皮納二號(hào)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化的探索與實(shí)踐

李紅寶 李延?xùn)| 蘇文 馬文杰

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

皮納二號(hào)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化的探索與實(shí)踐

李紅寶 李延?xùn)| 蘇文 馬文杰

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

皮納二號(hào)衛(wèi)星是航天東方紅衛(wèi)星有限公司研制的試驗(yàn)驗(yàn)證衛(wèi)星,目的是對(duì)微納型衛(wèi)星平臺(tái)和載荷的技術(shù)及產(chǎn)品進(jìn)行在軌驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)低成本衛(wèi)星研制流程優(yōu)化工作進(jìn)行探索。通過研究和借鑒其它衛(wèi)星型號(hào)的做法和經(jīng)驗(yàn),在皮納二號(hào)衛(wèi)星研制過程中對(duì)技術(shù)流程、產(chǎn)品投產(chǎn)、試驗(yàn)驗(yàn)證、元器件選用、軟件管理、發(fā)射場工作等各方面均開展了流程優(yōu)化的嘗試工作,節(jié)省了一定的人員和設(shè)備資源占用,縮短了研制周期,為低成本衛(wèi)星研制流程優(yōu)化積累了經(jīng)驗(yàn),可作為其它有類似需求的衛(wèi)星型號(hào)的借鑒和參考。

低成本衛(wèi)星;研制流程;優(yōu)化

1 引言

近年來以立方體衛(wèi)星為代表的微納衛(wèi)星、皮納衛(wèi)星發(fā)展迅速,已逐漸突破以科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)為主要用途的傳統(tǒng)思維,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬[1]。比如美國空軍、海軍、國家偵察局(NRO)等在空間快速響應(yīng)(ORS)計(jì)劃驅(qū)動(dòng)下,提出并落實(shí)了一系列用于戰(zhàn)場偵察、通信任務(wù)的皮納衛(wèi)星星座,與傳統(tǒng)大衛(wèi)星系統(tǒng)形成能力互補(bǔ)。

我國也開展了一系列的微納衛(wèi)星研制和在軌驗(yàn)證工作,如深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司、中國科學(xué)院上海微小衛(wèi)星工程中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)等,均發(fā)射了多顆微納衛(wèi)星,開展了大量的在軌驗(yàn)證,并形成了一定的能力。

航天東方紅衛(wèi)星有限公司已研制發(fā)射了多顆微納衛(wèi)星,如2009年發(fā)射的希望一號(hào)衛(wèi)星,2015年發(fā)射的希望二號(hào)衛(wèi)星[2]等,均在國內(nèi)外產(chǎn)生了一定的影響。

皮納二號(hào)衛(wèi)星是航天東方紅衛(wèi)星有限公司自主研制的一組試驗(yàn)驗(yàn)證星,目的是在進(jìn)一步驗(yàn)證微納衛(wèi)星平臺(tái)和新型載荷技術(shù)的同時(shí),對(duì)研制周期短、工作壽命和可靠性要求不高的低成本衛(wèi)星研制流程進(jìn)行探索和實(shí)踐。

2 微納衛(wèi)星優(yōu)勢

相比傳統(tǒng)衛(wèi)星,采用微納衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行,可以快速實(shí)現(xiàn)針對(duì)特定區(qū)域、特殊目標(biāo)進(jìn)行高頻度觀測的能力。同時(shí),微納衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行還具有建設(shè)成本低廉的好處,一般一個(gè)星群的成本不會(huì)超過一顆常規(guī)低軌衛(wèi)星的成本。另外,微納衛(wèi)星組網(wǎng)運(yùn)行還具有生存能力強(qiáng)的特點(diǎn)。2013年8月,美國空軍航天司令部發(fā)布的“彈性與分散空間體系”白皮書指出:除了能夠提高效能和節(jié)約成本等好處之外,分離或分散的衛(wèi)星星座還能夠在遭受自然環(huán)境影響和敵對(duì)威脅時(shí)具有更強(qiáng)的生存能力、強(qiáng)健性和彈性。

因此,微納型專用星群能夠有效彌補(bǔ)其他手段的不足,其系統(tǒng)生存能力強(qiáng),少量衛(wèi)星失效對(duì)系統(tǒng)效能的影響有限,建設(shè)成本低廉。

3 皮納二號(hào)衛(wèi)星概述

皮納二號(hào)衛(wèi)星是公司自主投入,針對(duì)用戶特定需求研制開發(fā)的微納型試驗(yàn)衛(wèi)星,目的是基于微納型衛(wèi)星平臺(tái)和輕小型載荷的技術(shù)成果,研制專門的衛(wèi)星,全面驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品,探索微納衛(wèi)星在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用模式,同時(shí)對(duì)低成本衛(wèi)星的研制模式進(jìn)行探索,為后續(xù)的“批生產(chǎn)”奠定基礎(chǔ)。

皮納二號(hào)包括技術(shù)狀態(tài)基本相同的兩顆衛(wèi)星——A星和B星,每顆衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷兩部分組成,衛(wèi)星平臺(tái)包括控制、結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、星務(wù)管理、測控、能源等6部分,有效載荷包括載荷和數(shù)傳兩部分。衛(wèi)星采用立方體構(gòu)型,本體尺寸為邊長約400 mm的立方體,整星質(zhì)量約30 kg,長期功耗20 W,載荷和數(shù)傳開機(jī)期間短期功耗約35 W。

兩星于2016年11月10日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由CZ-11 Y2運(yùn)載火箭發(fā)射入軌,工作于500 km高度的太陽同步軌道,目前兩星工作穩(wěn)定,載荷在軌工作正常,各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4 皮納二號(hào)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化理念

在進(jìn)行皮納二號(hào)衛(wèi)星研制全生命周期策劃時(shí),衛(wèi)星研制隊(duì)伍特別重視“流程優(yōu)化”。在對(duì)常規(guī)衛(wèi)星的研制工作項(xiàng)目進(jìn)行梳理分析的基礎(chǔ)上,借鑒各衛(wèi)星型號(hào)研制經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)[3],按照“精簡一部分、優(yōu)化一部分、保留一部分”的原則,確定了皮納二號(hào)衛(wèi)星研制工作項(xiàng)目和研制技術(shù)流程。

這些精簡、優(yōu)化的項(xiàng)目,是在充分分析論證的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,并且精簡和優(yōu)化的項(xiàng)目也不是絕對(duì)地不做或少做,而是通過其它方式進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn),比如有的工作項(xiàng)目用分析對(duì)比代替試驗(yàn)驗(yàn)證,有的是以仿真代替實(shí)物驗(yàn)證,有的是以局部驗(yàn)證代替全面驗(yàn)證等,而必須開展的整星力學(xué)、熱控、電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)和全面測試等工作,則全部保留。

5 皮納二號(hào)衛(wèi)星研制流程優(yōu)化的探索與實(shí)踐

5.1 技術(shù)流程優(yōu)化

皮納二號(hào)衛(wèi)星研制過程突破傳統(tǒng)的技術(shù)流程框架,將整個(gè)衛(wèi)星研制分為“設(shè)計(jì)驗(yàn)證”和“研制生產(chǎn)”兩個(gè)階段,其中設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段不投產(chǎn)專門的驗(yàn)證星(電性星、力學(xué)熱控星、輻射模型星等),而是將一顆正樣星,即皮納二號(hào)A星定義為正檢星,完成全面驗(yàn)證之后直接參加發(fā)射任務(wù)。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段主要開展的工作如下:①梳理明確各產(chǎn)品、組件間接口,明確技術(shù)狀態(tài);②對(duì)成熟產(chǎn)品的適應(yīng)性進(jìn)行分析確認(rèn);③新研制的數(shù)傳、載荷電性產(chǎn)品,與平臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行聯(lián)試、電磁兼容性專項(xiàng)驗(yàn)證;④明確正樣產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)并投產(chǎn),其中新研制的數(shù)傳和載荷產(chǎn)品完成準(zhǔn)鑒定級(jí)試驗(yàn);⑤正樣產(chǎn)品齊套,組裝為正檢星(皮納二號(hào)A星),完成整星測試和各項(xiàng)試驗(yàn),完成大系統(tǒng)對(duì)接試驗(yàn);⑥對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估,明確正樣星技術(shù)狀態(tài)。

研制生產(chǎn)階段主要開展的工作如下:①B星正樣產(chǎn)品的研制、試驗(yàn);②B星正樣產(chǎn)品齊套,完成整星測試和各項(xiàng)試驗(yàn);對(duì)A星、B星進(jìn)行發(fā)射狀態(tài)實(shí)施,完成兩星出廠評(píng)審。

皮納二號(hào)衛(wèi)星研制技術(shù)流程與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比,最大的區(qū)別是未投產(chǎn)專門用于整星級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證的地面驗(yàn)證星,而將其中一顆正樣星(皮納二號(hào)A星)定義為正檢星,完成全面驗(yàn)證,經(jīng)評(píng)估并進(jìn)行發(fā)射狀態(tài)實(shí)施后參加發(fā)射任務(wù)。另外一點(diǎn)是新研制產(chǎn)品不投產(chǎn)鑒定件,而是以正樣產(chǎn)品通過準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)進(jìn)行考核。

5.2 產(chǎn)品投產(chǎn)優(yōu)化

1)成熟產(chǎn)品直接投產(chǎn)正樣件

皮納二號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)大部分為成熟產(chǎn)品,如星務(wù)、電源、控制等,設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段均未投產(chǎn)驗(yàn)證產(chǎn)品,而是對(duì)借用產(chǎn)品進(jìn)行適應(yīng)性修改(主要是軟件的修改),參加各組件間的電性能聯(lián)試驗(yàn)證工作,然后直接投產(chǎn)正樣件產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)“一步正樣”。

成熟產(chǎn)品“一步正樣”,不僅節(jié)約成本,而且節(jié)省了產(chǎn)品研制的時(shí)間,也減少了設(shè)計(jì)師的工作精力投入,能夠更好地對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行梳理,更早的投產(chǎn)正樣產(chǎn)品,確保正樣產(chǎn)品的研制質(zhì)量和交付時(shí)間。

2)新研制設(shè)備不投產(chǎn)鑒定產(chǎn)品

皮納二號(hào)衛(wèi)星新研制的載荷、數(shù)傳產(chǎn)品,均有一定的技術(shù)基礎(chǔ),但無在軌驗(yàn)證經(jīng)歷,按照常規(guī)的要求,應(yīng)投產(chǎn)專門的鑒定件進(jìn)行試驗(yàn)考核。考慮此衛(wèi)星屬于試驗(yàn)驗(yàn)證性質(zhì),同時(shí)借鑒以往衛(wèi)星研制中利用正樣產(chǎn)品通過準(zhǔn)鑒定級(jí)試驗(yàn)進(jìn)行考核的經(jīng)驗(yàn),皮納二號(hào)數(shù)傳和載荷產(chǎn)品未投產(chǎn)鑒定件,只投產(chǎn)一臺(tái)電性產(chǎn)品和A、B星共兩臺(tái)正樣產(chǎn)品。電性產(chǎn)品主要驗(yàn)證功能、指標(biāo)和接口,A星正樣產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)考核,B星產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)。取消鑒定產(chǎn)品的投產(chǎn),顯著地節(jié)約了研制成本,節(jié)省了研制時(shí)間。

5.3 試驗(yàn)驗(yàn)證流程優(yōu)化

1)整星試驗(yàn)流程優(yōu)化

如前所述,皮納二號(hào)未投產(chǎn)完整的初樣電性星和力學(xué)熱控星,而是將一顆正樣發(fā)射星(A星)定義為正檢星,完成所有的整星驗(yàn)證工作,包括整星的測試、模飛、力學(xué)試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)和磁試驗(yàn)等。

試驗(yàn)完成后,對(duì)局部設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行了更改完善,經(jīng)仿真和分析,更改的項(xiàng)目無需再進(jìn)行整星級(jí)的全面驗(yàn)證。完成更改完善和發(fā)射狀態(tài)實(shí)施后,衛(wèi)星直接參加發(fā)射任務(wù),也即實(shí)現(xiàn)了整星級(jí)的“一步正樣”。

整星試驗(yàn)流程的優(yōu)化,降低了研制成本,并且使得衛(wèi)星研制周期至少縮短了3個(gè)月。

2)EMC試驗(yàn)驗(yàn)證流程優(yōu)化

皮納二號(hào)屬于無線電載荷的衛(wèi)星,根據(jù)以往衛(wèi)星研制經(jīng)驗(yàn),這類衛(wèi)星的電磁兼容性問題一般比較突出,如果不盡早進(jìn)行驗(yàn)證,正樣階段可能需要大量的時(shí)間投入[4-5]。

在衛(wèi)星研制策劃時(shí),明確了設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段電磁兼容性相關(guān)工作先進(jìn)行局部驗(yàn)證、再利用正檢星進(jìn)行全面驗(yàn)證的思路。其中局部驗(yàn)證工作,包括天線間空間隔離度仿真、相關(guān)設(shè)備間射頻兼容性分析、天線間空間隔離度測試、電性產(chǎn)品聯(lián)試時(shí)無線狀態(tài)的電磁兼容性摸底試驗(yàn)等。通過這些分析、測試及摸底試驗(yàn),對(duì)整星狀態(tài)的電磁兼容特性有了較全面的把握,明確了電磁兼容性實(shí)施要求,包括天線的隔離安裝、低頻電纜的包覆要求、射頻設(shè)備的屏蔽實(shí)施等。

這些措施直接在正樣產(chǎn)品和發(fā)射星實(shí)施,整星EMC試驗(yàn)一次通過,確保了衛(wèi)星的出廠計(jì)劃。

5.4 元器件選用管理

與以往長壽命、高可靠型號(hào)的要求不同,皮納二號(hào)衛(wèi)星具有研制周期短、在軌壽命要求低、重點(diǎn)開展在軌驗(yàn)證而無明確的任務(wù)要求等特點(diǎn)。針對(duì)這些特點(diǎn),衛(wèi)星項(xiàng)目辦公室委托中國空間技術(shù)研究院物資部制定了“電氣、電子和機(jī)電(EEE)元器件保證要求”,對(duì)元器件選用、采購、質(zhì)量保證等進(jìn)行了規(guī)定,并和以往型號(hào)有所區(qū)別。

如采購渠道,不再要求統(tǒng)一采購,而是由使用單位直接采購;國產(chǎn)商用現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)元器件要求從廠家直接采購,進(jìn)口COTS元器件優(yōu)先從一級(jí)代理商處進(jìn)行采購,非一級(jí)代理采購時(shí)要求選擇有采購歷史且產(chǎn)品具有衛(wèi)星產(chǎn)品應(yīng)用經(jīng)歷的渠道,COTS元器件采購應(yīng)盡可能多地獲取元器件生產(chǎn)情況,如生產(chǎn)廠情況、元器件產(chǎn)品手冊等。同時(shí)還提出了元器件板級(jí)篩選的要求,單機(jī)承制單位應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目和單機(jī)設(shè)計(jì)、可靠性等要求制定板級(jí)或單機(jī)級(jí)篩選試驗(yàn)方案,明確試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)判據(jù),試驗(yàn)方案由型號(hào)項(xiàng)目辦公室組織有關(guān)專家審查確認(rèn);元器件裝機(jī)后應(yīng)進(jìn)行板級(jí)或單機(jī)級(jí)篩選試驗(yàn),試驗(yàn)項(xiàng)目應(yīng)至少包括高溫老煉和溫度循環(huán),高溫老煉連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不少于48 h,溫度循環(huán)不低于10次。溫度按照設(shè)備鑒定級(jí)條件確定。對(duì)元器件失效,要求單機(jī)研制過程中出現(xiàn)重復(fù)失效(兩次及以上)或整星總裝、測試與試驗(yàn)(AIT)過程中失效效應(yīng)開展失效分析。

以上各項(xiàng)措施,既對(duì)元器件選用進(jìn)行了有效控制,又避免了較長的時(shí)間占用和較高的成本投入。

5.5 軟件研制管理

與元器件選用管理相同,軟件管理方面,根據(jù)型號(hào)沒有長壽命、高可靠要求的特點(diǎn),制定了“軟件產(chǎn)品保證大綱”,對(duì)軟件研制流程、配置管理、更改管理、測試確認(rèn)等方面的要求進(jìn)行了明確。主要思路是重視軟件需求的明確,重視軟件更改的控制及版本管理,重視確認(rèn)測試、聯(lián)試測試驗(yàn)證的全面性和有效性,不要求軟件進(jìn)行第三方評(píng)測,只要求進(jìn)行第三方審查即可。

同時(shí),星上各設(shè)備的程序均存儲(chǔ)在flash型存儲(chǔ)器中,無PROM存儲(chǔ)器,所以整星取消了“軟件落焊”環(huán)節(jié)。各設(shè)備均具備不開蓋更新軟件的功能,即在整星狀態(tài)就可以給各軟件進(jìn)行升級(jí),減少了設(shè)備拆裝的環(huán)節(jié)。

5.6 發(fā)射場工作流程優(yōu)化

皮納二號(hào)衛(wèi)星在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上,充分繼承成熟衛(wèi)星的實(shí)踐成果,對(duì)發(fā)射場工作進(jìn)行了合理裁剪和流程優(yōu)化[6]。具體如下。

(1)整星合板運(yùn)輸,發(fā)射場不開板。在衛(wèi)星進(jìn)場前,完成整星發(fā)射狀態(tài)的合板工作,星內(nèi)完成所有發(fā)射狀態(tài)的實(shí)施,并進(jìn)行最終狀態(tài)檢查確認(rèn)和拍照確認(rèn)。

(2)發(fā)射場不進(jìn)行開板檢查和全面性能測試。衛(wèi)星進(jìn)入發(fā)射場后,只對(duì)與運(yùn)輸、振動(dòng)相關(guān)的項(xiàng)目進(jìn)行功能測試、健康狀態(tài)檢查,如考核繼電器切換動(dòng)作的開關(guān)機(jī)、主備切換測試,考核天線狀態(tài)及高頻電纜安裝狀態(tài)的星地?zé)o線性能測試等。

(3)衛(wèi)星與運(yùn)載火箭對(duì)接后,無任何測試和操作。通過計(jì)算分析,衛(wèi)星的設(shè)計(jì)狀態(tài)支持?jǐn)嚯姾笾辽?0天再加電,對(duì)蓄電池壽命等無任何影響,可確保在發(fā)射場有較大的時(shí)間靈活度。皮納二號(hào)衛(wèi)星與運(yùn)載火箭對(duì)接前,即處于斷電狀態(tài),對(duì)接后完成保護(hù)蓋拆除、吊具吊點(diǎn)的防護(hù)處理等最終狀態(tài)的處理和確認(rèn);與運(yùn)載火箭對(duì)接后,不進(jìn)行任何測試及電池充電等工作,也無任何總裝操作項(xiàng)目。

通過這些流程優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了發(fā)射場主要工作20人15天完成的目標(biāo)。

6 結(jié)束語

衛(wèi)星研制流程優(yōu)化既可以縮短研制周期,加快新技術(shù)的應(yīng)用驗(yàn)證,而且還可以降低研制成本,顯著地提高市場競爭力,同時(shí)還是為應(yīng)對(duì)可能到來的“井噴”式的宇航任務(wù)[1],探索“流水線”式的宇航產(chǎn)業(yè)全新生產(chǎn)模式奠定一定的基礎(chǔ)。

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Development Process Optimization for PN-2 Satellite

LI Hongbao LI Yandong SU Wen MA Wenjie
(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

PN-2 is test and validation satellites manufactured by DFH Satellite Co.,Ltd.,to on-board valid the micro-nano technology and products is satellite platforms and payload,as well as explore the posibility of the low-cost of satellite development process optimization work.Through research and draw lessons from other types of practice and experience.In case of the development of the PN-2,various technological process such as product production,assemble and test,component selection,software management,launch site work has been optimized,to save a certain amount of personnel and equipment resources,also has a certain degree of shortening development cycle,for low-cost satellite development process optimization has accumulated certain experience,and other similar demand model reference.In this paper,the process optimization of exploration and practice was summarized.

low-cost satellite;development process;op timization

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.016

2017-09-25;

2017-09-28

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(空間信息網(wǎng)絡(luò)天基試驗(yàn)方案研究2014117011017)

李紅寶,男,碩士研究生,高級(jí)工程師,從事衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)工作。Email:hongbao_li@163.com。

(編輯:張小琳)