低成本航天器研制模式研究

羅渠 邱亮 劉暢（中國空間技術(shù)研究院）

近年來，國內(nèi)外宇航技術(shù)發(fā)展越來越快，用戶對衛(wèi)星重訪周期等指標(biāo)要求越來越高。同時(shí)，隨著集成電路、軟件工程技術(shù)等新型技術(shù)的迅猛發(fā)展和快速更新，對利用航天器進(jìn)行在軌飛行驗(yàn)證的周期和成本提出了更高要求。低成本航天器憑借低成本、可批量生產(chǎn)、高效率等優(yōu)勢得到越來越多用戶的青睞與重視，市場需求巨大。本文將在分析低成本航天器國內(nèi)外研制現(xiàn)狀和國內(nèi)航天器傳統(tǒng)研制模式的基礎(chǔ)上，提出一種低成本航天器研制模式。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

低成本航天器是指采用新的可獲得的低成本技術(shù)手段、管理方法和經(jīng)營模式，面向特定需求，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、批量化生產(chǎn)的小型航天器。

國外現(xiàn)狀

目前，國外以薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司、泰雷茲-阿萊尼亞航天公司為代表的傳統(tǒng)小衛(wèi)星公司，以及以特拉貝拉公司（原天空盒子成像公司）、行星公司為代表的新興小衛(wèi)星公司均開展了低成本航天器研制模式研究，并形成了領(lǐng)先的低成本航天器研制能力，其研制經(jīng)營具有以下特點(diǎn)：

1）“精兵簡政”，構(gòu)建高效精簡和扁平化架構(gòu)的研制管理團(tuán)隊(duì)。薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司采取了“小型團(tuán)隊(duì)、集同工作”的研制管理模式，將管理、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行部門安置在同一地點(diǎn)以降低成本，同時(shí)保持完整的“內(nèi)部能力”，發(fā)展了從衛(wèi)星總體到分系統(tǒng)、再到部組件級的研制能力，避免轉(zhuǎn)包帶來的制約與依賴。泰雷茲-阿萊尼亞航天公司提出了低成本航天器“十條”研制管理措施，第一條就是“組織一支精干的研制隊(duì)伍，簡化管理手續(xù)”。兩家公司均認(rèn)為高效精簡和扁平化架構(gòu)的研制管理團(tuán)隊(duì)是保持較高工作效率、降低人力成本的重要舉措。

2）采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念，注重平臺功能模塊定型設(shè)計(jì)和載荷模塊通用化設(shè)計(jì)，形成多系列產(chǎn)品型譜和規(guī)范。作戰(zhàn)響應(yīng)空間-1（ORS-1）衛(wèi)星是美國近年發(fā)展的模塊化衛(wèi)星典范。硬件方面，基于模塊化設(shè)計(jì)方法，形成模塊化衛(wèi)星平臺和有效載荷產(chǎn)品清單，并使用即插即用標(biāo)準(zhǔn)接口，實(shí)現(xiàn)按需組裝、迅速響應(yīng)，滿足作戰(zhàn)需求。同時(shí)，以較低成本提升作戰(zhàn)效率和速度。軟件方面，按照模塊化設(shè)計(jì)理念，根據(jù)不同功能設(shè)計(jì)不同軟件模塊，形成軟件單元模塊庫，使基礎(chǔ)軟件（如操作系統(tǒng)）與應(yīng)用軟件相對隔離、系統(tǒng)設(shè)計(jì)者與子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者隔離，保證可以在多個(gè)不同的任務(wù)中使用通用的軟件模塊庫，實(shí)現(xiàn)軟件的模塊化設(shè)計(jì)。

3）充分“移植”其他領(lǐng)域成熟技術(shù)，大量使用商用現(xiàn)有技術(shù)。美國“軍事作戰(zhàn)空間使能效果”（SeeMe）計(jì)劃，在系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新層面提出利用衍射光學(xué)技術(shù)以及賽車行業(yè)氮?dú)馔七M(jìn)技術(shù)、醫(yī)療器械行業(yè)氣動閥門技術(shù)等非傳統(tǒng)宇航技術(shù)。美國“手機(jī)衛(wèi)星”（PhoneSat）和英國薩瑞培訓(xùn)研究與納衛(wèi)星驗(yàn)證星-1（STRaND-1）均采用了消費(fèi)級智能手機(jī)作為衛(wèi)星的核心部件，并且后者還首次實(shí)現(xiàn)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

4）采用互聯(lián)網(wǎng)思維，引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)，發(fā)展全新商業(yè)服務(wù)模式。特拉貝拉公司計(jì)劃構(gòu)建由24顆小衛(wèi)星構(gòu)成的高分辨率對地觀測衛(wèi)星星座，具有8h全球數(shù)據(jù)更新能力，并采用“時(shí)間積分延遲”（TDI）的地面處理技術(shù)提高數(shù)據(jù)分辨率，同時(shí)以大數(shù)據(jù)和云計(jì)算技術(shù)為驅(qū)動，提供基于云平臺的遙感數(shù)據(jù)在線訪問服務(wù)，顛覆由代理商負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)分銷的傳統(tǒng)模式，并鼓勵(lì)第三方開發(fā)個(gè)人定制應(yīng)用工具和應(yīng)用模式。行星公司構(gòu)建了由3U立方體衛(wèi)星組成的“鴿群”（Flock）星座，采用“時(shí)刻在線”工作模式，無需對星上相機(jī)下達(dá)特定區(qū)域的成像指令即可滿足用戶需求。一網(wǎng)公司提出發(fā)展由648顆小衛(wèi)星組成的低軌互聯(lián)網(wǎng)星座，優(yōu)化衛(wèi)星制造模式，引入智能制造和流水線技術(shù)，單星成本低于50萬美元。

國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)低成本航天器研制始于20世紀(jì)90年代，迄今取得較大進(jìn)步。工業(yè)部門、科研院所、高校等單位積極參與，平臺譜系、技術(shù)水平、研制生產(chǎn)能力等初具規(guī)模。特別是2014年以來，長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司等商業(yè)公司成功研制并發(fā)射了各自的首顆商用小衛(wèi)星，使國內(nèi)低成本航天器研制呈現(xiàn)出“百花齊放”的發(fā)展趨勢?，F(xiàn)階段國內(nèi)低成本航天器研制經(jīng)營呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）多家單位積極參與，形成以航天東方紅衛(wèi)星有限公司為領(lǐng)先，上海微小衛(wèi)星工程中心、長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等其他公司和科研院所跟進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢。

2）積極探索低成本小衛(wèi)星設(shè)計(jì)、研制、應(yīng)用、管理新模式，提出柔性化設(shè)計(jì)、一體化集成設(shè)計(jì)、貨架產(chǎn)品采購、工業(yè)級器件選用、流水線總裝、自動化測試、組批試驗(yàn)、批量研制生產(chǎn)、星座運(yùn)營等理念，推動國內(nèi)低成本小衛(wèi)星創(chuàng)新發(fā)展。

3）低成本航天器研制保障不夠全面，尚未建立適應(yīng)于低成本航天器的產(chǎn)品體系、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和保障機(jī)制，無法滿足批量化生產(chǎn)需求。

2 傳統(tǒng)航天器研制模式分析

航天器研制模式是指從立項(xiàng)研制到交付使用的全過程活動中，在過程開展、組織體系和管理機(jī)制上的構(gòu)建與運(yùn)行方式。傳統(tǒng)航天器研制模式的主要特點(diǎn)是以任務(wù)需求為牽引，以保證質(zhì)量為核心，實(shí)施完整的工程研制活動，設(shè)置全面系統(tǒng)的項(xiàng)目隊(duì)伍，建立配套完善的管理制度，橫向各項(xiàng)目隊(duì)伍之間相互獨(dú)立，縱向項(xiàng)目“兩總”一管到底。

早期階段，航天器數(shù)量少、規(guī)模小，既沒有單機(jī)積累，更沒有成熟的公用平臺，一切都要從最基礎(chǔ)的部分做起。因此，自上而下、層層分解的“任務(wù)驅(qū)動”型科研生產(chǎn)模式是一種必然和合理的選擇。

由于其特殊的歷史條件，傳統(tǒng)航天器研制模式未能對產(chǎn)品的市場競爭力、經(jīng)濟(jì)性及后期運(yùn)營效益等諸多方面進(jìn)行綜合考慮，統(tǒng)一布局，從而引起在技術(shù)更加成熟、競爭日趨激烈的市場環(huán)境中，出現(xiàn)不適應(yīng)的情況。

3 低成本航天器研制模式探討

低成本航天器研制模式工作應(yīng)以提升航天器產(chǎn)品市場競爭力為目標(biāo)，以設(shè)計(jì)理念和科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型為基礎(chǔ)，鼓勵(lì)創(chuàng)新經(jīng)營新思路，建立適合低成本航天器開發(fā)、設(shè)計(jì)、研制、運(yùn)營的配套組織體系和管理機(jī)制，從而滿足低成本航天器經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性和可靠性的要求。

研制模式工作開展過程中應(yīng)著重關(guān)注以下幾點(diǎn)：①強(qiáng)化低成本航天器設(shè)計(jì)理念，推動低成本航天器生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型；②強(qiáng)化扁平化組織體系，推動航天器研制管理機(jī)制創(chuàng)新；③重視全鏈條成本效益，強(qiáng)化低成本制造能力；④牢固樹立全員成本意識，塑造低成本發(fā)展愿景。以下提出一種低成本航天器研制模式。

研制目標(biāo)設(shè)定

一是注重經(jīng)濟(jì)性要求的設(shè)定。限定單星成本上限和外協(xié)費(fèi)用支出比例，從而保證企業(yè)盈利目標(biāo)，以批量生產(chǎn)為降低成本的重要手段，提出批產(chǎn)目標(biāo)。

二是增加實(shí)用性要求。在功能實(shí)用性方面，根據(jù)用戶實(shí)際指標(biāo)，空間環(huán)境影響等，開展指標(biāo)和功能適度設(shè)計(jì)，降低成本；在研制理念實(shí)用性方面，采用成熟技術(shù)、嚴(yán)控技術(shù)狀態(tài)一致性和可重復(fù)性、形成標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)流程和機(jī)器化裝配及自動化測試、科學(xué)減少試驗(yàn)驗(yàn)證。

三是合理設(shè)定可靠性要求。利用數(shù)字化手段以可靠性模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，采用異構(gòu)備份等方式降低冗余設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)適度冗余，滿足航天器可靠性目標(biāo)。

研制方法

低成本航天器開發(fā)研制中，應(yīng)積極跟蹤借鑒信息化技術(shù)、自動化技術(shù)等前沿技術(shù)，在基于成熟產(chǎn)品體系的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用工業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，充分利用數(shù)字化手段，以模型進(jìn)行分析驗(yàn)證，在可接受風(fēng)險(xiǎn)的前提下避免過設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星成本最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

低成本航天器在研制方法上可以采取的主要改進(jìn)包括：

1）設(shè)計(jì)與生產(chǎn)分離。目的是讓“專業(yè)的人干專業(yè)的事”，減少人員工作交叉和重疊，提高效率。

2）單機(jī)可靠性設(shè)計(jì)驗(yàn)證剪裁。可以用仿真分析、相似性驗(yàn)證等代替或部分代替實(shí)物驗(yàn)證，確保既避免多余和無效的試驗(yàn)，又不漏掉能夠檢測出產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷和質(zhì)量缺陷的必要試驗(yàn)。

3）產(chǎn)品投產(chǎn)狀態(tài)整合。盡量選擇成熟產(chǎn)品減少初樣產(chǎn)品投產(chǎn)，用部分投產(chǎn)代替全面投產(chǎn)。

4）整星級試驗(yàn)項(xiàng)目裁剪。航天器研制初期可以降低試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可以采用準(zhǔn)鑒定飛行策略；組網(wǎng)初期可以采用抽樣的方式；快速組網(wǎng)階段可以不再進(jìn)行整星級試驗(yàn)，僅開展功能和性能測試。

5）大系統(tǒng)對接試驗(yàn)裁剪。通過構(gòu)建測控、中繼、數(shù)傳等通信產(chǎn)品型譜和規(guī)范接口協(xié)議，合并和裁剪大系統(tǒng)對接次數(shù)與內(nèi)容。

6）柔性化總裝。應(yīng)用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、組合式總裝工藝裝備，先進(jìn)的總裝管理模式及配套的數(shù)字化輔助手段等柔性化總裝技術(shù)，提高生產(chǎn)資源利用效能，同時(shí)按照總裝崗位一崗多能推進(jìn)要求，合理配置總裝人力資源。

7）自動化測試。建立完善的自動化測試系統(tǒng)，全面梳理測試狀態(tài)、測試流程和測試項(xiàng)目，精簡并優(yōu)化生產(chǎn)測試流程和環(huán)節(jié)，統(tǒng)一固化狀態(tài)并形成標(biāo)準(zhǔn)。

市場推廣與運(yùn)營管理

低成本航天器主要在常規(guī)航天器市場和競爭性航天器市場進(jìn)行推廣。對于常規(guī)航天器市場，在航天器價(jià)格穩(wěn)定的條件下，研制成本的降低可以大大提升航天器項(xiàng)目的盈利能力。而對于競爭較為激烈的航天器項(xiàng)目，其報(bào)價(jià)會因?yàn)楦偁幎抵凛^低水平，隨之帶來航天器制造的盈利能力下降，企業(yè)經(jīng)營壓力上升，因此企業(yè)需要在運(yùn)營模式上創(chuàng)新，促進(jìn)低成本航天器業(yè)務(wù)的良性發(fā)展。

1）多元化的融資和盈利渠道。延伸航天器的贏利點(diǎn)，覆蓋航天器應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域，保障企業(yè)在航天器價(jià)格降低、競爭力提升情況下的盈利能力。通過對航天器項(xiàng)目未來應(yīng)用產(chǎn)業(yè)、品牌經(jīng)營等相關(guān)市場規(guī)模評估，引入企業(yè)投資、銀行貸款、股市募投甚至眾籌等融資模式，最大限度地利用市場資源。鼓勵(lì)航天器研制與航天器應(yīng)用產(chǎn)業(yè)統(tǒng)一規(guī)劃、創(chuàng)新發(fā)展，通過將盈利點(diǎn)后移，提升低成本航天器的盈利能力，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

2）一體化的研制產(chǎn)業(yè)鏈。通過聯(lián)合經(jīng)營，共同開發(fā)，發(fā)揮總體企業(yè)的總體優(yōu)勢和分系統(tǒng)、產(chǎn)品研制企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，共同開發(fā)適合低成本航天器的產(chǎn)品，并通過批量化采購等方式盡可能降低成本，全面提升相關(guān)方的盈利能力。

3）多樣化的銷售模式。隨著低成本航天器研制技術(shù)的成熟，其對應(yīng)的市場群體也更加廣泛，積極采用市場上已經(jīng)運(yùn)用成熟、行之有效的銷售模式擴(kuò)大市場規(guī)模，比如基于互聯(lián)網(wǎng)的直銷模式、基于傳統(tǒng)媒體的廣告營銷等，最大限度地發(fā)掘潛在用戶，提升銷售數(shù)量。

4 結(jié)語

隨著低成本航天器市場規(guī)模的不斷增大，其開發(fā)、研制、生產(chǎn)和運(yùn)營已成為國內(nèi)外航天企業(yè)相互爭奪的焦點(diǎn)。航天企業(yè)需要通過不斷探索與實(shí)踐，逐步建立系統(tǒng)有效的低成本航天器研制模式，并根據(jù)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題和不足，迭代改進(jìn)和完善，從而使研制管理模式能夠適應(yīng)市場要求和創(chuàng)新節(jié)奏，滿足企業(yè)可持續(xù)發(fā)展要求，牽引企業(yè)研制經(jīng)營體系完善，提升企業(yè)在商業(yè)航天市場中的競爭力。