宇航元器件應用驗證系統工程研究

江理東 郭鵬 張延偉 孫明

（1 中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071） （2 西北工業大學管理學院，西安 710072）（3 中國空間技術研究院，北京 100094）

1 引言

驗證是一個提供證據的質量保證過程，為產品、服務或系統滿足其預期目的提供了高水平保證［1-2］。這一過程通過提供客觀證據來確定產品針對特定應用要求的符合程度和適用性［3］。隨著我國航天科技工業的快速發展，新型航天器和新一代運載器對配套元器件的性能、功能、可靠性和適應性提出了更高的要求。宇航元器件研制和保證思路也由“單純達到產品規范、滿足合同要求”，向“盡可能加大產品耐應力裕度、保留合理使用余量、提高宇航應用適應性、保證工程應用中不出故障”轉變。因此，急需提高國產新研制元器件的技術成熟度和宇航應用適用度，經充分驗證獲取評價數據，得出明確評價結論并促進元器件成熟應用。

宇航元器件應用驗證是指對元器件在宇航工程應用前開展的一系列試驗、分析、評估和綜合評價等工作，以確定元器件研制成熟度和在宇航工程中應用適用度，并綜合分析評價得出其可用度。“從系統的角度看，應用驗證項目是將委托方的驗證需求作為項目系統的輸入，通過一系列的驗證活動，輸出詳細的應用驗證數據和明確的應用驗證結論及應用指南，提供給委托方，以滿足委托方的驗證需求”［4］。應用驗證項目搭建了宇航元器件研制和應用之間的橋梁，應用驗證結論是元器件研制及應用管理的重要技術支撐。它對促進我國宇航元器件的自主研制，提升自主創新和自主保障能力，具有重要的戰略意義。

本文在梳理國內外宇航元器件應用驗證開展情況的基礎上，以分析應用驗證的目標和實現這一目標的技術途徑為主線，總結、歸納應用驗證工作的主要特征，論證系統工程理論和方法，指導宇航元器件應用驗證研究的適用性，以系統工程思想和方法為指導，建立我國應用驗證技術體系框架，并對應用驗證的技術創新和管理創新進行總結。

2 國內外研究及工程實踐現狀

宇航元器件應用驗證是為適應宇航產業需求和宇航元器件發展而形成的新領域，國際上航天技術比較發達的國家及組織都很重視這項工作，成立了專門的研究和組織機構，開展了充分的實踐工作。

美國非常重視宇航元器件的應用驗證相關工作，美國國家航空航天局（NASA）設置了專門的組織機構——NASA元器件和封裝項目組（NEPP）及NASA電子、電氣和機電元器件保證組（NEPAG），負責元器件的評估和應用研究工作，此外還有提供基礎技術支撐的很多研究機構和團體。NEPP主要由NASA 的各中心組成，其領導單位為NASA 元器件的主管部門——安全與任務保證辦公室。NEPAG 是由政府支持的國際性研究機構，由NASA 安全與任務保證辦公室發起建立，以宇航新型元器件驗證和評價方法為主要研究內容。NASA 通過研究來降低新型元器件空間應用風險，確定新工藝元器件通用驗證流程，以及實現驗證信息交換、結果分析交流及發布。NASA 開發了技術成熟度評估技術，將新產品技術成熟度劃分為9個度量等級，美國國防部在2003年頒布了技術成熟度評價手冊。

歐洲航天局（ESA）也非常重視宇航元器件的評估、準入和應用研究工作，設立了專門的組織機構和研究機構，建立并維護包括歐洲宇航元器件保證要求、鑒定合格元器件目錄和優選元器件目錄等標準在內的歐洲空間標準化合作組織（ECSS）和歐洲空間元器件協作組織（ESCC）規范體系。目前，元器件的空間應用研究是在宇航元器件指導委員會（SCSB）的贊助，以及政策與標準工作組（PSWG）和元器件技術委員會（CTB）的支持下進行的，形成了完整的技術方法體系。該體系中包括識別元器件在空間應用中的缺陷并提出改進建議，改進技術以適應測試和工程評價要求，采用評估和審核方式對產品規范和保證要求符合性進行確認，最終進行試驗并評估宇航應用適應性。

日本在航天領域的發展十分迅速，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在宇航元器件應用驗證研究發展中發揮著重要作用。在日本宇航元器件保證大綱中，“驗證”主要是指在規定環境下驗證元器件功能、性能和可靠性與元器件研制及應用要求符合性的一系列試驗。

我國宇航元器件使用單位結合實際工程應用要求，開展了應用驗證相關的實踐活動，近年對BB3656、64KSRAM-KW064和P1750等國產化產品進行了驗證和評估工作。這些工作屬于針對具體應用的驗證，缺乏系統、科學的理論指導，未建立明確的流程、方法和判據，也缺乏必需的結構分析、極限評估等基礎技術，導致系統性、規范性和權威性不夠，制約了驗證結果的全面推廣。在國家重大專項支持下，中國航天科技集團公司組織相關單位對我國宇航元器件應用驗證進行了專門和系統的研究，設計了一套完整的應用驗證流程和方法，提出了“成熟度-適用度-可用度”綜合評價框架，以及以其為核心的“需求調研→需求分析→指標建立→項目確定→流程建立→流程實現→綜合評價→結果應用”工程路線；對隱含和散布的元器件特性指標進行系統歸納，形成可量化的驗證指標體系，并建立主客觀相結合的評價模型和判據；提出宇航元器件極限評估相關概念，建立評估模型和評估試驗設計原則；提出建立在結構單元分解、結構要素識別和結構判別三要素理論基礎上的結構分析方法；提出空間環境適應性和系統適應性評估方法；構建應用驗證項目集成管理框架，建立應用驗證工程項目驅動型矩陣式組織結構和管理體系。

3 宇航元器件應用驗證系統工程

3．1 目標及特點

我國宇航元器件應用驗證的主要目標包括：通過對宇航元器件的系統驗證分析，盡早發現產品設計、制造缺陷和質量隱患等“不好用”問題，及時反饋研制單位進行改進、完善，促進產品成熟；通過對元器件的科學評價，為用戶提供選用的依據，解決用戶因應用支持數據缺乏、應用風險不明而決策困難的“不敢用”問題，促進元器件在宇航工程中推廣應用；通過與用戶的互動和發布應用指南，有效指導應用，解決用戶選擇錯誤、應用不合理等“用不好”問題，提高應用水平。

為了實現上述目標，應用驗證需要開展元器件的研制成熟度、應用適用度評價和可用度綜合評價。研制成熟度（以下簡稱成熟度），是指元器件在設計、工藝、材料、試驗和過程控制等研制生產及質量保證能力的綜合得分，與對應等級判據比對得出的評價結果；成熟度評價關注元器件在設計、制造及工藝、過程控制等方面的過程要素和元器件的功能性能、可靠性等產品指標。應用適用度（以下簡稱適用度），是指元器件的宇航應用環境及系統的適應能力的綜合得分，與對應等級判據比對得出的評價結果；適用度評價關注元器件空間環境應性、系統適應性等指標。可用度是對成熟度和適用度進行進一步綜合分析和評估，并與對應等級判據比對得出元器件可滿足宇航應用要求的量化綜合評價結果。可用度間接表征了元器件在宇航應用中的風險程度，可用度越高，風險越小，反之亦然。因此，成熟度、適用度和可用度綜合評價，構成了應用驗證工作的核心，同時也決定了應用驗證工作具有多階段、多領域、多目標、多任務和多參與方等特點。這些特點具體表現為：①應用驗證需要開展元器件研制生產階段的過程要素評價和產品的元器件階段、地面整機階段及飛行階段等多個階段的驗證評估；②應用驗證涉及元器件研發與制造、質量保證、宇航項目系統與工程、質量管理和項目管理等多個領域；③應用驗證要解決“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多個問題；④應用驗證涉及多類型、多品種元器件的評價分析，涵蓋了綜合評價技術、流程設計技術、項目管理技術、質量管理技術、平臺構建技術、結構分析技術、極限評估技術、空間環境適應性評估技術、系統適應性評估技術和驗證測試技術等多項研究任務；⑤應用驗證包括宇航項目系統、元器件用戶單位、元器件生產單位、驗證實施單位和第三方鑒定機構等多個參與方。

3．2 應用驗證與系統工程

系統工程理論是以研究大規模復雜系統為對象的一種方法論，從20世紀50年代的“阿波羅”登月計劃，到20世紀90年代我國的三峽區域經濟研究，再到21世紀的載人航天工程，系統工程已經成功應用到社會、經濟、軍事等各個領域。系統工程的理論和方法，在航天事業的發展中也得到了廣泛應用［5-9］。實踐證明，系統工程是研究解決復雜系統的行之有效的技術手段［10-11］。

一般而言，宇航元器件研制和應用系統規模龐大，層次結構嵌套復雜，影響因素眾多，有很多不確定因素，具有明顯的復雜系統特征，這些必將導致應用驗證工作的復雜性。同時，應用驗證的目標和特點，更是決定了其具有復雜性、層次性、整體性和環境適應性等復雜系統特征。

（1）應用驗證的復雜性體現在：驗證目標需解決元器件“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多個問題；驗證過程涵蓋元器件階段驗證、地面整機階段驗證和飛行階段驗證等多個階段，各階段關注重點不同，又相互關聯；驗證技術途徑需開展元器件研制成熟度、適用度評價和可用度綜合評價，并給出分級量化評估結論；驗證的多個參與方包括宇航項目系統、元器件用戶單位、元器件生產單位、驗證實施單位和第三方鑒定機構等；主客觀評價需要元器件研制、質量保證、宇航項目系統與工程、質量管理、項目管理等多領域的專家廣泛參與；應用驗證技術涉及多學科的交叉融合、綜合歸納與集成創新。

（2）應用驗證的層次性體現在驗證指標分為三級。一級指標包括研制生產過程要素、功能性能、可靠性和應用適應性；應用適應性包括空間環境適應性、力學環境適應性、熱學環境適應性和系統適應性等二級指標；系統適應性又包括裝聯工藝適應能力、電磁兼容適應能力、容差能力和插拔替換能力等三級指標。驗證判據包括單指標判據和綜合判據；驗證結論需先形成研制成熟度和應用適用度結論，再綜合分析得出元器件的可用度結論。

（3）應用驗證的整體性體現在技術整體性、管理整體性和資源整體性。技術整體性表現為：應用驗證技術是由總體技術和基礎技術構成，基礎技術又包含結構分析、極限評估、系統適應性評估等新開發技術與已掌握的失效分析、破壞性物理分析等技術的整合。管理整體性表現為：中國航天科技集團公司的應用驗證，以總指揮和總師為決策協調核心，應用驗證中心（含分中心和認可實驗室）為主體；各研究院主管部門、宇航項目系統、主要用戶單位和研制單位有效參與。資源整體性表現為：需充分發揮國內元器件研制單位優質資源和優勢應用單位能力，經認證成為認可實驗室，共同承擔驗證工作，同時做好資源協調。技術、管理和資源多個子系統協同，才能將應用驗證工作整合為一個系統整體。

（4）應用驗證的環境適應性，體現在開展應用驗證需與目前我國宇航元器件研制與應用的具體情況相適應。在技術上，需將新開發的結構分析、極限評估等驗證技術與已掌握的破壞性物理分析（DPA）、失效分析等技術進行有效整合應用；在管理上，需針對目前宇航元器件產品質量和可靠性評估數據較少、研制生產單位應用支持能力較弱、缺少元器件宇航應用技術成果支撐、尚未建立驗證信息交流和結論發布平臺等特點，建立并完善管理模式。

可以看出，宇航元器件應用驗證是一個典型的系統工程工作，系統工程理論可以指導應用驗證方法的構建。具體來說，在系統論的基礎科學層面，宇航元器件應用驗證屬于開放復雜系統。在應用驗證過程中，需要應用信息學、控制學、運籌學和模糊學等基礎科學。應用驗證主要是解決元器件的整體應用問題，最終目標是工程應用；而系統工程是從總體上改造客觀世界的工程技術實踐，是系統科學的工程應用。對于宇航元器件應用驗證，系統工程綜合研討的方法，能夠將專家的科學理論、經驗知識乃至專家智慧，轉化成對應用驗證的全面認知；系統分解-集成的思想能夠將應用驗證分解為若干個子系統，并對分解出的子系統進一步分解，直至涵蓋應用驗證的全部主要要素；運用由定性到定量的評價思想，采用相對定量方式將元器件成熟度、適應度和可用度均劃分為5個等級。宇航元器件應用驗證系統工程方法論體系框架，如圖1所示。

圖1 宇航元器件應用驗證系統工程方法論體系框架Fig．1 Methodology system framework of application validation for space components

3．3 系統工程視角下的應用驗證技術框架

具有復雜系統特性的應用驗證工程，其技術和管理體系的建立，首先需要進行宏觀整體設計和框架構建，然后對框架中的各個組成部分進行微觀細化和深化設計構建。應用驗證的宏觀方法論是指應用驗證的總體框架和相關方法，它以應用驗證整體為對象，解決應用驗證如何科學和有計劃地開展，如何有序地組織和管理的問題；應用驗證的微觀方法論是指應用驗證總體框架各部分的展開及相關方法，主要以應用驗證具體問題為對象。

首先，以系統工程理論為指導，進行整體布局和協同優化。其次，將研究內容分為應用驗證總體技術研究和應用驗證基礎技術研究兩大部分。①應用驗證總體技術研究，解決應用驗證的總體內容框架和相關方法，如應用驗證的指標體系、工作項目和流程、方法和判據、項目管理和質量管理，以及整個應用驗證工作的支撐平臺等問題，其中包括應用驗證流程研究、方法和判據研究、項目管理研究、質量管理研究和驗證平臺研究等5個方面；②應用驗證基礎技術研究，解決應用驗證工作項目實施需要的具體技術相關方法，其中包括應用驗證測試技術研究、結構分析技術研究、極限評估技術研究、空間環境適應性評估技術研究、力和熱環境適應性評估技術研究、系統適應性評估技術研究等6個方面。應用驗證總體技術和基礎技術框架，如圖2所示。

目前，在宇航元器件應用驗證總體技術和基礎技術的牽引下，應用驗證已經取得了一系列研究成果，如圖3所示。其中包括：核心框架、工程路線和技術體系，以及標準、指南、手冊和軟硬件等方法工具，應用驗證工作模式、組織結構和管理制度規范等。隨著應用驗證工程的開展，這些研究成果將有效指導工程實踐，并通過工程實踐進一步完善、豐富，為我國宇航元器件應用驗證工程實施和管理積累寶貴的理論和實踐經驗。

圖2 系統工程視角下的宇航元器件應用驗證技術框架Fig．2 Technology framework of application validation for space components from perspective of system engineering

圖3 宇航元器件應用驗證成果體系Fig．3 Achievement system of application validation for space components

3．4 應用驗證工程實踐

為了保證國產1553總線控制器電路J61580能夠滿足航天器的應用要求，中國空間技術研究院結合應用驗證總體技術和基礎技術研究的階段性成果，遵循“需求調研→需求分析→指標建立→項目確定→流程建立→流程實現→綜合評價→結果應用”的工程路線，開展了J61580的專項應用驗證工作。針對該電路的產品和應用特點，建立了驗證指標體系，將元器件功能性能、可靠性和應用適應性分解為15個二級指標、35個三級指標，形成針對性驗證流程和技術方案，應用了結構分析、極限評估、項目管理、綜合評價等總體技術和基礎技術，實施了與元器件研制及航天器應用關聯協同的應用驗證工作模式。經驗證，該產品成熟度評為4級、適用度評為3級，可用度評為4 級，可以滿足某衛星的應用。目前，J61580在軌工作正常，并已在多個航天器中推廣應用。上述實踐結果，在一定程度上證實了應用驗證研究成果的科學性、有效性，同時也推動了相關研究成果的進一步豐富和完善。

4 結束語

在系統工程理論和方法的指導下，本文通過研究建立了宇航元器件應用驗證技術體系和管理體系框架，取得了較多創新性的科學和技術成果，形成了具有中國特色的宇航元器件應用驗證系統工程管理的理念、體系和方法，為我國宇航元器件應用驗證工程提供了理論指導和技術方法工具，為加快我國宇航元器件推廣應用提供了可行的技術路徑，為提升我國宇航元器件自主保障能力提供了有效支撐，為我國宇航元器件工程體系的完善奠定了基礎。通過應用驗證工程的推廣和實施，在不斷豐富和完善技術體系和管理體系中，我國的宇航元器件應用驗證工作能夠為我國宇航元器件和航天事業的發展提供有力保障。

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