硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡衛(wèi)星研制特點及項目管理實踐

宋江波 尤睿 李昊 王瑤 趙辰 張帆 劉紅薇

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國航天科技集團(tuán)有限公司,北京 100048)(3中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星,是我國自主創(chuàng)新重大科學(xué)工程,由國家國防科技工業(yè)局民用航天科研和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項共同支持,中國航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國空間技術(shù)研究院負(fù)責(zé)衛(wèi)星抓總研制,中國科學(xué)院高能物理研究所、國家空間科學(xué)中心負(fù)責(zé)望遠(yuǎn)鏡載荷抓總研制和科學(xué)研究應(yīng)用等工作。HXMT衛(wèi)星于2011年3月由國家國防科技工業(yè)局、財政部聯(lián)合批復(fù)立項,于2017年6月15日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心由長征四號乙運載火箭成功發(fā)射[1]。

HXMT衛(wèi)星獨特之處在于其研制合作模式上工程與科學(xué)融合、全新研制的探測器望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)上工程與技術(shù)融合等特點。本文結(jié)合該衛(wèi)星的研制特點,對衛(wèi)星項目管理實踐進(jìn)行初步探討,為其它航天器尤其是空間科學(xué)衛(wèi)星項目管理提供參考經(jīng)驗。

1 衛(wèi)星及有效載荷望遠(yuǎn)鏡研制特點

HXMT衛(wèi)星作為我國首顆X射線探測天文衛(wèi)星,其主要特點如下:①望遠(yuǎn)鏡采用直接解調(diào)成像方法,解決了低成本探測器高精度成像問題,實現(xiàn)多波段、高靈敏度、高分辨率的空間X射線探測[2]。②有效載荷望遠(yuǎn)鏡種類全、規(guī)模大、探測模式多,4種有效探測載荷共計包含25個探測器單機,能段基本覆蓋整個X射線譜段,具有巡天觀測、小天區(qū)觀測、定點觀測和伽馬暴觀測等多種模式,在世界現(xiàn)有X射線天文衛(wèi)星中,具有先進(jìn)的暗弱變巡天能力、獨特的多波段快速光變觀測能力;衛(wèi)星可實現(xiàn)對伽馬射線暴的全天監(jiān)測,將成為國際上在200 ke V～3 Me V能區(qū)面積最大的伽馬射線暴探測器。③衛(wèi)星平臺服務(wù)保障能力要求高,為實現(xiàn)多波段、高靈敏度、高分辨率的觀測能力,載荷種類全,復(fù)雜性高,要求平臺服務(wù)系統(tǒng)具有高的保障能力,具有復(fù)雜的熱控保障、對地測控與數(shù)傳保障以及載荷長期工作下的能源保障能力。

HXMT衛(wèi)星有效載荷由中國科學(xué)院高能物理研究所抓總研制,包括高能望遠(yuǎn)鏡、中能望遠(yuǎn)鏡、低能望遠(yuǎn)鏡以及空間環(huán)境監(jiān)測器等4種有效載荷[3],有效載荷望遠(yuǎn)鏡構(gòu)型如圖1所示。

根據(jù)空間天文探測的特點和有效載荷特殊工作環(huán)境,簡單概括起來有效載荷望遠(yuǎn)鏡具有“新、低、長”的特點,即載荷全新研制、載荷工作溫度低、載荷地面標(biāo)定時間長和在軌工作時間長:

(1)載荷全新研制:探測能區(qū)寬,載荷高能(20～250 ke V)、中能(5～30 ke V)、低能(1～15 ke V)3種望遠(yuǎn)鏡,實現(xiàn)了1～250 ke V能區(qū)全覆蓋,并具備擴展的200 ke V～3 Me V能區(qū)的伽馬射線暴探測能力;探測面積大,高能望遠(yuǎn)鏡是國際上同能區(qū)面積最大的準(zhǔn)直型望遠(yuǎn)鏡。望遠(yuǎn)鏡由100余臺/套部組件單機組成,總重970 kg,系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜、技術(shù)難度大,創(chuàng)國內(nèi)天文觀測載荷之最,如僅中能望遠(yuǎn)鏡其信號路數(shù)達(dá)到1728路,且全部是n A級的弱信號,對制造工藝、環(huán)境提出了新的要求,采用了大量新材料、新元器件,新工藝,如大量使用重金屬鉭、硅探測器等,準(zhǔn)直器的高精度加工與安裝工藝要求高等。

(2)載荷工作溫度低:高能、中能、低能望遠(yuǎn)鏡3個載荷集成在同一結(jié)構(gòu)安裝面,工作溫度差超過100℃,尤其低能望遠(yuǎn)鏡的－80～－42℃低溫控制要求非常苛刻,為熱控設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn),需要采取主動溫控和被動控溫結(jié)合的多種熱控手段來實現(xiàn)。

(3)載荷地面標(biāo)定時間長、在軌工作時間長:HXMT衛(wèi)星發(fā)射前,科學(xué)載荷正樣產(chǎn)品需要經(jīng)過充分的地面標(biāo)定專項試驗,標(biāo)定時間長,國際慣例通常需要4～6個月;HXMT衛(wèi)星載荷連續(xù)4年開機,一張巡天圖要連續(xù)半年才能掃描完成,對載荷、存儲器等的可靠性提出了新的要求。

圖1 有效載荷望遠(yuǎn)鏡構(gòu)型圖Fig．1 Telescope configuration

2 項目管理實踐

針對前面提到的HXMT衛(wèi)星和有效載荷研制特點,衛(wèi)星從研制合作模式到研制過程都采取了相應(yīng)的創(chuàng)新管理模式和管理實踐。首先該衛(wèi)星是由國家航天局和中國科學(xué)院聯(lián)合主導(dǎo),航天工業(yè)部門與科學(xué)家聯(lián)合的空間科學(xué)項目實施模式,本身就是一次工程與科學(xué)融合的管理創(chuàng)新;其次,衛(wèi)星的探測望遠(yuǎn)鏡全新研制,國內(nèi)之前并無此大型的空間探測望遠(yuǎn)鏡研制經(jīng)驗,對于衛(wèi)星總體如何和載荷單位一起將這個復(fù)雜而先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡更好的進(jìn)行工程管理和實現(xiàn),也是一次工程實現(xiàn)和技術(shù)融合的管理實踐。

2.1 工程與科學(xué)融合的管理實踐

在HXMT衛(wèi)星工程研制中,中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)衛(wèi)星平臺研制任務(wù),中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)科學(xué)目標(biāo)提出和有效載荷研制任務(wù),在空間科學(xué)探測領(lǐng)域合作模式對于雙方都是第一次。衛(wèi)星研制團(tuán)隊帶領(lǐng)科學(xué)家團(tuán)隊一起按照航天工程管理模式完成了衛(wèi)星研制,快速實現(xiàn)了科學(xué)家要求的功能,在衛(wèi)星出廠前完成了科學(xué)家提出的伽馬暴探測功能擴展等實現(xiàn),從在軌運行的初步成果看可以為科學(xué)家?guī)砀嗟目茖W(xué)產(chǎn)出,顯著地提高了用戶滿意度。衛(wèi)星的研制在工程與科學(xué)、工程與技術(shù)深度融合上進(jìn)行了積極的探索與實踐,主要體現(xiàn)在以下4個方面。

1)圍繞科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)突破空間望遠(yuǎn)鏡工程關(guān)鍵技術(shù)

在衛(wèi)星的工程研制中,衛(wèi)星總體一直不斷加深對工程科學(xué)目標(biāo)的理解,結(jié)合科學(xué)目標(biāo)和用戶的要求突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),從工程上來努力實現(xiàn)。也就是說,每一個技術(shù)得突破,用戶每一項要求的提出,工程進(jìn)展的每一步,都是與用戶部門的科學(xué)家們一道研究解決和實現(xiàn)的,從而,為科學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)提供了有力技術(shù)支撐。

2)按照航天標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研制科學(xué)載荷

由于用戶方也是有效載荷研制方,在合作之初,衛(wèi)星按照中國空間技術(shù)研究院確保成功的航天標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范有效載荷的研制工作,促使了用戶研制快速進(jìn)入工程狀態(tài),并對載荷隊伍進(jìn)行了航天標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章制度、法規(guī)等培訓(xùn)。同時,通過工程實踐也幫助用戶培養(yǎng)了一支航天產(chǎn)品的研制隊伍。

3)高質(zhì)量進(jìn)行產(chǎn)品配套研制

在科學(xué)載荷研制中,中國空間技術(shù)研究院承擔(dān)了大量的產(chǎn)品配套工作,比如高、中、低能望遠(yuǎn)鏡的處理電路由中科院高能所設(shè)計,中國空間技術(shù)研究院山東航天電子技術(shù)研究所承制,望遠(yuǎn)鏡裝配由北京衛(wèi)星制造廠實施。

4)高精度實施試驗驗證

在望遠(yuǎn)鏡的環(huán)境試驗驗證上,中國空間技術(shù)研究院提供了大量支持。另外,與發(fā)射的其他衛(wèi)星不同,HXMT衛(wèi)星有效載荷研制有一個特殊的要求是射前標(biāo)定,以取得載荷能量響應(yīng)函數(shù)、探測效率、溫度響應(yīng)等核心技術(shù)數(shù)據(jù),以便與衛(wèi)星在軌實測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析,檢測確定產(chǎn)品的基本狀態(tài),該標(biāo)定試驗結(jié)果將直接關(guān)系到衛(wèi)星在軌觀測結(jié)果的正確性、有效性和適用性。衛(wèi)星總體與科學(xué)家一道完成了充分詳細(xì)、系統(tǒng)全面地標(biāo)定工作,為X射線空間望遠(yuǎn)鏡提供可信可用的觀測數(shù)據(jù)提供了成品。

2.2 研制管理實踐經(jīng)驗

1)精細(xì)化流程管理

項目管理通過合理運用與整合其五大過程組(啟動、計劃、執(zhí)行、控制、結(jié)束)來實現(xiàn)[4-5],HXMT衛(wèi)星項目管理過程重視精細(xì)化流程管理,針對衛(wèi)星研制特點,細(xì)化制定了方案、初樣、正樣、發(fā)射場等各階段技術(shù)流程,并根據(jù)技術(shù)流程制定了詳細(xì)的計劃流程,充分考慮了“人、機、料、法、環(huán)”等因素,工作結(jié)構(gòu)分解細(xì)致、工作項目清楚、分工明確、責(zé)任明確、保障和控制到位[6]。尤其對于明確的有效載荷望遠(yuǎn)鏡全新研制短線項目,對其雙流程進(jìn)行了嚴(yán)格審查,充分識別出了其研制過程中的關(guān)鍵項目和質(zhì)量控制點,明確了短線和風(fēng)險項目,有針對性的制定了分析和驗證措施。通過精細(xì)化流程管理,順利完成了衛(wèi)星研制各階段任務(wù),其中發(fā)射場工作零進(jìn)度偏差得到了國家航天局、用戶、集團(tuán)公司、發(fā)射場系統(tǒng)等各方好評。

2)重視物資和元器件保障

物資和元器件保障是研制工作按計劃開展的基礎(chǔ),HXMT衛(wèi)星元器件數(shù)量多,尤其前面有效載荷研制特點中提到過載荷采用大量新材料、引進(jìn)元器件及專用元器件,到貨周期長和后期質(zhì)保難度大。提前抓物資和元器件審查和訂貨、引進(jìn)設(shè)備采購和長周期器件投產(chǎn);嚴(yán)格開展元器件審查和過程控制,從選擇源頭管控,設(shè)計、驗收全過程確認(rèn);同時,推薦優(yōu)選中國航天科技集團(tuán)有限公司合格供方名錄內(nèi)且研制水平較高的元器件供貨商,并由中國空間技術(shù)研究院物資部來承擔(dān)載荷元器件質(zhì)保工作,利用航天成熟的元器件質(zhì)保體系來保障元器件質(zhì)量和進(jìn)度;配合載荷單位強化首飛和專用元器件管理,深入梳理首飛和專用元器件研制技術(shù)流程,落實保障條件,制定元器件全周期研制計劃,深入研制單位跟蹤管控研制進(jìn)展,確保元器件研制進(jìn)度和質(zhì)量受控。

針對載荷研制過程中影響進(jìn)度的如中能望遠(yuǎn)鏡用Si-PIN探測器鈹片脫落、ASIC芯片靜電損傷,以及高能、中能望遠(yuǎn)鏡用意大利進(jìn)口S9100型高壓模塊焊點開裂等元器件質(zhì)量問題,衛(wèi)星研制團(tuán)隊快速組織工藝專家、物資部、國內(nèi)廠家、意大利器件廠商和載荷單位,一起制定了返修工藝及質(zhì)保方案,并制定了專題質(zhì)量工作計劃,確保質(zhì)量問題快速有效解決。為后期空間科學(xué)衛(wèi)星及其它航天器用元器件提供了解決方案和借鑒經(jīng)驗。

3)強化風(fēng)險管理

HXMT衛(wèi)星研制過程中高度重視風(fēng)險管理工作,成立了“系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機級”三級風(fēng)險管理責(zé)任體制,責(zé)任單位分別明確為項目辦公室、分系統(tǒng)責(zé)任單位、單機責(zé)任單位,按“系統(tǒng)策劃、識別全面、分析準(zhǔn)確、措施有效、風(fēng)險受控”的原則開展風(fēng)險分析與控制工作[7]。

針對有效載荷望遠(yuǎn)鏡全新研制、技術(shù)難度大、系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜的特點,在研制過程中將有效載荷風(fēng)險識別與控制作為風(fēng)險管理工作的重點,采取“自下而上”和“自上而下”相結(jié)合的方式對有效載荷研制開展項目風(fēng)險識別、風(fēng)險分析、風(fēng)險評估、風(fēng)險應(yīng)對、風(fēng)險監(jiān)控及總結(jié)評價等風(fēng)險管理工作,對風(fēng)險項目進(jìn)展實施動態(tài)閉環(huán)管理。

4)嚴(yán)格技術(shù)狀態(tài)管理

衛(wèi)星按照航天產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)管理的要求對整星的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格管理,對產(chǎn)品研制各階段進(jìn)行了技術(shù)狀態(tài)管理策劃,并納入型號各階段產(chǎn)品保證工作計劃。而整星技術(shù)狀態(tài)管理的重中之重在于全新研制的載荷望遠(yuǎn)鏡,因此,在載荷設(shè)計階段,項目辦組織航天領(lǐng)域?qū)＜覍d荷的技術(shù)狀態(tài)基線進(jìn)行了嚴(yán)格審查,并嚴(yán)格按照“論證充分、各方認(rèn)可、試驗驗證、審批完備、落實到位”的五項原則對載荷技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行審查、控制[8]。同時,在載荷研制過程中,項目辦組織專家對載荷詳細(xì)設(shè)計、產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)、生產(chǎn)過程、質(zhì)量問題、“舉一反三”等開展了大量的復(fù)核復(fù)審工作,確保設(shè)計正確和避免設(shè)計狀態(tài)反復(fù)。最后載荷初樣研制共發(fā)生120余項技術(shù)狀態(tài)更改項目,所有更改項目均按五項原則要求進(jìn)行了落實和驗證,確保了后續(xù)正樣產(chǎn)品研制狀態(tài),避免正樣設(shè)計和研制工作反復(fù),保證了正樣產(chǎn)品研制進(jìn)度。

5)載荷生產(chǎn)過程優(yōu)化和控制

針對前面提到載荷全新研制、技術(shù)難度大的特點,需要對載荷生產(chǎn)過程進(jìn)一步優(yōu)化和加強控制,以提升研制質(zhì)量,加快研制進(jìn)度。主要措施如下:①針對望遠(yuǎn)鏡主結(jié)構(gòu)生產(chǎn)周期長、加工精度要求高的特點,提前確定狀態(tài)、提前投產(chǎn),并由中國空間技術(shù)研究院所屬的衛(wèi)星制造廠來承擔(dān)任務(wù),依靠中國空間技術(shù)研究院科研管理體系來解決生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量控制問題。②針對載荷單機技術(shù)難度大、設(shè)計人員新等特點,發(fā)揮航天領(lǐng)域?qū)＜野殃P(guān)作用,提前介入,幫助載荷單機在機、電、熱、工藝設(shè)計等各個環(huán)節(jié)審查把關(guān),加快了載荷設(shè)計進(jìn)程,并避免了后期質(zhì)量問題。③針對載荷單機數(shù)量多、研制時間緊的特點,提前固化機械接口等狀態(tài),初、正樣單機機箱結(jié)構(gòu)等一起滾動投產(chǎn),解決了單機結(jié)構(gòu)對研制進(jìn)度制約問題;并組織將載荷單機電裝工作由中國空間技術(shù)研究院所屬的廠所承擔(dān),利用成熟的航天設(shè)備和生產(chǎn)管理體制保障電裝質(zhì)量和進(jìn)度。④針對載荷設(shè)備質(zhì)量問題,按照航天質(zhì)量歸零工作程序嚴(yán)格管理[9],出現(xiàn)質(zhì)量問題時兩總系統(tǒng)和主管設(shè)計師第一時間到現(xiàn)場,即時組織問題分析和定位,在嚴(yán)保質(zhì)量的前提下最大程度縮短處理時間。

6)整星AIT工作流程優(yōu)化

航天器研制的總裝、集成和測試(AIT)階段,是形成完整產(chǎn)品的最后階段,由于航天器AIT工作涉及面廣、不確定因素多,項目實際進(jìn)度控制一般很難與計劃基準(zhǔn)合拍[10]。HXMT衛(wèi)星研制中由于載荷研制難度大、正樣產(chǎn)品地面標(biāo)定時間長,載荷正樣產(chǎn)品會晚于衛(wèi)星平臺正樣產(chǎn)品交付,需要統(tǒng)籌安排載荷參與整星AIT工作時機和項目,使載荷研制與整星主線工作最大程度匹配。主要流程優(yōu)化措施如下:在正樣整星AIT初期電測中,利用初樣載荷電性產(chǎn)品、鑒定產(chǎn)品參與整星電測工作,與載荷正樣產(chǎn)品研制并行開展,在保證測試覆蓋性的前提下,提前、充分驗證載荷軟硬件產(chǎn)品功能性能以及與整星測試匹配性;由于中能探測器正樣產(chǎn)品交付時間較晚,正樣整星力學(xué)試驗中采用部分中能探測器結(jié)構(gòu)件替代的方式,在保證整星力學(xué)試驗按期開展的同時,給中能探測器研制爭取了更多的時間。

7)流程精簡,降本增效

HXMT衛(wèi)星在研制過程中非常注重流程精簡和降本增效。對初樣產(chǎn)品、地面工裝和測試設(shè)備等進(jìn)行了全面狀態(tài)梳理,結(jié)合中國空間技術(shù)研究院資源,通過電性星、結(jié)構(gòu)熱控星產(chǎn)品上百臺統(tǒng)籌借用、地面測試設(shè)備統(tǒng)籌、太陽翼地面工裝統(tǒng)籌等大幅節(jié)約了研制成本,并縮短了研制周期;同時,通過衛(wèi)星剩磁矩分析論證、望遠(yuǎn)鏡及整星力學(xué)分析論證、數(shù)傳天線試驗項目優(yōu)化論證、太陽電池板熱真空試驗優(yōu)化等工作,取消了整星磁試驗、望遠(yuǎn)鏡力學(xué)試驗、數(shù)傳天線初樣鑒定級熱試驗,縮減了太陽電池板熱真空試驗次數(shù),節(jié)約數(shù)百萬元試驗經(jīng)費,并相應(yīng)減少了研制工作量和周期。

3 結(jié)束語

HXMT衛(wèi)星項目圍繞衛(wèi)星和載荷研制特點,從研制模式、流程管理、物資管理、風(fēng)險管理、技術(shù)狀態(tài)管理、生產(chǎn)過程管理、AIT流程優(yōu)化、降本增效等方面進(jìn)行了積極和有效的項目管理探索與實踐,保質(zhì)高效地完成了衛(wèi)星研制任務(wù),開辟了我國X射線天文探測新領(lǐng)域,培養(yǎng)了航天和科學(xué)家聯(lián)合人才隊伍,推動了航天技術(shù)發(fā)展,并為我國后續(xù)空間科學(xué)衛(wèi)星項目的研制提供了參考經(jīng)驗。

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