曲艷娟,趙 臻,張文浩,王 瑋
(1.航天恒星科技有限公司,北京 100095;2.航天科工二院二十三所,北京 100854)
國(guó)外商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,一批創(chuàng)新性強(qiáng)的商業(yè)航天公司如SpaceX 等脫穎而出,航天商業(yè)化進(jìn)程在航天運(yùn)輸、空間應(yīng)用等領(lǐng)域拓展,促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治、科技等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,引領(lǐng)了一大批顛覆性的技術(shù)的發(fā)展。我國(guó)國(guó)內(nèi)除了國(guó)有背景的商業(yè)航天公司,如航天科技、航天科工、中科院下屬公司外,其他民營(yíng)商業(yè)航天公司大多處在技術(shù)積累和資本運(yùn)作的階段,同時(shí)存在同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)序發(fā)展局面。與其對(duì)應(yīng)的,產(chǎn)品保證能力嚴(yán)重不足,主要體現(xiàn)在產(chǎn)品保證能力與低成本研制需求不匹配、批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品保證能力不足、對(duì)新技術(shù)新產(chǎn)品引入系統(tǒng)設(shè)計(jì)的保證能力不足三個(gè)方面。
本文就是針對(duì)這些不足進(jìn)行了思考,通過(guò)對(duì)商業(yè)衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星研制模式和技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比,梳理商業(yè)衛(wèi)星產(chǎn)品保證框架,明確商業(yè)航天產(chǎn)品保證的特點(diǎn),提出一套符合商業(yè)衛(wèi)星技術(shù)新、成本低、批量大特點(diǎn)的產(chǎn)品保證技術(shù)實(shí)施途徑,達(dá)到為商業(yè)航天發(fā)展提供決策依據(jù)和實(shí)施參考的目的。
國(guó)外商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,一批創(chuàng)新性強(qiáng)的商業(yè)航天公司脫穎而出,航天商業(yè)化進(jìn)程在航天運(yùn)輸、空間應(yīng)用等領(lǐng)域拓展,促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治、科技等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,引領(lǐng)了一大批顛覆性的技術(shù)的發(fā)展,如:可重復(fù)使用運(yùn)載技術(shù)、平板堆疊式衛(wèi)星技術(shù)、低成本工業(yè)元器件的使用和保證技術(shù)、高集成度總體設(shè)計(jì)技術(shù)等,增強(qiáng)了國(guó)家技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力。商業(yè)航天促進(jìn)了航天產(chǎn)業(yè)鏈的延伸,通過(guò)商業(yè)航天的發(fā)展,航天產(chǎn)業(yè)鏈不斷延伸,逐漸滲透到國(guó)家各個(gè)行業(yè)和日常生活領(lǐng)域。在產(chǎn)業(yè)鏈上游,促進(jìn)了材料、芯片、智能制造、精密儀器的發(fā)展;在產(chǎn)業(yè)鏈下游,促進(jìn)了通信、遙感技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、消費(fèi)等各大領(lǐng)域的應(yīng)用。
與此同時(shí),航天產(chǎn)品保證技術(shù)和方法也不斷提升。在元器件、原材料、工藝、軟件、可靠性、安全性、地面設(shè)備等各個(gè)方面,國(guó)外已建立了一大批具有商業(yè)航天特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)和管理體系。總的來(lái)說(shuō),國(guó)外商業(yè)航天在項(xiàng)目保證方面,有如下幾個(gè)特點(diǎn)。
圍繞商業(yè)航天快、省、易用的特點(diǎn)不斷制定和完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始,國(guó)外商業(yè)航天就開(kāi)始圍繞商業(yè)航天低成本、快速制造、功能針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn),制定和頒布了一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范,為火箭發(fā)射、衛(wèi)星制造及衛(wèi)星應(yīng)用等領(lǐng)域的商業(yè)化提供了行為準(zhǔn)則以及有力的支持。特別是近20 年,完善的政策法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,使SpaceX、藍(lán)色起源、OneWeb 等公司獲得了發(fā)展機(jī)遇。
圍繞技術(shù)革新開(kāi)展項(xiàng)目和產(chǎn)品保證。以運(yùn)載火箭為例,從國(guó)外已經(jīng)公開(kāi)的產(chǎn)品方案來(lái)看,商業(yè)航天公司非常重視技術(shù)創(chuàng)新和新技術(shù)的應(yīng)用,如SpaceX 公司采用新型可回收技術(shù)來(lái)降低火箭使用成本、火箭實(shí)驗(yàn)室(Rocket Lab)采用的電動(dòng)泵火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、ARCA 航天公司采用氣動(dòng)塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)的火箭方案、向量空間系統(tǒng)公司(Vector Space System)的擠壓式發(fā)動(dòng)機(jī)、西班牙Zero2Infinity 公司采用的三級(jí)并聯(lián)構(gòu)型等。
與此對(duì)應(yīng)的,在研制模式和管理模式上,SpaceX公司采用“研制—試驗(yàn)—改進(jìn)”的方案,以低成本、高可靠性為目標(biāo),通過(guò)低成本快速試驗(yàn)來(lái)快速探索與改進(jìn)性能指標(biāo),將產(chǎn)品保證程序極度精簡(jiǎn),比如獵鷹9從Block 1 版本到最新的Block 5 版本,只用了2 年時(shí)間,經(jīng)過(guò)幾輪循環(huán)迭代,火箭各項(xiàng)性能指標(biāo)越來(lái)越好、性價(jià)比越來(lái)越高。
在尊重與繼承的基礎(chǔ)上,改進(jìn)和完善商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈保證:經(jīng)過(guò)多年的研究和不斷完善,國(guó)外在商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)鏈方面,在運(yùn)載火箭、衛(wèi)星制造以及衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)已形成多家私營(yíng)企業(yè)良性競(jìng)爭(zhēng)的局面。除了傳統(tǒng)老牌航天企業(yè)以外,在火箭發(fā)射環(huán)節(jié),誕生了SpaceX、OrbitalSciences 等企業(yè),已成功完成多次火箭發(fā)射商業(yè)合同。在衛(wèi)星制造產(chǎn)業(yè),有OneWeb、DigitalGlobe、PlanetLabs 等公司。衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域,產(chǎn)生了OneWeb、OrbitalInsight、SkyboxImaging等公司,產(chǎn)業(yè)鏈的打通,促進(jìn)了供貨商—集成商—運(yùn)營(yíng)商—用戶的統(tǒng)一。
國(guó)內(nèi)除了國(guó)有背景的商業(yè)航天公司,如航天科技、航天科工、中科院下屬公司外,其他民營(yíng)商業(yè)航天公司大多處在技術(shù)積累和資本運(yùn)作的階段,絕大多數(shù)的民營(yíng)商業(yè)公司,主要業(yè)務(wù)聚焦在系統(tǒng)集成方面,鮮有企業(yè)去關(guān)注產(chǎn)業(yè)鏈下游配套的產(chǎn)業(yè)發(fā)展,同時(shí)存在同質(zhì)競(jìng)爭(zhēng)的無(wú)序發(fā)展局面。在產(chǎn)品保證方面,國(guó)內(nèi)的商業(yè)航天項(xiàng)目產(chǎn)品保證能力嚴(yán)重不足,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
首先,產(chǎn)品保證能力與低成本研制需求不匹配。如:元器件原材料方面,我國(guó)傳統(tǒng)的衛(wèi)星研制模式針對(duì)的是小子樣定制化的衛(wèi)星,元器件原材料選用原則是等級(jí)高、可靠性高,由此導(dǎo)致器件選用范圍窄,篩選項(xiàng)目過(guò)冗余,造成器件質(zhì)量成本昂貴,顯然無(wú)法適應(yīng)商業(yè)航天的低成本要求,需要我們?nèi)パ芯咳绾谓档推骷杀?,保證低成本器件也能滿足使用需要。產(chǎn)品設(shè)計(jì)層面,傳統(tǒng)衛(wèi)星定制化產(chǎn)品多,通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度低,衛(wèi)星產(chǎn)品狀態(tài)和接口復(fù)雜,造成研制生產(chǎn)過(guò)程成本的上升,需要我們積極開(kāi)展產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化定型和貨架產(chǎn)品選用,達(dá)到降低成本的目的。試驗(yàn)驗(yàn)證方面,傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)矩陣不對(duì)產(chǎn)品類型進(jìn)行區(qū)分,一刀切,不管任何成熟度等級(jí)的產(chǎn)品所做的試驗(yàn)項(xiàng)目都保持一致,造成了試驗(yàn)資源的浪費(fèi)和成本的上升,需要我們甄別和有針對(duì)性地簡(jiǎn)化試驗(yàn)要求,在保證衛(wèi)星可靠性基礎(chǔ)上降低成本。
其次,批量化生產(chǎn)的產(chǎn)品保證能力不足。我國(guó)目前商業(yè)衛(wèi)星生產(chǎn)能力大約15 顆/年,大部分采用以人工為主的生產(chǎn)模式,難以適應(yīng)規(guī)?;a(chǎn)商業(yè)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)合理性、工藝可行性、制造規(guī)范性的需求,產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性難以得到保證。商業(yè)衛(wèi)星規(guī)?;a(chǎn)涉及眾多的技術(shù)、復(fù)雜的過(guò)程以及眾多的研制生產(chǎn)單位,是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。商業(yè)衛(wèi)星研制生產(chǎn)活動(dòng)呈現(xiàn)探索性、先進(jìn)性、復(fù)雜性、高風(fēng)險(xiǎn)性等特點(diǎn),與規(guī)?;a(chǎn)產(chǎn)品體積小、重量輕、功耗少等特點(diǎn)形成鮮明的對(duì)比,對(duì)商業(yè)衛(wèi)星規(guī)模化生產(chǎn)產(chǎn)品保證提出了非??量痰囊蟆T诠┓竭x擇方面,傳統(tǒng)研制體系中供方能力不一,所承擔(dān)的產(chǎn)品研制任務(wù)分散,任務(wù)量不集中,造成了質(zhì)量管理成本和研制生產(chǎn)成本居高不下,需要我們深入研究解決。
總體來(lái)說(shuō),我們面臨著從傳統(tǒng)航天產(chǎn)品保證模式向商業(yè)航天產(chǎn)品保證模式的過(guò)渡,需要我們努力研究。
文章主要圍繞以下內(nèi)容進(jìn)行思考與討論。
主要從商業(yè)航天產(chǎn)品保證組織體系、產(chǎn)品保證規(guī)范體系;產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和貨架產(chǎn)品選用;元器件選用;試驗(yàn)驗(yàn)證;研制質(zhì)量控制程序等方面開(kāi)展了相關(guān)思考。
主要從供方優(yōu)化整合;供應(yīng)鏈體系;設(shè)計(jì)產(chǎn)品保證;工藝產(chǎn)品保證;制造產(chǎn)品保證;數(shù)據(jù)分析手段等方面開(kāi)展了相關(guān)思考。
主要從新技術(shù)新產(chǎn)品引入給產(chǎn)品保證帶來(lái)的主要問(wèn)題;商用元器件安全使用問(wèn)題及產(chǎn)品保證途徑;輕小型化設(shè)計(jì)帶來(lái)的可靠性問(wèn)題和產(chǎn)品保證途徑;集成設(shè)計(jì)帶來(lái)的兼容性問(wèn)題和產(chǎn)品保證途徑等方面開(kāi)展了相關(guān)思考。
產(chǎn)品保證組織體系方面,傳統(tǒng)產(chǎn)品保證組織體系采用縱橫并舉的矩陣式架構(gòu)??v向上覆蓋衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)單位、總裝單位、分系統(tǒng)承制單位和單機(jī)配套單位;橫向上包含項(xiàng)目指揮、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和產(chǎn)品保證人員,形成從上到下相互銜接的產(chǎn)品保證工作系統(tǒng)。但是多層次的組織結(jié)構(gòu)造成項(xiàng)目管理的條線過(guò)長(zhǎng),容易形成信息流通不暢、組織松散,從而影響項(xiàng)目管理的時(shí)效性和執(zhí)行力,而且,細(xì)分的組織崗位人員設(shè)置、對(duì)項(xiàng)目人員需求多,也會(huì)增加研制經(jīng)費(fèi),不符合商用衛(wèi)星精簡(jiǎn)的理念。
產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系方面,目前商業(yè)航天產(chǎn)品保證沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系,各類標(biāo)準(zhǔn)比較分散,對(duì)未來(lái)商業(yè)衛(wèi)星項(xiàng)目推進(jìn)不利。
研制流程方面,在系統(tǒng)規(guī)劃上,傳統(tǒng)航天將衛(wèi)星系統(tǒng)嚴(yán)格劃分為系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)三個(gè)級(jí)別,每個(gè)級(jí)別都要分別開(kāi)展各自的研制流程相關(guān)工作。比如單機(jī)要有方案設(shè)計(jì)評(píng)審、初樣詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審、正樣設(shè)計(jì)評(píng)審,分系統(tǒng)和系統(tǒng)也分別有方案設(shè)計(jì)評(píng)審、初樣詳細(xì)設(shè)計(jì)評(píng)審、正樣設(shè)計(jì)評(píng)審,各級(jí)的界限清楚。這種劃分保證了責(zé)任的明確和過(guò)程控制的完善,但是效率是很低的。
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化定型和貨架產(chǎn)品選用方面,傳統(tǒng)航天并不重視貨架產(chǎn)品的選用,大部分產(chǎn)品是新研和定制化修改的產(chǎn)品,產(chǎn)品研制效率低,研制鏈條長(zhǎng),不適應(yīng)快速低成本要求。
元器件的選用方面,傳統(tǒng)航天為了保證衛(wèi)星的可靠性,選用的是宇航級(jí)產(chǎn)品。宇航級(jí)產(chǎn)品通常為軍品器件生產(chǎn)線同線產(chǎn)品,宇航級(jí)元器件設(shè)計(jì)工藝往往與普通工業(yè)產(chǎn)品不同,如:為了抗輻照采用藍(lán)寶石襯底等工藝;生產(chǎn)制造中關(guān)鍵工藝工序的過(guò)程檢驗(yàn)更多、更嚴(yán)格;生產(chǎn)制造中的要求定環(huán)境、定設(shè)備、定人員等,生產(chǎn)后經(jīng)過(guò)了宇航級(jí)篩選和質(zhì)量保證過(guò)程。由于上述原因,宇航級(jí)器件其抗空間環(huán)境的能力更強(qiáng)、器件性能更加穩(wěn)定,價(jià)格也更高。相同功能的宇航級(jí)元器件價(jià)格往往是同樣功能工業(yè)器件的幾倍甚至幾十倍。
試驗(yàn)驗(yàn)證方面,傳統(tǒng)航天包絡(luò)大而全,對(duì)產(chǎn)品不加區(qū)分,試驗(yàn)余量(包括時(shí)間余量和量級(jí)余量)設(shè)置較大,雖然目前各試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定基本上都是推薦性的,但在執(zhí)行過(guò)程中,常常被當(dāng)作強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)使用,造成了部分產(chǎn)品試驗(yàn)條件余量過(guò)大,浪費(fèi)了很多寶貴的試驗(yàn)資源。
供方選擇方面,傳統(tǒng)研制體系中供方多,能力不一,所承擔(dān)的產(chǎn)品研制任務(wù)分散,任務(wù)量不集中,造成質(zhì)量管理成本和研制生產(chǎn)成本的居高不下,不利于批量化研制和生產(chǎn)的開(kāi)展。
供應(yīng)鏈方面,傳統(tǒng)航天需求、制造、應(yīng)用各自為戰(zhàn),尚未形成供應(yīng)鏈體系,造成需求不明確、衛(wèi)星不好用不易用、應(yīng)用不深入等問(wèn)題。
量產(chǎn)的產(chǎn)品保證體系方面,對(duì)于量產(chǎn)衛(wèi)星,現(xiàn)在并沒(méi)有成型的產(chǎn)品保證體系,各單位各自為戰(zhàn),不利于統(tǒng)籌管理。
產(chǎn)品保證組織體系方面,商業(yè)航天應(yīng)從工程項(xiàng)目實(shí)際出發(fā),充分考慮市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)規(guī)律,吸取已有衛(wèi)星研制的成熟經(jīng)驗(yàn),貫徹管理層級(jí)“扁平化”和職責(zé)“集中化”的理念,建立適應(yīng)衛(wèi)星管理簡(jiǎn)潔高效的產(chǎn)品保證組織體系。管理層級(jí)“扁平化”是指產(chǎn)品保證組織機(jī)構(gòu)集中,通過(guò)減少部分中間管理層級(jí),實(shí)現(xiàn)組織機(jī)構(gòu)的扁平化,提高管理效率,便于上級(jí)要求的及時(shí)傳達(dá)和下級(jí)問(wèn)題的實(shí)時(shí)反饋。職責(zé)“集中化”,是指不再設(shè)置單獨(dú)的產(chǎn)品保證隊(duì)伍,其產(chǎn)品保證工作由產(chǎn)品設(shè)計(jì)師統(tǒng)一負(fù)責(zé)??煞抡誆SSA 的做法,設(shè)置監(jiān)造(可以兼職多個(gè)項(xiàng)目),負(fù)責(zé)對(duì)產(chǎn)品保證技術(shù)細(xì)節(jié)的策劃和檢查。
產(chǎn)品保證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系方面,商業(yè)航天可按照層次構(gòu)建,分四個(gè)層次:頂層是產(chǎn)品保證的目標(biāo)和原則以及隊(duì)伍建設(shè)方案;第二層是產(chǎn)品保證九大要素的基本要求;第三層是各要素的工作流程和配套規(guī)范;第四層是各要素包括的詳細(xì)技術(shù)規(guī)范,如電纜綁扎保證要求,各類天線單機(jī)產(chǎn)品保證要求等。
研制流程方面,商業(yè)航天應(yīng)需要根據(jù)特點(diǎn)做出調(diào)整,主要調(diào)整內(nèi)容是:壓縮系統(tǒng)層級(jí),整合流程中的工作項(xiàng)目,適當(dāng)壓縮研制階段,使其更高效。
產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化定型方面,商業(yè)航天可以考慮采取“有所為、有所不為”的低成本戰(zhàn)略。貨架產(chǎn)品(A、B、E類設(shè)備)更關(guān)注“選、篩、用”環(huán)節(jié);重視開(kāi)展產(chǎn)品的使用歷史研究,包括產(chǎn)品的應(yīng)用履歷、產(chǎn)品的技術(shù)性能指標(biāo)在地面和在軌的穩(wěn)定性分析、異常情況、指標(biāo)包絡(luò)線分析等;重視開(kāi)展產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性分析,包括產(chǎn)品曾經(jīng)經(jīng)歷的在軌環(huán)境,曾經(jīng)經(jīng)歷的最大環(huán)境包絡(luò)等;重視開(kāi)展產(chǎn)品的工藝穩(wěn)定性分析,有無(wú)禁限用工藝等;重視開(kāi)展產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程分析,以及廠家生產(chǎn)能力分析等。
元器件選用方面,商業(yè)航天應(yīng)在滿足使用的前提下,盡量降低元器件成本的策略,選篩用綜合考慮。選擇上,應(yīng)以夠用為核心,加強(qiáng)元器件數(shù)據(jù)的分析;篩選上,適當(dāng)調(diào)整篩選策略,減少篩選項(xiàng)目;使用方面,要從系統(tǒng)可靠性入手,保證器件用得對(duì),用得值。
試驗(yàn)驗(yàn)證方面,商業(yè)衛(wèi)星可以根據(jù)產(chǎn)品適度裁減篩選度低的試驗(yàn);合并部分單機(jī)試驗(yàn)與整星試驗(yàn);統(tǒng)籌考慮單項(xiàng)收費(fèi)高的試驗(yàn)項(xiàng)目;具體產(chǎn)品具體分析試驗(yàn)項(xiàng)目和量級(jí);簡(jiǎn)化批產(chǎn)產(chǎn)品的試驗(yàn)。通過(guò)這些手段適應(yīng)商業(yè)衛(wèi)星的需求。
在供方優(yōu)化整合方面,商業(yè)航天應(yīng)綜合考慮供方能力、供方替代性、供方意愿及合作策略,來(lái)優(yōu)化整合供方。
量產(chǎn)產(chǎn)品供應(yīng)鏈體系方面,商業(yè)航天應(yīng)打通上下游環(huán)節(jié),研究衛(wèi)星配套產(chǎn)品進(jìn)、銷、存、生產(chǎn)、交付等環(huán)節(jié)。量產(chǎn)產(chǎn)品保證體系方面,商業(yè)航天應(yīng)在設(shè)計(jì)合理性、工藝可行性、制造規(guī)范性以及數(shù)據(jù)分析方法上下功夫。
本研究中探討的各種產(chǎn)品保證途徑,都是實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目最終目標(biāo)的技術(shù)手段。通過(guò)這些產(chǎn)品保證途徑,可以解決或減輕商業(yè)衛(wèi)星項(xiàng)目實(shí)施中各要素之間的矛盾,然而,這些途徑卻不是商業(yè)衛(wèi)星項(xiàng)目成敗的決定因素。
商業(yè)衛(wèi)星雖然具有商業(yè)屬性,遵從市場(chǎng)規(guī)律,但其畢竟還是一個(gè)系統(tǒng)工程,需要利用系統(tǒng)工程理論統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)費(fèi)、范圍、時(shí)間、質(zhì)量等各種項(xiàng)目要素之間的關(guān)系。而實(shí)現(xiàn)各種項(xiàng)目要素的協(xié)調(diào)統(tǒng)一,才是項(xiàng)目成功的根本。過(guò)度地提高對(duì)某個(gè)要素的要求,導(dǎo)致要素間的不協(xié)調(diào),是不科學(xué)的,也會(huì)阻礙項(xiàng)目的順利開(kāi)展。