皮納二號衛星研制流程優化的探索與實踐

李紅寶 李延東 蘇文 馬文杰

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

皮納二號衛星研制流程優化的探索與實踐

李紅寶 李延東 蘇文 馬文杰

(航天東方紅衛星有限公司,北京 100094)

皮納二號衛星是航天東方紅衛星有限公司研制的試驗驗證衛星,目的是對微納型衛星平臺和載荷的技術及產品進行在軌驗證,同時對低成本衛星研制流程優化工作進行探索。通過研究和借鑒其它衛星型號的做法和經驗,在皮納二號衛星研制過程中對技術流程、產品投產、試驗驗證、元器件選用、軟件管理、發射場工作等各方面均開展了流程優化的嘗試工作,節省了一定的人員和設備資源占用,縮短了研制周期,為低成本衛星研制流程優化積累了經驗,可作為其它有類似需求的衛星型號的借鑒和參考。

低成本衛星;研制流程;優化

1 引言

近年來以立方體衛星為代表的微納衛星、皮納衛星發展迅速,已逐漸突破以科學與技術試驗為主要用途的傳統思維,應用領域不斷拓寬[1]。比如美國空軍、海軍、國家偵察局(NRO)等在空間快速響應(ORS)計劃驅動下,提出并落實了一系列用于戰場偵察、通信任務的皮納衛星星座,與傳統大衛星系統形成能力互補。

我國也開展了一系列的微納衛星研制和在軌驗證工作,如深圳航天東方紅海特衛星有限公司、中國科學院上海微小衛星工程中心、哈爾濱工業大學、浙江大學等,均發射了多顆微納衛星,開展了大量的在軌驗證,并形成了一定的能力。

航天東方紅衛星有限公司已研制發射了多顆微納衛星,如2009年發射的希望一號衛星,2015年發射的希望二號衛星[2]等,均在國內外產生了一定的影響。

皮納二號衛星是航天東方紅衛星有限公司自主研制的一組試驗驗證星,目的是在進一步驗證微納衛星平臺和新型載荷技術的同時,對研制周期短、工作壽命和可靠性要求不高的低成本衛星研制流程進行探索和實踐。

2 微納衛星優勢

相比傳統衛星,采用微納衛星組網運行,可以快速實現針對特定區域、特殊目標進行高頻度觀測的能力。同時,微納衛星組網運行還具有建設成本低廉的好處,一般一個星群的成本不會超過一顆常規低軌衛星的成本。另外,微納衛星組網運行還具有生存能力強的特點。2013年8月,美國空軍航天司令部發布的“彈性與分散空間體系”白皮書指出:除了能夠提高效能和節約成本等好處之外,分離或分散的衛星星座還能夠在遭受自然環境影響和敵對威脅時具有更強的生存能力、強健性和彈性。

因此,微納型專用星群能夠有效彌補其他手段的不足,其系統生存能力強,少量衛星失效對系統效能的影響有限,建設成本低廉。

3 皮納二號衛星概述

皮納二號衛星是公司自主投入,針對用戶特定需求研制開發的微納型試驗衛星,目的是基于微納型衛星平臺和輕小型載荷的技術成果,研制專門的衛星,全面驗證相關技術和產品,探索微納衛星在相關領域的應用模式,同時對低成本衛星的研制模式進行探索,為后續的“批生產”奠定基礎。

皮納二號包括技術狀態基本相同的兩顆衛星——A星和B星,每顆衛星由衛星平臺和有效載荷兩部分組成,衛星平臺包括控制、結構與機構、熱控、星務管理、測控、能源等6部分,有效載荷包括載荷和數傳兩部分。衛星采用立方體構型,本體尺寸為邊長約400 mm的立方體,整星質量約30 kg,長期功耗20 W,載荷和數傳開機期間短期功耗約35 W。

兩星于2016年11月10日在酒泉衛星發射中心由CZ-11 Y2運載火箭發射入軌,工作于500 km高度的太陽同步軌道,目前兩星工作穩定,載荷在軌工作正常,各項功能、性能指標滿足設計要求。

4 皮納二號衛星研制流程優化理念

在進行皮納二號衛星研制全生命周期策劃時,衛星研制隊伍特別重視“流程優化”。在對常規衛星的研制工作項目進行梳理分析的基礎上,借鑒各衛星型號研制經驗和教訓[3],按照“精簡一部分、優化一部分、保留一部分”的原則,確定了皮納二號衛星研制工作項目和研制技術流程。

這些精簡、優化的項目,是在充分分析論證的基礎上進行的,并且精簡和優化的項目也不是絕對地不做或少做,而是通過其它方式進行驗證和確認,比如有的工作項目用分析對比代替試驗驗證,有的是以仿真代替實物驗證,有的是以局部驗證代替全面驗證等,而必須開展的整星力學、熱控、電磁兼容性(EMC)試驗和全面測試等工作,則全部保留。

5 皮納二號衛星研制流程優化的探索與實踐

5.1 技術流程優化

皮納二號衛星研制過程突破傳統的技術流程框架,將整個衛星研制分為“設計驗證”和“研制生產”兩個階段,其中設計驗證階段不投產專門的驗證星(電性星、力學熱控星、輻射模型星等),而是將一顆正樣星,即皮納二號A星定義為正檢星,完成全面驗證之后直接參加發射任務。

設計驗證階段主要開展的工作如下:①梳理明確各產品、組件間接口,明確技術狀態;②對成熟產品的適應性進行分析確認;③新研制的數傳、載荷電性產品,與平臺產品進行聯試、電磁兼容性專項驗證;④明確正樣產品技術狀態并投產,其中新研制的數傳和載荷產品完成準鑒定級試驗;⑤正樣產品齊套,組裝為正檢星(皮納二號A星),完成整星測試和各項試驗,完成大系統對接試驗;⑥對試驗結果進行評估,明確正樣星技術狀態。

研制生產階段主要開展的工作如下:①B星正樣產品的研制、試驗;②B星正樣產品齊套,完成整星測試和各項試驗;對A星、B星進行發射狀態實施,完成兩星出廠評審。

皮納二號衛星研制技術流程與傳統衛星相比,最大的區別是未投產專門用于整星級試驗驗證的地面驗證星,而將其中一顆正樣星(皮納二號A星)定義為正檢星,完成全面驗證,經評估并進行發射狀態實施后參加發射任務。另外一點是新研制產品不投產鑒定件,而是以正樣產品通過準鑒定試驗進行考核。

5.2 產品投產優化

1)成熟產品直接投產正樣件

皮納二號衛星平臺大部分為成熟產品,如星務、電源、控制等,設計驗證階段均未投產驗證產品,而是對借用產品進行適應性修改(主要是軟件的修改),參加各組件間的電性能聯試驗證工作,然后直接投產正樣件產品,實現“一步正樣”。

成熟產品“一步正樣”,不僅節約成本,而且節省了產品研制的時間,也減少了設計師的工作精力投入,能夠更好地對產品狀態進行梳理,更早的投產正樣產品,確保正樣產品的研制質量和交付時間。

2)新研制設備不投產鑒定產品

皮納二號衛星新研制的載荷、數傳產品,均有一定的技術基礎,但無在軌驗證經歷,按照常規的要求,應投產專門的鑒定件進行試驗考核。考慮此衛星屬于試驗驗證性質,同時借鑒以往衛星研制中利用正樣產品通過準鑒定級試驗進行考核的經驗,皮納二號數傳和載荷產品未投產鑒定件,只投產一臺電性產品和A、B星共兩臺正樣產品。電性產品主要驗證功能、指標和接口,A星正樣產品進行準鑒定試驗考核,B星產品進行驗收級試驗。取消鑒定產品的投產,顯著地節約了研制成本,節省了研制時間。

5.3 試驗驗證流程優化

1)整星試驗流程優化

如前所述,皮納二號未投產完整的初樣電性星和力學熱控星,而是將一顆正樣發射星(A星)定義為正檢星,完成所有的整星驗證工作,包括整星的測試、模飛、力學試驗、EMC試驗、熱平衡試驗、熱真空試驗和磁試驗等。

試驗完成后,對局部設計狀態進行了更改完善,經仿真和分析,更改的項目無需再進行整星級的全面驗證。完成更改完善和發射狀態實施后,衛星直接參加發射任務,也即實現了整星級的“一步正樣”。

整星試驗流程的優化,降低了研制成本,并且使得衛星研制周期至少縮短了3個月。

2)EMC試驗驗證流程優化

皮納二號屬于無線電載荷的衛星,根據以往衛星研制經驗,這類衛星的電磁兼容性問題一般比較突出,如果不盡早進行驗證,正樣階段可能需要大量的時間投入[4-5]。

在衛星研制策劃時,明確了設計驗證階段電磁兼容性相關工作先進行局部驗證、再利用正檢星進行全面驗證的思路。其中局部驗證工作,包括天線間空間隔離度仿真、相關設備間射頻兼容性分析、天線間空間隔離度測試、電性產品聯試時無線狀態的電磁兼容性摸底試驗等。通過這些分析、測試及摸底試驗,對整星狀態的電磁兼容特性有了較全面的把握,明確了電磁兼容性實施要求,包括天線的隔離安裝、低頻電纜的包覆要求、射頻設備的屏蔽實施等。

這些措施直接在正樣產品和發射星實施,整星EMC試驗一次通過,確保了衛星的出廠計劃。

5.4 元器件選用管理

與以往長壽命、高可靠型號的要求不同,皮納二號衛星具有研制周期短、在軌壽命要求低、重點開展在軌驗證而無明確的任務要求等特點。針對這些特點,衛星項目辦公室委托中國空間技術研究院物資部制定了“電氣、電子和機電(EEE)元器件保證要求”,對元器件選用、采購、質量保證等進行了規定,并和以往型號有所區別。

如采購渠道,不再要求統一采購,而是由使用單位直接采購;國產商用現貨產品(COTS)元器件要求從廠家直接采購,進口COTS元器件優先從一級代理商處進行采購,非一級代理采購時要求選擇有采購歷史且產品具有衛星產品應用經歷的渠道,COTS元器件采購應盡可能多地獲取元器件生產情況,如生產廠情況、元器件產品手冊等。同時還提出了元器件板級篩選的要求,單機承制單位應根據項目和單機設計、可靠性等要求制定板級或單機級篩選試驗方案,明確試驗項目、試驗條件和試驗判據,試驗方案由型號項目辦公室組織有關專家審查確認;元器件裝機后應進行板級或單機級篩選試驗,試驗項目應至少包括高溫老煉和溫度循環,高溫老煉連續運行時間不少于48 h,溫度循環不低于10次。溫度按照設備鑒定級條件確定。對元器件失效,要求單機研制過程中出現重復失效(兩次及以上)或整星總裝、測試與試驗(AIT)過程中失效效應開展失效分析。

以上各項措施,既對元器件選用進行了有效控制,又避免了較長的時間占用和較高的成本投入。

5.5 軟件研制管理

與元器件選用管理相同,軟件管理方面,根據型號沒有長壽命、高可靠要求的特點,制定了“軟件產品保證大綱”,對軟件研制流程、配置管理、更改管理、測試確認等方面的要求進行了明確。主要思路是重視軟件需求的明確,重視軟件更改的控制及版本管理,重視確認測試、聯試測試驗證的全面性和有效性,不要求軟件進行第三方評測,只要求進行第三方審查即可。

同時,星上各設備的程序均存儲在flash型存儲器中,無PROM存儲器,所以整星取消了“軟件落焊”環節。各設備均具備不開蓋更新軟件的功能,即在整星狀態就可以給各軟件進行升級,減少了設備拆裝的環節。

5.6 發射場工作流程優化

皮納二號衛星在科學分析的基礎上,充分繼承成熟衛星的實踐成果,對發射場工作進行了合理裁剪和流程優化[6]。具體如下。

(1)整星合板運輸,發射場不開板。在衛星進場前,完成整星發射狀態的合板工作,星內完成所有發射狀態的實施,并進行最終狀態檢查確認和拍照確認。

(2)發射場不進行開板檢查和全面性能測試。衛星進入發射場后,只對與運輸、振動相關的項目進行功能測試、健康狀態檢查,如考核繼電器切換動作的開關機、主備切換測試,考核天線狀態及高頻電纜安裝狀態的星地無線性能測試等。

(3)衛星與運載火箭對接后,無任何測試和操作。通過計算分析,衛星的設計狀態支持斷電后至少20天再加電,對蓄電池壽命等無任何影響,可確保在發射場有較大的時間靈活度。皮納二號衛星與運載火箭對接前,即處于斷電狀態,對接后完成保護蓋拆除、吊具吊點的防護處理等最終狀態的處理和確認;與運載火箭對接后,不進行任何測試及電池充電等工作,也無任何總裝操作項目。

通過這些流程優化,實現了發射場主要工作20人15天完成的目標。

6 結束語

衛星研制流程優化既可以縮短研制周期,加快新技術的應用驗證,而且還可以降低研制成本,顯著地提高市場競爭力,同時還是為應對可能到來的“井噴”式的宇航任務[1],探索“流水線”式的宇航產業全新生產模式奠定一定的基礎。

References)

[1]李明.微小衛星發展的若干思考[J].航天器工程,2016,26(6):1-5 Li Ming.Perspective on development of micro-small satellites[J].Spacecraft Engineering,2016,26(6):1-5(in Chinese)

[2]施思寒,趙志明,付偉達,等.希望二號衛星低成本研制模式探索與實踐[J].航天器工程,2016,25(z2):7-10 Shi Sihan,Zhao Zhiming,Fu Weida,et al.XW-2 low-cost development model to explore and practice[J].Spacecraft Engineering,2016,25(z2):7-10(in Chinese)

[3]吳松平,張弩,吳亞光.小衛星裝備星研制流程梳理及優化分析[J].航天器工程,2015,24(z2):76-80 Wu Songping,Zhang Nu,Wu Yaguang.Small satellite equipment comb star development process analysis and optimization[J].Spacecraft Engineering,2015,24(z2):76-80(in Chinese)

[4]汪洲,張澤敏,高致,等.適應低成本、短周期、快響應衛星需求的遙感相機產品研制實踐[J].航天器工程,2016,25(z2):46-49 Wang Zhou,Zhang Zemin,Gao Zhi,et al.To adapt to the low cost,short cycle,fast response to the demand of satellite remote sensing camera product development practice[J].Spacecraft Engineering,2015,25(z2):46-49(in Chinese)

[5]陳濤,李琦,王鑫,等.宇航型號研制流程優化管理實踐[J].航天工業管理,2013(9):64-67 Chen Tao,Li Qi,Wang Xin,et al.The aerospace model research and process optimization of management practice[J].Aerospace Industry Management,2013(9):64-67(in Chinese)

[6]李建強,姚瑞芳,金煜,等.型號研制流程和發射場流程優化管理的實踐[J].航天工業管理,2015(8):36-40 Li Jianqiang,Yao Ruifang,Jin Yu,et al.Model development process and launch site process optimization management practice[J].Aerospace Industry Management,2015(8):36-40(in Chinese)

Development Process Optimization for PN-2 Satellite

LI Hongbao LI Yandong SU Wen MA Wenjie
(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

PN-2 is test and validation satellites manufactured by DFH Satellite Co.,Ltd.,to on-board valid the micro-nano technology and products is satellite platforms and payload,as well as explore the posibility of the low-cost of satellite development process optimization work.Through research and draw lessons from other types of practice and experience.In case of the development of the PN-2,various technological process such as product production,assemble and test,component selection,software management,launch site work has been optimized,to save a certain amount of personnel and equipment resources,also has a certain degree of shortening development cycle,for low-cost satellite development process optimization has accumulated certain experience,and other similar demand model reference.In this paper,the process optimization of exploration and practice was summarized.

low-cost satellite;development process;op timization

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.016

2017-09-25;

2017-09-28

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(空間信息網絡天基試驗方案研究2014117011017)

李紅寶,男,碩士研究生,高級工程師,從事衛星總體設計工作。Email:hongbao_li@163.com。

(編輯:張小琳)