重大工程核心元器件自主保障實施途徑研究

楊保華 ,張延偉 ,李艷波 ,張篤周 ,張 偉 ,谷重陽 ,姜貿公

(1.中國空間技術研究院,北京 100094;2.中國衛星網絡集團有限公司,河北 保定 071799;3.中國航天標準化與產品保證研究院 航天元器件保證研究所,北京 100071)

作為國之重器的重大工程,必須要走高質量發展、自立自強的發展道路。近年來,我國在北斗導航全球組網系統、載人空間站工程、嫦娥探月工程等重大工程領域取得了非凡的成就,彰顯了國家實力,核心元器件作為國家重大工程的基礎,對于工程任務成敗有至關重要的作用。我國元器件快速發展取得了諸多重要突破,但受制于人的被動局面并未實現根本性扭轉[1-3]。本文在調研國外實施策略并在系統總結航天重大工程元器件自主保障及自主創新發展的實踐經驗的基礎之上,提出了重大工程核心元器件“雙路徑”自主保障實施策略和途徑,為后續國家重大工程自主保障的順利實施提供借鑒。

1 國外核心元器件自主保障實施策略分析

1.1 注重自主發展,強調自主保障及創新發展

美國十分注重高可靠元器件的發展,制定了宇航元器件的發展戰略,由美國航空航天局(NASA)統一領導、策劃宇航元器件發展,在保障本國需求的前提下持續保持世界領先。歐洲將其元器件研發理念由傳統的“獨立自主” (Independence)調整為“自主可控”(Non-dependence)。日本啟動宇航元器件 “All-Japan” 計劃,加大在宇航元器件領域的研發投入,加快鑒定合格宇航元器件的應用[4]。

1.2 重視規劃引導,專項推動行業基礎能力提升

美國自2019 年提出“電子復興計劃”,計劃未來五年投入超過20 億美元,在FPGA、新型存儲器、第三代半導體等領域加大研發力度,開啟下一次電子革命[5]。歐盟實施“地平線2020” (Horizon 2020)計劃,遴選元器件關鍵技術領域布局規劃,推動空間技術研發。日本將大功率VDMOS 等核心器件作為重點規劃和研發方向,旨在突破引進元器件的限制。

1.3 強調研用結合,充分發揮任務需求帶動作用

無論是歐盟官方發布的未來三年空間技術研發優先級,還是歐洲航天智庫制定的面向2030 年空間技術路線圖,其共同特點都是更加注重以應用為牽引,以技術為驅動,發揮需求側的帶動作用。通過持續投入技術研發,實現技術能力提升與發展。

2 我國核心元器件自主保障面臨的形勢

2.1 核心、高端元器件自主保障形勢依然嚴峻

美國出口管理規則(EAR)、武器國際貿易規則(ITAR)等出口控制政策,在高等級元器件領域對我國實施長期管制政策[6-7],尤其是在大規模集成電路、VDMOS 等核心、高端元器件方面,對我國實施嚴格封鎖,自主保障的形勢依然嚴峻[8]。

2.2 重大工程對于高性能、高可靠元器件需求迫切

未來火星探測、載人登月、高精度遙感及衛星互聯網建設,對高性能CPU、半導體激光器及探測器、寬禁帶器件等先進元器件的需求越來越多,需在國產化替代的基礎之上,加速形成需求牽引、重點突破、技術預研、研用結合的自主發展良性機制。

2.3 國內元器件取得突破,已具備自主發展的條件

國內元器件設計、制造、測試的基礎條件已較為完備,建立了元器件基礎發展體系,質量水平大幅提升,核心關鍵技術領域取得突破[9]。以宇航元器件領域為例,近年來我們完成了抗輻射千萬門級FPGA、PROM 存儲器、大功率DC/DC、VDMOS 等幾百項元器件的研制攻關工作,解決了一大批重大工程型號任務“卡脖子” 問題[10]。

3 重大工程元器件自主保障實施途徑

我國重大工程應用的核心元器件涉及種類多、覆蓋電子單機廣,特別是在宇航重大工程中,通常一個工程型號中需要上裝的元器件達到20 余萬只,核心元器件也達上萬只,涉及的電子單機達到百余臺(套)。為實現重大工程核心元器件自主保障,需要從源頭抓起,頂層規劃,開放聯合,以 “工程牽引、統籌規劃、研用結合、穩步推進” 為指導思想,運用系統工程的方法和理念,在核心元器件自主創新發展上進行實施模式創新,建立適應載人航天等重大工程的核心元器件自主保障實施途徑。

3.1 自主保障及自主創新發展總體與思路

國家重大工程要以實現核心元器件100%自主保障為目標,以落實國產元器件應用為導向,綜合考慮核心元器件自主保障要求、國產元器件研制和應用驗證狀態、工程研制計劃等方面的因素,全面梳理重大工程用進口元器件情況,統籌規劃自主保障研制項目,頂層科學設計自主保障實施途徑。在國家重大工程核心元器件自主創新發展實施過程中,首先,應滿足工程總體目標要求,包括工程進度、功能性能指標、質量和可靠性要求;其次,應滿足核心元器件成熟度要求,上裝前開展充分的應用驗證工作;最后,應結合國內元器件的研制基礎,差異化制定自主保障實施途徑。

針對航天重大工程用核心元器件“卡脖子” 問題與核心元器件需求特點,基于我國國情提出了國產化仿制實現進口被動替代和自主定義正向設計實現自主創新發展的“雙路徑” 自主保障工作流程,如圖1 所示為建立國產元器件研制-驗證-應用一體化的自主保障總體技術流程和方法。首先開展需求分析,主要考慮元器件種類、功能、性能、壽命指標、抗輻射、時間進度等需求要素,根據分析結果對所采取的路徑進行決策,一方面,采用研制攻關治理存量,另一方面,通過嚴控新增加強選用控制,通過需求側規劃設計自主定義研制產品,通過實施雙路徑實現重大工程元器件自主可控,滿足國產化率和可靠性指標要求。探索一條系列產品集中驗證與重點工程型號同步應用的工程化實施途徑,研用轉化周期縮短2～3 年,解決了確保型號成功與低成熟度新研國產元器件之間的矛盾,有效保證重大工程核心元器件自主保障,同步牽引和帶動國內基礎電子行業的快速發展。

圖1 重大工程元器件自主保障“雙路徑” 流程Fig.1 Significant project components independent controllable “dual pathway” process

3.2 實施途徑一:面向自主,開展元器件規劃設計,通過自主定義正向設計實現創新發展

立足長遠發展,著眼未來,重大工程核心元器件自主保障需要頂層開展規劃設計,通過制定不同元器件類別的需求型譜和中長期需求規劃,建立選用控制機制,限制使用引進元器件,鼓勵使用國產元器件,實現型號選用模式由依靠引進向立足國內轉變。元器件自主定義將工程型號任務指標和核心技術轉化為元器件指標體系,形成功能、構架和性能等指標,將自主知識產權融入元器件設計開發過程,以需求推動元器件的原始技術創新。自主定義是促進核心元器件原始技術創新的關鍵,也是推動我國核心元器件從“跟仿” 到“自主發展” 的有效途徑。

在實施過程中開展規劃設計、產品定義、產品實現、仿真驗證等工作。在規劃設計階段,通過靠前規劃、提前引領,開展面向當前及未來需求的重大工程核心關鍵元器件規劃設計,制定需求型譜和技術發展路線圖,引導選用;在產品定義階段,核心元器件主要根據用戶具體需求開展自主功能和性能指標體系設計,將工程型號任務指標和核心技術轉化為元器件指標體系,根據產品定義開展產品實現及仿真驗證工作。

3.3 實施途徑二:面向可控,多渠道解決核心元器件研制攻關,實現產品替代

為順利保障重大工程核心元器件自主保障,借鑒工程項目管理的經驗,基于系統工程的方法,實施過程由需求規劃、研制攻關、應用驗證、工程應用、標準規范五個工程分系統組成,如圖2 所示。

圖2 重大工程元器件自主保障途徑一實施流程Fig.2 Implementation process of significant project components independent support pathway 1

(1)需求規劃:全面梳理需求,并按照廠家、質量等級、封裝形式等對需求進行統型優化,按照國內研制基礎進行分類,并開展技術對接工作;

(2)研制攻關:在確認元器件研制技術條件后開展研制技術攻關,過程中用戶確認研制方案及詳細規范,元器件還需通過評估試驗與鑒定檢驗工作;

(3)應用驗證:以實際應用場景、最壞情況為條件,開展全面的驗證試驗工作,驗證宇航適用性;應用驗證具有指導工程應用和元器件產品優化的雙重作用,推動元器件產品和型號應用的“雙向成熟”;

(4)工程應用:驗證合格的國產元器件提供給重大工程電子系統使用。應基于國產元器件參數指標,開展“再設計、再試驗、再定型” 等工作,確認國產元器件在型號應用中的有效性;

(5)標準規范:固化元器件技術狀態,形成指導文件,包括詳細規范、應用指南、采購規范等,指導研制、選用和保證等各項工作的順利開展。

4 載人航天空間站工程元器件自主保障典型案例

2021 年4 月29 日,我國空間站天和核心艙由長征五號B 遙二運載火箭在中國文昌航天發射場成功發射。在工程建設全過程始終秉承“國之重器,核心在握” 原則,堅持走自主創新發展的道路。為保證載人空間站工程成功建設和后續長期運營,采用了“實施途徑一” 的方法,提出需立足國產元器件開展設計,嚴格控制使用引進元器件,通過加強元器件的選擇、研制、應用驗證和工程應用,實現關鍵元器件全面自主保障,滿足工程要求。

載人航天空間站工程自主定義了31 款100 V DC/DC 產品、4 款SSPC 產品、4 款矩形自控電連接器、艙外宇航員操作高低頻混裝電連接器、壓接型2 腔浮動電連接器、高壓直流接觸器、耐環境快速分離微圓形連接器等百余款核心元器件。由空間站工程提出應用需求,開展需求規劃,建立元器件的考核指標體系,基于應用環境設計應用驗證試驗項目。

為了節約能源、發揮高壓母線的優點,制定100 V輸入厚膜電源系列產品型譜,自主定義輸出功率分別為5,15,20,30 和65 W 共27 個品種的DC/DC 模塊以及配套的4 個EMI 濾波器。根據元器件的內部設計、工藝、結構等方面進行薄弱環節分析,建立元器件指標體系。通過開展應用驗證,不僅給型號設計師提供了豐富的特性曲線、試驗數據,也驗證了元器件的長期可靠性、工藝符合性,有力地支撐了空間站工程的型號研制,滿足了各型號對國產元器件的迫切需求。

通過工程實踐形成了一套基于國產元器件自主研發和設計航天器的創新理念。在空間站工程設計初期直接立足國產元器件進行選用,基于國產元器件的評估試驗、應用驗證試驗結果開展單機設計,逐步形成和建立一套基于國產元器件開展自主研發和系統設計航天器的創新理念,既能夠避免航天器系統設計對國外核心元器件的過度依賴,同時能夠帶動國內元器件研制單位積極探索原始創新,放棄對進口元器件的長期跟仿,形成具有中國特色的宇航元器件技術和產品體系。

5 結束語

我國正處于實現“兩個一百年” 奮斗目標的歷史交匯期,世界科技革命和強國興軍事業深入推進的歷史交匯期。國之重器始終走的是一條自力更生、自主創新的道路。通過探索與創新核心元器件自主保障和自主創新發展實施途徑和策略,能有效提升國家重大工程的自主保障水平。突破技術封鎖和產品禁運,實現關鍵技術自主創新發展。通過重大工程牽引核心元器件等基礎領域自主創新發展。始終堅持以自主創新為戰略基點,通過國家重大工程的實施,牢牢掌握核心前沿技術發展的主動權。