高效費比商用微小衛星產品保證模式研究

◎上海衛星工程研究所 張華 宗益燕 施偉璜

高效費比商用微小衛星產品保證模式研究

◎上海衛星工程研究所 張華 宗益燕 施偉璜

美歐航天大國于20世紀60年代初開始推行質量與可靠性保證管理,并逐步形成了全面與全過程產品保證,包含可靠性、安全性、維修性、元器件、材料、零部件、工藝、軟件等因素。我國在20世紀90年代開始學習和推廣ESA的產品保證方法,進而逐步形成具有自身特色,適用于高可靠、長壽命航天產品的產品保證模式。

商用微小衛星因其低成本、短周期的特點,具有巨大的市場價值和廣闊的發展空間,受到越來越多的關注。美國早在20世紀就開展了商用微小衛星的研究,由多所大學負責開發了CubeSat皮衛星項目;歐盟近年來也實施了QB50項目,采用50顆立方星組網開展大氣測量,這些衛星在研制過程中均通過不斷完善形成了較為成熟的產品保證模式。我國對于商用微小衛星的研究還處于前期論證和研究階段,雖也有納衛星成功發射的示例,但總體上仍處在技術研究階段,對于產品保證管理機制的探索較少,且尚未有公開報告的適用商用微小衛星的成熟產品保證策略。因此,探索適用于低成本、短周期商用微小衛星特點的產品保證新思路和新方法,成為商用微小衛星管理工作亟待解決的問題之一。

為此,筆者在分析商用微小衛星特點的基礎上,提出了商用微小衛星產品保證的總體思路,并制定了基于某商用微小衛星的產品保證實施方案,以期為一般商用微小衛星產品保證工作提供思路和方法借鑒。

一、傳統衛星產品保證模式適應性問題分析

商用微小衛星相比傳統的長壽命、高可靠衛星,具有質量小、研制周期短、研制成本少、集成度高、設計壽命不長等特點。開展工程研制時,在考慮壽命與可靠性要求的前提下,一般采用以下做法：

優化研制流程。將傳統衛星研制經歷的方案、初樣和正樣3個研制階段縮短為1～2個研制階段,部分快速響應微小衛星直接進入正樣階段。

減少硬件冗余。衛星上產品的硬件冗余少,多采用軟件功能冗余。

商業化元器件管理。基于商業考量,選用工業級甚至商業級等低等級器件,并優化元器件篩選流程。

傳統衛星產品保證體系適應性問題包括以下幾個方面：

一是多層次細分的組織體系不能適應精簡化的制度建設需求。傳統衛星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,橫向上包含行政指揮、產品設計師和產品保證人員,進而形成從上到下相互銜接的產品保證工作系統。但是,多層次的組織結構易造成項目管理的鏈條過長,形成信息流通不暢、組織松散的局面,從而影響項目管理的時效性和執行力。同時,細分的組織崗位人員設置,對項目人員數量要求較多,增加了項目研制經費,不符合商用微小衛星精簡、商業的理念。

二是3個研制階段劃分不能適應短周期的項目管理需求。方案、初樣和正樣階段作為成熟和經典的研制階段劃分,被國內大多數傳統衛星的研制模式所采用。方案階段完成衛星總體方案驗證和關鍵技術攻關;初樣階段開展產品研制、試驗與測試,在此基礎上形成正樣產品狀態;正樣階段完成飛行產品的研制并發射入軌。3個階段的劃分和工作安排有力地保障了傳統衛星研制的成功,但需要的研制周期較長,一般為4～5年,不能滿足商用微小衛星短周期甚至快速響應的研制需求。

三是地面研制試驗不能適應商業化的成本控制需求。傳統衛星研制需開展元器件篩選試驗、單機級環境與可靠性試驗、分系統和整星級大型試驗,其中單機級試驗還包括單板和整機篩選試驗、環境模擬試驗、穩定性考核試驗等。充足的地面試驗雖有力地保證了地面篩選剔除早期失效的充分性,驗證了產品在軌的環境適應性,但多項目的試驗對研制周期和經費都提出了嚴峻挑戰,而且部分地面試驗略顯保守,存在重復性及可裁剪的試驗要求。因此,商業化的產品保證需優化地面試驗項目與要求。

四是全系統、全要素的監督管理不能適應自主為主的過程控制要求。傳統衛星產品保證的過程控制強調對于系統內各組成部分,以及人、機、料、法、環等各相關要素的全面管理,部分衛星甚至由衛星總體派專人到產品承制單位進行跟產監制,做到實時知曉、事事掌控。但商用微小衛星由于人員隊伍精簡、事務管理集中,不能做到全系統、全要素監管,而且商用微小衛星存在直接采購商業現貨的情況,更不能做到對產品研制過程的全面掌握,因此探索全新模式下的過程控制內容尤為重要。

二、商用微小衛星產品保證方案及實施

1．產品保證總體方案

產品保證目標為質量受控、進度受控、成本受控。筆者依據美國質量管理專家戴明博士提出的戴明環理論(PDCA),并結合商用微小衛星的工程特點提出了產品保證總體方案,如圖1所示,其包含組織策劃、項目實施、試驗驗證和過程監督4個方面的工作內容。

圖1 產品保證總體方案

2．產品保證方案實施

(1)強化組織建設,建立簡潔高效的產品保證組織體系

結合已有衛星研制的成熟與成功經驗,建立適應衛星管理簡潔高效的產品保證組織體系(見圖2),其主要體現為“集中”與“分解”2項核心理念。

集中,即組織機構集中和部分職能集中,減少中間組織層級,實現組織機構的扁平化,以提高管理效率,便于上級要求的及時傳達和下級問題的實時反饋。設置衛星項目總負責人一名,作為型號產品保證的第一負責人,負責產品保證計劃的管理與設計推進;總體單位負責衛星的總體設計、總裝與總測,以及分系統交付后的衛星各項工作,解決以往衛星型號總體設計與總裝操作分離帶來的狀態不清等問題。

分解,即責任意識分解,將產品保證的意識,尤其是質量意識分解到每個設計師,使得人人有意識、人人懂規矩。不設置具體的產品保證崗位與產品保證人員,而由總體、分系統和單機的各級設計師負責對應產品的產品保證工作,由于設計師清楚地掌握產品技術狀態,所以更有利于產保工作的開展。

(2)創新項目管理,構建實用可控的產品保證管理模式

為節省研制周期、優化研制流程,將研制階段劃分為設計驗證和總裝集成測試(AIT)2個子階段。

圖2 產品保證組織體系

其中,設計驗證子階段的主要任務是產品設計定型,包括單機設計方案驗證、單機的研制與生產等工作,階段結束標志為產品交付衛星總體;AIT子階段的主要任務是整星總裝、總測和大型試驗。2個研制子階段的劃分有利于后續商用衛星的批量化生產,即除首發星外,后續裝備星在技術狀態不變的情況下,單機生產完成后僅需開展AIT階段的工作。在工程實施上,根據商用微小衛星的特點,對技術狀態管理、質量問題歸零、交付驗收等工作項目制定具有自身特點的工作要求,具體要求如下：

一是技術狀態管理。

技術狀態更改遵循“論證充分、各方認可、試驗驗證、審批完備、落實到位”的原則。

設計驗證階段的技術狀態管理,以通過設計評審的技術狀態文件作為技術狀態項的功能基線和分配基線。相對基線的技術狀態更改,Ⅰ類技術狀態更改由產品設計師自行控制,Ⅱ類更改在準確記錄后應及時向上一級產品分承制單位和整星報備,Ⅲ類更改應經相關方會簽確認后及時向上一級產品分承制單位和整星報備。

AIT階段的技術狀態管理,以設計驗證階段結束時的技術狀態作為技術狀態項的產品基線。相對基線的技術狀態更改,Ⅰ類技術狀態更改由產品設計師自行控制,并及時向上一級產品分承制單位和整星報備;Ⅱ、Ⅲ類更改應進行充分分析論證,并經相關方會簽確認后,由衛星總負責人審批。衛星出廠前,整星應對AIT階段的技術狀態更改與控制情況進行總結,納入研制總結報告,并提交評審會審查。

二是質量問題歸零。

質量問題歸零參照航天歸零“五條標準”實施技術歸零與管理歸零。其中,設計驗證階段的質量問題歸零由產品研制單位實施閉環,在產品交付驗收時提交審查;AIT階段發生的質量問題嚴格實施航天“雙五條”歸零,并按要求及時完成歸零工作,由責任單位編制歸零報告,衛星總體組織技術歸零審查,產品承制單位組織管理歸零審查。

三是交付驗收。

產品交付驗收根據分系統與單機的特點分別制定交付方案,不強調嚴格按“單機向分系統交付,再分系統向整星交付”的形式逐級交付。總體原則是：盡量優化交付層次,產品能直接交付整星的,交付分系統與交付整星合二為一;軟件隨硬件交付,除綜合電子軟件外,其余軟件產品不單獨交付;產品接收方按要求對提交的產品進行驗收和交接,并做好完整的質量記錄,對交付的產品妥善保管、貯存和使用。

(3)優化試驗方法,推進完備有效的產品保證篩選試驗

在保證試驗有效性的前提下,經過充分的分析論證,適當裁剪試驗項目并調整試驗要求,以滿足商用微小衛星研制經濟性和市場化的要求。

一是產品環境與可靠性試驗優化。

各單機一般投產兩套產品,一套產品進行方案驗證,完成準鑒定級試驗考核,并作為飛行備份產品;另一套產品完成驗收級試驗,并作為飛行產品。

試驗優化的原則是：試驗項目總體參照GJB1027A《運載器、上面級和航天器試驗要求》的要求;裁剪篩選度低、發現問題少的試驗項目,如加速度試驗;合并部分單機與整星試驗,如準鑒定產品的單機級沖擊試驗與整星沖擊試驗合并進行;由于地面力學試驗的局限性,在軌主動段力學環境一般均遠低于地面試驗環境,因此整星和單機力學試驗要做到嚴格控制、減小試驗余量,盡量不留余量。

二是低等級元器件可靠性保證。

為控制成本和保證進度,衛星上大量采用工業級等低等級COTS器件,制定的主要保障措施包括：明確質量等級要求、篩選試驗要求、分析應用要求和管理要求。

質量等級要求。國產元器件選用不低于QZJ7905技術條件等級的產品,進口元器件選用不低于軍用級的產品。低于以上質量等級要求且不低于工業級的元器件為低等級元器件,應進行補充篩選試驗,以剔除由于工藝控制不當等產生的早期失效問題,原則上限制使用商業級元器件。

篩選試驗要求。一般低等級元器件應進行外部目檢篩選、高溫老煉器件篩選、單板溫循篩選和整機隨機篩選等試驗,塑封器件在此基礎上還應補充超聲掃描篩選,以檢查剔除器件內部因水汽或熱能所造成的破壞。

分析應用要求。選用低等級元器件的設備應進行溫度適應性仿真分析,保證結溫滿足I級降額要求,綜合電子等關鍵設備應采用紅外熱輻射成像儀進行溫度測試。選用低等級元器件的設備應通過整星布局優化、設備機殼加固和重點器件的局部屏蔽加固等措施,以提高空間環境適應能力,確保衛星的在軌可靠性。

管理要求。選用低等級元器件時應堅持正規渠道采購,最大限度地使用有衛星、運載飛行經歷的、有可靠性數據的元器件;低等級元器件、首飛器件應在分析論證的基礎上選用,并向衛星總體報備;使用A、B類超期電子元器件應向衛星總體報備,原則上不得使用C類超期電子元器件。

(4)注重過程控制,落實關鍵環節的產品保證監督管理

商用微小衛星的產品保證強調“自主控制為主,檢查監督為輔”,主要由各產品承制單位按廠所的質量體系文件落實過程控制,做好過程數據包管理和信息收集,做好過程的記錄、檢查與監督;由衛星總體負責關鍵環節的審查監督,有的放矢,從而真正做到重點突出、覆蓋全面。

一是數據包管理和信息收集。

以各單位的質量體系文件為基礎,構建以產品保證數據包和信息收集與處理為主的產品保證信息管理系統,制定切實可行的管理辦法和實施方法,對產品保證信息進行匯總和傳遞等工作,及時、準確、規范地采集、處理、存儲和傳遞衛星研制各階段、各級產品的產品保證信息,實現信息共享,并在此基礎上推進產品質量的持續改進。

二是關鍵環節審查。

衛星總體組織對研制過程中的重要節點實施技術審查,審查節點應納入產品研制計劃流程。對于審查中提出的建議和意見,由被評項目的責任設計師牽頭梳理匯總后組織進行落實。

筆者針對商用微小衛星質量小、研制周期短、研制成本少、集成度高和設計壽命短等特點,探索了適用于商用微小衛星產品保證的新思路,通過組織建設、項目管理、試驗方法和過程控制等工作,實現產品保證在整星和各產品承制單位的閉環管理,以從根本上提高商用微小衛星產品保證的整體水平,確保衛星發射試驗成功。