航天COTS 產(chǎn)品標準化發(fā)展的透視與淺析

姜盛鑫 韓天龍 施帆 陸宏偉 陳陽

（中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院， 北京， 100071）

對于當今航天領域而言， LEO （低地球軌道）衛(wèi)星星座無疑是最為火熱的關鍵詞之一。 大型LEO 衛(wèi)星星座的概念最早可以追溯到90 年代， 當時幾家公司試圖提供全球連接， Globalstar、Iridium、 Odyssey 和Teledesic 制定了龐大宏偉的計劃， 但由于成本過高以及需求有限的原因， 除了Iridium 公司以外， 其他所有公司都縮減了規(guī)模或取消了其星座計劃。 隨著OneWeb 消亡， SpaceX在LEO 衛(wèi)星星座部署方面取得了絕對領先地位，并在去年聲稱可以開始提供商業(yè)服務。 2021 年1 月20 日， SpaceX 成功發(fā)射了第17 批星鏈衛(wèi)星，已經(jīng)累計將多達1000 顆衛(wèi)星送入太空。 此外，Amazon 已經(jīng)申請在其Kuiper 星座中發(fā)射3236 顆航天器， 并計劃將其不斷壯大的團隊遷入新設施，以全力應對星座建設中遇到的挑戰(zhàn)。 衛(wèi)星技術的進步、 新業(yè)務模式的出現(xiàn)、 更強大的資本儲備以及對于低延遲帶寬的猛增需求， 使LEO 衛(wèi)星星座發(fā)展迎來了 “第二春”。

盡管有諸多強大力量牽引著LEO 衛(wèi)星星座的快速發(fā)展， 但為確保長期的生存能力與競爭力，滿足快速化、 批量化、 小型化的行業(yè)需求， 規(guī)劃大型LEO 衛(wèi)星星座的設計者仍需要大幅降低研發(fā)成本與時間是不爭的事實。 如今美國軍方和一些公司紛紛把目光投到商業(yè)貨架 （Commercial-Off-The-Shelf， COTS） 產(chǎn)品， 選擇在衛(wèi)星研制過程中采用COTS 產(chǎn)品， 這為有效壓縮研發(fā)成本與時間提供了行之有效的解決策略。 由于COTS 產(chǎn)品在航天領域中的使用頻率越來越高， 投入應用的系統(tǒng)越來越廣泛， 出現(xiàn)的問題越來越復雜， 實施開展標準化工作以促進COTS 產(chǎn)品在航天領域中的規(guī)范化應用具有重要的意義。

1 航天COTS 產(chǎn)品標準化的實質(zhì)內(nèi)涵

1.1 航天COTS 產(chǎn)品的概念分析

COTS 產(chǎn)品首次作為宇航產(chǎn)品替換方案的官方化文件可追溯到1994 年， 當時的美軍國防秘書長發(fā)表了 “派瑞備忘錄”， 該備忘錄指出在可能的情況下要將COTS 產(chǎn)品投入到軍事應用中，從而取代專門定制方案， 其初衷是避免軍事規(guī)范產(chǎn)品的全面使用會限制競爭、 扼殺創(chuàng)新以及增加部署新系統(tǒng)的成本和時間。 在COTS 產(chǎn)品成功應用于軍事裝備數(shù)十年之后， COTS 在航天裝備上的使用才成為現(xiàn)實。 根據(jù)國外相關報道， 國防后勤局 （DLA） 認證或軍事規(guī)范 （MS） 認證的某類產(chǎn)品技術要比用于下一代航天裝備及相關儀器的最先進、 高性能產(chǎn)品落后數(shù)代， 這也加速了COTS 在航天裝備中的使用進程。

商業(yè)貨架產(chǎn)品 （COTS） 指的是經(jīng)過更新迭代、 在商業(yè)市場出售、 通過政府合同使用或獲得的非研發(fā)項目 （NDI）。 很多人會將NDI 與COTS劃等號， 實際上并非如此。 因為從嚴格意義上講， COTS 應該屬于NDI 的一個子集， 而并非它的全部。 非研發(fā)項目 （NDI） 是出于政府目的，但不限于特定工程的任何項目， 可以是由聯(lián)邦機構、 國家或州政府， 以及與政府簽署了國防戰(zhàn)略協(xié)議的其他政府等任何形式主導。 COTS 與NDI 的關系如圖1 所示。

圖1 非研發(fā)項目的分類示意圖

1.2 COTS

航天產(chǎn)品標準化的內(nèi)涵分析

標準化減少了在不同設計中使用的組件種類數(shù)量， 對于具有類似需求的特定設計/產(chǎn)品， 可以從不同級別上實施標準化。 標準化的級別分為： 國際、 國家、 企業(yè)、 工廠以及項目， 其最終目標都是在設計/產(chǎn)品中實現(xiàn)組件通用性并且在此過程中有所收益。 隨著COTS 產(chǎn)品在航天領域占據(jù)的份額越來越重， 面對商業(yè)市場上種類繁雜的COTS 產(chǎn)品， 需要開展航天COTS 產(chǎn)品標準化工作。

航天COTS 產(chǎn)品標準化的優(yōu)點是多方面的。對于COTS 產(chǎn)品供應商來說， 標準化能夠為企業(yè)提供嚴明的工作準則、 受控的工作文化， 使企業(yè)的稀缺資源能夠得到最佳的利用； 同時還能夠有效降低總體擁有成本 （更高的采購量、 更少的訂單、 更少的非經(jīng)常性項目）； 而最重要的是通過標準化壓縮產(chǎn)品類型， 利用單一的開發(fā)工作取代功能相似部件上的重復研發(fā)， 可以從長遠角度上降低成本。 對于衛(wèi)星研制部門來說， 標準化可以為其選用COTS 產(chǎn)品提供權威指導， 有效降低衛(wèi)星制造和產(chǎn)品采購成本， 研發(fā)一項功能相同的軍事規(guī)范產(chǎn)品要比選用經(jīng)過篩選的COTS 產(chǎn)品花費更多的成本與時間， 對于需要特定的開發(fā)軟件資源的產(chǎn)品尤為明顯， 例如微處理器、 FPGA 等。當然， 任何事物都具有兩面性， 航天COTS 產(chǎn)品標準化的缺點與已經(jīng)實施多年的軍事標準化大致相似， 那就是對于設計人員個性方面的束縛。 設計人員在進行產(chǎn)品研發(fā)時希望擁有充分的設計自由， 但各種級別的標準會將設計人員的設計限制在某個指定的 “空間” 范圍。

然而瑕不掩瑜， 對于過去受限于只能選擇軍事規(guī)范產(chǎn)品的設計人員來說， 更先進的COTS產(chǎn)品已經(jīng)能夠為其設計帶來更大的創(chuàng)新自由。航天COTS 產(chǎn)品標準化的實施顯然是利大于弊的。 正因如此， 開展航天COTS 產(chǎn)品標準化工作勢在必行。

2 航天COTS 產(chǎn)品標準化的實施進展

2.1 國際標準層面

ISO 于2020 年發(fā)布了航天COTS 產(chǎn)品的國際標準TC20/SC14 Space systems — Evaluation of radiation effects on Commercial -Off -The -Shelf（COTS） parts for use on low-orbit satellite。

該標準是用來描述近地軌道 （LEO） 衛(wèi)星所用COTS 產(chǎn)品輻射效應的評估方法， 能夠?qū)μ嵘鼵OTS 產(chǎn)品的輻射耐受性、 長期任務壽命的置信水平提供指導。

該標準正文包括6 個章節(jié)， 分別是范圍、 引用參考、 術語和定義、 縮寫術語、 抗輻射設計、輻射耐受試驗。 附件由12 個資料性附錄組成， 分別是抗輻射設計程序、 總劑量預測法、 等高線圖測量總劑量的輻射指南、 模型預測值與實測值的比較實例、 電子元器件的輻射劣化、 單事件效應概述、 電子元器件單次事件處理方法、 設備單事件措施、 位移損傷預測方法、 各裝置位移損傷抗力、 半導體器件位移損傷試驗導則、 激光脈沖試驗方法。 其中抗輻射設計程序是該標準的精髓所在， 如圖2 所示， 其將環(huán)境條件設置、 總劑量預測、 劣化率預測、 耐輻射數(shù)據(jù)等多方面因素有機結合， 從而使得到的測試結果更具有準確性。

圖2 抗輻射設計流程

2.2 國家標準層面

雖然在我國航天領域應用COTS 的時間較短， 但COTS 的顯著優(yōu)勢使COTS 的應用頻率大大提高。 目前， 我國航天對于COTS 產(chǎn)品的使用正處于 “百花齊放” 的現(xiàn)狀， 無論是傳統(tǒng)衛(wèi)星研制單位還是商業(yè)航天公司， 都已對COTS 產(chǎn)品開展了針對性研究。 但國內(nèi)尚無系統(tǒng)性的航天COTS 產(chǎn)品相關標準。

基于這種情況， 2018 年中國空間技術研究院作為主要起草單位申請 《宇航用COTS 器件質(zhì)量保證要求》 國家標準計劃， 計劃號為20201647-T-469。 根據(jù)全國標準信息公共服務平臺的相關信息， 該標準的制定將統(tǒng)一國內(nèi)宇航領域?qū)τ贑OTS 器件的質(zhì)量保證要求。 該標準規(guī)定宇航用COTS 器件質(zhì)量保證的組織機構與職責、工作流程、 工作項目和工作要求。

該標準擬將COTS 器件的質(zhì)量保證流程分解為5 個環(huán)節(jié)， 突出強調(diào)了質(zhì)量保證方案的重要性。 ①選用控制， 規(guī)定各級產(chǎn)品承研單位負責所選COTS 器件的論證及驗證工作， 各級產(chǎn)品承研單位對COTS 器件應進行專項質(zhì)量保證； ②質(zhì)量保證委托， 要求各級產(chǎn)品承研單位應委托元器件質(zhì)量保證部門進行COTS 器件的質(zhì)量保證工作，并應根據(jù)型號項目進度提前辦理質(zhì)量保證委托；③質(zhì)量保證方案制定， 在制定方案前首先應進行任務分析， 包括任務來源、 任務需求以及COTS器件基礎信息等， 在分析與型號要求差異的基礎上制定質(zhì)量保證方案， 質(zhì)量保證方案的內(nèi)容一般包括： 結構分析 （必要時）、 評價試驗 （必要時）、 篩選試驗、 考核試驗、 抗輻射能力評價試驗 （必要時）、 DPA、 應用驗證 （必要時）； ④質(zhì)量保證實施， 該標準要求嚴格按照經(jīng)評審的質(zhì)量保證方案進行， 實施過程中應注意對器件的防護、 失效分析、 質(zhì)量問題處理及歸零、 產(chǎn)品交貨等相關要求； ⑤質(zhì)量保證結論確定， 該標準要求根據(jù)質(zhì)量保證工作的方案和試驗數(shù)據(jù)， 形成質(zhì)量保證結論。

3 有關發(fā)展建議

3.1 頂層設計， 破除阻力

目前航天COTS 標準化工作尚且處于初始起步階段， 實施發(fā)展過程中勢必會有很多的阻力與困難， 需要有強大的力量來破除， 而這股力量只能源于頂層設計。 在頂層設計上采取 “剛柔并濟” 的方式， 從 “柔性” 層面謀劃因地制宜的柔性方案， 營造適合航天COTS 產(chǎn)品標準化工作發(fā)展的大環(huán)境； 從 “剛性” 層面提出以國為重的剛性約束， 制定相關制度條例保障航天COTS 產(chǎn)品標準化工作的規(guī)范發(fā)展。

高新技術研究發(fā)展過程中， 在標準上占有優(yōu)勢， 在一定程度上就掌握了競爭的主動權， 這也是ISO 在航天COTS 產(chǎn)品熱度劇增的情況下迅速編制發(fā)布ISO 21980： 2020 的主要原因。 因此，應該通過頂層設計將航天COTS 產(chǎn)品標準化提升到國家發(fā)展的戰(zhàn)略高度， 賦予航天COTS 產(chǎn)品標準化實施的 “正規(guī)名分”， 避免航天COTS 產(chǎn)品標準化在起步階段出現(xiàn) “加速無力” 的情況。

3.2 上下聯(lián)動， 發(fā)揮合力

航天COTS 產(chǎn)品標準化的發(fā)展僅從頂層設計是遠遠不夠的， 還需要借助下游更廣大的基礎力量。 通過上下聯(lián)動構建標準化發(fā)展平臺， 強化航天COTS 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)線的上下游貫通融合， 形成一體謀劃、 一體部署、 一體推進的發(fā)展模式， 以合力的形式推動航天COTS 產(chǎn)品標準化沿著符合雙方共同利益的方向前進。

例如， 在軌衛(wèi)星經(jīng)常遇到參數(shù)退化、 功能異常等問題， 其主要原因是電磁輻射引起的電離總劑量效應、 位移效應和單粒子效應， 這是下游產(chǎn)品研制單位迫切需要解決的頭等難題， 也是COTS 產(chǎn)品在航天領域中應用面臨的最大挑戰(zhàn)。基于此種情況， 來自民間企業(yè)的專業(yè)人士負責提出需求， 被賦予了 “裁判員” 的真實權利， 在標準制定過程中本著自身利益參與討論， 標準協(xié)會等官方人員負責把握主體方向， 充分考慮行業(yè)的發(fā)展狀況， 多方共同確定首要編制應對航天COTS 產(chǎn)品輻射效應的相關標準。

3.3 中心統(tǒng)籌， 釋放活力

如果說電磁輻射是影響COTS 產(chǎn)品在航天領域應用的外在因素， 那么篩選范圍較廣、 更新?lián)Q代較快、 批次穩(wěn)定性存疑、 全程追溯較困難等各類問題則是COTS 產(chǎn)品的內(nèi)在特點， 而這些內(nèi)在特點也是航天COTS 產(chǎn)品標準化發(fā)展過程中需要重點解決的主要問題。

標準化的建設是一項復雜的系統(tǒng)工程，并不能夠簡單的一蹴而就。 盡管上下聯(lián)動能夠形成合力， 但合力真正發(fā)揮力量還需要有專業(yè)機構的組織與串聯(lián)。 利用專業(yè)機構的中心統(tǒng)籌， 對COTS 產(chǎn)品的外在因素、 內(nèi)在特點開展專題研究，在不斷實踐和探索中， 尋求靈活高效的管理機制、 溝通機制以及運行機制， 逐步打牢COTS 產(chǎn)品在航天領域應用的基礎， 釋放航天COTS 產(chǎn)品標準化發(fā)展的真正活力。

對于任何標準而言， 獲得廣泛的行業(yè)認可才是最重要的。 而對于未來十年內(nèi)將奔向LEO 的數(shù)萬顆衛(wèi)星來說， COTS 產(chǎn)品的標準化發(fā)展是重中之重。 COTS 產(chǎn)品是LEO 衛(wèi)星追求高性能、 低成本、 短周期的重要保證。