完成審定。評價工作流程如圖2所示。

2.1.2 明確成熟度評價工作內(nèi)容

成熟度評價工作內(nèi)容為:綜合采用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度評價方法建立成熟度評價模型,對系統(tǒng)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和單機產(chǎn)品的成熟度進(jìn)行評價,用于指導(dǎo)方案優(yōu)選、產(chǎn)品選型、產(chǎn)品生產(chǎn)/制造、試驗驗證、系統(tǒng)集成等研制過程,重點是圍繞用戶需求和節(jié)約成本,研究跨領(lǐng)域、跨平臺產(chǎn)品選用與集成的可行性,提前識別研制過程中成熟度較低的環(huán)節(jié),并制定相關(guān)的設(shè)計備份措施、試驗驗證方法及針對特殊產(chǎn)品的產(chǎn)品保證規(guī)定,進(jìn)而保證衛(wèi)星質(zhì)量。在確保系統(tǒng)功能性能滿足用戶要求的前提下,通過選擇成熟度較高的研制路徑,達(dá)到節(jié)省研制經(jīng)費、縮短研制周期的目的。

依據(jù)WBS、產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)(PBS)、成本分解結(jié)構(gòu)(CBS)、功能分解結(jié)構(gòu)(FBS)和過程分解結(jié)構(gòu)(GBA)等,支撐成熟度評價工作,具體見圖3。

2.2 制定成熟度評價模型

借鑒國外成熟度評價標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合航天器內(nèi)部專家經(jīng)驗,依據(jù)不同產(chǎn)品類型,明確產(chǎn)品成熟度和集成成熟度的評價標(biāo)準(zhǔn);之后,建立融合兩種成熟度的評價模型。

2.2.1 產(chǎn)品成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)

航天單機產(chǎn)品在全生命周期內(nèi),將產(chǎn)品成熟度等級劃分為原理樣機產(chǎn)品、工程樣機產(chǎn)品、飛行產(chǎn)品、1次飛行考核產(chǎn)品、多次飛行考核產(chǎn)品、3級定型產(chǎn)品、2級定型產(chǎn)品、1級定型產(chǎn)品8個級別,如表1所示。產(chǎn)品成熟度越高,其所經(jīng)歷的功能性能驗證也越充分,選用成熟度等級高的產(chǎn)品,可有效規(guī)避在產(chǎn)品研發(fā)與制造層面“拖進(jìn)度、漲經(jīng)費”的風(fēng)險,對各產(chǎn)品依據(jù)成熟度等級進(jìn)行分類管理,為實踐十號衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)把控和風(fēng)險管理工作的順利實施提供了保障。但同時需注意到,如果所選用的型譜產(chǎn)品并非原返回式衛(wèi)星平臺產(chǎn)品,接口的適應(yīng)性一般會存在問題,因此,要確保產(chǎn)品研制滿足衛(wèi)星研制過程中的經(jīng)費和進(jìn)度約束,對上一層級的(分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級)集成成熟度評價也是至關(guān)重要的。

表1 航天單機產(chǎn)品成熟度等級劃分定義Table 1 Grade specification of space product maturity

2.2.2 集成成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品成熟度評價著眼于產(chǎn)品實現(xiàn)層面,為產(chǎn)品研制管理提供分類管理依據(jù),但對于分系統(tǒng)及衛(wèi)星集成層面,還應(yīng)注意產(chǎn)品之間的相關(guān)性,涉及到多產(chǎn)品的關(guān)系、接口和相互作用。尤其對實踐十號衛(wèi)星來說,由于跨領(lǐng)域、跨平臺選用了多種產(chǎn)品,接口的匹配性問題需要更多的關(guān)注,為了對這些接口關(guān)系進(jìn)行分類管理,在管理過程中引入集成成熟度的概念,對來自不同領(lǐng)域、平臺的產(chǎn)品接口進(jìn)行評價,確保產(chǎn)品間的接口具有足夠的成熟度,進(jìn)而保證系統(tǒng)集成過程的進(jìn)度、質(zhì)量和經(jīng)費風(fēng)險可控。集成成熟度模型包含8個等級,各等級的描述見表2。

表2 集成成熟度等級劃分定義Table 2 Grade specification of integration maturity

續(xù) 表

2.2.3 建立成熟度綜合評價模型

產(chǎn)品的實現(xiàn)過程和最終結(jié)果是由產(chǎn)品成熟度和集成成熟度共同決定的,實踐十號衛(wèi)星在制定2種成熟度評價標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,采用加權(quán)平均法,建立成熟度綜合評價模型,成熟度因子LR評價模型如下。

式中:ai為成熟度對應(yīng)的權(quán)值,i=1,2,通過專家打分,確定在實踐十號衛(wèi)星成熟度評價活動中a1取0.7,a2取0.3;LPR為產(chǎn)品成熟度等級;LIR為集成成熟度等級。

基于成熟度評價結(jié)果及相關(guān)薄弱環(huán)節(jié)識別,可進(jìn)一步確定不同類型產(chǎn)品的研制流程,其中復(fù)產(chǎn)產(chǎn)品開發(fā)過程與新研產(chǎn)品較為接近,而型譜產(chǎn)品、長期庫存產(chǎn)品、復(fù)用產(chǎn)品和商用產(chǎn)品的開發(fā)過程與新研產(chǎn)品開發(fā)過程相比,均存在不同程度的精簡,具體見表3。

成熟度與經(jīng)費、進(jìn)度的關(guān)系可參照表4。由式(1)可知,成熟度滿分為100分,表4中對進(jìn)度和經(jīng)費的評價同樣以100分為滿分。

表3 各類型產(chǎn)品的開發(fā)V型過程模型Table 3 V model of several kinds of products’development process

表4 成熟度因子與經(jīng)費和進(jìn)度的對應(yīng)關(guān)系Table 4 Relation between L R,funding and progress

3 管理模式在實踐十號衛(wèi)星研制中的應(yīng)用

3.1 衛(wèi)星研制方案簡介

實踐十號衛(wèi)星最早于2004年開始方案論證時,各分系統(tǒng)升級換代需求不大,實際為具有較好繼承性的返回式衛(wèi)星的“業(yè)務(wù)星”。到2013年初項目正式啟動時,原有的返回式衛(wèi)星的研制生產(chǎn)能力已不復(fù)存在,在人員、材料、器件、工藝工裝、生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品保證要求等方面都發(fā)生了較大的變化,盡管曾經(jīng)屬于成熟產(chǎn)品,但重新投產(chǎn)仍面臨著生產(chǎn)線恢復(fù)與改造、人員培訓(xùn)等諸多困難,綜合評估復(fù)產(chǎn)的進(jìn)度與經(jīng)費因素,幾乎與新研產(chǎn)品無異。同時隨著載荷論證的進(jìn)一步深入,提供科學(xué)實驗過程中必要的功能支持,需要對衛(wèi)星的熱控、供配電、控制等分系統(tǒng)功能進(jìn)行升級換代,并需增加數(shù)管、工程參數(shù)測量分系統(tǒng)。這些升級需求,使實踐十號衛(wèi)星從最初規(guī)劃的“業(yè)務(wù)星”轉(zhuǎn)變?yōu)榱艘活w“科研星”,衛(wèi)星的研制面臨較大的經(jīng)費和進(jìn)度壓力。因此,除傳統(tǒng)研制模式外,需要跨領(lǐng)域、跨平臺、跨等級選用成熟產(chǎn)品進(jìn)行集成研制的新研制模式,為此提出了2種研制方案。

方案1:基于當(dāng)時的主流衛(wèi)星研制模式,嚴(yán)格遵守各項科研和產(chǎn)品保證管理規(guī)定,按科研星研制,這就需要新研、恢復(fù)生產(chǎn)大量的新產(chǎn)品。若按傳統(tǒng)科研星模式進(jìn)行研制,實踐十號衛(wèi)星需要新研產(chǎn)品達(dá)118臺,已停產(chǎn)需恢復(fù)投產(chǎn)設(shè)備57臺,共占在整個產(chǎn)品配套中的72.9%,給衛(wèi)星研制帶來巨大的經(jīng)費、進(jìn)度和質(zhì)量風(fēng)險。

方案2:基于其他衛(wèi)星平臺成熟產(chǎn)品、甚至商業(yè)產(chǎn)品開展衛(wèi)星研制工作,跨平臺、跨領(lǐng)域選用滿足任務(wù)需求的產(chǎn)品,則165臺產(chǎn)品可進(jìn)行補位選用,需要新研產(chǎn)品數(shù)量減少為10臺。

3.2 基于成熟度評價方法建立產(chǎn)品選用程序

實踐十號衛(wèi)星產(chǎn)品選用遵循以下程序:①識別所需功能、性能是否具有關(guān)鍵技術(shù);②對于不具有關(guān)鍵技術(shù)的功能性能要求,通常已有成熟產(chǎn)品,優(yōu)先在返回式衛(wèi)星產(chǎn)品型譜內(nèi)選用成熟產(chǎn)品;③若返回式衛(wèi)星型譜產(chǎn)品不能滿足應(yīng)用需求,則根據(jù)衛(wèi)星總體功能性能需求,跨平臺跨領(lǐng)域選用成熟產(chǎn)品;④如果定型產(chǎn)品無法滿足技術(shù)指標(biāo)要求,則考慮選用型譜中成熟度較高的現(xiàn)有產(chǎn)品;⑤對于某些型譜產(chǎn)品無法滿足要求,而產(chǎn)品可進(jìn)行冗余備份設(shè)計或產(chǎn)品功能非關(guān)鍵功能的情況,可考慮在商業(yè)市場中選用成熟產(chǎn)品。

3.3 制定多種研制方案

經(jīng)過初步方案論證,在原有返回式衛(wèi)星的基礎(chǔ)上,依據(jù)實踐十號衛(wèi)星的需求開展技術(shù)升級,其基本實現(xiàn)途徑有以下2類。①對返回式衛(wèi)星平臺原有產(chǎn)品能夠滿足實踐十號衛(wèi)星功能要求的,對原有產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)產(chǎn);針對實踐十號衛(wèi)星的新增功能性能需求,研制新的產(chǎn)品,產(chǎn)品配套參見表5。②在滿足用戶功能性能需求的基礎(chǔ)上,最大化的跨領(lǐng)域、跨平臺、跨等級選擇現(xiàn)有成熟、價優(yōu)產(chǎn)品,并在此基礎(chǔ)上做好系統(tǒng)集成,產(chǎn)品配套參見表6。

對于實現(xiàn)途徑①,經(jīng)過研制團(tuán)隊充分的技術(shù)論證,使用新研產(chǎn)品可從頂層設(shè)計層面保證方案的合理性、接口的匹配性及設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性等,但由于產(chǎn)品本身的成熟度低,必然會給項目帶來一定的技術(shù)風(fēng)險。同時,面對緊張的研制周期和經(jīng)費限制,實踐十號衛(wèi)星的技術(shù)升級困難重重,需要在升級換代的同時控制好經(jīng)費和時間。如果在方案制定時就選用了許多不成熟的技術(shù)和產(chǎn)品,在后續(xù)的研制中就容易由于新產(chǎn)品的研發(fā)而出現(xiàn)“拖進(jìn)度”和“漲經(jīng)費”的問題。

對于實現(xiàn)途徑②,跨領(lǐng)域、跨平臺、跨等級選擇現(xiàn)有成熟產(chǎn)品可保證產(chǎn)品的成熟度,對所選用產(chǎn)品的飛行經(jīng)歷進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研,通過歷史數(shù)據(jù),類比或仿真分析等手段可確定其能否承受實踐十號衛(wèi)星環(huán)境條件要求,但多平臺產(chǎn)品間的集成、配套仍面臨較多的技術(shù)和管理問題。尤其對于返回衛(wèi)星來說,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,形成了自己獨有的產(chǎn)品配套體系,與其他衛(wèi)星平臺的配套產(chǎn)品存在較大差異,這也為跨平臺產(chǎn)品的集成交互造成較大困難。這就要求引入一套用于成熟度評價的客觀準(zhǔn)則體系,作為產(chǎn)品和技術(shù)選用的參考依據(jù),充分識別產(chǎn)品集成交互過程中的不成熟環(huán)節(jié),提前采取控制對策,最終實現(xiàn)降低項目技術(shù)和管理風(fēng)險、提高項目成功概率的目的。

3.4 基于成熟度評價開展研制方案優(yōu)選

依據(jù)成熟度評價模型對衛(wèi)星研制方案進(jìn)行評價,優(yōu)選出成熟度較高、研制周期和研制經(jīng)費較低的研制方案,指導(dǎo)衛(wèi)星的研制管理與產(chǎn)品保證工作。

3.4.1 應(yīng)用成熟度評價模型,綜合比較各種研制方案

實踐十號衛(wèi)星在產(chǎn)品選型過程中應(yīng)用成熟度評價方法,對2種研制方案進(jìn)行了比較。各分系統(tǒng)的產(chǎn)品成熟度、集成成熟度見表5,其中產(chǎn)品成熟度取分系統(tǒng)各單機成熟度的加權(quán)平均值;綜合比較見表6。

表5 2種研制方案的成熟度Table 5 Maturity of two development schemes

表6 2種研制方案的綜合比較Table 6 General comparison of two development schemes

從以上比較可看出,在技術(shù)方案的選擇上,采用新研產(chǎn)品雖然能滿足衛(wèi)星需求,但產(chǎn)品成熟度低,在研制進(jìn)度、研制經(jīng)費上都面臨較大風(fēng)險;而選用現(xiàn)有型譜產(chǎn)品,盡管在系統(tǒng)集成(包括接口、環(huán)境適應(yīng)性)方面存在一定劣勢,但產(chǎn)品成熟度更高,在研制進(jìn)度、研制經(jīng)費方面都大大優(yōu)于重新研制新產(chǎn)品。

實踐十號衛(wèi)星應(yīng)用成熟度評價模型對不同研制方案進(jìn)行比較,在成熟航天產(chǎn)品中選用最能滿足衛(wèi)星功能性能要求的產(chǎn)品。同時,在產(chǎn)品的跨平臺集成交互過程中遵循系統(tǒng)工程思想,按照產(chǎn)品工程的特點和規(guī)律實施科學(xué)管理,產(chǎn)品選用、開發(fā)過程中強調(diào)滿足用戶需求、組合化、并行工程等一系列實施和管理措施,體現(xiàn)和應(yīng)用集成產(chǎn)品開發(fā)模式思想。

3.4.2 識別成熟產(chǎn)品集成成熟度薄弱環(huán)節(jié),制定相應(yīng)控制措施

集成成熟度要綜合考慮產(chǎn)品之間的機、電、熱及信息接口,對于跨平臺成熟產(chǎn)品來說,盡管產(chǎn)品成熟度較高,但產(chǎn)品之間的接口及產(chǎn)品與返回式衛(wèi)星平臺的接口都可能存在集成成熟度較低的問題。以對流風(fēng)扇的選用為例,說明成熟產(chǎn)品集成成熟度方面存在的薄弱環(huán)節(jié),見表7。

表7 產(chǎn)品實現(xiàn)方案的集成成熟度比較Table 7 Comparison of integration maturity of two development schemes

實踐十號衛(wèi)星為滿足密封艙設(shè)備的熱環(huán)境條件,需要使用對流風(fēng)扇,而返回式衛(wèi)星原有對流風(fēng)扇停產(chǎn)多年,已不具備投產(chǎn)條件。目前,航天產(chǎn)品中有過在軌飛行經(jīng)歷的對流風(fēng)扇滿足實踐十號衛(wèi)星應(yīng)用需求的,僅有載人飛船和空間站中使用的對流風(fēng)扇,表7中①即為選用現(xiàn)有載人飛船風(fēng)扇,該風(fēng)扇在產(chǎn)品成熟度和集成成熟度方面都較高,可保證產(chǎn)品各項技術(shù)指標(biāo)滿足要求,但該產(chǎn)品價格十分昂貴,在實踐十號衛(wèi)星研制經(jīng)費緊張的客觀條件下,應(yīng)用該型產(chǎn)品面臨的壓力較大?；谝陨显?實踐十號衛(wèi)星項目辦公室考慮從現(xiàn)有商業(yè)成熟產(chǎn)品中選型。表7中②為選用商業(yè)產(chǎn)品,其產(chǎn)品成熟度,電、熱接口集成成熟度均較高,只有力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性不能保證,因此通過單機環(huán)境試驗摸底、多風(fēng)扇冗余備份設(shè)計,保證產(chǎn)品的可靠性滿足要求。通過2種成熟度的比較,識別了風(fēng)扇選用的優(yōu)劣和薄弱環(huán)節(jié),采取冗余備份的設(shè)計手段保證系統(tǒng)可靠性,指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。在滿足系統(tǒng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,實踐十號衛(wèi)星最終選用了商業(yè)風(fēng)扇,起到了降低成本的效果,并取得了在軌試驗的成功。

3.5 基于成熟度評價優(yōu)化研制流程

對于實踐十號衛(wèi)星來說,結(jié)構(gòu)、回收等大部分功能經(jīng)過了返回式衛(wèi)星多次的再設(shè)計、再分析與再驗證的完善流程,采用新的產(chǎn)品選型模式后,其生產(chǎn)、驗證環(huán)節(jié)也存在一定的優(yōu)化空間。在研制過程中,基于成熟度評價理論,從技術(shù)實現(xiàn)的角度對產(chǎn)品、分系統(tǒng)和系統(tǒng)的研制流程進(jìn)行了一定的優(yōu)化。

3.5.1 設(shè)計評審及驗收流程優(yōu)化

設(shè)計評審優(yōu)化分為產(chǎn)品、分系統(tǒng)和系統(tǒng)3個層次進(jìn)行,優(yōu)化的依據(jù)為產(chǎn)品的技術(shù)成熟度和集成成熟度,對于成熟度高的環(huán)節(jié),可適當(dāng)簡化其設(shè)計評審和產(chǎn)品驗收的步驟,在保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的基礎(chǔ)上,為衛(wèi)星研制節(jié)約寶貴的時間和經(jīng)費。具體優(yōu)化環(huán)節(jié)見表8。

表8 實踐十號衛(wèi)星產(chǎn)品實現(xiàn)過程優(yōu)化情況Table 8 Optimization of development process of SJ-10 satellite

3.5.2 試驗矩陣優(yōu)化

對于成熟度較高的產(chǎn)品,研制過程中的試驗矩陣也進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。如返回式衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)強度、剛度已經(jīng)過多次的再設(shè)計與再驗證,初樣階段不再進(jìn)行結(jié)構(gòu)星力學(xué)試驗;返回式衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)的密封艙設(shè)計,也已經(jīng)過多次的分析驗證,且回收艙所用流體回路經(jīng)神舟號飛船多次驗證,設(shè)計余量較大,初樣階段不再進(jìn)行整星熱試驗。相應(yīng)的,初樣整星力、熱試驗采用仿真分析的方法予以代替。在單機和分系統(tǒng)層面,針對大量成熟產(chǎn)品,減少了單機鑒定驗收試驗。

經(jīng)過成熟度理論的評價,省略了對衛(wèi)星技術(shù)風(fēng)險影響較小的研制步驟,且對上述流程進(jìn)行優(yōu)化后,大大縮減了衛(wèi)星研制主線,降低了衛(wèi)星研制成本。

3.6 分類制定產(chǎn)品保證控制措施

實踐十號衛(wèi)星在成熟度評價的基礎(chǔ)上,優(yōu)選出若干產(chǎn)品選用方案,同時也針對各類產(chǎn)品識別出所選用方案的薄弱環(huán)節(jié),并針對薄弱環(huán)節(jié)加強產(chǎn)品保證控制措施。

3.6.1 返回復(fù)用產(chǎn)品的產(chǎn)品保證控制措施

通過成熟度評價完成產(chǎn)品選型后,實踐十號衛(wèi)星確定了對部分過去返回式衛(wèi)星、飛船返回后的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)用,初步探索星上產(chǎn)品的重復(fù)使用技術(shù)。同時,明確了產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理要求和數(shù)據(jù)包要求,并制定了專用的產(chǎn)品保證大綱,有效保證了返回復(fù)用產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性、功能性能滿足衛(wèi)星要求。

3.6.2 有效載荷的產(chǎn)品保證控制措施

有效載荷分系統(tǒng)產(chǎn)品狀態(tài)新,使用專用或特殊元器件比重大,而且采購渠道單一,高等級元器件的可獲得性比較低,同時在試驗設(shè)備中使用了大量的部組件。針對這種特殊情況,衛(wèi)星工程總體單位批復(fù)了有效載荷專用的產(chǎn)品保證大綱。大綱中對有效載荷的試驗單機進(jìn)行了綜合風(fēng)險分析,在此基礎(chǔ)上對選用元器件的范圍和質(zhì)量等級以及質(zhì)量保證的內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定,以此大綱作為有效載荷分系統(tǒng)元器件質(zhì)量保證的依據(jù)。其中,產(chǎn)品保證總體原則是:在不對整星安全性造成威脅的前提下,允許有效載荷在非關(guān)鍵功能部位使用低等級元器件和限用工藝。

4 結(jié)束語

本文提出的基于成熟度評價的高性能、低成本的航天器集成研制模式,在實踐十號衛(wèi)星的研制過程中取得了成功應(yīng)用,在36個月內(nèi)完成了衛(wèi)星的研制工作,項目經(jīng)費比原測算經(jīng)費降低了38.8%,在19項有效載荷全部為新研產(chǎn)品的情況下,最終以高于用戶預(yù)期的較短研制周期實現(xiàn)衛(wèi)星出廠、發(fā)射,有力地說明了基于成熟度評價的航天器產(chǎn)品跨領(lǐng)域集成管理模式對縮短衛(wèi)星研制周期有較大的促進(jìn)作用。該管理模式可推廣應(yīng)用于采用跨領(lǐng)域成熟產(chǎn)品進(jìn)行航天器的集成研制。

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Integration Management Mode of Cross-domain Mature Products for Spacecraft Based on Maturity Evaluation

QIU Jiawen1LIU Qinghua2ZHANG Yechi1
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)(2 China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

A management mode for low cost,short cycle and highly reliable satellite development is proposed based on maturity evaluation.Constraint conditions such as function,performance,price and progress are considered comprehensively in the management mode to guide the cross-platform,cross-domain and cross-level of product selection.System integration process of satellite is realized with lower cost,rapid progress and higher system reliability.The management mode is applied successfully in the development process of SJ-10 satellite.With the management mode,the development funds reduced effectively,the development cycle is shorten,and the task has a successful conclusion.The management mode is easy to popularized and applied for low-cost spacecraft development.

spacecraft product;maturity evaluation;integration management;SJ-10 satellite

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.014

2017-09-19;

2017-09-29

國家重大航天工程

邱家穩(wěn),男,博士,研究員,研究方向為航天器總體設(shè)計。Email:13911816829@139.com。

(編輯:夏光)