硬X射線調制望遠鏡衛星產品保證實踐

王瑤 倪潤立 魏紅麗 韓慶龍 尤睿 李茂順 徐鶴 張承模

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2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)衛星規模大,產品數量多,且其有效載荷全部為新研產品,可借鑒工程研制的經驗較少[1]。其在軌觀測任務需要衛星采用不同于傳統對地遙感的慣性空間定向模式,對衛星平臺設計提出了新的要求。這些特點使得衛星研制工作面臨“全新有效載荷研制,技術難度大”、“衛星工作模式復雜,具有多種姿態定向方式”、“慣性定向模式下平臺設計”、“有效載荷低溫控制需求”、“載荷正樣件需要經過充分的地面標定”等五大難題。

為確保衛星研制難題順利解決、風險有效管控、質量滿足要求、任務圓滿成功,在HXMT衛星研制過程中全面實施了產品保證工作。衛星產品保證工作以用戶關注為焦點,對技術風險進行了充分的識別與控制[2]。本文總結提煉了HXMT衛星產品保證工作實踐情況。

1 產品保證實施總體思路

產品保證是為使人們確信產品達到規定的質量要求,在產品研制、生產全過程,所進行的一系列有計劃、組織的技術和管理活動。HXMT衛星產品保證遵循“識別、策劃、實施、檢查、改進”的基本策略,結合衛星難點、技術風險提前策劃、識別關鍵,充分干預、確保見底,總結經驗、提煉創新,確保產品保證工作系統、全面、及時、規范、有效。按照衛星研制階段,HXMT衛星產品保證工作總體思路如下:

1)方案階段

狠抓總體設計、系統級試驗驗證策劃及有效載荷關鍵技術攻關,確保風險識別充分、控制措施策劃全面。

2)初樣階段

(1)關注結構/熱控星研制,確保載荷艙結構設計及與平臺的匹配性、載荷的熱設計及與平臺熱接口耦合滿足要求;

(2)關注電性星研制,確保衛星各單機間的供電、信息流、軟件滿足要求;

(3)關注載荷各項研制試驗、鑒定試驗,確保設計工程合理、工藝穩定、性能符合要求。

3)正樣階段

加強技術狀態控制、關鍵環節控制、過程控制。

4)發射場階段

嚴控操作程序、衛星多余物、載荷安全;加強新流程分析,做好狀態確認。

2 產品保證實施策略與實踐

2.1 圍繞任務特點和技術難點,開展技術風險識別與控制

(1)針對“全新有效載荷研制,技術難度大”的難點,從設計正確、驗證充分、產品研制過程受控等方面開展風險控制工作。在方案設計階段,加強與載荷研制方的溝通,充分宣貫、傳遞成熟的工程經驗、設計規范及產品保證要求,確保載荷設計規范、有序開展;組織各專業專家,重點從設計合理性、產品可靠性、環境適應性、工藝可實現性等方面對載荷單機的設計進行多輪審查與改進迭代,為保證研制的順利進行,減少反復奠定了基礎。在初樣階段,強化載荷試驗力度,確保正樣產品投產前,各項設計得到充分驗證。在載荷部組件級,以不同的產品形式,策劃、開展了全面的研制試驗,通過“試驗-分析-改進”過程,充分驗證設計和工藝正確性、確認設計裕度;此外,部分探測器還以“準鑒定狀態”(采用低等級器件的真實探測器)參加了熱控星試驗,對主要載荷的環境適應性、性能指標的工程可實現性進行了驗證。

(2)針對“衛星工作模式復雜,具有多種姿態定向方式”的難題,分析明確各模式姿態機動使用約束;優化姿態機動路徑規劃算法,確保各種姿態下衛星滿足熱控、能源約束;加強仿真和地面測試,按不同觀測模式進行數學仿真、開展測試覆蓋性分析、確保所有姿態模式切換及其可能出現的控制情況在各級測試驗證覆蓋到位;優化了動量輪配置,確保滿足姿態機動要求。

(3)針對“慣性定向模式下平臺設計”的難題,HXMT衛星測控、GPS、數傳分系統采取了仿真加緊縮場的輻射模型星驗證,確保無固定對地面的衛星姿態下的鏈路傳輸正常;整星熱控通過仿真及熱控星驗證,確保滿足任務要求。

(4)針對“安裝于同一結構上大溫差載荷的溫度控制”風險,HXMT衛星載荷熱控采取了優化隔熱、導熱、反射材料,并多次分析優化,并通過載荷部組件級熱平衡試驗以及整星(熱控星)熱平衡試驗驗證了其設計合理性,并修正熱模型,為正樣設計奠定基礎;通過設計評審、工藝鑒定、穩定性和耐溫專項試驗等產保活動,保障了新研深冷熱管的研制最終滿足低能望遠鏡－80～－42℃的低溫需求。

(5)針對“載荷正樣件需要經過充分的地面標定,需要標定的探測器多、過程復雜、周期長”的風險,結合衛星研制階段的特點,對各階段標定工作重點進行了策劃、實施,確保標定工作滿足要求。在方案階段,充分分析、論證標定需求,確定標定方案,并經各方評審確認;初樣階段,完成標定設施及裝置的建設、驗收,并利用載荷電性件、鑒定件進行試標定,驗證了標定裝置、流程的可行性;正樣階段,除在國內完成標定外,部件探測器產品還經過國際權威實驗室的交叉標定,確保探測器在軌數據的有效性與國際認可度。

2.2 系統策劃、提前確認,確保滿足質量和進度的要求

針對多路徑多項目并行研制特點,HXMT衛星策劃了一些產品保證活動,保證了產品保證工作有序、高效開展,滿足了研制進度要求。

(1)開展A、B類單機空間環境適應性、鑒定環境滿足性復查和電性產品工藝實物檢查工作,并強化測試數據判讀工作,確保了“A、B類單機提前投產”風險可控。

(2)在載荷鑒定產品上星前,開展了“載荷鑒定件與正樣產品接口、技術狀態一致性”確認工作,確保“載荷鑒定產品參與正樣整星總裝、集成和測試(AIT)流程”風險可控。

(3)狠抓研制源頭確保固有質量,對載荷單機的元器件選用、工藝方案、軟件設計、可靠性和安全性設計分析等進行專題審查,加強載荷初樣階段的測試、試驗和整星匹配性驗證工作,確保能夠充分暴露發現問題,通過上述工作,HXMT衛星有效載荷正樣階段出現未出現III類技術狀態更改,“載荷正樣產品會晚于衛星正樣結構和平臺正樣產品研制”風險控制結果滿足要求。

2.3 嚴格試驗考核,確保設計正確

為充分驗證HXMT衛星產品設計和工藝方案的正確性,暴露新故障模式,衛星策劃并開展了一系列專項試驗和研制試驗。

(1)為驗證了雙GPS天線合路設計方案合理性,獲得了惡劣工況下的雙天線合路GPS定位情況,HXMT衛星進行了GPS雙天線合路接收外場專項試驗,模擬驗證解決了慣性空間定向無固定對地面條件下雙天線合路GPS定位及定位精度問題。

(2)針對動量輪支架組件不具備參加結構星力學試驗的情況,通過動量輪支架組件專項試驗獲得了組件的力學特性,并在整星狀態下進行了分析計算,驗證了設計的正確性。

(3)針對載荷研制狀態新、部組件數量多的特點,在鑒定件投產前,開展了新工藝的鑒定試驗(高能主探晶體封裝、中能準直器、Si-PIN探測器以及低能遮光膜)、新技術的性能摸底、力熱環境及空間環境適應性試驗(主探測器技術、中能掃視電核耦合器件探測器技術以及深冷熱管)和薄弱設計環節力、熱環境摸底(中能輻冷板、高能反符合屏蔽探測器、低能探測器機箱)等26項研制試驗,并通過摸底試驗改進了:①主探測器晶體光學耦合和支撐形式、高能準直器的膠結工藝;主探測器減震設計及力學試驗下凹條件、提出了日本賓松光電倍增管篩選條件。②中能準直器點膠加固工藝、輻冷板的設計以及探測器小信號ASIC多路讀出技術。③低能遮光膜鎳網支撐方案、低能探測器上下機箱隔熱和保證機箱整體剛度的設計方案。

2.4 合理舉措,確保“新器件”風險可控

根據X射線望遠鏡的技術特點,HXMT衛星載荷選用了部分首次使用的元器件,這些元器件的生產、工藝、質保工作無現成經驗可循。因此,從選用評審、設計改進、生產、篩選、電裝、測試等各個環節加強質量跟蹤與控制,使質量工作充分前移[3],并聯合物資部門、廠家及時解決出現的問題,確保裝星元器件滿足載荷要求。

(1)針對載荷用ME-32 TA6型ASIC電路防靜電指標低,在生產、測試等過程中易受靜電損傷的問題,針對生產、測試、篩選、運輸、電裝等全過程制定了相應的防靜電控制要求和措施,并跟蹤落實。通過改進封裝管殼、設計使用專用工裝和包裝、在芯片內增加防靜電電路,有針對性地制定單批質保方案、改進測試方法、嚴格生產工藝工作檢查等措施,確保了器件及最終產品滿足要求并在軌正常運行。

(2)針對MEDET型Si-PIN探測器防污染能力差的特點,提出芯片鍍膜的工藝改進方案,通過了專項驗證,并制定了針對性單批質保方案。

(3)針對MEDET型Si-PIN探測器在生產過程中出現的鈹片脫粘問題,完成了歸零評審及改進后的工藝過程審查,完善了生產過程控制措施。

(4)針對S9100型高壓模塊在篩選過程中出現性能異常,中國空間技術研究院工藝專家針對產品內部色環電阻器和OHMITE電阻焊點開裂的焊接工藝問題,給出了改進工藝建議,并要求生產廠家進行了維修可行性驗證。維修后的120只產品通過了篩選試驗。

2.5 加強新研載荷管控,確保產品實現

HXMT衛星載荷承制單位研制單位為非航天系統內部單位,無大型航天載荷研制經驗。為確保產品研制滿足要求,加強了載荷研制單位的管控工作[4]。

(1)組織產品保證要求等一系列專題培訓工作,幫助中國科學院高能物理研究所提升了產品保證能力,對載荷分系統產品保證計劃進行專項審查,確保產品保證要求落實到位。

(2)積極參與載荷研制工作,通過評審、函審、現場檢查、復核復審等各種質量手段對其進行過程控制,并派駐專人進行跟產、監管,確保過程質量受控[5]。

(3)成立載荷專項工作組,充分利用中國空間技術研究院的專家優勢,發揮集體智慧,加速設計成熟,降低決策風險,協調解決載荷研制過程中出現的難點、問題。

(4)協助開展外協單位選擇,載荷望遠鏡主結構及主要單機由有豐富的航天產品研制經驗的廠所承擔,確保了產品生產過程質量。

2.6 關注過程控制和關鍵節點清理確認

HXMT衛星利用轉階段、生產準備、合蓋前檢查、產品驗收等關鍵節點進行過程控制、關機節點階段清理、確認、總結工作[6]。

(1)加強研制過程跟產監督,對產品保證要求落實情況和產品研制情況進行專題檢查。

(2)邀請有關領域專家開展供配電、元器件、工藝和材料、軟件、空間環境適應性等專項檢查確認工作。

(3)落實關鍵檢驗和強制檢驗,關注潔凈、污染、多余物、防靜電控制措施。

(4)對部組件、單機、子系統、分系統測試結果進行現場逐步逐項確認,對分配指標實現情況進行嚴格控制。

(5)對軟件配置管理情況進行監督,對所有軟件裝訂參數進行審查,對固化落焊版本進行現場確認。

(6)在產品驗收前對產品研制和數據包進行全面審查,確認設計、工藝和過程三類關鍵特性控制情況和不可測試項目控制措施落實的有效性,避免事后復查,對于數據包不全、驗收測試不充分等不符合要求的堅決拒收。

2.7 采用有效手段,衛星貯存工作有序開展

(1)組織開展衛星貯存任務影響分析工作,從衛星發射窗口、對科學觀測任務的影響、單機產品地面貯存期影響等方面進行了專題分析,分析結果表明影響可接受。

(2)針對載荷探測器對污染和濕度敏感的特性,對衛星貯存環境提出了明確的溫度(20℃±5℃)、濕度(≤10%)、潔凈度(優于100 000級)和壓力(300～3000 Pa)要求,專門制定了衛星貯存方案,并在貯存期內對貯存環境進行連續監測。

(3)衛星貯存結束后,開展了貯存后健康狀態檢查測試與評審確認工作,結果表明:衛星貯存條件滿足規定的環境溫度、濕度、潔凈度和壓力等要求,各項質量控制措施落實到位,衛星星上產品和單獨貯存產品經過貯存前后測試驗證和數據比對分析功能性能滿足要求。

2.8 嚴控衛星新流程和最終狀態設置及確認,發射場工作零缺陷

(1)進場前,HXMT衛星圍繞著“十新”(新技術、新材料、新工藝、新狀態、新環境、新設備、新單位、新崗位、新人員、新流程)開展了風險識別工作,針對識別出的未在北京AIT階段實施的新流程“星箭對接后安裝遮陽板”,明確遮陽板安裝的注意事項和安裝要求,細化、復核操作流程,并在實施階段嚴格控制,新流程引起的高空作業和運載磕碰風險有效消除。

(2)結合“查狀態”工作,HXMT衛星明確了27個產品保證工作項目,62個質量控制點,分階段對衛星狀態進行確認,衛星過程狀態及最終狀態滿足要求。

(3)針對發射場質量保證的有關要求和衛星望遠鏡潔凈度要求高的特點,HXMT衛星從望遠鏡多余物控制措施望遠鏡,敏感器、望遠鏡表面清潔,太陽翼安裝過程多余物控制措施,加注過程多余物控制措施,整流罩多余物檢查和確認共6個方面分階段制定了嚴格的控制措施并嚴格執行,控制結果符合要求。

3 結束語

HXMT衛星產品保證工作通過“提前策劃、有據可依、有章可循、重點突出、全程受控、及時總結、記錄準確、可以追溯”,貫徹了“預防為主、一次成功”的原則,針對衛星研制特點提前策劃,識別風險,實施精細管理和全過程管控,確保了衛星設計、制造和使用的質量,實現了發射場零缺陷、發射成功、在軌穩定運行。

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