重大工程核心元器件自主保障實施途徑研究

楊保華 ,張延偉 ,李艷波 ,張篤周 ,張 偉 ,谷重陽 ,姜貿(mào)公

(1.中國空間技術(shù)研究院,北京 100094;2.中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團有限公司,河北 保定 071799;3.中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院 航天元器件保證研究所,北京 100071)

作為國之重器的重大工程,必須要走高質(zhì)量發(fā)展、自立自強的發(fā)展道路。近年來,我國在北斗導(dǎo)航全球組網(wǎng)系統(tǒng)、載人空間站工程、嫦娥探月工程等重大工程領(lǐng)域取得了非凡的成就,彰顯了國家實力,核心元器件作為國家重大工程的基礎(chǔ),對于工程任務(wù)成敗有至關(guān)重要的作用。我國元器件快速發(fā)展取得了諸多重要突破,但受制于人的被動局面并未實現(xiàn)根本性扭轉(zhuǎn)[1-3]。本文在調(diào)研國外實施策略并在系統(tǒng)總結(jié)航天重大工程元器件自主保障及自主創(chuàng)新發(fā)展的實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上,提出了重大工程核心元器件“雙路徑”自主保障實施策略和途徑,為后續(xù)國家重大工程自主保障的順利實施提供借鑒。

1 國外核心元器件自主保障實施策略分析

1.1 注重自主發(fā)展,強調(diào)自主保障及創(chuàng)新發(fā)展

美國十分注重高可靠元器件的發(fā)展,制定了宇航元器件的發(fā)展戰(zhàn)略,由美國航空航天局(NASA)統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)、策劃宇航元器件發(fā)展,在保障本國需求的前提下持續(xù)保持世界領(lǐng)先。歐洲將其元器件研發(fā)理念由傳統(tǒng)的“獨立自主” (Independence)調(diào)整為“自主可控”(Non-dependence)。日本啟動宇航元器件 “All-Japan” 計劃,加大在宇航元器件領(lǐng)域的研發(fā)投入,加快鑒定合格宇航元器件的應(yīng)用[4]。

1.2 重視規(guī)劃引導(dǎo),專項推動行業(yè)基礎(chǔ)能力提升

美國自2019 年提出“電子復(fù)興計劃”,計劃未來五年投入超過20 億美元,在FPGA、新型存儲器、第三代半導(dǎo)體等領(lǐng)域加大研發(fā)力度,開啟下一次電子革命[5]。歐盟實施“地平線2020” (Horizon 2020)計劃,遴選元器件關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域布局規(guī)劃,推動空間技術(shù)研發(fā)。日本將大功率VDMOS 等核心器件作為重點規(guī)劃和研發(fā)方向,旨在突破引進元器件的限制。

1.3 強調(diào)研用結(jié)合,充分發(fā)揮任務(wù)需求帶動作用

無論是歐盟官方發(fā)布的未來三年空間技術(shù)研發(fā)優(yōu)先級,還是歐洲航天智庫制定的面向2030 年空間技術(shù)路線圖,其共同特點都是更加注重以應(yīng)用為牽引,以技術(shù)為驅(qū)動,發(fā)揮需求側(cè)的帶動作用。通過持續(xù)投入技術(shù)研發(fā),實現(xiàn)技術(shù)能力提升與發(fā)展。

2 我國核心元器件自主保障面臨的形勢

2.1 核心、高端元器件自主保障形勢依然嚴峻

美國出口管理規(guī)則(EAR)、武器國際貿(mào)易規(guī)則(ITAR)等出口控制政策,在高等級元器件領(lǐng)域?qū)ξ覈鴮嵤╅L期管制政策[6-7],尤其是在大規(guī)模集成電路、VDMOS 等核心、高端元器件方面,對我國實施嚴格封鎖,自主保障的形勢依然嚴峻[8]。

2.2 重大工程對于高性能、高可靠元器件需求迫切

未來火星探測、載人登月、高精度遙感及衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè),對高性能CPU、半導(dǎo)體激光器及探測器、寬禁帶器件等先進元器件的需求越來越多,需在國產(chǎn)化替代的基礎(chǔ)之上,加速形成需求牽引、重點突破、技術(shù)預(yù)研、研用結(jié)合的自主發(fā)展良性機制。

2.3 國內(nèi)元器件取得突破,已具備自主發(fā)展的條件

國內(nèi)元器件設(shè)計、制造、測試的基礎(chǔ)條件已較為完備,建立了元器件基礎(chǔ)發(fā)展體系,質(zhì)量水平大幅提升,核心關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得突破[9]。以宇航元器件領(lǐng)域為例,近年來我們完成了抗輻射千萬門級FPGA、PROM 存儲器、大功率DC/DC、VDMOS 等幾百項元器件的研制攻關(guān)工作,解決了一大批重大工程型號任務(wù)“卡脖子” 問題[10]。

3 重大工程元器件自主保障實施途徑

我國重大工程應(yīng)用的核心元器件涉及種類多、覆蓋電子單機廣,特別是在宇航重大工程中,通常一個工程型號中需要上裝的元器件達到20 余萬只,核心元器件也達上萬只,涉及的電子單機達到百余臺(套)。為實現(xiàn)重大工程核心元器件自主保障,需要從源頭抓起,頂層規(guī)劃,開放聯(lián)合,以 “工程牽引、統(tǒng)籌規(guī)劃、研用結(jié)合、穩(wěn)步推進” 為指導(dǎo)思想,運用系統(tǒng)工程的方法和理念,在核心元器件自主創(chuàng)新發(fā)展上進行實施模式創(chuàng)新,建立適應(yīng)載人航天等重大工程的核心元器件自主保障實施途徑。

3.1 自主保障及自主創(chuàng)新發(fā)展總體與思路

國家重大工程要以實現(xiàn)核心元器件100%自主保障為目標,以落實國產(chǎn)元器件應(yīng)用為導(dǎo)向,綜合考慮核心元器件自主保障要求、國產(chǎn)元器件研制和應(yīng)用驗證狀態(tài)、工程研制計劃等方面的因素,全面梳理重大工程用進口元器件情況,統(tǒng)籌規(guī)劃自主保障研制項目,頂層科學設(shè)計自主保障實施途徑。在國家重大工程核心元器件自主創(chuàng)新發(fā)展實施過程中,首先,應(yīng)滿足工程總體目標要求,包括工程進度、功能性能指標、質(zhì)量和可靠性要求;其次,應(yīng)滿足核心元器件成熟度要求,上裝前開展充分的應(yīng)用驗證工作;最后,應(yīng)結(jié)合國內(nèi)元器件的研制基礎(chǔ),差異化制定自主保障實施途徑。

針對航天重大工程用核心元器件“卡脖子” 問題與核心元器件需求特點,基于我國國情提出了國產(chǎn)化仿制實現(xiàn)進口被動替代和自主定義正向設(shè)計實現(xiàn)自主創(chuàng)新發(fā)展的“雙路徑” 自主保障工作流程,如圖1 所示為建立國產(chǎn)元器件研制-驗證-應(yīng)用一體化的自主保障總體技術(shù)流程和方法。首先開展需求分析,主要考慮元器件種類、功能、性能、壽命指標、抗輻射、時間進度等需求要素,根據(jù)分析結(jié)果對所采取的路徑進行決策,一方面,采用研制攻關(guān)治理存量,另一方面,通過嚴控新增加強選用控制,通過需求側(cè)規(guī)劃設(shè)計自主定義研制產(chǎn)品,通過實施雙路徑實現(xiàn)重大工程元器件自主可控,滿足國產(chǎn)化率和可靠性指標要求。探索一條系列產(chǎn)品集中驗證與重點工程型號同步應(yīng)用的工程化實施途徑,研用轉(zhuǎn)化周期縮短2～3 年,解決了確保型號成功與低成熟度新研國產(chǎn)元器件之間的矛盾,有效保證重大工程核心元器件自主保障,同步牽引和帶動國內(nèi)基礎(chǔ)電子行業(yè)的快速發(fā)展。

圖1 重大工程元器件自主保障“雙路徑” 流程Fig.1 Significant project components independent controllable “dual pathway” process

3.2 實施途徑一:面向自主,開展元器件規(guī)劃設(shè)計,通過自主定義正向設(shè)計實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展

立足長遠發(fā)展,著眼未來,重大工程核心元器件自主保障需要頂層開展規(guī)劃設(shè)計,通過制定不同元器件類別的需求型譜和中長期需求規(guī)劃,建立選用控制機制,限制使用引進元器件,鼓勵使用國產(chǎn)元器件,實現(xiàn)型號選用模式由依靠引進向立足國內(nèi)轉(zhuǎn)變。元器件自主定義將工程型號任務(wù)指標和核心技術(shù)轉(zhuǎn)化為元器件指標體系,形成功能、構(gòu)架和性能等指標,將自主知識產(chǎn)權(quán)融入元器件設(shè)計開發(fā)過程,以需求推動元器件的原始技術(shù)創(chuàng)新。自主定義是促進核心元器件原始技術(shù)創(chuàng)新的關(guān)鍵,也是推動我國核心元器件從“跟仿” 到“自主發(fā)展” 的有效途徑。

在實施過程中開展規(guī)劃設(shè)計、產(chǎn)品定義、產(chǎn)品實現(xiàn)、仿真驗證等工作。在規(guī)劃設(shè)計階段,通過靠前規(guī)劃、提前引領(lǐng),開展面向當前及未來需求的重大工程核心關(guān)鍵元器件規(guī)劃設(shè)計,制定需求型譜和技術(shù)發(fā)展路線圖,引導(dǎo)選用;在產(chǎn)品定義階段,核心元器件主要根據(jù)用戶具體需求開展自主功能和性能指標體系設(shè)計,將工程型號任務(wù)指標和核心技術(shù)轉(zhuǎn)化為元器件指標體系,根據(jù)產(chǎn)品定義開展產(chǎn)品實現(xiàn)及仿真驗證工作。

3.3 實施途徑二:面向可控,多渠道解決核心元器件研制攻關(guān),實現(xiàn)產(chǎn)品替代

為順利保障重大工程核心元器件自主保障,借鑒工程項目管理的經(jīng)驗,基于系統(tǒng)工程的方法,實施過程由需求規(guī)劃、研制攻關(guān)、應(yīng)用驗證、工程應(yīng)用、標準規(guī)范五個工程分系統(tǒng)組成,如圖2 所示。

圖2 重大工程元器件自主保障途徑一實施流程Fig.2 Implementation process of significant project components independent support pathway 1

(1)需求規(guī)劃:全面梳理需求,并按照廠家、質(zhì)量等級、封裝形式等對需求進行統(tǒng)型優(yōu)化,按照國內(nèi)研制基礎(chǔ)進行分類,并開展技術(shù)對接工作;

(2)研制攻關(guān):在確認元器件研制技術(shù)條件后開展研制技術(shù)攻關(guān),過程中用戶確認研制方案及詳細規(guī)范,元器件還需通過評估試驗與鑒定檢驗工作;

(3)應(yīng)用驗證:以實際應(yīng)用場景、最壞情況為條件,開展全面的驗證試驗工作,驗證宇航適用性;應(yīng)用驗證具有指導(dǎo)工程應(yīng)用和元器件產(chǎn)品優(yōu)化的雙重作用,推動元器件產(chǎn)品和型號應(yīng)用的“雙向成熟”;

(4)工程應(yīng)用:驗證合格的國產(chǎn)元器件提供給重大工程電子系統(tǒng)使用。應(yīng)基于國產(chǎn)元器件參數(shù)指標,開展“再設(shè)計、再試驗、再定型” 等工作,確認國產(chǎn)元器件在型號應(yīng)用中的有效性;

(5)標準規(guī)范:固化元器件技術(shù)狀態(tài),形成指導(dǎo)文件,包括詳細規(guī)范、應(yīng)用指南、采購規(guī)范等,指導(dǎo)研制、選用和保證等各項工作的順利開展。

4 載人航天空間站工程元器件自主保障典型案例

2021 年4 月29 日,我國空間站天和核心艙由長征五號B 遙二運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。在工程建設(shè)全過程始終秉承“國之重器,核心在握” 原則,堅持走自主創(chuàng)新發(fā)展的道路。為保證載人空間站工程成功建設(shè)和后續(xù)長期運營,采用了“實施途徑一” 的方法,提出需立足國產(chǎn)元器件開展設(shè)計,嚴格控制使用引進元器件,通過加強元器件的選擇、研制、應(yīng)用驗證和工程應(yīng)用,實現(xiàn)關(guān)鍵元器件全面自主保障,滿足工程要求。

載人航天空間站工程自主定義了31 款100 V DC/DC 產(chǎn)品、4 款SSPC 產(chǎn)品、4 款矩形自控電連接器、艙外宇航員操作高低頻混裝電連接器、壓接型2 腔浮動電連接器、高壓直流接觸器、耐環(huán)境快速分離微圓形連接器等百余款核心元器件。由空間站工程提出應(yīng)用需求,開展需求規(guī)劃,建立元器件的考核指標體系,基于應(yīng)用環(huán)境設(shè)計應(yīng)用驗證試驗項目。

為了節(jié)約能源、發(fā)揮高壓母線的優(yōu)點,制定100 V輸入厚膜電源系列產(chǎn)品型譜,自主定義輸出功率分別為5,15,20,30 和65 W 共27 個品種的DC/DC 模塊以及配套的4 個EMI 濾波器。根據(jù)元器件的內(nèi)部設(shè)計、工藝、結(jié)構(gòu)等方面進行薄弱環(huán)節(jié)分析,建立元器件指標體系。通過開展應(yīng)用驗證,不僅給型號設(shè)計師提供了豐富的特性曲線、試驗數(shù)據(jù),也驗證了元器件的長期可靠性、工藝符合性,有力地支撐了空間站工程的型號研制,滿足了各型號對國產(chǎn)元器件的迫切需求。

通過工程實踐形成了一套基于國產(chǎn)元器件自主研發(fā)和設(shè)計航天器的創(chuàng)新理念。在空間站工程設(shè)計初期直接立足國產(chǎn)元器件進行選用,基于國產(chǎn)元器件的評估試驗、應(yīng)用驗證試驗結(jié)果開展單機設(shè)計,逐步形成和建立一套基于國產(chǎn)元器件開展自主研發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計航天器的創(chuàng)新理念,既能夠避免航天器系統(tǒng)設(shè)計對國外核心元器件的過度依賴,同時能夠帶動國內(nèi)元器件研制單位積極探索原始創(chuàng)新,放棄對進口元器件的長期跟仿,形成具有中國特色的宇航元器件技術(shù)和產(chǎn)品體系。

5 結(jié)束語

我國正處于實現(xiàn)“兩個一百年” 奮斗目標的歷史交匯期,世界科技革命和強國興軍事業(yè)深入推進的歷史交匯期。國之重器始終走的是一條自力更生、自主創(chuàng)新的道路。通過探索與創(chuàng)新核心元器件自主保障和自主創(chuàng)新發(fā)展實施途徑和策略,能有效提升國家重大工程的自主保障水平。突破技術(shù)封鎖和產(chǎn)品禁運,實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新發(fā)展。通過重大工程牽引核心元器件等基礎(chǔ)領(lǐng)域自主創(chuàng)新發(fā)展。始終堅持以自主創(chuàng)新為戰(zhàn)略基點,通過國家重大工程的實施,牢牢掌握核心前沿技術(shù)發(fā)展的主動權(quán)。