東方紅四號增強型衛星平臺優化驗證經驗與啟示

石明 魏強 劉闖斌 凌貿易 田野 崔佳濤

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

東方紅四號增強型衛星平臺優化驗證經驗與啟示

石明 魏強 劉闖斌 凌貿易 田野 崔佳濤

(中國空間技術研究院通信衛星事業部，北京 100094)

東方紅四號增強型衛星平臺(DFH-4E)開發過程中，為有效地降低驗證工作費用、縮減驗證周期并保證驗證的充分性，按照系統工程理論，首次提出并采用了系統優化驗證的方法，以一顆工程星來代替傳統的結構星、電性星(熱控星)等，實現“一星多用、綜合驗證”的目的，同時利用“工程星+熱模擬艙+分系統+單機”的“集中+分散”式驗證模式開展平臺驗證工作。利用該方法，有效地縮短了平臺研制周期，降低了研制經費，完成了平臺關鍵技術驗證和平臺系統級驗證，達到了具備轉入正樣衛星研制的條件。DFH-4E平臺驗證實踐表明，該優化驗證方法是一種行之有效的提高驗證效率的方法。

衛星平臺；東方紅四號增強型衛星；優化；驗證方法

1 引言

驗證工作是新型衛星平臺開發過程中的重要環節，傳統的驗證模式占據了開發工作中大部分的經費、人力、周期等資源。在當前市場需求快速多變、新型技術不斷涌現的形勢下，需要探求新型平臺(衛星)新的驗證方法，以降低成本、縮短研制周期實現提升產品競爭力[1-2]。

東方紅四號增強型衛星平臺(DFH-4E)是以東方紅四號衛星平臺(DFH-4)為基礎研制的大容量地球同步軌道公用平臺，它與東方紅四號衛星平臺(DFH-4)、東方紅四號靈巧型衛星平臺(DFH-4S)形成通信衛星東方紅四號平臺型譜，3個平臺分別覆蓋中大、中和中小載荷容量衛星市場[3-4]。DFH-4E平臺需求緊迫并采取自主開發方式，若采用傳統的驗證方式，需要開展結構(熱控)星、電性星的研制，整個驗證周期近30個月[5]，無法滿足“短周期、低成本”的任務要求。項目研制隊伍分析DFH-4E平臺的技術特點，提出采用工程優化驗證方法，經過DFH-4E平臺的實踐表明，該方法可以快捷、高效地完成平臺驗證。

本文總結和提煉DFH-4E平臺驗證工作特點，結合理論基礎，形成一種具有普遍適用性的新型衛星平臺驗證方法，可以推廣應用于相關的新型平臺驗證工作中。

2 平臺設計技術狀態分析

DFH-4平臺自2006年首飛以來成熟度和承載能力不斷提高，DFH-4S平臺以突破電推進和綜合電子技術實現平臺承載能力進一步提升。DFH-4E平臺主要采取結構擴展、功率增大及多層通信艙、重疊壓緊展開天線等新設計方法提高平臺承載能力。DFH-4E平臺設計技術狀態與DFH-4、DFH-4S平臺的比較如表1所示。通過表1的技術關系比較，識別出的DFH-4E平臺系統級改進技術、分系統級改進技術和主要單機如表2所示。

表1 DFH-4E平臺與DFH-4、DFH4S平臺比較

表2 DFH-4E平臺改進技術及關鍵單機

3 平臺優化驗證思路

3.1 驗證目標

DFH-4E平臺的驗證目標是：結合DFH-4和DFH-4S平臺驗證結果，有重點地開展DFH-4E平臺改進技術驗證，以達到后續應用DFH-4E平臺整星具備直接開展正樣研制的條件。

3.2 驗證思路

基于對DFH-4E平臺的設計狀態及繼承性分析，打破傳統平臺(衛星)利用結構星、電性星等整星級資源逐項開展驗證的方式，抓住驗證要點，以一顆工程星來代替傳統的結構星、電性星(熱控星)等，實現“一星多用、綜合驗證”的目的；采用優化驗證方法，合理開展有代表性的專項驗證項目，確保驗證覆蓋全面。

4 平臺驗證設計

DFH-4E平臺驗證工作的重點是表2中所列的各項改進技術和相對DFH-4、DFH-4S平臺狀態變化的驗證，將待驗證項目在不同驗證層級進行分解形成驗證矩陣，如表3所示。根據表3中所需要的驗證項目，按照優化驗證思路，DFH-4E平臺采取“工程星+熱模擬艙+分系統+單機”的“集中+分散”式驗證模式。其中工程星承擔了5項系統級改進技術的驗證，熱模擬艙完成通信艙三維熱控技術驗證，分系統、單機通過聯試和鑒定試驗，驗證分系統和單機性能，通過三個層級聯動驗證，全面覆蓋了平臺所需驗證的項目。同時，上述工作在技術流程上并行開展，有效地縮短驗證周期，而且不再開展整星級電氣聯試和熱試驗工作，節省資源和經費。

表3 DFH-4E平臺驗證矩陣

5 工程星驗證項目

工程星是平臺優化驗證的核心。合理、充分地利用工程星實現最大化集中驗證是工程星技術狀態確定的優化思路，基于這個思路，工程星制定了“覆蓋全面，兼顧新品，系統簡化”的技術狀態確定原則，不僅對平臺自身的狀態進行全面驗證，也為新產品、新材料的應用提供驗證機會。工程星狀態確定的原則和技術狀態要求如表4所示。

表4 工程星技術狀態確立原則及技術狀態要求

根據工程星研制目的和狀態，圍繞工程星所承擔的5項改進技術驗證需求和其他驗證，確定工程星應開展的試驗項目如表5所示。

表5 工程星試驗項目

6 優化驗證實施與效果

DFH-4E平臺驗證先后完成了中心承力筒、大容量貯箱和氣瓶、鋰離子蓄電池組、電源控制器、大功率太陽翼驅動機構、重疊展開天線等鑒定產品研制及鑒定試驗，突破了單項改進技術，完成了主要單機產品驗證。

完成了熱控模擬艙熱平衡試驗，驗證了多層通信艙熱設計的正確性和獲取了多層通信艙熱傳導特性。

完成了DFH-4E平臺工程星總裝、整星發射狀態和空箱狀態的鑒定級力學環境試驗和噪聲試驗，以及工程星力學試驗前后太陽翼、重疊天線、矢量調節機構的電爆展開試驗、大功率供電通路測試等工程星試驗驗證任務，系統驗證了系統間接口設計的匹配性、分區布局設計的合理性，有效驗證了衛星承載能力、載荷容量、載荷功率等主要技術指標，以及各項改進技術工程應用實施的可行性。

7 優化驗證經驗

1)采用“V”字型模型開發和驗證

航天產品開發通常采用“V”字模型[6]，DFH-4E平臺開發與驗證也是基于該理論模型，結合平臺實際特點形成DFH-4E平臺的“V”字模型，如圖1所示。通過對未來應用需求的分析，逐步確定平臺的定位與指標要求，根據指標要求，從系統頂層逐級分解，梳理出需要驗證的關鍵技術和新產品，再通過逐級的綜合的關鍵技術攻關、關鍵產品鑒定等完成整個平臺的工程驗證。

圖1 DFH-4E平臺“V”字模型Fig.1 “V” model of DFH-4E platform

2)充分識別驗證項目和確認驗證技術狀態是優化驗證的關鍵環節

優化驗證的核心目的是整合驗證資源、提高驗證工作的效率；工作重點是對驗證項目的識別和驗證狀態的確定。只有目標明確，項目識別充分，才能確保后續驗證全面、有效。DFH-4E平臺優化驗證方法及流程可以用圖2表示。主要經驗包括4方面：

(1)優化驗證的核心目的是整合驗證資源、提高驗證工作的效率；

(2)優化驗證的工作重點是對驗證項目的識別和驗證技術狀態的確定；

(3)工程星是優化驗證工作中最重要的環節，其技術狀態的確定要綜合驗證目的、試驗需求以及后續需求來確定，實現最優化的狀態；

(4)工程星應具備重復應用性，DFH-4E平臺完成驗證后，可轉入其他特殊需求的驗證中。

圖2 優化驗證方法及流程Fig.2 Engineering methodology and flow chart

8 結束語

衛星設計涉及多個學科或分系統，且彼此間相互耦合，是一項復雜的系統工程[7]，針對衛星設計方面已經開展了大量的多學科設計優化技術研究工作，取得了不少成果[8]。衛星的驗證工作目前仍停留于傳統的驗證思維，在驗證領域結合系統工程學理論及多學科優化理論開展驗證優化是一個新興的課題。

DFH-4E平臺在驗證優化方面進行了嘗試，以優化驗證為指導思想，按照系統工程思維，以工程星為核心完成了平臺驗證工作，整個研制周期約18個月，相比傳統驗證方法縮短約12個月，取消了電性星以及整星級熱平衡試驗，研制經費及人力資源大幅縮減，該平臺已在中星18號衛星、亞太-6D衛星等開展實際應用并直接進入正樣研制，表明采用該驗證方法行之有效，具有高效、快捷的優點，可以更加有效地適應快變、多變的市場需求變化和技術更新。驗證優化研究是一項復雜和長期的工作，需要通過一定的實踐積累和提煉并結合相關理論，形成專有的系統工程驗證優化理論。

References)

[1]王敏，周志成. Alphabus衛星平臺研制進展及技術特點分析[J]. 航天器工程，2010，19(2)：99-105

Wang Min,Zhou Zhicheng. Analysis of the Alphabus platform development and design characteristics[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(2): 99-105 (in Chinese)

[2]楊軍，周志成,李峰，等. BSS-702系列平臺低成本設計分析及啟示[J]. 航天器工程，2016，25(1): 141-146

Yang Jun，Zhou Zhicheng,Li Feng,et al.Analysis on low-cost design of BSS-702 serial platform and its instruction[J]. Spacecraft Engineering,2016,25(1): 141-146 (in Chinese)

[3]Zhou Zhicheng,Li Feng,Li Zhijia,et al,Development of DFH-4,the third generation of China GEO platform,IAC-06-B3.4.7[C]// 57th International Astronautical Congress. Paris: IAC,2006

[4]Liu Likun,Wei Qiang. Development of platform techniques of telecommunication satellite and their application to DFH-4E platform,IAC-06-B4.4.5[C]// 64th International Astronautical Congress. Paris: IAC,2013

[5]周志成. 通信衛星工程[J]. 北京：中國宇航出版社，2014

Zhou Zhicheng. Communication satellite engineering[J].Beijing: China Astronautics Press,2014 (in Chinese)

[6]袁家軍.航天產品工程[M]. 北京：中國宇航出版社，2011

Yuan Jiajun. Aerospace products engineering[M]. Beijing: China Astronautics Press,2011 (in Chinese)

[7]王希季，李大耀. 衛星設計學[M]. 上海：上海科學技術出版社，1997

Wang Xiji，Li Dayao. Satellite design[M]. Shanghai: Shanghai Scientific and Technical Publishers,1997 (in Chinese)

[8]陳余軍，周志成，曲廣吉. 多學科設計優化技術在衛星設計中的應用[J]. 航天器工程，2013，22(3): 25-28

Chen Yujun，Zhou Zhicheng，Qu Guangji. Application of multidisciplinary design optimization in satellite design[J]. Spacecraft Engineering,2013,22(3): 25-28 (in Chinese)

(編輯：張小琳)

Practice and Inspiration of DFH-4E Platform Verification

SHI Ming WEI Qiang LIU Chuangbin LING Maoyi TIAN Ye CUI Jiatao

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology,Beijing 100094，China)

During the development process of DFH-4E satellite platform,the system optimization methodology was raised and adopted for the first time. As a result the verification cost was effectively limited and the development duration was reduced. A system engineering satellite model,instead of the traditional structural model,electrical model (thermal model) etc.,was developed to achieve the purpose of “multi-utilization of one satellite model and integrative verification”. The “integrated + individually” verification mode was implemented successfully through utilizing various model levels of “engineering satellite model + thermal cabin mock-up + subsystem + unit”. Such innovative methodology was practically applied to prove the benefit of reducing development cost and duration. Critical technology verification and system verification on DFH-4E bus was accomplished,which formed the basis of entering into flight satellite model development phase. Engineering verification is practically proved to become the methodology to increase verification efficiency.

satellite platform；DFH-4E satellite；optimization；verification methodology

2016-10-18；

2016-11-24

國家重大航天工程

石明，男，高級工程師，從事通信衛星總體設計工作。Email：castshiming@sina.cn。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.003