硬X射線調制望遠鏡衛星研制特點及項目管理實踐

宋江波 尤睿 李昊 王瑤 趙辰 張帆 劉紅薇

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2中國航天科技集團有限公司,北京 100048)(3中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星,是我國自主創新重大科學工程,由國家國防科技工業局民用航天科研和中國科學院戰略性先導科技專項共同支持,中國航天科技集團有限公司所屬中國空間技術研究院負責衛星抓總研制,中國科學院高能物理研究所、國家空間科學中心負責望遠鏡載荷抓總研制和科學研究應用等工作。HXMT衛星于2011年3月由國家國防科技工業局、財政部聯合批復立項,于2017年6月15日在酒泉衛星發射中心由長征四號乙運載火箭成功發射[1]。

HXMT衛星獨特之處在于其研制合作模式上工程與科學融合、全新研制的探測器望遠鏡實現上工程與技術融合等特點。本文結合該衛星的研制特點,對衛星項目管理實踐進行初步探討,為其它航天器尤其是空間科學衛星項目管理提供參考經驗。

1 衛星及有效載荷望遠鏡研制特點

HXMT衛星作為我國首顆X射線探測天文衛星,其主要特點如下:①望遠鏡采用直接解調成像方法,解決了低成本探測器高精度成像問題,實現多波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線探測[2]。②有效載荷望遠鏡種類全、規模大、探測模式多,4種有效探測載荷共計包含25個探測器單機,能段基本覆蓋整個X射線譜段,具有巡天觀測、小天區觀測、定點觀測和伽馬暴觀測等多種模式,在世界現有X射線天文衛星中,具有先進的暗弱變巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力;衛星可實現對伽馬射線暴的全天監測,將成為國際上在200 ke V～3 Me V能區面積最大的伽馬射線暴探測器。③衛星平臺服務保障能力要求高,為實現多波段、高靈敏度、高分辨率的觀測能力,載荷種類全,復雜性高,要求平臺服務系統具有高的保障能力,具有復雜的熱控保障、對地測控與數傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力。

HXMT衛星有效載荷由中國科學院高能物理研究所抓總研制,包括高能望遠鏡、中能望遠鏡、低能望遠鏡以及空間環境監測器等4種有效載荷[3],有效載荷望遠鏡構型如圖1所示。

根據空間天文探測的特點和有效載荷特殊工作環境,簡單概括起來有效載荷望遠鏡具有“新、低、長”的特點,即載荷全新研制、載荷工作溫度低、載荷地面標定時間長和在軌工作時間長:

(1)載荷全新研制:探測能區寬,載荷高能(20～250 ke V)、中能(5～30 ke V)、低能(1～15 ke V)3種望遠鏡,實現了1～250 ke V能區全覆蓋,并具備擴展的200 ke V～3 Me V能區的伽馬射線暴探測能力;探測面積大,高能望遠鏡是國際上同能區面積最大的準直型望遠鏡。望遠鏡由100余臺/套部組件單機組成,總重970 kg,系統構成復雜、技術難度大,創國內天文觀測載荷之最,如僅中能望遠鏡其信號路數達到1728路,且全部是n A級的弱信號,對制造工藝、環境提出了新的要求,采用了大量新材料、新元器件,新工藝,如大量使用重金屬鉭、硅探測器等,準直器的高精度加工與安裝工藝要求高等。

(2)載荷工作溫度低:高能、中能、低能望遠鏡3個載荷集成在同一結構安裝面,工作溫度差超過100℃,尤其低能望遠鏡的－80～－42℃低溫控制要求非?？量?為熱控設計帶來了巨大的挑戰,需要采取主動溫控和被動控溫結合的多種熱控手段來實現。

(3)載荷地面標定時間長、在軌工作時間長:HXMT衛星發射前,科學載荷正樣產品需要經過充分的地面標定專項試驗,標定時間長,國際慣例通常需要4～6個月;HXMT衛星載荷連續4年開機,一張巡天圖要連續半年才能掃描完成,對載荷、存儲器等的可靠性提出了新的要求。

圖1 有效載荷望遠鏡構型圖Fig．1 Telescope configuration

2 項目管理實踐

針對前面提到的HXMT衛星和有效載荷研制特點,衛星從研制合作模式到研制過程都采取了相應的創新管理模式和管理實踐。首先該衛星是由國家航天局和中國科學院聯合主導,航天工業部門與科學家聯合的空間科學項目實施模式,本身就是一次工程與科學融合的管理創新;其次,衛星的探測望遠鏡全新研制,國內之前并無此大型的空間探測望遠鏡研制經驗,對于衛星總體如何和載荷單位一起將這個復雜而先進的望遠鏡更好的進行工程管理和實現,也是一次工程實現和技術融合的管理實踐。

2.1 工程與科學融合的管理實踐

在HXMT衛星工程研制中,中國空間技術研究院承擔衛星平臺研制任務,中國科學院高能物理研究所承擔科學目標提出和有效載荷研制任務,在空間科學探測領域合作模式對于雙方都是第一次。衛星研制團隊帶領科學家團隊一起按照航天工程管理模式完成了衛星研制,快速實現了科學家要求的功能,在衛星出廠前完成了科學家提出的伽馬暴探測功能擴展等實現,從在軌運行的初步成果看可以為科學家帶來更多的科學產出,顯著地提高了用戶滿意度。衛星的研制在工程與科學、工程與技術深度融合上進行了積極的探索與實踐,主要體現在以下4個方面。

1)圍繞科學目標的實現突破空間望遠鏡工程關鍵技術

在衛星的工程研制中,衛星總體一直不斷加深對工程科學目標的理解,結合科學目標和用戶的要求突破相關關鍵技術,從工程上來努力實現。也就是說,每一個技術得突破,用戶每一項要求的提出,工程進展的每一步,都是與用戶部門的科學家們一道研究解決和實現的,從而,為科學目標的實現提供了有力技術支撐。

2)按照航天標準規范研制科學載荷

由于用戶方也是有效載荷研制方,在合作之初,衛星按照中國空間技術研究院確保成功的航天標準規范有效載荷的研制工作,促使了用戶研制快速進入工程狀態,并對載荷隊伍進行了航天標準和規章制度、法規等培訓。同時,通過工程實踐也幫助用戶培養了一支航天產品的研制隊伍。

3)高質量進行產品配套研制

在科學載荷研制中,中國空間技術研究院承擔了大量的產品配套工作,比如高、中、低能望遠鏡的處理電路由中科院高能所設計,中國空間技術研究院山東航天電子技術研究所承制,望遠鏡裝配由北京衛星制造廠實施。

4)高精度實施試驗驗證

在望遠鏡的環境試驗驗證上,中國空間技術研究院提供了大量支持。另外,與發射的其他衛星不同,HXMT衛星有效載荷研制有一個特殊的要求是射前標定,以取得載荷能量響應函數、探測效率、溫度響應等核心技術數據,以便與衛星在軌實測數據進行比對分析,檢測確定產品的基本狀態,該標定試驗結果將直接關系到衛星在軌觀測結果的正確性、有效性和適用性。衛星總體與科學家一道完成了充分詳細、系統全面地標定工作,為X射線空間望遠鏡提供可信可用的觀測數據提供了成品。

2.2 研制管理實踐經驗

1)精細化流程管理

項目管理通過合理運用與整合其五大過程組(啟動、計劃、執行、控制、結束)來實現[4-5],HXMT衛星項目管理過程重視精細化流程管理,針對衛星研制特點,細化制定了方案、初樣、正樣、發射場等各階段技術流程,并根據技術流程制定了詳細的計劃流程,充分考慮了“人、機、料、法、環”等因素,工作結構分解細致、工作項目清楚、分工明確、責任明確、保障和控制到位[6]。尤其對于明確的有效載荷望遠鏡全新研制短線項目,對其雙流程進行了嚴格審查,充分識別出了其研制過程中的關鍵項目和質量控制點,明確了短線和風險項目,有針對性的制定了分析和驗證措施。通過精細化流程管理,順利完成了衛星研制各階段任務,其中發射場工作零進度偏差得到了國家航天局、用戶、集團公司、發射場系統等各方好評。

2)重視物資和元器件保障

物資和元器件保障是研制工作按計劃開展的基礎,HXMT衛星元器件數量多,尤其前面有效載荷研制特點中提到過載荷采用大量新材料、引進元器件及專用元器件,到貨周期長和后期質保難度大。提前抓物資和元器件審查和訂貨、引進設備采購和長周期器件投產;嚴格開展元器件審查和過程控制,從選擇源頭管控,設計、驗收全過程確認;同時,推薦優選中國航天科技集團有限公司合格供方名錄內且研制水平較高的元器件供貨商,并由中國空間技術研究院物資部來承擔載荷元器件質保工作,利用航天成熟的元器件質保體系來保障元器件質量和進度;配合載荷單位強化首飛和專用元器件管理,深入梳理首飛和專用元器件研制技術流程,落實保障條件,制定元器件全周期研制計劃,深入研制單位跟蹤管控研制進展,確保元器件研制進度和質量受控。

針對載荷研制過程中影響進度的如中能望遠鏡用Si-PIN探測器鈹片脫落、ASIC芯片靜電損傷,以及高能、中能望遠鏡用意大利進口S9100型高壓模塊焊點開裂等元器件質量問題,衛星研制團隊快速組織工藝專家、物資部、國內廠家、意大利器件廠商和載荷單位,一起制定了返修工藝及質保方案,并制定了專題質量工作計劃,確保質量問題快速有效解決。為后期空間科學衛星及其它航天器用元器件提供了解決方案和借鑒經驗。

3)強化風險管理

HXMT衛星研制過程中高度重視風險管理工作,成立了“系統級、分系統級、單機級”三級風險管理責任體制,責任單位分別明確為項目辦公室、分系統責任單位、單機責任單位,按“系統策劃、識別全面、分析準確、措施有效、風險受控”的原則開展風險分析與控制工作[7]。

針對有效載荷望遠鏡全新研制、技術難度大、系統構成復雜的特點,在研制過程中將有效載荷風險識別與控制作為風險管理工作的重點,采取“自下而上”和“自上而下”相結合的方式對有效載荷研制開展項目風險識別、風險分析、風險評估、風險應對、風險監控及總結評價等風險管理工作,對風險項目進展實施動態閉環管理。

4)嚴格技術狀態管理

衛星按照航天產品技術狀態管理的要求對整星的技術狀態進行了嚴格管理,對產品研制各階段進行了技術狀態管理策劃,并納入型號各階段產品保證工作計劃。而整星技術狀態管理的重中之重在于全新研制的載荷望遠鏡,因此,在載荷設計階段,項目辦組織航天領域專家對載荷的技術狀態基線進行了嚴格審查,并嚴格按照“論證充分、各方認可、試驗驗證、審批完備、落實到位”的五項原則對載荷技術狀態進行審查、控制[8]。同時,在載荷研制過程中,項目辦組織專家對載荷詳細設計、產品技術狀態、生產過程、質量問題、“舉一反三”等開展了大量的復核復審工作,確保設計正確和避免設計狀態反復。最后載荷初樣研制共發生120余項技術狀態更改項目,所有更改項目均按五項原則要求進行了落實和驗證,確保了后續正樣產品研制狀態,避免正樣設計和研制工作反復,保證了正樣產品研制進度。

5)載荷生產過程優化和控制

針對前面提到載荷全新研制、技術難度大的特點,需要對載荷生產過程進一步優化和加強控制,以提升研制質量,加快研制進度。主要措施如下:①針對望遠鏡主結構生產周期長、加工精度要求高的特點,提前確定狀態、提前投產,并由中國空間技術研究院所屬的衛星制造廠來承擔任務,依靠中國空間技術研究院科研管理體系來解決生產進度和質量控制問題。②針對載荷單機技術難度大、設計人員新等特點,發揮航天領域專家把關作用,提前介入,幫助載荷單機在機、電、熱、工藝設計等各個環節審查把關,加快了載荷設計進程,并避免了后期質量問題。③針對載荷單機數量多、研制時間緊的特點,提前固化機械接口等狀態,初、正樣單機機箱結構等一起滾動投產,解決了單機結構對研制進度制約問題;并組織將載荷單機電裝工作由中國空間技術研究院所屬的廠所承擔,利用成熟的航天設備和生產管理體制保障電裝質量和進度。④針對載荷設備質量問題,按照航天質量歸零工作程序嚴格管理[9],出現質量問題時兩總系統和主管設計師第一時間到現場,即時組織問題分析和定位,在嚴保質量的前提下最大程度縮短處理時間。

6)整星AIT工作流程優化

航天器研制的總裝、集成和測試(AIT)階段,是形成完整產品的最后階段,由于航天器AIT工作涉及面廣、不確定因素多,項目實際進度控制一般很難與計劃基準合拍[10]。HXMT衛星研制中由于載荷研制難度大、正樣產品地面標定時間長,載荷正樣產品會晚于衛星平臺正樣產品交付,需要統籌安排載荷參與整星AIT工作時機和項目,使載荷研制與整星主線工作最大程度匹配。主要流程優化措施如下:在正樣整星AIT初期電測中,利用初樣載荷電性產品、鑒定產品參與整星電測工作,與載荷正樣產品研制并行開展,在保證測試覆蓋性的前提下,提前、充分驗證載荷軟硬件產品功能性能以及與整星測試匹配性;由于中能探測器正樣產品交付時間較晚,正樣整星力學試驗中采用部分中能探測器結構件替代的方式,在保證整星力學試驗按期開展的同時,給中能探測器研制爭取了更多的時間。

7)流程精簡,降本增效

HXMT衛星在研制過程中非常注重流程精簡和降本增效。對初樣產品、地面工裝和測試設備等進行了全面狀態梳理,結合中國空間技術研究院資源,通過電性星、結構熱控星產品上百臺統籌借用、地面測試設備統籌、太陽翼地面工裝統籌等大幅節約了研制成本,并縮短了研制周期;同時,通過衛星剩磁矩分析論證、望遠鏡及整星力學分析論證、數傳天線試驗項目優化論證、太陽電池板熱真空試驗優化等工作,取消了整星磁試驗、望遠鏡力學試驗、數傳天線初樣鑒定級熱試驗,縮減了太陽電池板熱真空試驗次數,節約數百萬元試驗經費,并相應減少了研制工作量和周期。

3 結束語

HXMT衛星項目圍繞衛星和載荷研制特點,從研制模式、流程管理、物資管理、風險管理、技術狀態管理、生產過程管理、AIT流程優化、降本增效等方面進行了積極和有效的項目管理探索與實踐,保質高效地完成了衛星研制任務,開辟了我國X射線天文探測新領域,培養了航天和科學家聯合人才隊伍,推動了航天技術發展,并為我國后續空間科學衛星項目的研制提供了參考經驗。

參考文獻(References)

[1]Pan Teng,Ni Runli,Zhang Long,et al．Insight-HXMT:China’s first X-ray astronomical satellite[J]．Aerospace China,2017,18(4):3-12

[2]李惕碚,吳枚．空間硬X射線調制望遠鏡[J]．物理,2008,37(9):648-651 Li Tipei,Wu Mei．The hard X-ray modulation telescope mission[J]．Physics,2008,37(9):648-651(in Chinese)

[3]盧方軍．“慧眼”硬X射線調制望遠鏡的探測技術和科學運行[J]．國際太空,2017(6):7-13 Lu Fangjun．Exploration technologies and scientific operation of hard X-ray modulation telescope[J]．Space International,2017(6):7-13(in Chinese)

[4]項目管理協會．項目管理知識體系指南[M]．5版．許江林,譯．北京:電子工業出版社,2013 Project Management Institute．A guide to the project management body of knowledge[M]．5 ed．Xu Jianglin,translated．Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2013(in Chinese)

[5]詹姆斯·劉易斯．項目計劃、進度與控制[M]．石泉,楊磊,譯．北京:機械工業出版社,2012 James P Lewis．Project planning,scheduling,and control[M]．Shi Quan,Yang Lei,translated．Beijing:China Machine Press,2012(in Chinese)

[6]沈建明,關保昌．現代國防項目管理[M]．北京:軍事科學出版社,2011 Shen Jianming,Guan Baochang．Modern defense project management[M]．Beijing:Military Science Publishing House,2011(in Chinese)

[7]太萍．航天項目風險管理[M]．北京:中國宇航出版社,2008 Tai Ping．Space project risk management[M]．Beijing:China Astronautics Press,2008(in Chinese)

[8]袁家軍．中國航天系統工程與項目管理的要素與關鍵環節研究[J]．北京:宇航學報,2009,30(2):428-431 Yuan Jiajun．Research on elements and key aspects of China space system engineering and project management[J]．Beijing:Journal of Astronautics,2009,30(2):428-431(in Chinese)

[9]郭寶柱．航天工程管理的系統觀點與方法[J]．中國工程科學,2011,13(4):45-49 Guo Baozhu．Systems perspective and approach in space engineering management[J]．Engineering Science,2011,13(4):45-49(in Chinese)

[10]劉建新．航天器總裝測試試驗項目管理[J]．航天制造技術,2011(5):47-52 Liu Jianxin．Project management for spacecraft assembly,integration and test[J]．Aerospace Manufacturing Technology,2011(5):47-52(in Chinese)