面向市場的上面級產(chǎn)品化工程實踐與探索

◎中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院 馬昆 唐軍剛 惠興晨 劉欣 王華

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院建院50 余年來，已由成立之初的型號研究院逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧岸嘈吞栄兄撇⑴e，研制與批生產(chǎn)并重”的經(jīng)營實體，逐步由單一途徑執(zhí)行國家科研任務(wù)向多任務(wù)途徑主動開拓市場轉(zhuǎn)變，逐步由項目牽引能力發(fā)展向市場導(dǎo)向自主研發(fā)轉(zhuǎn)變。

2009年以來，依托國家科技重大專項工程牽引，研究院開展了大、小2 型上面級的論證設(shè)計和工程研制，以完成“一箭多星”直接入軌發(fā)射任務(wù)。在基本型的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展性能、提升能力和任務(wù)適應(yīng)性，形成了拓展構(gòu)型，進(jìn)而滿足不同用戶的多樣發(fā)射需求。上面級按照通用化、系列化、產(chǎn)品化原則開展設(shè)計，通過實施產(chǎn)品化工程，分系統(tǒng)設(shè)計方案和主要單機(jī)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)保持一致，同時充分考慮多種任務(wù)需求開展優(yōu)化設(shè)計，縮短了研制周期，優(yōu)化了研制成本，為提高上面級產(chǎn)品市場競爭力、快速搶占市場奠定了堅實的基礎(chǔ)。

一、產(chǎn)品化思路

1.指導(dǎo)思想

上面級發(fā)展遵循立足基礎(chǔ)、突破技術(shù)，形成能力、滿足需求，整體規(guī)劃、系列發(fā)展，分步實施、持續(xù)推進(jìn)的總體思路，在具體型號研制過程中秉承頂層設(shè)計、逐步擴(kuò)展、型譜選用、統(tǒng)籌兼顧的產(chǎn)品化設(shè)計理念和指導(dǎo)思想。

在上面級設(shè)計中，產(chǎn)品化工程貫徹頂層設(shè)計、自上而下的原則，盡量統(tǒng)一分系統(tǒng)方案，以此為基礎(chǔ)統(tǒng)一單機(jī)產(chǎn)品。

上面級總體及各分系統(tǒng)設(shè)計中充分考慮產(chǎn)品化要求，技術(shù)方案應(yīng)具備一定可擴(kuò)展性，為技術(shù)方案統(tǒng)一及后續(xù)型號借用奠定基礎(chǔ)。

充分考慮與成熟型號及在研型號的產(chǎn)品和技術(shù)共用，可借用其它型號產(chǎn)品的盡量借用，可選用型譜產(chǎn)品的必須選用。

單機(jī)產(chǎn)品設(shè)計要力求兼顧多型上面級使用要求，且試驗環(huán)境條件以最大包絡(luò)進(jìn)行，為產(chǎn)品化工作奠定基礎(chǔ)；提高地面設(shè)備、試驗工裝以及研制保證條件實施方案的通用性，統(tǒng)籌多型上面級使用要求；統(tǒng)一接插件選型，制定統(tǒng)一的上面級接口標(biāo)準(zhǔn)和接插件要求。

2.實施策略

總體方案設(shè)計中考慮系列化設(shè)計，系統(tǒng)方案盡量保持一致；充分考慮產(chǎn)品化策略，盡量減少單機(jī)種類；充分考慮通用性，能夠與不同的基礎(chǔ)級火箭組合使用；充分考慮使用靈活性，具備單星、雙星和多星發(fā)射能力及軌道部署能力，能夠發(fā)射包括高、中、低等多種軌道有效載荷。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)尺寸、載荷條件等均有較大差異，無法實現(xiàn)完全意義上的產(chǎn)品化，只能實現(xiàn)設(shè)計思路、工藝、主材料、零部件等最大程度的一致化；結(jié)構(gòu)形式及總體布局可保持一致，采用直筒段儀器艙儀器內(nèi)裝方案、圓柱段殼體加十字腹板結(jié)構(gòu)形式及4 個主動力貯箱環(huán)向均勻分布的總體布局；強(qiáng)化產(chǎn)品相似性的類比分析，掌握影響結(jié)構(gòu)產(chǎn)品承載能力或功能的主要因素，在同類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中進(jìn)行借鑒或繼承。

動力系統(tǒng)采用同一種總體方案，如主動力系統(tǒng)和姿控系統(tǒng)獨(dú)立供應(yīng)，采用常規(guī)動力液體發(fā)動機(jī)等；主動力系統(tǒng)盡量選用同一型種發(fā)動機(jī)，綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求，考慮采用多臺發(fā)動機(jī)并聯(lián)方案；姿控發(fā)動機(jī)系統(tǒng)盡量選用相同規(guī)格的推力室以及貯箱、氣瓶、電磁閥等單機(jī)產(chǎn)品，綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求，根據(jù)控制力、沉底等設(shè)計要求，配置不同數(shù)量的姿控噴管、貯箱、氣瓶、電磁閥等單機(jī)產(chǎn)品；增壓輸送系統(tǒng)總體方案及單機(jī)狀態(tài)盡量保持一致，綜合權(quán)衡可靠性等設(shè)計要求，配置不同數(shù)量的單機(jī)產(chǎn)品來滿足設(shè)計要求；推進(jìn)劑管理系統(tǒng)方案及單機(jī)狀態(tài)盡量保持一致。

電氣系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，統(tǒng)一軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)；采用統(tǒng)一供配電模式進(jìn)行控制、測量、熱控、分離的供配電；控制系統(tǒng)采用總線進(jìn)行綜合設(shè)計，具備產(chǎn)品化條件；測量系統(tǒng)中遙測傳輸體制相近、外彈道測量體制相近，因此測量系統(tǒng)的高精度測量技術(shù)、一體化供配電技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)、無線信道仿真技術(shù)等均可以共用，產(chǎn)品化基礎(chǔ)較好。

發(fā)射支持系統(tǒng)主要單機(jī)參數(shù)由上面級結(jié)構(gòu)參數(shù)、質(zhì)量特性、推進(jìn)劑種類、加注諸元、瞄準(zhǔn)方案等要求決定，具備較好的產(chǎn)品化工作基礎(chǔ)；對主要單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行參數(shù)包容性設(shè)計，以滿足多個型號需求。

二、產(chǎn)品化實踐

針對上面級產(chǎn)品特點(diǎn)，在型號研制過程中貫徹頂層設(shè)計、自上而下的原則，統(tǒng)一與其它大系統(tǒng)的接口，統(tǒng)一分系統(tǒng)方案，注重選用型譜產(chǎn)品及借用產(chǎn)品，控制適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品和控制新研產(chǎn)品，貫徹產(chǎn)品化工作要求。

1.外系統(tǒng)接口統(tǒng)一

基本型上面級以“一箭多星”直接入軌發(fā)射國家某重大專項衛(wèi)星任務(wù)為設(shè)計目標(biāo)，兼顧長遠(yuǎn)發(fā)展需求設(shè)計。因此，在方案設(shè)計和研制過程中的一個重要原則就是不同發(fā)射方案下對工程各大系統(tǒng)，尤其是與衛(wèi)星系統(tǒng)的接口必須保持統(tǒng)一。

具體措施為：星箭機(jī)械接口保持一致，采用方形盒衛(wèi)星支架，4 點(diǎn)連接，連接解鎖裝置選用低沖擊分離螺母，分離能源選用壓縮彈簧組件；星箭電氣接口保持一致，采用2 個分離插頭連接；衛(wèi)星對上面級供電、熱防護(hù)、滑行段姿態(tài)調(diào)整、電磁兼容、分離速度及分離姿態(tài)等要求均保持一致；提供衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計載荷和力學(xué)環(huán)境條件為不同發(fā)射方案下的最大包絡(luò)，確保衛(wèi)星的設(shè)計能夠滿足不同發(fā)射方案的要求。

2.分系統(tǒng)方案統(tǒng)一

基本型上面級除多星分配器外，其它各系統(tǒng)方案絕大部分均保持相同或相近。但在主結(jié)構(gòu)尺寸及主承力構(gòu)件布置、貯箱及貯箱懸掛結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)參數(shù)、儀器布局、管路電纜敷設(shè)及分支長度、隔熱屏外形尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)、主動電加熱路數(shù)、運(yùn)輸/停放/起吊設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及結(jié)構(gòu)參數(shù)、推進(jìn)劑加注供氣系統(tǒng)方案等方面需做適應(yīng)性調(diào)整；在主發(fā)動機(jī)、姿控噴管、姿控貯箱、氣瓶、主增壓氣瓶、閥門等單機(jī)產(chǎn)品方面需做適應(yīng)性增加。同時，大上面級研制中需針對其特有的輕質(zhì)高剛度多星分配器技術(shù)、多星分離技術(shù)、散熱面等溫化、發(fā)動機(jī)雙機(jī)并聯(lián)所帶來的偏差量控制、地面測試發(fā)射流程等技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)研制。

3.單機(jī)產(chǎn)品選用

（1）型譜產(chǎn)品選用情況

根據(jù)目前小上面級總體及各系統(tǒng)方案，全箭配套產(chǎn)品共計75 種，其中可選型譜產(chǎn)品22 種，選用型譜產(chǎn)品19 種、借用產(chǎn)品23 種、新研產(chǎn)品33 種。

根據(jù)上述原則，選用型譜產(chǎn)品百分比=（選用型譜產(chǎn)品類數(shù)/可選型譜產(chǎn)品類數(shù)）×100%，其中各級成熟度產(chǎn)品占比=（各級成熟度產(chǎn)品類數(shù)/選用型譜產(chǎn)品類數(shù)）×100%。據(jù)此，小上面級選用型譜產(chǎn)品為86.36%，其中5 級成熟度產(chǎn)品為33.33%，4 級成熟度產(chǎn)品為21.43%，3 級成熟度產(chǎn)品為28.57%，2 級成熟度產(chǎn)品為11.91%，1 級成熟度產(chǎn)品為4.76%，所選型譜產(chǎn)品及借用產(chǎn)品均為國產(chǎn)化產(chǎn)品。

同樣，根據(jù)目前大上面級總體及各系統(tǒng)方案，其選用型譜產(chǎn)品為90.48%，其中5 級成熟度產(chǎn)品為31.58%，4 級成熟度產(chǎn)品為36.84%，3 級成熟度產(chǎn)品為15.79%，2 級成熟度產(chǎn)品為10.53%，1 級成熟度產(chǎn)品為5.26%，所選型譜產(chǎn)品及借用產(chǎn)品也均為國產(chǎn)化產(chǎn)品。

另外，考慮到大上面級借用了部分小上面級的新研產(chǎn)品，后續(xù)這部分新研產(chǎn)品也將統(tǒng)一納入產(chǎn)品型譜管理，因此未來大上面級選用型譜產(chǎn)品的比例還將進(jìn)一步提升。

（2）借用產(chǎn)品情況

根據(jù)目前小上面級總體及各系統(tǒng)方案，其借用產(chǎn)品共計23種，占30.67%。在大上面級設(shè)計中，除小上面級的借用產(chǎn)品外，姿控發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、主發(fā)動機(jī)、增壓輸送系統(tǒng)、推進(jìn)劑管理系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、主動熱控系統(tǒng)全套產(chǎn)品均借用小上面級產(chǎn)品。所有借用產(chǎn)品均按質(zhì)量管理要求進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性分析等工作。

（3）適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品情況

根據(jù)目前2 型上面級總體及各系統(tǒng)方案，小上面級設(shè)計中適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品數(shù)量較少，大上面級設(shè)計中無適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品。所有適應(yīng)性改進(jìn)產(chǎn)品均按照質(zhì)量管理要求進(jìn)行了環(huán)境適應(yīng)性分析、技術(shù)狀態(tài)變化控制、接口技術(shù)狀態(tài)分析等工作。

（4）新研產(chǎn)品情況

根據(jù)目前小上面級總體及各系統(tǒng)方案，新研產(chǎn)品共計33 種，占44%。在其研制基礎(chǔ)之上，大上面級新研產(chǎn)品主要是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)產(chǎn)品。所有新研產(chǎn)品均按照質(zhì)量管理要求進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、原理性試驗驗證、數(shù)學(xué)仿真分析等工作。

4.產(chǎn)品成熟度提升

根據(jù)型譜產(chǎn)品選用分析結(jié)果，小上面級選用的型譜產(chǎn)品中3 級成熟度以上產(chǎn)品（含3 級）占83.33%，大上面級選用的型譜產(chǎn)品中3 級成熟度以上產(chǎn)品（含3 級）占84.21%，絕大部分產(chǎn)品都經(jīng)過了3 次以上飛行試驗，產(chǎn)品成熟可靠。

上面級工程研制帶動了一批新研產(chǎn)品開發(fā)，后續(xù)將以型號應(yīng)用發(fā)射為牽引帶動產(chǎn)品成熟度提升，實現(xiàn)型號和產(chǎn)品同步發(fā)展。

三、市場化應(yīng)用

上面級一般具有多次起動、長時間工作、自主飛行等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)任務(wù)適應(yīng)性，其工作段通常已進(jìn)入地球軌道，能夠完成軌道機(jī)動、有效載荷分離與部署等任務(wù)，是提高火箭性能和任務(wù)適應(yīng)能力的有效途徑。

上面級發(fā)展遵循立足基礎(chǔ)、突破技術(shù)，形成能力、滿足需求，整體規(guī)劃、系列發(fā)展，分步實施、持續(xù)推進(jìn)的總體思路，本著繼承基礎(chǔ)、逐步提升和產(chǎn)品化的設(shè)計理念與指導(dǎo)思想構(gòu)建了一系列上面級產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃，為提高市場競爭力、縮短研制周期、優(yōu)化研制成本、快速占領(lǐng)市場奠定了堅實基礎(chǔ)。

小上面級與3.35m 直徑基礎(chǔ)級火箭組合，2015年首飛，直接應(yīng)用于國家某重大專項工程“一箭多星”的組網(wǎng)和補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射，除此之外，還可應(yīng)用于月球探測工程等其它國家重大專項。

大上面級與5m 直徑基礎(chǔ)級火箭組合，2016年左右結(jié)合CZ-5 火箭首飛進(jìn)行飛行搭載，主要用于“一箭多星”發(fā)射任務(wù)。特別是由于與小上面級并行統(tǒng)籌開展研制，大大縮短了研制周期，研制成本也得以大大優(yōu)化。

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院在當(dāng)前和未來相當(dāng)長一段時間內(nèi)，型號任務(wù)規(guī)模越來越大、新技術(shù)越來越復(fù)雜、研制周期越來越短、質(zhì)量要求越來越高，要全面提升核心競爭力和持續(xù)健康發(fā)展，首要的實質(zhì)性工作就是降本增效，而實施產(chǎn)品化工程是實現(xiàn)降本增效的有效途徑之一。

在上面級的論證設(shè)計和工程研制中，充分秉承通用化、系列化、產(chǎn)品化設(shè)計理念，從管理方法、技術(shù)實現(xiàn)等幾個層次充分貫徹產(chǎn)品化設(shè)計思想，切實提高了設(shè)計可靠性、降低了技術(shù)風(fēng)險，為提高市場競爭力、縮短研制周期、優(yōu)化研制成本、快速占領(lǐng)市場奠定了堅實基礎(chǔ)?！?/p>