基于成熟度評(píng)價(jià)的航天器跨領(lǐng)域成熟產(chǎn)品集成管理模式

邱家穩(wěn) 劉慶華 張也弛

(1北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)(2中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

基于成熟度評(píng)價(jià)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(jì)部,北京 100094)(2中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)

針對(duì)低成本衛(wèi)星市場(chǎng)的需求,綜合考慮功能、性能、價(jià)格和進(jìn)度等約束條件,提出了基于成熟度評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法指導(dǎo)航天器產(chǎn)品的跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)、跨等級(jí)選用,以較低投入、較快進(jìn)度、全系統(tǒng)可靠為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)航天器系統(tǒng)的集成與運(yùn)行。管理模式已成功應(yīng)用于實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的研制管理過程,有效降低了研制經(jīng)費(fèi),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(píng)價(jià);集成管理;實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星

1 引言

技術(shù)成熟度的概念是由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)提出的,后來(lái)美國(guó)國(guó)防部(DoD)強(qiáng)調(diào)在國(guó)防正式采辦工作中須引入技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)[1],將技術(shù)按其成熟度劃分為9個(gè)等級(jí)[2]。我國(guó)也在其基礎(chǔ)上,應(yīng)用產(chǎn)品成熟度的概念對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]。對(duì)于復(fù)雜項(xiàng)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(píng)價(jià)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(jí)集成成熟度標(biāo)準(zhǔn),用以評(píng)價(jià)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(duì)復(fù)雜研制項(xiàng)目的成熟度評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[7]中對(duì)國(guó)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但對(duì)于如何采用成熟度評(píng)價(jià)方法改善衛(wèi)星的研制模式尚未進(jìn)行深入探討。

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí),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(duì)衛(wèi)星的熱控、供配電、控制等分系統(tǒng)功能進(jìn)行升級(jí)換代,并要增加數(shù)管、工程參數(shù)測(cè)量分系統(tǒng)。另外,衛(wèi)星的研制經(jīng)費(fèi)和研制周期是按原有返回式衛(wèi)星確定的,因此實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的研制面臨較大的經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度壓力。為了保證任務(wù)圓滿完成,在堅(jiān)持“高可靠、長(zhǎng)壽命”研制模式的基礎(chǔ)上,要探索建立適應(yīng)市場(chǎng)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(píng)價(jià)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(tái)、跨等級(jí)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(tái)繼承研制模式。該管理模式優(yōu)選出基于型譜、長(zhǎng)期庫(kù)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(duì)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(tái)產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)位,大大減少了新研產(chǎn)品占比,降低了研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)及質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),并且優(yōu)化了研制試驗(yàn)矩陣與研制流程,強(qiáng)化了衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性分析及接口匹配性驗(yàn)證。通過衛(wèi)星管理實(shí)踐,形成了衛(wèi)星工作成熟度評(píng)價(jià)方法與管理機(jī)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(fèi)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(píng)價(jià)組織形式、評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)方法和結(jié)果等要素,確保成熟度評(píng)價(jià)工作的有序開展。然后,通過綜合運(yùn)用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度理論,制定成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)模型,建立成熟度評(píng)價(jià)程序;在此基礎(chǔ)上,基于中國(guó)航天器產(chǎn)品型譜進(jìn)行跨平臺(tái)產(chǎn)品選型,并依據(jù)成熟度評(píng)價(jià)模型開展研制方案優(yōu)選和研制流程優(yōu)化,進(jìn)而針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)制定管理和強(qiáng)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(píng)價(jià)的系統(tǒng)研制頂層策劃,明確成熟度評(píng)價(jià)的組織管理形式及工作內(nèi)容,確保成熟度評(píng)價(jià)工作的有序?qū)嵤?/p>

2.1.1 明確成熟度評(píng)價(jià)組織管理形式

借鑒NASA和DoD的先進(jìn)理念,結(jié)合中國(guó)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(píng)價(jià)的頂層管理策劃,包括評(píng)價(jià)組織機(jī)構(gòu)、評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)結(jié)果4個(gè)要素,結(jié)構(gòu)如下。

(1)評(píng)價(jià)對(duì)象:單機(jī)產(chǎn)品、分系統(tǒng)和整星系統(tǒng)。

(2)評(píng)價(jià)組織機(jī)構(gòu):分為決策層、管理層和實(shí)施層。決策層是評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)的發(fā)起人;管理層主要負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)評(píng)價(jià)工作;實(shí)施層是評(píng)價(jià)工作的具體操作層[7]。在實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)目中,中國(guó)空間技術(shù)研究院是成熟度評(píng)價(jià)工作的發(fā)起人,并聯(lián)合中國(guó)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(jì)部負(fù)責(zé)組織相關(guān)項(xiàng)目的評(píng)價(jià)工作,并組織對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的審定;技術(shù)狀態(tài)委員會(huì)受實(shí)踐十號(hào)項(xiàng)目辦公室委托開展成熟度評(píng)價(jià)工作,包括組建專家組,組織專家組對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)價(jià)并完成評(píng)價(jià)結(jié)果的審核。評(píng)價(jià)工作組織機(jī)構(gòu)見圖1。

(3)評(píng)價(jià)方法:分別應(yīng)用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度評(píng)價(jià)方法,針對(duì)單機(jī)產(chǎn)品和分系統(tǒng)、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品開展成熟度評(píng)價(jià)活動(dòng)。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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)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(píng)價(jià)流程:由中國(guó)航天科技集團(tuán)啟動(dòng)評(píng)價(jià)工作,技術(shù)狀態(tài)委員會(huì)制定工作計(jì)劃,評(píng)價(jià)工作負(fù)責(zé)人提交評(píng)價(jià)報(bào)告,技術(shù)狀態(tài)委員會(huì)組織專家對(duì)報(bào)告進(jìn)行評(píng)審,北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部簽署意見,中國(guó)航天科技集團(tuán)、中國(guó)空間技術(shù)研究院和用戶三級(jí)聯(lián)合完成審定。評(píng)價(jià)工作流程如圖2所示。

2.1.2 明確成熟度評(píng)價(jià)工作內(nèi)容

成熟度評(píng)價(jià)工作內(nèi)容為:綜合采用產(chǎn)品成熟度和集成成熟度評(píng)價(jià)方法建立成熟度評(píng)價(jià)模型,對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)和單機(jī)產(chǎn)品的成熟度進(jìn)行評(píng)價(jià),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(yàn)驗(yàn)證、系統(tǒng)集成等研制過程,重點(diǎn)是圍繞用戶需求和節(jié)約成本,研究跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)產(chǎn)品選用與集成的可行性,提前識(shí)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(jì)備份措施、試驗(yàn)驗(yàn)證方法及針對(duì)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(fèi)、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(píng)價(jià)工作,具體見圖3。

2.2 制定成熟度評(píng)價(jià)模型

借鑒國(guó)外成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合航天器內(nèi)部專家經(jīng)驗(yàn),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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);之后,建立融合兩種成熟度的評(píng)價(jià)模型。

2.2.1 產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

航天單機(jī)產(chǎn)品在全生命周期內(nèi),將產(chǎn)品成熟度等級(jí)劃分為原理樣機(jī)產(chǎn)品、工程樣機(jī)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(jí)定型產(chǎn)品、2級(jí)定型產(chǎn)品、1級(jí)定型產(chǎn)品8個(gè)級(jí)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(yàn)證也越充分,選用成熟度等級(jí)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(fèi)”的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)各產(chǎn)品依據(jù)成熟度等級(jí)進(jìn)行分類管理,為實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)狀態(tài)把控和風(fēng)險(xiǎn)管理工作的順利實(shí)施提供了保障。但同時(shí)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(tái)產(chǎn)品,接口的適應(yīng)性一般會(huì)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(fèi)和進(jìn)度約束,對(duì)上一層級(jí)的(分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí))集成成熟度評(píng)價(jià)也是至關(guān)重要的。

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

2.2.2 集成成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品成熟度評(píng)價(jià)著眼于產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)層面,為產(chǎn)品研制管理提供分類管理依據(jù),但對(duì)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(duì)實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星來(lái)說,由于跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)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(duì)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(duì)來(lái)自不同領(lǐng)域、平臺(tái)的產(chǎn)品接口進(jìn)行評(píng)價(jià),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(fèi)風(fēng)險(xiǎn)可控。集成成熟度模型包含8個(gè)等級(jí),各等級(jí)的描述見表2。

表2 集成成熟度等級(jí)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(píng)價(jià)模型

產(chǎn)品的實(shí)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星在制定2種成熟度評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)模型,成熟度因子LR評(píng)價(jià)模型如下。

式中:ai為成熟度對(duì)應(yīng)的權(quán)值,i=1,2,通過專家打分,確定在實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星成熟度評(píng)價(jià)活動(dòng)中a1取0.7,a2取0.3;LPR為產(chǎn)品成熟度等級(jí);LIR為集成成熟度等級(jí)。

基于成熟度評(píng)價(jià)結(jié)果及相關(guān)薄弱環(huán)節(jié)識(shí)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(zhǎng)期庫(kù)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(jiǎn),具體見表3。

成熟度與經(jīng)費(fèi)、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(duì)進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)的評(píng)價(jià)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(fèi)和進(jìn)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 4 Relation between L R,funding and progress

3 管理模式在實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星研制中的應(yīng)用

3.1 衛(wèi)星研制方案簡(jiǎn)介

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星最早于2004年開始方案論證時(shí),各分系統(tǒng)升級(jí)換代需求不大,實(shí)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(xiàng)目正式啟動(dòng)時(shí),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(píng)估復(fù)產(chǎn)的進(jìn)度與經(jīng)費(fèi)因素,幾乎與新研產(chǎn)品無(wú)異。同時(shí)隨著載荷論證的進(jìn)一步深入,提供科學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中必要的功能支持,需要對(duì)衛(wèi)星的熱控、供配電、控制等分系統(tǒng)功能進(jìn)行升級(jí)換代,并需增加數(shù)管、工程參數(shù)測(cè)量分系統(tǒng)。這些升級(jí)需求,使實(shí)踐十號(hào)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(fèi)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(tái)、跨等級(jí)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(shí)的主流衛(wèi)星研制模式,嚴(yán)格遵守各項(xiàng)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星需要新研產(chǎn)品達(dá)118臺(tái),已停產(chǎn)需恢復(fù)投產(chǎn)設(shè)備57臺(tái),共占在整個(gè)產(chǎn)品配套中的72.9%,給衛(wèi)星研制帶來(lái)巨大的經(jīng)費(fèi)、進(jìn)度和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

方案2:基于其他衛(wèi)星平臺(tái)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(tái)、跨領(lǐng)域選用滿足任務(wù)需求的產(chǎn)品,則165臺(tái)產(chǎn)品可進(jìn)行補(bǔ)位選用,需要新研產(chǎn)品數(shù)量減少為10臺(tái)。

3.2 基于成熟度評(píng)價(jià)方法建立產(chǎn)品選用程序

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)品選用遵循以下程序:①識(shí)別所需功能、性能是否具有關(guān)鍵技術(shù);②對(duì)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(tái)跨領(lǐng)域選用成熟產(chǎn)品;④如果定型產(chǎn)品無(wú)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(duì)于某些型譜產(chǎn)品無(wú)法滿足要求,而產(chǎn)品可進(jìn)行冗余備份設(shè)計(jì)或產(chǎn)品功能非關(guān)鍵功能的情況,可考慮在商業(yè)市場(chǎng)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的需求開展技術(shù)升級(jí),其基本實(shí)現(xiàn)途徑有以下2類。①對(duì)返回式衛(wèi)星平臺(tái)原有產(chǎn)品能夠滿足實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星功能要求的,對(duì)原有產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)產(chǎn);針對(duì)實(shí)踐十號(hào)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(tái)、跨等級(jí)選擇現(xiàn)有成熟、價(jià)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(duì)于實(shí)現(xiàn)途徑①,經(jīng)過研制團(tuán)隊(duì)充分的技術(shù)論證,使用新研產(chǎn)品可從頂層設(shè)計(jì)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(huì)給項(xiàng)目帶來(lái)一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),面對(duì)緊張的研制周期和經(jīng)費(fèi)限制,實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的技術(shù)升級(jí)困難重重,需要在升級(jí)換代的同時(shí)控制好經(jīng)費(fèi)和時(shí)間。如果在方案制定時(shí)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(fèi)”的問題。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)途徑②,跨領(lǐng)域、跨平臺(tái)、跨等級(jí)選擇現(xiàn)有成熟產(chǎn)品可保證產(chǎn)品的成熟度,對(duì)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星環(huán)境條件要求,但多平臺(tái)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(duì)于返回衛(wèi)星來(lái)說,經(jīng)過幾十年的發(fā)展,形成了自己獨(dú)有的產(chǎn)品配套體系,與其他衛(wèi)星平臺(tái)的配套產(chǎn)品存在較大差異,這也為跨平臺(tái)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(píng)價(jià)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(shí)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(duì)策,最終實(shí)現(xiàn)降低項(xiàng)目技術(shù)和管理風(fēng)險(xiǎn)、提高項(xiàng)目成功概率的目的。

3.4 基于成熟度評(píng)價(jià)開展研制方案優(yōu)選

依據(jù)成熟度評(píng)價(jià)模型對(duì)衛(wèi)星研制方案進(jìn)行評(píng)價(jià),優(yōu)選出成熟度較高、研制周期和研制經(jīng)費(fèi)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(píng)價(jià)模型,綜合比較各種研制方案

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星在產(chǎn)品選型過程中應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)方法,對(duì)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(jī)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(fèi)上都面臨較大風(fēng)險(xiǎn);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(shì),但產(chǎn)品成熟度更高,在研制進(jìn)度、研制經(jīng)費(fèi)方面都大大優(yōu)于重新研制新產(chǎn)品。

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用成熟度評(píng)價(jià)模型對(duì)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(shí),在產(chǎn)品的跨平臺(tái)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(diǎn)和規(guī)律實(shí)施科學(xué)管理,產(chǎn)品選用、開發(fā)過程中強(qiáng)調(diào)滿足用戶需求、組合化、并行工程等一系列實(shí)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(shí)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(jī)、電、熱及信息接口,對(duì)于跨平臺(tái)成熟產(chǎn)品來(lái)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(tái)的接口都可能存在集成成熟度較低的問題。以對(duì)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(shí)現(xiàn)方案的集成成熟度比較Table 7 Comparison of integration maturity of two development schemes

實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星為滿足密封艙設(shè)備的熱環(huán)境條件,需要使用對(duì)流風(fēng)扇,而返回式衛(wèi)星原有對(duì)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(duì)流風(fēng)扇滿足實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用需求的,僅有載人飛船和空間站中使用的對(duì)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足要求,但該產(chǎn)品價(jià)格十分昂貴,在實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星研制經(jīng)費(fèi)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星項(xiàng)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(jī)環(huán)境試驗(yàn)摸底、多風(fēng)扇冗余備份設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品的可靠性滿足要求。通過2種成熟度的比較,識(shí)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(jì)手段保證系統(tǒng)可靠性,指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在滿足系統(tǒng)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,實(shí)踐十號(hào)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(yàn)的成功。

3.5 基于成熟度評(píng)價(jià)優(yōu)化研制流程

對(duì)于實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星來(lái)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(jì)、再分析與再驗(yàn)證的完善流程,采用新的產(chǎn)品選型模式后,其生產(chǎn)、驗(yàn)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(píng)價(jià)理論,從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度對(duì)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(jì)評(píng)審及驗(yàn)收流程優(yōu)化

設(shè)計(jì)評(píng)審優(yōu)化分為產(chǎn)品、分系統(tǒng)和系統(tǒng)3個(gè)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(duì)于成熟度高的環(huán)節(jié),可適當(dāng)簡(jiǎn)化其設(shè)計(jì)評(píng)審和產(chǎn)品驗(yàn)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(shí)間和經(jīng)費(fèi)。具體優(yōu)化環(huán)節(jié)見表8。

表8 實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程優(yōu)化情況Table 8 Optimization of development process of SJ-10 satellite

3.5.2 試驗(yàn)矩陣優(yōu)化

對(duì)于成熟度較高的產(chǎn)品,研制過程中的試驗(yàn)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(qiáng)度、剛度已經(jīng)過多次的再設(shè)計(jì)與再驗(yàn)證,初樣階段不再進(jìn)行結(jié)構(gòu)星力學(xué)試驗(yàn);返回式衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)的密封艙設(shè)計(jì),也已經(jīng)過多次的分析驗(yàn)證,且回收艙所用流體回路經(jīng)神舟號(hào)飛船多次驗(yàn)證,設(shè)計(jì)余量較大,初樣階段不再進(jìn)行整星熱試驗(yàn)。相應(yīng)的,初樣整星力、熱試驗(yàn)采用仿真分析的方法予以代替。在單機(jī)和分系統(tǒng)層面,針對(duì)大量成熟產(chǎn)品,減少了單機(jī)鑒定驗(yàn)收試驗(yàn)。

經(jīng)過成熟度理論的評(píng)價(jià),省略了對(duì)衛(wèi)星技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)影響較小的研制步驟,且對(duì)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(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星在成熟度評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,優(yōu)選出若干產(chǎn)品選用方案,同時(shí)也針對(duì)各類產(chǎn)品識(shí)別出所選用方案的薄弱環(huán)節(jié),并針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)加強(qiáng)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(píng)價(jià)完成產(chǎn)品選型后,實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星確定了對(duì)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(shí),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(gòu)渠道單一,高等級(jí)元器件的可獲得性比較低,同時(shí)在試驗(yàn)設(shè)備中使用了大量的部組件。針對(duì)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(duì)有效載荷的試驗(yàn)單機(jī)進(jìn)行了綜合風(fēng)險(xiǎn)分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)選用元器件的范圍和質(zhì)量等級(jí)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(duì)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(jí)元器件和限用工藝。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于成熟度評(píng)價(jià)的高性能、低成本的航天器集成研制模式,在實(shí)踐十號(hào)衛(wèi)星的研制過程中取得了成功應(yīng)用,在36個(gè)月內(nèi)完成了衛(wèi)星的研制工作,項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)比原測(cè)算經(jīng)費(fèi)降低了38.8%,在19項(xiàng)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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星出廠、發(fā)射,有力地說明了基于成熟度評(píng)價(jià)的航天器產(chǎn)品跨領(lǐng)域集成管理模式對(duì)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(guó)家重大航天工程

邱家穩(wěn),男,博士,研究員,研究方向?yàn)楹教炱骺傮w設(shè)計(jì)。Email:13911816829@139.com。

(編輯:夏光)