商業航天互聯網星座用元器件保證研究

蔡娜 劉文寶 徐 李艷波

（中國航天標準化與產品保證研究院， 北京， 100071）

近年來， 美國、 加拿大等相繼部署近地衛星互聯網戰略， 旨在推動空天地一體化通信網絡建設。 以SpaceX、 OneWeb 為代表的新興衛星企業紛紛發布低軌衛星發射計劃， 積極獲取近地軌道、 頻譜資源， 加速推進全球布局[1]。 其目的均為爭奪空天領域網絡主導權， 利用近地衛星互聯網的優勢獲取發展先機。

隨著航天產業市場化時代的到來， 近年來伴隨國家大力推動 “互聯網+航天” 的產業升級變革， 中國在商業衛星方面取得了進展。 2017 年，我國18 次運載火箭發射中商業衛星的數量達到8 顆。 以高景一號、 珠海一號、 吉林一號等為代表的商業衛星在民用遙感觀測、 資源監測、 驗證新技術等方面發揮作用。 為形成覆蓋全球的國家衛星通信網絡， 我國相繼啟動了鴻雁星座、 虹云工程的建設工作， 預計未來幾年將密集發射近千顆商業衛星。 在此建設背景下， 商業互聯網星座工程對元器件的研制生產、 質量、 速度、 資源利用效率與協同管理能力等均提出了新模式要求。

傳統航天工程用元器件追求高質量、 高可靠， 對成本和批量化基本沒有考慮， 而質優價廉對于商業航天卻是最重要的需求， 這為元器件保證工作帶來了極大的挑戰， 同時也帶來了嶄新的發展機遇。 需要從元器件保證的本質出發， 根據商業航天工程特點， 全面設計適合商業航天的元器件保證方法和項目， 指導和規范商業航天元器件保證工作進展， 有力支撐我國商業航天工程建設步伐。

1 元器件產品保證需求分析

從商業航天工程最根本的需求出發， 面對商業航天低成本、 低風險、 批量化、 市場化等特點[2]，分析元器件保證工作要求， 需要重點關注以下4 方面內容。

a） 低成本。按照商業航天成本控制的要求，要兼顧成本和質量要求。 一方面要降低軍用元器件成本， 另一方面要保證大量商用器件可靠應用。 元器件保證需要在技術和管理上進行創新。

b） 批量化。商業航天衛星呈數量級發展，從傳統衛星的幾十顆、 幾百顆， 到幾千顆， 上萬顆， 傳統航天元器件品種多、 數量少、 單批次的供應保證模式已不能滿足需求， 需要在供應保證方式方法上實現集中和統一， 保證批量產能。

c） 長期穩定。商業航天不僅在航天器數量和批量上有著新的需求， 還有著在軌時間較長，工程持續性開展等要求， 需要元器件能夠長期穩定供應。

d） 自主可控。我國商業航天必然要面對國外的激烈競爭， 因此工程要具有話語權， 要能夠自主可控。 系統和元器件都要立足國內設計研發， 元器件保證方式要聚焦國產元器件水平有針對性開展。

2 元器件產品保證目標和原則研究

通過對星座衛星的工程需求分析， 需要對元器件采取各種保證措施， 使其在互聯網衛星的整個壽命周期內性能、 可靠性、 進度和經費滿足預期要求。 圍繞 “成本、 批量、 長期穩定、 自主可控”， 形成批量供應能力， 滿足工程要求； 建立長期穩定自主可控能力， 確保工程不受制于人，實現 “好、 快、 省” 的元器件質量保證新模式。

按照整個工程目標要求， 進一步分解出元器件保證的目標。 為建立全新的商業航天互聯網星座， 基本原則是元器件保證工作應在國家統一要求、 統一管理下開放性實施， 充分利用社會優勢資源， 公平競爭， 實施保證機構認證認可。 要確保元器件自主可控， 優先選用國產元器件， 以國產元器件開展系統設計， 提出國產化需求， 逐步實現國產化產品替代進口元器件。 進一步壓縮優化元器件品種， 實施集中采購， 降低成本， 確保進度。 鼓勵使用已有質量保證數據和已成熟應用的商用元器件， 降低元器件成本。

3 元器件產品保證工作及模式

3.1 元器件保證總承模式

目前我國航天元器件保證工作， 主要由航天科技一院、 五院、 八院等元器件可靠性中心負責開展， 各可靠性中心按照各自單位體系和型號要求開展相應的元器件保證工作， 包括元器件的選用、 采購、 監制驗收、 補充篩選等。 分散的采購工作， 使得元器件數量和品種不集中， 元器件制造成本難以下降。 同時， 質量保證工作各自開展， 成果不能共享， 一定程度上造成了質量保證成本的上升和資源的浪費。

面對商業航天新的運營模式要求， 達到 “好、快、 省” 的目標， 需要改變現有元器件保證體系和模式。 可以借鑒歐洲CPPA 模式， 依托元器專業件保證機構， 建立起統一、 集中的元器件選用、采購、 保證、 失效分析等元器件總承模式， 實現互聯網星座用元器件的低成本和可靠質量。

元器件總承模式是連接生產廠和用戶的橋梁， 貫穿于從元器件功能定義到裝機運行整個采購過程中的質量保證。 通過產品保證大綱、 組織和控制， 確保能夠經濟高效的選用、 制造、 測試型號制造過程所需EEE 元器件， 滿足工程型號進度、 質量保證要求。

采取元器件總承模式， 能夠優化壓縮元器件品種， 降低重復性成本及小批量購買成本。 由于減少了元器件品種， 因此也降低了批失效風險。整合實施一次檢測評價， 實現采購可視化、 可控化。 提供高效單一接口， 集中管理出口許可和元器件斷檔問題， 在采購過程中， 協調處理不一致問題。 在所有用戶中推廣問題報告和預警管理。提供專業的技術支持， 提高價格談判能力， 集中采購機構在談判中有地位的優勢。 可與制造商建立長期的合作框架協議， 把采購成本降到最低，協調元器件供應時間與工程需要相符合。 最大化協調實現質量保證一致性， 通過專業機構的元器件總承， 在工程中采用多種質量一致性保證方法， 保證工程質量， 滿足工程需要， 保證達到工程目標。

3.2 統一元器件標準

商業航天工程用元器件數量大、 品種多， 涉及型號應用、 產品保證工作和研制工作等多個環節。 研究制定相關工程采購規范， 快速滿足工程保證要求， 從而建立起統一的元器件保證基線，為后續選用、 檢驗測試及應用提供統一依據， 為實現低成本、 批量化供應保障奠定技術基礎。

產品規范中的質量等級應綜合元器件的質量與成本要求， 根據元器件應用的不同部位要求選擇適用的元器件質量等級。 優先推薦按照現有國軍標和宇航元器件標準選用元器件的質量等級，其次選用成熟能夠滿足需求的商用元器件等級。

目前宇航元器件標準建設初見成效， 發布實施了2000 余項產品詳細規范， 覆蓋航天型號用80%以上的元器件。 宇航元器件產品規范通過對現有航天各型號元器件采購規范的整合形成， 宇航元器件產品規范中規定的質量等級從高到低分為YA、 YB、 YC， YC 等級基本能夠滿足現有大部分航天型號的要求， 建議以YC 為基礎并具體根據型號應用需求選用。

3.3 鑒定與認證一體化

為了確保工程用元器件的質量， 實現優勢資源集中效益， 需要在現有航天元器件供應商及產品認證的基礎上， 建立起適合商業衛星用的新模式。 為降低元器件認證管理成本， 實施元器件鑒定和認證一體化管理， 用戶要求應全面落實到鑒定工作中， 而不只是產品標準的符合性檢驗和試驗。

在認定工作模式上要改變現有分散不統一，各個用戶分別開展重復性的認定工作模式， 一定程度上導致元器件成本高昂。 面對衛星互聯網星座工程特點， 成本因素制約工程實施， 研究建立集約化認定模式， 規范生產線生產廠認證監督，嚴格將標準要求落實到生產中， 不再附加用戶要求落實， 形成全面地、 全過程地降成本， 改變短期、 局部、 單一產品降成本的做法。 建立起專業第三方認定機構統一開展認定和生產廠培育工作。

本著與供應商建立供應鏈聯盟的思路， 從工程需求和質量可靠性工程要求出發， 幫助生產廠提升產品研制質量， 從而更好地服務工程， 保證工程成功實施。 研究培育生產廠生產線的內容及機制， 提出能夠落地的切實可行的培育方案。

3.4 統一選用與準入

元器件選型時， 要兼顧成本、 批量和質量可靠性要求， 實現品種壓縮， 建立型號元器件選用目錄， 統一選用要求。 元器件選型信息應定期發布， 包括選型范圍及結果， 促進各系統選型工作的優化。 具體選用時應嚴格遵循 “先國內后國外、 先目錄內后目錄外、 先成熟產品后新品” 等要求。

3.5 輻射敏感元器件選用

具有抗輻射指標的元器件一般價格都較高，考慮型號成本要求， 優先選擇輻射不敏感元器件， 其次通過系統級防護和加固的方式。 如必須選用抗輻射要求的元器件時， 綜合分析任務軌道、 任務時間、 空間輻射環境和應用部位等要求， 充分利用已有輻射數據和仿真分析等手段，開展元器件抗輻射能力設計， 選擇能滿足要求的元器件， 必要時應進行輻射驗證試驗 （RVT） 確認。 若無適用抗輻射能力的元器件， 應采取相應的防護措施。

4 元器件信息管理

互聯網工程專項系統龐大、 衛星數量多、 在軌運行時間長， 統籌衛星互聯網工程用各系統各單位元器件保障信息， 利用信息化、 智能化的手段， 構建起工程元器件共享信息平臺， 覆蓋元器件需求規劃、 選用、 采購、 驗證、 質量保證、 工程應用等全過程， 實現信息實時查詢、 指導選型、 協調配套、質量信息處理等功能， 全面鏈接管理機關、 工程大總體、 單機單位、 使用單位、 研制單位等單位元器件信息， 達到工程整體的高質量、 高效率和高效益， 全面推動工程順利實施。

5 結束語

圍繞衛星互聯網工程對元器件供應保證的新需求， 按照供應保證全鏈條， 頂層體系化地開展供應保證方法研究， 以元器件工程選型及準入為抓手， 優化選型， 建立工程元器件選用基線， 形成工程元器件選用目錄。 提出適度質量可靠性要求下的成本低和周期短的工程元器件質量保證要求， 基于國產元器件產品設計， 建立標準快速研制模式。 為滿足工程高可靠、 低成本要求， 建立元器件總承模式， 建立研制保證一體化、 采購集約化、 生產線認證規范化的新模式， 建立元器件長期穩定供應機制， 并通過信息化手段實現元器件在線選用管理、 采購供應及問題處理等， 實現商業航天互聯網衛星工程的 “好、 快、 省” 整體目標， 并進行工程實踐， 最終全面支撐工程實施。