基于產品化的電源貨架建設研究與實踐

趙晶、戴藝凱、王建軍、趙志剛、白玉玲 /北京航天發射技術研究所

近年來，我國的國防支出預算穩步增長，但目前新裝備數量及結構占比與美俄等軍事強國相比仍有較大的差距，“補償式”發展空間巨大。隨著武器裝備向智能化、集成化、網聯化發展升級換代，負責電能轉換的電源產品需求將會大幅增加，在航空、航天、車輛、電子、核工業及船舶等重要領域，隨著國家政策對國防力量建設和支撐力度不斷加大，新一代武器裝備在“十四五”期間加速列裝必將帶動上游配套需求提升。

北京航天發射技術研究所在電源領域具備較為豐富的軍品研制配套經驗、較為完備的研發體系，掌握著產品核心技術、具備完備試驗設施等優勢，但是其小批量定制化的研制生產模式存在的問題逐步顯現。主要體現在以下幾個方面：一是定制化研發模式以功能實現為主，實現功能的技術途徑因設計者而異，不利于技術風險管控與核心技術能力發展；二是不同型號項目在成本預算和可靠性上有較大的差異化需求，滿足功能性需求的電源產品難以覆蓋預算需求，在項目競標中處于不利地位；三是定制化研發模式下產品通用性不佳，隨著型號種類增加，存在重復研制問題；四是定制化研發模式產品批量小、成本高，產品的實際質量特性難以把控。因此，研究所從2013 年開始針對地面電源產品開展了一系列基于產品化的貨架建設研究與實踐工作。

一、電源產品貨架建設

經過貨架構建調研論證，研究所對電源產品及下級零部組件進行了梳理，按產品成熟度以及型號應用情況逐步構建出產品貨架、產品儲備庫和產品零部組件2 級貨架，并形成一套產品化制度體系框架，包括產品化工作管理、型譜管理、產品管理以及配套保障條件實施辦法，并著重針對電源貨架產品的規劃、產品選用控制、產品成熟度管理、產品批產質量控制進行了探索與實踐。

1.貨架產品規劃

貨架產品規劃工作由所內研究室承擔，在產品化電源貨架建設模式下，型譜特征參數是劃分電源類產品型譜規格序列的主要依據，按照模塊化、系列化、功率可擴展為基本原則建立型譜。

針對技術途徑因設計者而異的問題，確立了單機產品開發基于技術平臺的原則。以開關電源產品為例，目前基于LLC 軟開關技術規劃出兩大技術平臺，形成PDA 系列、PDB 系列電源。其中，PDA 系列產品采用半橋LLC 技 術，屬 于DC/AC-DC 開關電源；PDB 系列產品采用移相全橋LLC 技術，屬于DC-DC 開關電源。

以PDA 系列為例，以輸出電壓等級為分類根據，采用模塊并聯方式進行功率擴展，最終覆蓋用戶需求。目前已形成3.5kW、1.2kW 和300W 級 別 共 有13 種產品可供選用，并有10 種產品在研或完成規劃，針對航天系統內地面電源供電需求形成較為完備的產品型譜，如圖1 所示。

圖1 PDA系列電源型譜

針對不同型號項目在成本預算和可靠性上有較大差異化需求，提高競標產品競爭力，通過快速設計拓展出適應不同可靠性需求、成本需求的同功能子系列產品，子系列產品的型號尾綴用于表示可靠性及成本情況，具體含義如下：

（1）無尾綴。選用工業級器件，一般為原理樣機階段產品、中試產品，成本低、生產周期短，可作為橫向產品使用和系統研制初期使用；

（2）A。滿足國產化“雙九五”標準，屬于國產化進程中的中間過渡產品；

（3）B。價格適中且可靠性與進口件相當的器件，如阻容器件及低功率半導體器件選用國產普軍級，為現階段主打性價比產品；

（4）C。滿足器件國產化“百分之百”要求，器件質量等級較低，成本較低，可滿足軍方對國產化的要求；

（5）D。滿足器件國產化“百分之百”要求，器件質量等級較高，成本較高，可靠性較高，可同時滿足軍方對高可靠性和國產化的要求。

2.貨架產品選用控制

針對不同型號項目單機重復研制的問題，提高研制效率、效益和質量與可靠性，實現基于產品型譜的產品規劃、開發與選用的良性循環，研究所修訂了《電源產品選用控制流程及要素》，給出產品選用控制要求和選用要素，以規范電源產品選用，提高型號產品的產品化率。

型號從貨架選用產品的一般原則是：一是優先選用貨架中成熟度高的產品，同一成熟度產品優先選用批產量大、故障率低產品；二是同一規格不同尾綴的產品，從性價比角度考慮，一般來說選擇順序為B、A、C、D；三是產品的選擇要綜合考慮可靠性、價格、器件國產化情況、生產周期、庫存狀況、售后、技術先進性、性能指標等；四是如果貨架無可直接選用產品，優先在成熟技術平臺上開發新品。開發新品時以改動最小為原則，重點關注變化的部分。產品選用控制一般流程如圖2 所示。

圖2 產品選用控制流程

產品選用控制要素從系統使用角度進行分類，分為關鍵要素與一般要素。關鍵要素為產品不可或缺功能，涉及到重新研制的問題；一般要素則為用戶可協商項，專門為該要素新研單機并不劃算。電源產品選用流程中的控制要素見表1。一般要素涉及指標較多，一般均按標準或行業慣例執行，要素表中不一一列出。

表1 電源類產品控制要素表

3.貨架產品成熟度管理

針對電源產品的技術特點，研究所根據中國運載火箭技術研究院標準編制了電氣類產品成熟度定級標準，將電氣類產品成熟度劃分為8 個等級。各級的定義及對應的研制階段見表2。在產品化研制生產模式中，電源單機的生產數量遠遠超過以往的定制化型號電源，因此新的成熟度定級標準中不再使用宇航單機產品成熟度定級標準以飛行考核次數作為成熟度定級依據，而是以更加嚴格的可靠性增長試驗、多型號應用考核以及批產數量作為成熟度定級的依據。

表2 電氣類產品成熟度等級劃分和定義

產品成熟度作為進入產品貨架的依據之一，產品進入貨架的條件包括（必須同時滿足）：一是在產品型譜內；二是產品達到3級成熟度要求，完成成熟度評定工作；三是有2 個及以上用戶選用。

儲備庫入庫條件包括（滿足條件之一，但必須在產品型譜內）：一是HTF 產品中具有通用性能，但成熟度未達到3 級；二是成熟度達到3 級但用戶未達到2 個；三是原1TY、TY 產品中具有廣泛應用前景；四是產品化牽引研制但成熟度未達到3 級。

4.貨架產品批產質量控制

在實現了產品化貨架建設后，針對實際質量特性難以把控的問題，有了批產數據的支撐。為提高貨架產品批產質量控制，深入推進電源產品合格率與穩定性控制工作的開展，研究所建立了產品控制清單，面向產品生產制造流程，基于全壽命周期實測質量數據分解產品結構，展開過程工序；面向產品制造全流程分析薄弱環節，確定影響合格率與穩定性的因素。

二、產品化貨架建設成果

目前，電源單一規格產品生產數量已從幾十臺發展到幾百臺，2019 年實現了千臺批產，從樣機小批研制到產品化的組批投產，實現了從量變到質變的跨越，電源產品的質量也經過逐年的批量化生產得到有效提升。

以質量控制中的合格率為例，研究所詳細梳理了每年批產任務電源產品的出廠合格率及存在的問題和設計及工藝改進方案。表3 為某型號電源歷年出廠數量（模糊處理）及出廠合格率數據。

表3 某型號電源歷年出廠合格率

從具體數據可以看出，電源貨架產品在經過多輪次批量生產及生產工藝改進后，其出廠合格率逐步提升至98.9%。截止2021年底，通過驗收進入研究所貨架名錄的電源類產品已多達16 款，年批產量達3000 臺套。形成的輸出電壓覆蓋28V、48V、96V、160V、270V，可并聯使用，遠程監測與控制滿載效率可達95%以上的直流穩壓系列電源產品。產品在多個型號項目中被選用并承擔著重要任務，成熟的貨架電源產品為現代武器裝備的自動化、信息化、智能化提供了穩定可靠的電力保障。

通過基于產品化的貨架建設研究與實踐，基本解決了傳統研制模式不適應產業發展新常態的問題，形成了豐富的電源貨架產品，在航天系統內多個院所中推廣使用，目前該貨架建設管理模式已初步進入良性循環。后續，研究所將繼續貫徹落實航天科技集團新時期產品化工作總體方案，以預研、型號和競爭性采購任務為牽引，進一步推進新產品開發，持續推進貨架建設，以電源產品貨架建設為樣板，豐富各專業產品貨架，提升貨架產品成熟度，加大型號選用力度，提高型號產品化率；進一步推進產品標準體系建設，持續推動單位產品驗收的全面實施。將產品管理融入型號研制流程，明確產品與型號職責，共同支撐“三高”“雙一流”目標的實現。