東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)優(yōu)化驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)與啟示

石明 魏強(qiáng) 劉闖斌 凌貿(mào)易 田野 崔佳濤

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)優(yōu)化驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)與啟示

石明 魏強(qiáng) 劉闖斌 凌貿(mào)易 田野 崔佳濤

(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094)

東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)(DFH-4E)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為有效地降低驗(yàn)證工作費(fèi)用、縮減驗(yàn)證周期并保證驗(yàn)證的充分性，按照系統(tǒng)工程理論，首次提出并采用了系統(tǒng)優(yōu)化驗(yàn)證的方法，以一顆工程星來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)星、電性星(熱控星)等，實(shí)現(xiàn)“一星多用、綜合驗(yàn)證”的目的，同時(shí)利用“工程星+熱模擬艙+分系統(tǒng)+單機(jī)”的“集中+分散”式驗(yàn)證模式開(kāi)展平臺(tái)驗(yàn)證工作。利用該方法，有效地縮短了平臺(tái)研制周期，降低了研制經(jīng)費(fèi)，完成了平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證和平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證，達(dá)到了具備轉(zhuǎn)入正樣衛(wèi)星研制的條件。DFH-4E平臺(tái)驗(yàn)證實(shí)踐表明，該優(yōu)化驗(yàn)證方法是一種行之有效的提高驗(yàn)證效率的方法。

衛(wèi)星平臺(tái)；東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星；優(yōu)化；驗(yàn)證方法

1 引言

驗(yàn)證工作是新型衛(wèi)星平臺(tái)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的驗(yàn)證模式占據(jù)了開(kāi)發(fā)工作中大部分的經(jīng)費(fèi)、人力、周期等資源。在當(dāng)前市場(chǎng)需求快速多變、新型技術(shù)不斷涌現(xiàn)的形勢(shì)下，需要探求新型平臺(tái)(衛(wèi)星)新的驗(yàn)證方法，以降低成本、縮短研制周期實(shí)現(xiàn)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力[1-2]。

東方紅四號(hào)增強(qiáng)型衛(wèi)星平臺(tái)(DFH-4E)是以東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)(DFH-4)為基礎(chǔ)研制的大容量地球同步軌道公用平臺(tái)，它與東方紅四號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)(DFH-4)、東方紅四號(hào)靈巧型衛(wèi)星平臺(tái)(DFH-4S)形成通信衛(wèi)星東方紅四號(hào)平臺(tái)型譜，3個(gè)平臺(tái)分別覆蓋中大、中和中小載荷容量衛(wèi)星市場(chǎng)[3-4]。DFH-4E平臺(tái)需求緊迫并采取自主開(kāi)發(fā)方式，若采用傳統(tǒng)的驗(yàn)證方式，需要開(kāi)展結(jié)構(gòu)(熱控)星、電性星的研制，整個(gè)驗(yàn)證周期近30個(gè)月[5]，無(wú)法滿足“短周期、低成本”的任務(wù)要求。項(xiàng)目研制隊(duì)伍分析DFH-4E平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)，提出采用工程優(yōu)化驗(yàn)證方法，經(jīng)過(guò)DFH-4E平臺(tái)的實(shí)踐表明，該方法可以快捷、高效地完成平臺(tái)驗(yàn)證。

本文總結(jié)和提煉DFH-4E平臺(tái)驗(yàn)證工作特點(diǎn)，結(jié)合理論基礎(chǔ)，形成一種具有普遍適用性的新型衛(wèi)星平臺(tái)驗(yàn)證方法，可以推廣應(yīng)用于相關(guān)的新型平臺(tái)驗(yàn)證工作中。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)分析

DFH-4平臺(tái)自2006年首飛以來(lái)成熟度和承載能力不斷提高，DFH-4S平臺(tái)以突破電推進(jìn)和綜合電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)承載能力進(jìn)一步提升。DFH-4E平臺(tái)主要采取結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、功率增大及多層通信艙、重疊壓緊展開(kāi)天線等新設(shè)計(jì)方法提高平臺(tái)承載能力。DFH-4E平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)狀態(tài)與DFH-4、DFH-4S平臺(tái)的比較如表1所示。通過(guò)表1的技術(shù)關(guān)系比較，識(shí)別出的DFH-4E平臺(tái)系統(tǒng)級(jí)改進(jìn)技術(shù)、分系統(tǒng)級(jí)改進(jìn)技術(shù)和主要單機(jī)如表2所示。

表1 DFH-4E平臺(tái)與DFH-4、DFH4S平臺(tái)比較

表2 DFH-4E平臺(tái)改進(jìn)技術(shù)及關(guān)鍵單機(jī)

3 平臺(tái)優(yōu)化驗(yàn)證思路

3.1 驗(yàn)證目標(biāo)

DFH-4E平臺(tái)的驗(yàn)證目標(biāo)是：結(jié)合DFH-4和DFH-4S平臺(tái)驗(yàn)證結(jié)果，有重點(diǎn)地開(kāi)展DFH-4E平臺(tái)改進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證，以達(dá)到后續(xù)應(yīng)用DFH-4E平臺(tái)整星具備直接開(kāi)展正樣研制的條件。

3.2 驗(yàn)證思路

基于對(duì)DFH-4E平臺(tái)的設(shè)計(jì)狀態(tài)及繼承性分析，打破傳統(tǒng)平臺(tái)(衛(wèi)星)利用結(jié)構(gòu)星、電性星等整星級(jí)資源逐項(xiàng)開(kāi)展驗(yàn)證的方式，抓住驗(yàn)證要點(diǎn)，以一顆工程星來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的結(jié)構(gòu)星、電性星(熱控星)等，實(shí)現(xiàn)“一星多用、綜合驗(yàn)證”的目的；采用優(yōu)化驗(yàn)證方法，合理開(kāi)展有代表性的專(zhuān)項(xiàng)驗(yàn)證項(xiàng)目，確保驗(yàn)證覆蓋全面。

4 平臺(tái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)

DFH-4E平臺(tái)驗(yàn)證工作的重點(diǎn)是表2中所列的各項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)和相對(duì)DFH-4、DFH-4S平臺(tái)狀態(tài)變化的驗(yàn)證，將待驗(yàn)證項(xiàng)目在不同驗(yàn)證層級(jí)進(jìn)行分解形成驗(yàn)證矩陣，如表3所示。根據(jù)表3中所需要的驗(yàn)證項(xiàng)目，按照優(yōu)化驗(yàn)證思路，DFH-4E平臺(tái)采取“工程星+熱模擬艙+分系統(tǒng)+單機(jī)”的“集中+分散”式驗(yàn)證模式。其中工程星承擔(dān)了5項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)改進(jìn)技術(shù)的驗(yàn)證，熱模擬艙完成通信艙三維熱控技術(shù)驗(yàn)證，分系統(tǒng)、單機(jī)通過(guò)聯(lián)試和鑒定試驗(yàn)，驗(yàn)證分系統(tǒng)和單機(jī)性能，通過(guò)三個(gè)層級(jí)聯(lián)動(dòng)驗(yàn)證，全面覆蓋了平臺(tái)所需驗(yàn)證的項(xiàng)目。同時(shí)，上述工作在技術(shù)流程上并行開(kāi)展，有效地縮短驗(yàn)證周期，而且不再開(kāi)展整星級(jí)電氣聯(lián)試和熱試驗(yàn)工作，節(jié)省資源和經(jīng)費(fèi)。

表3 DFH-4E平臺(tái)驗(yàn)證矩陣

5 工程星驗(yàn)證項(xiàng)目

工程星是平臺(tái)優(yōu)化驗(yàn)證的核心。合理、充分地利用工程星實(shí)現(xiàn)最大化集中驗(yàn)證是工程星技術(shù)狀態(tài)確定的優(yōu)化思路，基于這個(gè)思路，工程星制定了“覆蓋全面，兼顧新品，系統(tǒng)簡(jiǎn)化”的技術(shù)狀態(tài)確定原則，不僅對(duì)平臺(tái)自身的狀態(tài)進(jìn)行全面驗(yàn)證，也為新產(chǎn)品、新材料的應(yīng)用提供驗(yàn)證機(jī)會(huì)。工程星狀態(tài)確定的原則和技術(shù)狀態(tài)要求如表4所示。

表4 工程星技術(shù)狀態(tài)確立原則及技術(shù)狀態(tài)要求

根據(jù)工程星研制目的和狀態(tài)，圍繞工程星所承擔(dān)的5項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)驗(yàn)證需求和其他驗(yàn)證，確定工程星應(yīng)開(kāi)展的試驗(yàn)項(xiàng)目如表5所示。

表5 工程星試驗(yàn)項(xiàng)目

6 優(yōu)化驗(yàn)證實(shí)施與效果

DFH-4E平臺(tái)驗(yàn)證先后完成了中心承力筒、大容量貯箱和氣瓶、鋰離子蓄電池組、電源控制器、大功率太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、重疊展開(kāi)天線等鑒定產(chǎn)品研制及鑒定試驗(yàn)，突破了單項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)，完成了主要單機(jī)產(chǎn)品驗(yàn)證。

完成了熱控模擬艙熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了多層通信艙熱設(shè)計(jì)的正確性和獲取了多層通信艙熱傳導(dǎo)特性。

完成了DFH-4E平臺(tái)工程星總裝、整星發(fā)射狀態(tài)和空箱狀態(tài)的鑒定級(jí)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)和噪聲試驗(yàn)，以及工程星力學(xué)試驗(yàn)前后太陽(yáng)翼、重疊天線、矢量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的電爆展開(kāi)試驗(yàn)、大功率供電通路測(cè)試等工程星試驗(yàn)驗(yàn)證任務(wù)，系統(tǒng)驗(yàn)證了系統(tǒng)間接口設(shè)計(jì)的匹配性、分區(qū)布局設(shè)計(jì)的合理性，有效驗(yàn)證了衛(wèi)星承載能力、載荷容量、載荷功率等主要技術(shù)指標(biāo)，以及各項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)工程應(yīng)用實(shí)施的可行性。

7 優(yōu)化驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)

1)采用“V”字型模型開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證

航天產(chǎn)品開(kāi)發(fā)通常采用“V”字模型[6]，DFH-4E平臺(tái)開(kāi)發(fā)與驗(yàn)證也是基于該理論模型，結(jié)合平臺(tái)實(shí)際特點(diǎn)形成DFH-4E平臺(tái)的“V”字模型，如圖1所示。通過(guò)對(duì)未來(lái)應(yīng)用需求的分析，逐步確定平臺(tái)的定位與指標(biāo)要求，根據(jù)指標(biāo)要求，從系統(tǒng)頂層逐級(jí)分解，梳理出需要驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)和新產(chǎn)品，再通過(guò)逐級(jí)的綜合的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵產(chǎn)品鑒定等完成整個(gè)平臺(tái)的工程驗(yàn)證。

圖1 DFH-4E平臺(tái)“V”字模型Fig.1 “V” model of DFH-4E platform

2)充分識(shí)別驗(yàn)證項(xiàng)目和確認(rèn)驗(yàn)證技術(shù)狀態(tài)是優(yōu)化驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

優(yōu)化驗(yàn)證的核心目的是整合驗(yàn)證資源、提高驗(yàn)證工作的效率；工作重點(diǎn)是對(duì)驗(yàn)證項(xiàng)目的識(shí)別和驗(yàn)證狀態(tài)的確定。只有目標(biāo)明確，項(xiàng)目識(shí)別充分，才能確保后續(xù)驗(yàn)證全面、有效。DFH-4E平臺(tái)優(yōu)化驗(yàn)證方法及流程可以用圖2表示。主要經(jīng)驗(yàn)包括4方面：

(1)優(yōu)化驗(yàn)證的核心目的是整合驗(yàn)證資源、提高驗(yàn)證工作的效率；

(2)優(yōu)化驗(yàn)證的工作重點(diǎn)是對(duì)驗(yàn)證項(xiàng)目的識(shí)別和驗(yàn)證技術(shù)狀態(tài)的確定；

(3)工程星是優(yōu)化驗(yàn)證工作中最重要的環(huán)節(jié)，其技術(shù)狀態(tài)的確定要綜合驗(yàn)證目的、試驗(yàn)需求以及后續(xù)需求來(lái)確定，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的狀態(tài)；

(4)工程星應(yīng)具備重復(fù)應(yīng)用性，DFH-4E平臺(tái)完成驗(yàn)證后，可轉(zhuǎn)入其他特殊需求的驗(yàn)證中。

圖2 優(yōu)化驗(yàn)證方法及流程Fig.2 Engineering methodology and flow chart

8 結(jié)束語(yǔ)

衛(wèi)星設(shè)計(jì)涉及多個(gè)學(xué)科或分系統(tǒng)，且彼此間相互耦合，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程[7]，針對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面已經(jīng)開(kāi)展了大量的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)研究工作，取得了不少成果[8]。衛(wèi)星的驗(yàn)證工作目前仍停留于傳統(tǒng)的驗(yàn)證思維，在驗(yàn)證領(lǐng)域結(jié)合系統(tǒng)工程學(xué)理論及多學(xué)科優(yōu)化理論開(kāi)展驗(yàn)證優(yōu)化是一個(gè)新興的課題。

DFH-4E平臺(tái)在驗(yàn)證優(yōu)化方面進(jìn)行了嘗試，以優(yōu)化驗(yàn)證為指導(dǎo)思想，按照系統(tǒng)工程思維，以工程星為核心完成了平臺(tái)驗(yàn)證工作，整個(gè)研制周期約18個(gè)月，相比傳統(tǒng)驗(yàn)證方法縮短約12個(gè)月，取消了電性星以及整星級(jí)熱平衡試驗(yàn)，研制經(jīng)費(fèi)及人力資源大幅縮減，該平臺(tái)已在中星18號(hào)衛(wèi)星、亞太-6D衛(wèi)星等開(kāi)展實(shí)際應(yīng)用并直接進(jìn)入正樣研制，表明采用該驗(yàn)證方法行之有效，具有高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)，可以更加有效地適應(yīng)快變、多變的市場(chǎng)需求變化和技術(shù)更新。驗(yàn)證優(yōu)化研究是一項(xiàng)復(fù)雜和長(zhǎng)期的工作，需要通過(guò)一定的實(shí)踐積累和提煉并結(jié)合相關(guān)理論，形成專(zhuān)有的系統(tǒng)工程驗(yàn)證優(yōu)化理論。

References)

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Wang Min,Zhou Zhicheng. Analysis of the Alphabus platform development and design characteristics[J]. Spacecraft Engineering,2010,19(2): 99-105 (in Chinese)

[2]楊軍，周志成,李峰，等. BSS-702系列平臺(tái)低成本設(shè)計(jì)分析及啟示[J]. 航天器工程，2016，25(1): 141-146

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[8]陳余軍，周志成，曲廣吉. 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在衛(wèi)星設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 航天器工程，2013，22(3): 25-28

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(編輯：張小琳)

Practice and Inspiration of DFH-4E Platform Verification

SHI Ming WEI Qiang LIU Chuangbin LING Maoyi TIAN Ye CUI Jiatao

(Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology,Beijing 100094，China)

During the development process of DFH-4E satellite platform,the system optimization methodology was raised and adopted for the first time. As a result the verification cost was effectively limited and the development duration was reduced. A system engineering satellite model,instead of the traditional structural model,electrical model (thermal model) etc.,was developed to achieve the purpose of “multi-utilization of one satellite model and integrative verification”. The “integrated + individually” verification mode was implemented successfully through utilizing various model levels of “engineering satellite model + thermal cabin mock-up + subsystem + unit”. Such innovative methodology was practically applied to prove the benefit of reducing development cost and duration. Critical technology verification and system verification on DFH-4E bus was accomplished,which formed the basis of entering into flight satellite model development phase. Engineering verification is practically proved to become the methodology to increase verification efficiency.

satellite platform；DFH-4E satellite；optimization；verification methodology

2016-10-18；

2016-11-24

國(guó)家重大航天工程

石明，男，高級(jí)工程師，從事通信衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作。Email：castshiming@sina.cn。

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.003