高技術復雜度單機產品的研制模式探索與應用

張昊東、李均鋒、白玉玲、趙晶、付進軍 /北京航天發射技術研究所

隨著航天裝備的持續升級換代，系統對單機產品的技術先進性、功能集成度、嚴酷環境適應能力、升級迭代速度等方面的要求不斷提升，同時對可靠性要求更加嚴苛。在這樣的背景下，對于具有高技術復雜度、高技術綜合性、高研制難度的單機產品，過去的研制模式已不能適應當前的任務研制周期和有限的可投入資源，傳統研制模式和新任務形勢之間的矛盾日益凸顯。

航天地面電源是極具代表性的高技術復雜度單機產品，作為航天地面裝備和特種車輛中供配電部分的核心單機，其主要功能是實現能源的二次變換，使電能轉化為能夠滿足特定負載個性化用電需求的電能形式，對整個裝備系統的用電提供有效保障。航天地面電源綜合了功率半導體技術、電力電子拓撲技術、模擬和數字電子技術、自動控制技術、軟件設計及軟件工程化技術、磁性元器件設計和應用技術、安規設計技術、EMC 設計技術、熱設計技術、結構設計技術等，技術綜合性強，難度高，研制投入大。對于航天地面電源這類單機產品，在傳統研制的模式下存在定制開發，重復投入；研制樣機與產品不區分，疲于應付質量問題；具體任務牽引，迭代驗證制約多等方面的問題。

為了突破傳統研制模式的局限性，筆者總結了以往在新一代電源產品開發過程中探索出的行之有效的研制模式和經驗，分析了該模式在當前形勢和制度安排下的有效性，并提出了后續進一步發展的思路。

一、工作與實踐

為突破傳統研制模式的局限性，航天地面電源產品著眼于探索全新的研制模式和方法。新一代電源研制流程如圖1 所示，其研制模式具有以下4 個方面的特點。

一是分析綜合多樣需求，最大化適應，告別反復定制開發。基于以往的用戶服務經驗，結合未來任務需求、自身能力評估，梳理出新一代電源的研制思路和方向，以通用化、模塊化、系列化、平臺化的研制思路代替過去定制化開發的研制模式。

二是預研先行，放開手腳，大膽嘗新。通過預先研究課題立項，開展前期樣機研制驗證和首輪設計迭代，避免研制與產品不分開導致研制問題被當做質量問題處理，促使設計人員放開手腳，聚焦于新技術的實現和落地。

三是產品化牽引，自主可控，快速迭代。在預研驗證的基礎上，轉入產品化牽引，使產品研制的牽引主體由過去的具體任務轉換為產品化項目，使電源的設計優化迭代工作不完全被任務捆綁，在產品化的專門支持下可獨立投產樣機，自主開展迭代驗證工作。

四是推廣應用和成熟度持續提升并行開展。在產品化牽引下結合少量的產品應用驗證，可快速實現產品成熟度的初步提升。隨后在不同任務中進行推廣應用，同時并行開展產品成熟度的持續提升，最終實現產品的技術狀態固化，完成研制過程。

1.研制思路

一是需求調研分析。電源產品多年來一直是相關研究室的核心單機產品，長期應用于航天系統中，多年的應用和服務經驗，為研究室對電源產品需求的認識打下基礎，在此基礎上可以進行有效的需求分析。航天電源產品需求具有以下特點：

圖1 新一代電源研制模式流程圖

電壓等級系列化。系統中對電源電壓等級的需求呈現系列化的特點，常見電壓等級為28V、48V、160V、270V 等，較少出現系列值之外的特殊電壓需求。其中應用最多的為28V電壓等級。

功率需求多樣化。雖然電壓等級呈現序列化，但不同負載對電源功率的需求差異顯著，呈現多樣化的特點。

輸入形式差別化。在以往系統應用中，電源輸入源形式較為單一，多數是三相交流電形式，電壓范圍不超過380V±15%。而隨著地面裝備的發展，高壓蓄電池引入到系統中，高壓直流輸入成為越來越常見的輸入形式，電壓等級也隨系統而變得不同，目前已知的直流輸入范圍包括300V～600V 等。

接口狀態定制化。無論是結構安裝接口、硬件接口還是軟件接口，不同系統往往都有各自不同的要求，難以形成統一，定制化的特點突出。

安裝空間小型化。隨著裝備信息化程度提高，裝備種類和數量顯著上升，與此同時，對裝備輕量化和安裝空間的要求愈發嚴苛，因此單機小型化已成為必要的需求。

性能要求嚴苛化。裝備的總體發展趨勢對裝備的性能要求愈發嚴苛，特別是環境適應能力、不同應用環境和工況下的高穩定性和高可靠性以及電磁兼容性能等。

二是研制能力評估。從研制所需設備或試驗條件來分析研制能力，包括實驗場地、一般實驗儀器設備、專用實驗設備、實驗計算機等；從人力資源方面分析，包括團隊人數、技術專家人數、可貢獻超過80%精力于該研制項目的人員、人數。

三是研制思路梳理。結合需求調研分析情況和研制能力評估情況，用戶需求難以完全統一，需要產品進行定制化設計。但隨著任務數量的快速增長、研發迭代需求日益旺盛、進度要求日趨緊張，現有的研制能力難以完全滿足復雜多樣化的快速定制需要。這就要求提出模塊化、平臺化、系列化、通用化的研制思路，最大程度降低重復開發成本，使研制成果最大化地適應不同用戶需求。

模塊化設計。對于整機來說，確定一個最佳功率等級模塊，通過模塊的串并聯實現功率擴展，滿足不同負載需求；對于整機內部的組成部分來說，應當將各組件按照模塊化思路設計，以便于部分功能的快速定制化調整和重組。

平臺化、系列化設計。技術方案應具備移植擴展能力，將電源研制開發為技術平臺，在該平臺下通過較小的改動即可實現不同電壓等級電源的設計。

通用化設計。確定技術方案時應充分考慮通用性，盡可能較寬地輸出調壓范圍、恒流恒壓等不同工作模式，適應不同一次源輸入形式和電壓等級。

四是確定技術方案。根據需求分析及研制思路的梳理，確定技術方案需要考慮的關鍵評價要素。

最大效率。首先反映技術方案的先進性。同時，效率對于最終產品的小型化、能否實現全密封高環境適應性設計具有重要影響。

開關頻率。開關頻率不僅能夠反映技術的先進程度，而且還會影響無源器件的體積和重量，從而影響整機功率密度。

可靠性。不同技術方案存在可靠性差異，通過對市場產品信息的比對以及技術理論分析、可靠性預計等手段，可以初步評估技術方案的相對可靠性水平。

通用性。技術方案應充分考慮通用性適應能力，包括輸入形式和范圍、輸出范圍、系列化擴展等方面。

硬件成本。硬件成本是裝備價格的重要組成部分，也是技術方案確定過程中的重要考慮因素。

結合功率半導體技術以及電路拓撲技術的發展趨勢和最新動向，充分對比不同技術路線的優缺點，探索滿足用戶需求并適用于既定研制思路的技術方案。在此過程中可結合仿真工具，對不同技術方案進行對比分析研究。最終的技術方案應滿足用戶需求以及既定研制思路的要求，并在各評估要素方面取得綜合優勢，同時具備充分的技術先進性。

2.預研先行

預先研究是產品研制過程中的先行步驟，同時也是后續產品研制工作的前提和基礎。由于預先研究項目基于航天任務的發展需求，但同時又獨立于任務之外，因此具有靈活的管理模式和廣闊的施展空間，在這一階段應充分利用相關平臺，實現技術方案的充分驗證、技術目標的有效考核，以及原理樣機的首輪迭代。

一是技術方案驗證。首先通過仿真工具進行仿真驗證，確定技術方案可行性，隨后進行原理樣機試制和驗證。

二是技術難題攻關。在原理樣機試制和驗證過程中通常會遇到若干技術難題，因此預研過程中需要對各類技術難題進行專項攻關。如新一代電源在預研過程中攻克了全密封結構散熱技術、寬范圍調壓及其環路調節技術、輕載打嗝紋波抑制技術等多項技術難題。

三是功能性能全面考核驗證。在核心功能驗證后，應對其他輔助功能、各項性能指標進行測試，在此過程中往往不會一次性通過，針對不滿足技術方案要求的項目需要進行專項優化或局部方案調整。

四是環境試驗摸底和可靠性摸底。在功能和性能指標均滿足要求后，應初步對環境適應能力和可靠性進行摸底試驗，暴露設計薄弱環節并進行優化整改。

3.產品化牽引

新一代電源在預研先行階段之后完成了技術方案的驗證和首輪樣機迭代，即可轉入到產品化牽引開發階段。在該階段的主要目標是完善產品配套內容，進行各項摸底匹配和試驗，以盡早暴露設計、工藝、生產、元器件等多方面的問題，從而快速實現成熟度的初步提升。

DFMEA 分析。在預研階段已經對技術方案進行了驗證，積累了一定的認識和經驗，在此基礎上開展DFMEA 工作可以起到承上啟下的作用，有助于提煉產品的各類關鍵特性或可靠性關鍵項目，在后續產品轉化過程中具有重要意義。

設計復核復算及合規性檢查。

充分對照相關標準或規范，對設計的合規性進行檢查，對不符合要求的內容進行設計整改。

元器件選型替代。在原理樣機研制階段通常采用市購的進口元器件，在產品化牽引階段需要向產品進行轉化。因此，首先要進行元器件的選型替代工作，器件選型應計算滿足各類元器件的降額要求，以及符合單位合格供方的要求、國產化比例要求，并應優先在優選目錄內選取。

軟件工程開發。在產品化牽引階段必須重新進行軟件工程化開發，嚴格按照GJB5000A 的相關要求開展軟件研制工作。梳理軟件設計需求，按照工程化方法進行詳細設計、代碼編寫、測試等完整的開發工作。

圖紙和技術文件編寫。圖紙以及技術文件應在產品化牽引階段完成，其中不同的具體文件可以在不同的細分階段進行。如技術條件在最初階段進行編制，圖紙和試驗大綱應在設計復查以及元器件替代完成后編制，調試細則可以在工程樣機測試完成后結合測試經驗進行編制。

工程樣機測試與迭代。開展工程樣機試制和測試工作，內容包括所有的功能和性能指標、完整的試驗項目。該過程中暴露的問題應當采取有效措施并進行充分的舉一反三，通過多輪迭代直到工程樣機測試完全滿足要求。

4.實際應用與成熟度提升并行

經過產品化牽引研制，通常電源可達到2 級成熟度。產品滿足了所有的功能和性能指標，并通過了完整的試驗測試，基本具備了交付應用的條件，應將實際應用與成熟度提升并行開展。實際交付應用提供了進一步暴露隱蔽問題的可能性，特別是接口匹配方面的問題，通常在實際系統測試時才能充分顯現。因此，成熟度的提升離不開產品的實際應用，也應并行開展。同時部分試驗項目的開展周期較長，為不影響研制進度，同樣需要并行開展。通過這一階段后，產品應達到3 級成熟度，技術狀態基本固化。

一是工藝文件編制和評審。準備正式產品生產前需要編制生產工藝文件，不僅需要工藝人員參與，更需要設計人員參加。設計人員應對工藝人員進行技術交底，并結合產品設計特點、可靠性關鍵項目等，對可能的工藝難點、工藝關鍵特性、過程關鍵特性等與車間工藝師進行充分的討論溝通。

二是工裝開發。對生產過程中所用到的工裝進行設計開發。

三是初樣產品生產和交付使用。進行初樣產品的生產、試驗、驗收交付使用。設計人員應積極跟蹤全過程，對生產問題、測試實驗問題、交付使用后的問題均應采取有效措施并舉一反三。

四是IPT 活動。進行批生產后，應擇機開展IPT 活動，設計人員和工藝人員針對生產過程中的問題、發現的工藝難點、風險點等進行反饋分析，討論改進措施，從而提升產品的設計工藝性，做到從設計角度降低產品缺陷率。

五是試樣產品生產（小批量試制）和交付。在初樣產品生產應用迭代優化后，進行試樣產品生產，即小批量試制，繼續發現問題并整改。

六是數據包絡分析。對于小批量試制的產品測試數據進行包絡分析，研究產品的一致性問題，以及通過不合理的高方差數據研究發現可能存在的潛在問題。

七是電磁兼容試驗。電磁兼容試驗是電源類產品的難點，整改難度大、周期長，若等待電磁兼容試驗完全整改通過，會耽誤產品研制進度。由于通常情況下即便未通過完整試驗項目的產品也不會影響用戶的正常使用，因此電磁兼容試驗和整改通常與研制階段產品的生產應用同步開展，并在產品定型鑒定之前通過電磁兼容試驗項目。

八是可靠性試驗。可靠性試驗通常需花費較長時間，因此也應與研制階段產品的生產應用同步開展，并在產品定型鑒定之前通過可靠性試驗項目。

5.技術狀態固化

經過充分的應用考核、試驗考核以及多輪迭代優化，產品成熟度不斷提升，在定型之前應達到4 級成熟度水平。至此，電源各方面的技術狀態可以固化，標志著研制工作完成。

二、實踐效果

1.產品技術革新度高

與以往在具體任務基礎上研制不同，此次研制由預先研究課題切入，消除了設計人員對于直接進入任務應用產生質量問題的顧慮，能夠勇于嘗試前沿技術。如此次在電源中引入了先進的碳化硅功率半導體器件，同時采用了行業內領先的諧振變換拓撲技術及其數字控制技術，使產品在外形尺寸、性能指標、結構方案等一系列方面相比于以往的產品有了顯著的提升。

2.通用性、適應性、沿用性好，降成本效果顯著

與基于具體任務的定制化開發不同，這次研制過程考慮的不同任務的通用化需求，確立了通用化、模塊化、平臺化、系列化的研制思路，最大化擴展單機模塊的應用適應能力。通過串并聯實現功率擴展，通過平臺化和模塊化的設計技術易于拓展出系列化的產品，最大程度地降低了重復研制成本和生產管理成本。

3.成熟度提升快、提升質量高

在問題發生度最高、最集中的研制前期階段，以預先研究課題立項，脫離具體任務管理，使技術人員能在研制早期專注于技術問題，快速實現初步的成熟度提升。預研之后的研制過程，牽引主體告別了過去特定任務，取而代之以產品化作為牽引；得益于產品化主管部門與任務項目組的相對獨立性，設計部門提出的優化迭代驗證需求得到了充分的資源支持和資金保障，研制過程中投產的各類樣機完成了設計工藝性優化驗證、專項試驗驗證和整改等，實現了全方位高質量的成熟度提升；結合并行推進的實際應用考核，提前實現了技術狀態的固化。

在新形勢下經過實踐探索總結出來的有效經驗，對具有類似特點的單機產品均具有指導借鑒意義。后續工作中需要進一步總結和固化復雜單機產品的研制思路，總結正反2 個方面的經驗教訓中形成啟示錄；同時提煉出易于參考、具有指導性的核心要點，形成方法指南。在未來其他類似的新產品研制中前期需進行相關經驗介紹和培訓，使本項目探索實踐出的有效方法推廣應用。同時，要進一步在后續實踐過程中不斷分析形勢的新變化，吸收新的經驗和方法，調整和優化研制流程，持續推動高技術復雜度單機產品研制模式的創新和完善，促進產品競爭力的不斷提升。