面向市場的上面級產品化工程實踐與探索

◎中國運載火箭技術研究院 馬昆 唐軍剛 惠興晨 劉欣 王華

中國運載火箭技術研究院建院50 余年來，已由成立之初的型號研究院逐步轉變為集“多型號研制并舉，研制與批生產并重”的經營實體，逐步由單一途徑執行國家科研任務向多任務途徑主動開拓市場轉變，逐步由項目牽引能力發展向市場導向自主研發轉變。

2009年以來，依托國家科技重大專項工程牽引，研究院開展了大、小2 型上面級的論證設計和工程研制，以完成“一箭多星”直接入軌發射任務。在基本型的基礎上進一步拓展性能、提升能力和任務適應性，形成了拓展構型，進而滿足不同用戶的多樣發射需求。上面級按照通用化、系列化、產品化原則開展設計，通過實施產品化工程，分系統設計方案和主要單機產品技術狀態保持一致，同時充分考慮多種任務需求開展優化設計，縮短了研制周期，優化了研制成本，為提高上面級產品市場競爭力、快速搶占市場奠定了堅實的基礎。

一、產品化思路

1.指導思想

上面級發展遵循立足基礎、突破技術，形成能力、滿足需求，整體規劃、系列發展，分步實施、持續推進的總體思路，在具體型號研制過程中秉承頂層設計、逐步擴展、型譜選用、統籌兼顧的產品化設計理念和指導思想。

在上面級設計中，產品化工程貫徹頂層設計、自上而下的原則，盡量統一分系統方案，以此為基礎統一單機產品。

上面級總體及各分系統設計中充分考慮產品化要求，技術方案應具備一定可擴展性，為技術方案統一及后續型號借用奠定基礎。

充分考慮與成熟型號及在研型號的產品和技術共用，可借用其它型號產品的盡量借用，可選用型譜產品的必須選用。

單機產品設計要力求兼顧多型上面級使用要求，且試驗環境條件以最大包絡進行，為產品化工作奠定基礎；提高地面設備、試驗工裝以及研制保證條件實施方案的通用性，統籌多型上面級使用要求；統一接插件選型，制定統一的上面級接口標準和接插件要求。

2.實施策略

總體方案設計中考慮系列化設計，系統方案盡量保持一致；充分考慮產品化策略，盡量減少單機種類；充分考慮通用性，能夠與不同的基礎級火箭組合使用；充分考慮使用靈活性，具備單星、雙星和多星發射能力及軌道部署能力，能夠發射包括高、中、低等多種軌道有效載荷。

結構系統由于結構尺寸、載荷條件等均有較大差異，無法實現完全意義上的產品化，只能實現設計思路、工藝、主材料、零部件等最大程度的一致化；結構形式及總體布局可保持一致，采用直筒段儀器艙儀器內裝方案、圓柱段殼體加十字腹板結構形式及4 個主動力貯箱環向均勻分布的總體布局；強化產品相似性的類比分析，掌握影響結構產品承載能力或功能的主要因素，在同類結構產品中進行借鑒或繼承。

動力系統采用同一種總體方案，如主動力系統和姿控系統獨立供應，采用常規動力液體發動機等；主動力系統盡量選用同一型種發動機，綜合權衡可靠性等設計要求，考慮采用多臺發動機并聯方案；姿控發動機系統盡量選用相同規格的推力室以及貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產品，綜合權衡可靠性等設計要求，根據控制力、沉底等設計要求，配置不同數量的姿控噴管、貯箱、氣瓶、電磁閥等單機產品；增壓輸送系統總體方案及單機狀態盡量保持一致，綜合權衡可靠性等設計要求，配置不同數量的單機產品來滿足設計要求；推進劑管理系統方案及單機狀態盡量保持一致。

電氣系統采用一體化設計，統一軟硬件接口標準；采用統一供配電模式進行控制、測量、熱控、分離的供配電；控制系統采用總線進行綜合設計，具備產品化條件；測量系統中遙測傳輸體制相近、外彈道測量體制相近，因此測量系統的高精度測量技術、一體化供配電技術、數據預處理技術、無線信道仿真技術等均可以共用，產品化基礎較好。

發射支持系統主要單機參數由上面級結構參數、質量特性、推進劑種類、加注諸元、瞄準方案等要求決定，具備較好的產品化工作基礎；對主要單機產品進行參數包容性設計，以滿足多個型號需求。

二、產品化實踐

針對上面級產品特點，在型號研制過程中貫徹頂層設計、自上而下的原則，統一與其它大系統的接口，統一分系統方案，注重選用型譜產品及借用產品，控制適應性改進產品和控制新研產品，貫徹產品化工作要求。

1.外系統接口統一

基本型上面級以“一箭多星”直接入軌發射國家某重大專項衛星任務為設計目標，兼顧長遠發展需求設計。因此，在方案設計和研制過程中的一個重要原則就是不同發射方案下對工程各大系統，尤其是與衛星系統的接口必須保持統一。

具體措施為：星箭機械接口保持一致，采用方形盒衛星支架，4 點連接，連接解鎖裝置選用低沖擊分離螺母，分離能源選用壓縮彈簧組件；星箭電氣接口保持一致，采用2 個分離插頭連接；衛星對上面級供電、熱防護、滑行段姿態調整、電磁兼容、分離速度及分離姿態等要求均保持一致；提供衛星系統的設計載荷和力學環境條件為不同發射方案下的最大包絡，確保衛星的設計能夠滿足不同發射方案的要求。

2.分系統方案統一

基本型上面級除多星分配器外，其它各系統方案絕大部分均保持相同或相近。但在主結構尺寸及主承力構件布置、貯箱及貯箱懸掛結構尺寸和結構參數、儀器布局、管路電纜敷設及分支長度、隔熱屏外形尺寸及結構參數、主動電加熱路數、運輸/停放/起吊設備結構尺寸及結構參數、推進劑加注供氣系統方案等方面需做適應性調整；在主發動機、姿控噴管、姿控貯箱、氣瓶、主增壓氣瓶、閥門等單機產品方面需做適應性增加。同時，大上面級研制中需針對其特有的輕質高剛度多星分配器技術、多星分離技術、散熱面等溫化、發動機雙機并聯所帶來的偏差量控制、地面測試發射流程等技術進行攻關研制。

3.單機產品選用

（1）型譜產品選用情況

根據目前小上面級總體及各系統方案，全箭配套產品共計75 種，其中可選型譜產品22 種，選用型譜產品19 種、借用產品23 種、新研產品33 種。

根據上述原則，選用型譜產品百分比=（選用型譜產品類數/可選型譜產品類數）×100%，其中各級成熟度產品占比=（各級成熟度產品類數/選用型譜產品類數）×100%。據此，小上面級選用型譜產品為86.36%，其中5 級成熟度產品為33.33%，4 級成熟度產品為21.43%，3 級成熟度產品為28.57%，2 級成熟度產品為11.91%，1 級成熟度產品為4.76%，所選型譜產品及借用產品均為國產化產品。

同樣，根據目前大上面級總體及各系統方案，其選用型譜產品為90.48%，其中5 級成熟度產品為31.58%，4 級成熟度產品為36.84%，3 級成熟度產品為15.79%，2 級成熟度產品為10.53%，1 級成熟度產品為5.26%，所選型譜產品及借用產品也均為國產化產品。

另外，考慮到大上面級借用了部分小上面級的新研產品，后續這部分新研產品也將統一納入產品型譜管理，因此未來大上面級選用型譜產品的比例還將進一步提升。

（2）借用產品情況

根據目前小上面級總體及各系統方案，其借用產品共計23種，占30.67%。在大上面級設計中，除小上面級的借用產品外，姿控發動機系統、主發動機、增壓輸送系統、推進劑管理系統、控制系統、測量系統、主動熱控系統全套產品均借用小上面級產品。所有借用產品均按質量管理要求進行了環境適應性分析等工作。

（3）適應性改進產品情況

根據目前2 型上面級總體及各系統方案，小上面級設計中適應性改進產品數量較少，大上面級設計中無適應性改進產品。所有適應性改進產品均按照質量管理要求進行了環境適應性分析、技術狀態變化控制、接口技術狀態分析等工作。

（4）新研產品情況

根據目前小上面級總體及各系統方案，新研產品共計33 種，占44%。在其研制基礎之上，大上面級新研產品主要是結構系統產品。所有新研產品均按照質量管理要求進行了關鍵技術攻關、原理性試驗驗證、數學仿真分析等工作。

4.產品成熟度提升

根據型譜產品選用分析結果，小上面級選用的型譜產品中3 級成熟度以上產品（含3 級）占83.33%，大上面級選用的型譜產品中3 級成熟度以上產品（含3 級）占84.21%，絕大部分產品都經過了3 次以上飛行試驗，產品成熟可靠。

上面級工程研制帶動了一批新研產品開發，后續將以型號應用發射為牽引帶動產品成熟度提升，實現型號和產品同步發展。

三、市場化應用

上面級一般具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點，具有較強任務適應性，其工作段通常已進入地球軌道，能夠完成軌道機動、有效載荷分離與部署等任務，是提高火箭性能和任務適應能力的有效途徑。

上面級發展遵循立足基礎、突破技術，形成能力、滿足需求，整體規劃、系列發展，分步實施、持續推進的總體思路，本著繼承基礎、逐步提升和產品化的設計理念與指導思想構建了一系列上面級產品發展規劃，為提高市場競爭力、縮短研制周期、優化研制成本、快速占領市場奠定了堅實基礎。

小上面級與3.35m 直徑基礎級火箭組合，2015年首飛，直接應用于國家某重大專項工程“一箭多星”的組網和補網發射，除此之外，還可應用于月球探測工程等其它國家重大專項。

大上面級與5m 直徑基礎級火箭組合，2016年左右結合CZ-5 火箭首飛進行飛行搭載，主要用于“一箭多星”發射任務。特別是由于與小上面級并行統籌開展研制，大大縮短了研制周期，研制成本也得以大大優化。

中國運載火箭技術研究院在當前和未來相當長一段時間內，型號任務規模越來越大、新技術越來越復雜、研制周期越來越短、質量要求越來越高，要全面提升核心競爭力和持續健康發展，首要的實質性工作就是降本增效，而實施產品化工程是實現降本增效的有效途徑之一。

在上面級的論證設計和工程研制中，充分秉承通用化、系列化、產品化設計理念，從管理方法、技術實現等幾個層次充分貫徹產品化設計思想，切實提高了設計可靠性、降低了技術風險，為提高市場競爭力、縮短研制周期、優化研制成本、快速占領市場奠定了堅實基礎?！?/p>