胡楠楠,南 方
(1.中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部,北京 100094;2.中國空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星物資部,北京 100094)
商業(yè)衛(wèi)星研制以企業(yè)為主體,以滿足用戶需求和實現(xiàn)市場價值為基本目標(biāo),在保證產(chǎn)品可靠性的前提下,最大化控制成本,獲得商業(yè)市場競爭力。同時商業(yè)衛(wèi)星一般還具有研制周期緊、批量生產(chǎn),滿足用戶在快響應(yīng)、個性化等方面不斷增長的需求的特點,這就要求商業(yè)衛(wèi)星在保證可靠性的前提下,有針對性地優(yōu)化流程,以更低的成本、更快地速度投入市場。
商業(yè)航天的迅猛發(fā)展,尤其是商業(yè)通信星座組網(wǎng)發(fā)展趨勢強烈,結(jié)合衛(wèi)星生產(chǎn)批量化、研制低成本等特點,對降低成本、縮短研制周期上對衛(wèi)星研制生產(chǎn)流程優(yōu)化提出了迫切需求,給傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式提出了新的挑戰(zhàn),傳統(tǒng)的元器件配套模式已不能滿足其研制需求。
近年來,國外掀起新一輪商業(yè)通信星座建設(shè)熱潮,目前已有了多個典型通信星座,然而國內(nèi)商業(yè)通信星座僅僅處于調(diào)研需求、立項起步階段。
國外商業(yè)通信星座主要有:泰雷茲-阿萊尼亞公司的Iridium,設(shè)計壽命12.5年,衛(wèi)星數(shù)量81顆(第二代,66工作星+9在軌備份星+6地面?zhèn)浞菪牵?。泰雷?阿萊尼亞公司的Globalstar,設(shè)計壽命15年,第二代32顆已完成部署。一網(wǎng)與空客聯(lián)合生產(chǎn)的OneWeb “一網(wǎng)”系統(tǒng)目前共規(guī)劃有3代,第一代衛(wèi)星星座計劃于2018年啟動部署,第二代星座計劃于2021年啟動,第三代星座計劃于2023年啟動,目標(biāo)是到2025年將能夠為全球超過10億用戶提供寬帶服務(wù)。SpaceX公司于2017年3月提交V頻段低軌星座運營申請,并命名為“SpaceX V頻段非靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)”,SpaceX星座由7518顆衛(wèi)星構(gòu)成,包含接近12000顆衛(wèi)星,將成為迄今為止人類提出發(fā)展的規(guī)模最大的星座項目。以Iridium、OneWeb等商業(yè)衛(wèi)星星座的建設(shè)為契機,出于應(yīng)對批量生產(chǎn)衛(wèi)星的需要,以設(shè)計可制造性、可測試性、可驗證性為重要特征的并行工程模式日益成為商業(yè)衛(wèi)星科研生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)性理念。
以Iridium項目為例,它采取的優(yōu)化措施有面向制造的設(shè)計,采用離散事件模擬仿真進行時間管理,運用COTS部件等實現(xiàn)低成本和快速生產(chǎn)。在Iridium系統(tǒng)一期,大量采用COTS部件,許多COTS器件完全能夠滿足任務(wù)需求,但也有一些需要額外加固、降級和篩選,而一些關(guān)鍵部件則需要采用高可靠器件以提高效費比。
以O(shè)neWeb衛(wèi)星項目為例,采取了研制流程優(yōu)化措施,包括以生產(chǎn)制造為中心的研制流程,開展面向成本設(shè)計的初步設(shè)計評審等流程?;陬A(yù)算和進度的控制,提供額外獎金,要求供應(yīng)商最大限度地降低部件重量,減少部件數(shù)量,并優(yōu)化生產(chǎn)進度和加快集成過程。構(gòu)建同步快速的生產(chǎn)線與供應(yīng)鏈,大幅減少供應(yīng)商數(shù)量,一般是獨家供貨,部件基本外包,通過獎金提高協(xié)同效率和進度控制能力,外包企業(yè)對交付產(chǎn)品的質(zhì)量負責(zé),一般不對供應(yīng)商部件進行驗收測試。
一直以來,國內(nèi)商業(yè)衛(wèi)星仍處于起步階段,國內(nèi)研制的通信衛(wèi)星由于軌道高度和在軌長壽命的要求,對高可靠的指標(biāo)要求較高,就需要在元器件選擇和應(yīng)用方面加強控制,滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求。
以往元器件選型控制多依賴于單機設(shè)計完成之后的選用審查,對于存在可靠性風(fēng)險或采購風(fēng)險的元器件識別較晚,難以進行設(shè)計更改和替代方案考慮,有時影響了型號研制進度和質(zhì)量控制。從元器件種類和技術(shù)指標(biāo)角度來看,同類型元器件不同生產(chǎn)廠、規(guī)格名稱、技術(shù)指標(biāo)的差異,導(dǎo)致型號選用的元器件規(guī)格較亂,成本較高,不利于組批綜合管理和配套。
綜合國外商業(yè)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化的相關(guān)實踐,總結(jié)國外研制流程優(yōu)化的理念以及關(guān)注的核心要素,可以為我國商業(yè)通信衛(wèi)星星座研制模式提供借鑒和參考。全面保證通信商業(yè)衛(wèi)星用元器件的可靠性與穩(wěn)定供應(yīng),必須明確樹立”保成功、保供應(yīng)、降成本”的核心思想。
制定商業(yè)通信批產(chǎn)衛(wèi)星的元器件選型策略,建立選型規(guī)范,統(tǒng)一規(guī)劃選型,對部分元器件的選用種類、規(guī)格以及性能指標(biāo)要求進行統(tǒng)一規(guī)范,壓縮品種規(guī)格,指導(dǎo)型號正確選用,同時也可以降低周期成本和采購成本。有必要轉(zhuǎn)變設(shè)計、生產(chǎn)、組織管理模式,實現(xiàn)“通信衛(wèi)星向衛(wèi)星通信”轉(zhuǎn)變、實現(xiàn)“型號研制向大批量組批生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變,對現(xiàn)有管理模式也帶來了巨大挑戰(zhàn)。
(1)開展COTS貨架器件選用策略研究;
(2)開展SoC、SiP等定制集成電路選型設(shè)計研究;
(3)制定通信批產(chǎn)衛(wèi)星選型規(guī)范(包括編制FPGA、DSP、存儲器等關(guān)鍵元器件選型指南),減少選用元器件類型,固化元器件技術(shù)狀態(tài),便于批量采購、批量保證、降低成本。
通過對后續(xù)實際任務(wù)需求分析,主要包括型號的壽命、工作軌道、可靠性指標(biāo)、任務(wù)剖面、研制周期、產(chǎn)品承研單位、自主可控需求等方面的綜合分析,同時基于型號差異化的工作模式(不同任務(wù)衛(wèi)星分類實施),制定型號專門的元器件保證總體技術(shù)方案以及元器件保證要求,針對不同類型、不同應(yīng)用等級、不同質(zhì)量等級的元器件制定差異化質(zhì)量保證方案。
(1)批量、通用元器件和復(fù)雜、關(guān)鍵元器件差異化保證;
(2)元器件組批開展質(zhì)量保證,降低質(zhì)量保證成本;
(3)SiP和SoC等復(fù)雜元器件,將保證過程與元器件研制過程緊密結(jié)合,在元器件研制過程中分別開展方案保證、設(shè)計保證、生產(chǎn)保證、鑒定、應(yīng)用驗證、質(zhì)量保證等各項保證工作。
(4)開展基于元器件應(yīng)用等級的質(zhì)量保證模式,通過“單機”和“元器件”兩級關(guān)鍵性表征元器件的應(yīng)用等級。元器件應(yīng)用等級確定程序見圖1。
圖1 元器件應(yīng)用等級確定程序
(5)不同類型、不同應(yīng)用等級、不同質(zhì)量等級元器件制定差異化質(zhì)量保證方案,針對上述元器件應(yīng)用等級,將開展具有差異化的元器件選用和質(zhì)量保證措施。允許選用工業(yè)級、商業(yè)級器件的同時為了保證可靠性,不同的應(yīng)用等級下開展不同的質(zhì)量保證工作。
總體的采購原則是保證選用的元器件在性能、質(zhì)量、進度、成本和可獲得性等方面的風(fēng)險可控,優(yōu)先基于國產(chǎn)成熟產(chǎn)品選用,嚴控進口元器件使用;在采購渠道方面,盡量采購國內(nèi)或國際上成熟的宇航級、軍級、工業(yè)級或商業(yè)級元器件供應(yīng)商,確保質(zhì)量穩(wěn)定;在采購模式方面,應(yīng)合并壓縮選型,采用批量、集中采購模式,降低元器件采購成本;在采購批次方面,相同應(yīng)用條件下盡量選用同規(guī)格、同等級元器件,采購時充分考慮元器件存儲壽命周期,確定采購批次大小與供應(yīng)的關(guān)系。
(1)面向全球采購,原則上確保每種元器件有1-2個廠家,建立鴻雁星座型號元器件采購策略;
(2)對于國產(chǎn)和引進元器件統(tǒng)一組織采購,選定廠家并與供應(yīng)商洽談尋求階梯價格;
(3)調(diào)研廠家,研究組批采購的最佳經(jīng)濟點,優(yōu)化形成合理組批模式,總結(jié)具有代表性的研制單位在批量采購中有效降低成本的經(jīng)驗值,針對幾個重點元器件生產(chǎn)單位的采購數(shù)量和價格的優(yōu)化值進行匹配分析,開展批產(chǎn)采購優(yōu)化模式研究,制定批產(chǎn)采購實施方案。
(4)國產(chǎn)元器件進行批量儲備采購,統(tǒng)一組織與廠家簽訂協(xié)議、合同,廠家可提前按照用量備貨,統(tǒng)一驗收,統(tǒng)一發(fā)貨。
綜合以上分析,影響衛(wèi)星元器件質(zhì)量和成本的主要要素有選型策略、質(zhì)量等級、質(zhì)量保證措施、采購方式等。后續(xù)在工程實踐過程中應(yīng)加強元器件質(zhì)量等級與任務(wù)壽命情況,產(chǎn)品可靠性與產(chǎn)品性價比等統(tǒng)計分析,識別元器件應(yīng)用風(fēng)險的關(guān)鍵要素,保障商業(yè)通信衛(wèi)星在快響應(yīng)、低成本的元器件保障模式上不斷創(chuàng)新。