商業航天產品保證方法和實施途徑的探索

曲艷娟，趙 臻，張文浩，王 瑋

（1.航天恒星科技有限公司，北京 100095；2.航天科工二院二十三所，北京 100854）

0 概 述

國外商業航天產業發展迅猛，一批創新性強的商業航天公司如SpaceX 等脫穎而出，航天商業化進程在航天運輸、空間應用等領域拓展，促進了國家經濟、政治、科技等各個領域的發展，引領了一大批顛覆性的技術的發展。我國國內除了國有背景的商業航天公司，如航天科技、航天科工、中科院下屬公司外，其他民營商業航天公司大多處在技術積累和資本運作的階段，同時存在同質競爭的無序發展局面。與其對應的，產品保證能力嚴重不足，主要體現在產品保證能力與低成本研制需求不匹配、批量化生產的產品保證能力不足、對新技術新產品引入系統設計的保證能力不足三個方面。

本文就是針對這些不足進行了思考，通過對商業衛星與傳統衛星研制模式和技術特點的對比，梳理商業衛星產品保證框架，明確商業航天產品保證的特點，提出一套符合商業衛星技術新、成本低、批量大特點的產品保證技術實施途徑，達到為商業航天發展提供決策依據和實施參考的目的。

1 國內外商業航天產業發展的對比

1.1 國外商業航天產業與產品保證發展情況

國外商業航天產業發展迅猛，一批創新性強的商業航天公司脫穎而出，航天商業化進程在航天運輸、空間應用等領域拓展，促進了國家經濟、政治、科技等各個領域的發展，引領了一大批顛覆性的技術的發展，如：可重復使用運載技術、平板堆疊式衛星技術、低成本工業元器件的使用和保證技術、高集成度總體設計技術等，增強了國家技術競爭力。商業航天促進了航天產業鏈的延伸，通過商業航天的發展，航天產業鏈不斷延伸，逐漸滲透到國家各個行業和日常生活領域。在產業鏈上游，促進了材料、芯片、智能制造、精密儀器的發展；在產業鏈下游，促進了通信、遙感技術在工業、農業、消費等各大領域的應用。

與此同時，航天產品保證技術和方法也不斷提升。在元器件、原材料、工藝、軟件、可靠性、安全性、地面設備等各個方面，國外已建立了一大批具有商業航天特點的標準、規范、技術和管理體系。總的來說，國外商業航天在項目保證方面，有如下幾個特點。

圍繞商業航天快、省、易用的特點不斷制定和完善行業標準與規范。從20 世紀70 年代開始，國外商業航天就開始圍繞商業航天低成本、快速制造、功能針對性強的特點，制定和頒布了一系列相關的標準和行業規范，為火箭發射、衛星制造及衛星應用等領域的商業化提供了行為準則以及有力的支持。特別是近20 年，完善的政策法規和標準規范，使SpaceX、藍色起源、OneWeb 等公司獲得了發展機遇。

圍繞技術革新開展項目和產品保證。以運載火箭為例，從國外已經公開的產品方案來看，商業航天公司非常重視技術創新和新技術的應用，如SpaceX 公司采用新型可回收技術來降低火箭使用成本、火箭實驗室(Rocket Lab)采用的電動泵火箭發動機、ARCA 航天公司采用氣動塞式噴管發動機的火箭方案、向量空間系統公司（Vector Space System）的擠壓式發動機、西班牙Zero2Infinity 公司采用的三級并聯構型等。

與此對應的，在研制模式和管理模式上，SpaceX公司采用“研制—試驗—改進”的方案，以低成本、高可靠性為目標，通過低成本快速試驗來快速探索與改進性能指標，將產品保證程序極度精簡，比如獵鷹9從Block 1 版本到最新的Block 5 版本，只用了2 年時間，經過幾輪循環迭代，火箭各項性能指標越來越好、性價比越來越高。

在尊重與繼承的基礎上，改進和完善商業航天產業鏈保證：經過多年的研究和不斷完善，國外在商業航天產業鏈方面，在運載火箭、衛星制造以及衛星應用產業的各個環節已形成多家私營企業良性競爭的局面。除了傳統老牌航天企業以外，在火箭發射環節，誕生了SpaceX、OrbitalSciences 等企業，已成功完成多次火箭發射商業合同。在衛星制造產業，有OneWeb、DigitalGlobe、PlanetLabs 等公司。衛星應用領域，產生了OneWeb、OrbitalInsight、SkyboxImaging等公司，產業鏈的打通，促進了供貨商—集成商—運營商—用戶的統一。

2.2 國內商業航天與產品保證發展情況

國內除了國有背景的商業航天公司，如航天科技、航天科工、中科院下屬公司外，其他民營商業航天公司大多處在技術積累和資本運作的階段，絕大多數的民營商業公司，主要業務聚焦在系統集成方面，鮮有企業去關注產業鏈下游配套的產業發展，同時存在同質競爭的無序發展局面。在產品保證方面，國內的商業航天項目產品保證能力嚴重不足，主要體現在以下幾個方面。

首先，產品保證能力與低成本研制需求不匹配。如：元器件原材料方面，我國傳統的衛星研制模式針對的是小子樣定制化的衛星，元器件原材料選用原則是等級高、可靠性高，由此導致器件選用范圍窄，篩選項目過冗余，造成器件質量成本昂貴，顯然無法適應商業航天的低成本要求，需要我們去研究如何降低器件成本，保證低成本器件也能滿足使用需要。產品設計層面，傳統衛星定制化產品多，通用化和標準化程度低，衛星產品狀態和接口復雜，造成研制生產過程成本的上升，需要我們積極開展產品的標準化定型和貨架產品選用，達到降低成本的目的。試驗驗證方面，傳統衛星試驗矩陣不對產品類型進行區分，一刀切，不管任何成熟度等級的產品所做的試驗項目都保持一致，造成了試驗資源的浪費和成本的上升，需要我們甄別和有針對性地簡化試驗要求，在保證衛星可靠性基礎上降低成本。

其次，批量化生產的產品保證能力不足。我國目前商業衛星生產能力大約15 顆/年，大部分采用以人工為主的生產模式，難以適應規模化生產商業衛星的設計合理性、工藝可行性、制造規范性的需求，產品的質量和可靠性難以得到保證。商業衛星規模化生產涉及眾多的技術、復雜的過程以及眾多的研制生產單位，是復雜的系統工程。商業衛星研制生產活動呈現探索性、先進性、復雜性、高風險性等特點，與規模化生產產品體積小、重量輕、功耗少等特點形成鮮明的對比，對商業衛星規模化生產產品保證提出了非常苛刻的要求。在供方選擇方面，傳統研制體系中供方能力不一，所承擔的產品研制任務分散，任務量不集中，造成了質量管理成本和研制生產成本居高不下，需要我們深入研究解決。

總體來說，我們面臨著從傳統航天產品保證模式向商業航天產品保證模式的過渡，需要我們努力研究。

3 思考與討論的內容

文章主要圍繞以下內容進行思考與討論。

3.1 針對快速、低成本建造的產品保證技術途徑

主要從商業航天產品保證組織體系、產品保證規范體系；產品標準化和貨架產品選用；元器件選用；試驗驗證；研制質量控制程序等方面開展了相關思考。

3.2 針對商業航天批量化生產的產品保證技術途徑

主要從供方優化整合；供應鏈體系；設計產品保證；工藝產品保證；制造產品保證；數據分析手段等方面開展了相關思考。

3.3 針對新技術新產品的產品保證技術途徑

主要從新技術新產品引入給產品保證帶來的主要問題；商用元器件安全使用問題及產品保證途徑；輕小型化設計帶來的可靠性問題和產品保證途徑；集成設計帶來的兼容性問題和產品保證途徑等方面開展了相關思考。

4 傳統航天產品保證模式的問題分析

4.1 針對快速、低成本制造的主要問題分析

產品保證組織體系方面，傳統產品保證組織體系采用縱橫并舉的矩陣式架構。縱向上覆蓋衛星總體設計單位、總裝單位、分系統承制單位和單機配套單位；橫向上包含項目指揮、產品設計師和產品保證人員，形成從上到下相互銜接的產品保證工作系統。但是多層次的組織結構造成項目管理的條線過長，容易形成信息流通不暢、組織松散，從而影響項目管理的時效性和執行力，而且，細分的組織崗位人員設置、對項目人員需求多，也會增加研制經費，不符合商用衛星精簡的理念。

產品保證標準規范體系方面，目前商業航天產品保證沒有標準規范體系，各類標準比較分散，對未來商業衛星項目推進不利。

研制流程方面，在系統規劃上，傳統航天將衛星系統嚴格劃分為系統、分系統、單機三個級別，每個級別都要分別開展各自的研制流程相關工作。比如單機要有方案設計評審、初樣詳細設計評審、正樣設計評審，分系統和系統也分別有方案設計評審、初樣詳細設計評審、正樣設計評審，各級的界限清楚。這種劃分保證了責任的明確和過程控制的完善，但是效率是很低的。

產品標準化定型和貨架產品選用方面，傳統航天并不重視貨架產品的選用，大部分產品是新研和定制化修改的產品，產品研制效率低，研制鏈條長，不適應快速低成本要求。

元器件的選用方面，傳統航天為了保證衛星的可靠性，選用的是宇航級產品。宇航級產品通常為軍品器件生產線同線產品，宇航級元器件設計工藝往往與普通工業產品不同，如：為了抗輻照采用藍寶石襯底等工藝；生產制造中關鍵工藝工序的過程檢驗更多、更嚴格；生產制造中的要求定環境、定設備、定人員等，生產后經過了宇航級篩選和質量保證過程。由于上述原因，宇航級器件其抗空間環境的能力更強、器件性能更加穩定，價格也更高。相同功能的宇航級元器件價格往往是同樣功能工業器件的幾倍甚至幾十倍。

試驗驗證方面，傳統航天包絡大而全，對產品不加區分，試驗余量（包括時間余量和量級余量）設置較大，雖然目前各試驗標準中的規定基本上都是推薦性的，但在執行過程中，常常被當作強制性標準使用，造成了部分產品試驗條件余量過大，浪費了很多寶貴的試驗資源。

4.2 針對批量化生產產品保證的主要問題分析

供方選擇方面，傳統研制體系中供方多，能力不一，所承擔的產品研制任務分散，任務量不集中，造成質量管理成本和研制生產成本的居高不下，不利于批量化研制和生產的開展。

供應鏈方面，傳統航天需求、制造、應用各自為戰，尚未形成供應鏈體系，造成需求不明確、衛星不好用不易用、應用不深入等問題。

量產的產品保證體系方面，對于量產衛星，現在并沒有成型的產品保證體系，各單位各自為戰，不利于統籌管理。

5 為適應商業航天提出的產品保證解決途徑

5.1 針對快速、低成本制造的產品保證解決途徑

產品保證組織體系方面，商業航天應從工程項目實際出發，充分考慮市場經濟規律，吸取已有衛星研制的成熟經驗，貫徹管理層級“扁平化”和職責“集中化”的理念，建立適應衛星管理簡潔高效的產品保證組織體系。管理層級“扁平化”是指產品保證組織機構集中，通過減少部分中間管理層級，實現組織機構的扁平化，提高管理效率，便于上級要求的及時傳達和下級問題的實時反饋。職責“集中化”，是指不再設置單獨的產品保證隊伍，其產品保證工作由產品設計師統一負責。可仿照ESSA 的做法，設置監造（可以兼職多個項目），負責對產品保證技術細節的策劃和檢查。

產品保證標準規范體系方面，商業航天可按照層次構建，分四個層次：頂層是產品保證的目標和原則以及隊伍建設方案；第二層是產品保證九大要素的基本要求；第三層是各要素的工作流程和配套規范；第四層是各要素包括的詳細技術規范，如電纜綁扎保證要求，各類天線單機產品保證要求等。

研制流程方面，商業航天應需要根據特點做出調整，主要調整內容是：壓縮系統層級，整合流程中的工作項目，適當壓縮研制階段，使其更高效。

產品標準化定型方面，商業航天可以考慮采取“有所為、有所不為”的低成本戰略。貨架產品（A、B、E類設備）更關注“選、篩、用”環節；重視開展產品的使用歷史研究，包括產品的應用履歷、產品的技術性能指標在地面和在軌的穩定性分析、異常情況、指標包絡線分析等；重視開展產品的環境適應性分析，包括產品曾經經歷的在軌環境，曾經經歷的最大環境包絡等；重視開展產品的工藝穩定性分析，有無禁限用工藝等；重視開展產品的生產過程分析，以及廠家生產能力分析等。

元器件選用方面，商業航天應在滿足使用的前提下，盡量降低元器件成本的策略，選篩用綜合考慮。選擇上，應以夠用為核心，加強元器件數據的分析；篩選上，適當調整篩選策略，減少篩選項目；使用方面，要從系統可靠性入手，保證器件用得對，用得值。

試驗驗證方面，商業衛星可以根據產品適度裁減篩選度低的試驗；合并部分單機試驗與整星試驗；統籌考慮單項收費高的試驗項目；具體產品具體分析試驗項目和量級；簡化批產產品的試驗。通過這些手段適應商業衛星的需求。

5.2 針對批量化生產產品保證的解決途徑

在供方優化整合方面，商業航天應綜合考慮供方能力、供方替代性、供方意愿及合作策略，來優化整合供方。

量產產品供應鏈體系方面，商業航天應打通上下游環節，研究衛星配套產品進、銷、存、生產、交付等環節。量產產品保證體系方面，商業航天應在設計合理性、工藝可行性、制造規范性以及數據分析方法上下功夫。

6 總 結

本研究中探討的各種產品保證途徑，都是實現項目最終目標的技術手段。通過這些產品保證途徑，可以解決或減輕商業衛星項目實施中各要素之間的矛盾，然而，這些途徑卻不是商業衛星項目成敗的決定因素。

商業衛星雖然具有商業屬性，遵從市場規律，但其畢竟還是一個系統工程，需要利用系統工程理論統籌協調經費、范圍、時間、質量等各種項目要素之間的關系。而實現各種項目要素的協調統一，才是項目成功的根本。過度地提高對某個要素的要求，導致要素間的不協調，是不科學的，也會阻礙項目的順利開展。