高技術(shù)復(fù)雜度單機產(chǎn)品的研制模式探索與應(yīng)用

張昊東、李均鋒、白玉玲、趙晶、付進(jìn)軍 /北京航天發(fā)射技術(shù)研究所

隨著航天裝備的持續(xù)升級換代，系統(tǒng)對單機產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性、功能集成度、嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)能力、升級迭代速度等方面的要求不斷提升，同時對可靠性要求更加嚴(yán)苛。在這樣的背景下，對于具有高技術(shù)復(fù)雜度、高技術(shù)綜合性、高研制難度的單機產(chǎn)品，過去的研制模式已不能適應(yīng)當(dāng)前的任務(wù)研制周期和有限的可投入資源，傳統(tǒng)研制模式和新任務(wù)形勢之間的矛盾日益凸顯。

航天地面電源是極具代表性的高技術(shù)復(fù)雜度單機產(chǎn)品，作為航天地面裝備和特種車輛中供配電部分的核心單機，其主要功能是實現(xiàn)能源的二次變換，使電能轉(zhuǎn)化為能夠滿足特定負(fù)載個性化用電需求的電能形式，對整個裝備系統(tǒng)的用電提供有效保障。航天地面電源綜合了功率半導(dǎo)體技術(shù)、電力電子拓?fù)浼夹g(shù)、模擬和數(shù)字電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、軟件設(shè)計及軟件工程化技術(shù)、磁性元器件設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)、安規(guī)設(shè)計技術(shù)、EMC 設(shè)計技術(shù)、熱設(shè)計技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)等，技術(shù)綜合性強，難度高，研制投入大。對于航天地面電源這類單機產(chǎn)品，在傳統(tǒng)研制的模式下存在定制開發(fā)，重復(fù)投入；研制樣機與產(chǎn)品不區(qū)分，疲于應(yīng)付質(zhì)量問題；具體任務(wù)牽引，迭代驗證制約多等方面的問題。

為了突破傳統(tǒng)研制模式的局限性，筆者總結(jié)了以往在新一代電源產(chǎn)品開發(fā)過程中探索出的行之有效的研制模式和經(jīng)驗，分析了該模式在當(dāng)前形勢和制度安排下的有效性，并提出了后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展的思路。

一、工作與實踐

為突破傳統(tǒng)研制模式的局限性，航天地面電源產(chǎn)品著眼于探索全新的研制模式和方法。新一代電源研制流程如圖1 所示，其研制模式具有以下4 個方面的特點。

一是分析綜合多樣需求，最大化適應(yīng)，告別反復(fù)定制開發(fā)?；谝酝挠脩舴?wù)經(jīng)驗，結(jié)合未來任務(wù)需求、自身能力評估，梳理出新一代電源的研制思路和方向，以通用化、模塊化、系列化、平臺化的研制思路代替過去定制化開發(fā)的研制模式。

二是預(yù)研先行，放開手腳，大膽嘗新。通過預(yù)先研究課題立項，開展前期樣機研制驗證和首輪設(shè)計迭代，避免研制與產(chǎn)品不分開導(dǎo)致研制問題被當(dāng)做質(zhì)量問題處理，促使設(shè)計人員放開手腳，聚焦于新技術(shù)的實現(xiàn)和落地。

三是產(chǎn)品化牽引，自主可控，快速迭代。在預(yù)研驗證的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)入產(chǎn)品化牽引，使產(chǎn)品研制的牽引主體由過去的具體任務(wù)轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品化項目，使電源的設(shè)計優(yōu)化迭代工作不完全被任務(wù)捆綁，在產(chǎn)品化的專門支持下可獨立投產(chǎn)樣機，自主開展迭代驗證工作。

四是推廣應(yīng)用和成熟度持續(xù)提升并行開展。在產(chǎn)品化牽引下結(jié)合少量的產(chǎn)品應(yīng)用驗證，可快速實現(xiàn)產(chǎn)品成熟度的初步提升。隨后在不同任務(wù)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，同時并行開展產(chǎn)品成熟度的持續(xù)提升，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)固化，完成研制過程。

1.研制思路

一是需求調(diào)研分析。電源產(chǎn)品多年來一直是相關(guān)研究室的核心單機產(chǎn)品，長期應(yīng)用于航天系統(tǒng)中，多年的應(yīng)用和服務(wù)經(jīng)驗，為研究室對電源產(chǎn)品需求的認(rèn)識打下基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行有效的需求分析。航天電源產(chǎn)品需求具有以下特點：

圖1 新一代電源研制模式流程圖

電壓等級系列化。系統(tǒng)中對電源電壓等級的需求呈現(xiàn)系列化的特點，常見電壓等級為28V、48V、160V、270V 等，較少出現(xiàn)系列值之外的特殊電壓需求。其中應(yīng)用最多的為28V電壓等級。

功率需求多樣化。雖然電壓等級呈現(xiàn)序列化，但不同負(fù)載對電源功率的需求差異顯著，呈現(xiàn)多樣化的特點。

輸入形式差別化。在以往系統(tǒng)應(yīng)用中，電源輸入源形式較為單一，多數(shù)是三相交流電形式，電壓范圍不超過380V±15%。而隨著地面裝備的發(fā)展，高壓蓄電池引入到系統(tǒng)中，高壓直流輸入成為越來越常見的輸入形式，電壓等級也隨系統(tǒng)而變得不同，目前已知的直流輸入范圍包括300V～600V 等。

接口狀態(tài)定制化。無論是結(jié)構(gòu)安裝接口、硬件接口還是軟件接口，不同系統(tǒng)往往都有各自不同的要求，難以形成統(tǒng)一，定制化的特點突出。

安裝空間小型化。隨著裝備信息化程度提高，裝備種類和數(shù)量顯著上升，與此同時，對裝備輕量化和安裝空間的要求愈發(fā)嚴(yán)苛，因此單機小型化已成為必要的需求。

性能要求嚴(yán)苛化。裝備的總體發(fā)展趨勢對裝備的性能要求愈發(fā)嚴(yán)苛，特別是環(huán)境適應(yīng)能力、不同應(yīng)用環(huán)境和工況下的高穩(wěn)定性和高可靠性以及電磁兼容性能等。

二是研制能力評估。從研制所需設(shè)備或試驗條件來分析研制能力，包括實驗場地、一般實驗儀器設(shè)備、專用實驗設(shè)備、實驗計算機等；從人力資源方面分析，包括團隊人數(shù)、技術(shù)專家人數(shù)、可貢獻(xiàn)超過80%精力于該研制項目的人員、人數(shù)。

三是研制思路梳理。結(jié)合需求調(diào)研分析情況和研制能力評估情況，用戶需求難以完全統(tǒng)一，需要產(chǎn)品進(jìn)行定制化設(shè)計。但隨著任務(wù)數(shù)量的快速增長、研發(fā)迭代需求日益旺盛、進(jìn)度要求日趨緊張，現(xiàn)有的研制能力難以完全滿足復(fù)雜多樣化的快速定制需要。這就要求提出模塊化、平臺化、系列化、通用化的研制思路，最大程度降低重復(fù)開發(fā)成本，使研制成果最大化地適應(yīng)不同用戶需求。

模塊化設(shè)計。對于整機來說，確定一個最佳功率等級模塊，通過模塊的串并聯(lián)實現(xiàn)功率擴展，滿足不同負(fù)載需求；對于整機內(nèi)部的組成部分來說，應(yīng)當(dāng)將各組件按照模塊化思路設(shè)計，以便于部分功能的快速定制化調(diào)整和重組。

平臺化、系列化設(shè)計。技術(shù)方案應(yīng)具備移植擴展能力，將電源研制開發(fā)為技術(shù)平臺，在該平臺下通過較小的改動即可實現(xiàn)不同電壓等級電源的設(shè)計。

通用化設(shè)計。確定技術(shù)方案時應(yīng)充分考慮通用性，盡可能較寬地輸出調(diào)壓范圍、恒流恒壓等不同工作模式，適應(yīng)不同一次源輸入形式和電壓等級。

四是確定技術(shù)方案。根據(jù)需求分析及研制思路的梳理，確定技術(shù)方案需要考慮的關(guān)鍵評價要素。

最大效率。首先反映技術(shù)方案的先進(jìn)性。同時，效率對于最終產(chǎn)品的小型化、能否實現(xiàn)全密封高環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計具有重要影響。

開關(guān)頻率。開關(guān)頻率不僅能夠反映技術(shù)的先進(jìn)程度，而且還會影響無源器件的體積和重量，從而影響整機功率密度。

可靠性。不同技術(shù)方案存在可靠性差異，通過對市場產(chǎn)品信息的比對以及技術(shù)理論分析、可靠性預(yù)計等手段，可以初步評估技術(shù)方案的相對可靠性水平。

通用性。技術(shù)方案應(yīng)充分考慮通用性適應(yīng)能力，包括輸入形式和范圍、輸出范圍、系列化擴展等方面。

硬件成本。硬件成本是裝備價格的重要組成部分，也是技術(shù)方案確定過程中的重要考慮因素。

結(jié)合功率半導(dǎo)體技術(shù)以及電路拓?fù)浼夹g(shù)的發(fā)展趨勢和最新動向，充分對比不同技術(shù)路線的優(yōu)缺點，探索滿足用戶需求并適用于既定研制思路的技術(shù)方案。在此過程中可結(jié)合仿真工具，對不同技術(shù)方案進(jìn)行對比分析研究。最終的技術(shù)方案應(yīng)滿足用戶需求以及既定研制思路的要求，并在各評估要素方面取得綜合優(yōu)勢，同時具備充分的技術(shù)先進(jìn)性。

2.預(yù)研先行

預(yù)先研究是產(chǎn)品研制過程中的先行步驟，同時也是后續(xù)產(chǎn)品研制工作的前提和基礎(chǔ)。由于預(yù)先研究項目基于航天任務(wù)的發(fā)展需求，但同時又獨立于任務(wù)之外，因此具有靈活的管理模式和廣闊的施展空間，在這一階段應(yīng)充分利用相關(guān)平臺，實現(xiàn)技術(shù)方案的充分驗證、技術(shù)目標(biāo)的有效考核，以及原理樣機的首輪迭代。

一是技術(shù)方案驗證。首先通過仿真工具進(jìn)行仿真驗證，確定技術(shù)方案可行性，隨后進(jìn)行原理樣機試制和驗證。

二是技術(shù)難題攻關(guān)。在原理樣機試制和驗證過程中通常會遇到若干技術(shù)難題，因此預(yù)研過程中需要對各類技術(shù)難題進(jìn)行專項攻關(guān)。如新一代電源在預(yù)研過程中攻克了全密封結(jié)構(gòu)散熱技術(shù)、寬范圍調(diào)壓及其環(huán)路調(diào)節(jié)技術(shù)、輕載打嗝紋波抑制技術(shù)等多項技術(shù)難題。

三是功能性能全面考核驗證。在核心功能驗證后，應(yīng)對其他輔助功能、各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，在此過程中往往不會一次性通過，針對不滿足技術(shù)方案要求的項目需要進(jìn)行專項優(yōu)化或局部方案調(diào)整。

四是環(huán)境試驗摸底和可靠性摸底。在功能和性能指標(biāo)均滿足要求后，應(yīng)初步對環(huán)境適應(yīng)能力和可靠性進(jìn)行摸底試驗，暴露設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行優(yōu)化整改。

3.產(chǎn)品化牽引

新一代電源在預(yù)研先行階段之后完成了技術(shù)方案的驗證和首輪樣機迭代，即可轉(zhuǎn)入到產(chǎn)品化牽引開發(fā)階段。在該階段的主要目標(biāo)是完善產(chǎn)品配套內(nèi)容，進(jìn)行各項摸底匹配和試驗，以盡早暴露設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、元器件等多方面的問題，從而快速實現(xiàn)成熟度的初步提升。

DFMEA 分析。在預(yù)研階段已經(jīng)對技術(shù)方案進(jìn)行了驗證，積累了一定的認(rèn)識和經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上開展DFMEA 工作可以起到承上啟下的作用，有助于提煉產(chǎn)品的各類關(guān)鍵特性或可靠性關(guān)鍵項目，在后續(xù)產(chǎn)品轉(zhuǎn)化過程中具有重要意義。

設(shè)計復(fù)核復(fù)算及合規(guī)性檢查。

充分對照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，對設(shè)計的合規(guī)性進(jìn)行檢查，對不符合要求的內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計整改。

元器件選型替代。在原理樣機研制階段通常采用市購的進(jìn)口元器件，在產(chǎn)品化牽引階段需要向產(chǎn)品進(jìn)行轉(zhuǎn)化。因此，首先要進(jìn)行元器件的選型替代工作，器件選型應(yīng)計算滿足各類元器件的降額要求，以及符合單位合格供方的要求、國產(chǎn)化比例要求，并應(yīng)優(yōu)先在優(yōu)選目錄內(nèi)選取。

軟件工程開發(fā)。在產(chǎn)品化牽引階段必須重新進(jìn)行軟件工程化開發(fā)，嚴(yán)格按照GJB5000A 的相關(guān)要求開展軟件研制工作。梳理軟件設(shè)計需求，按照工程化方法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計、代碼編寫、測試等完整的開發(fā)工作。

圖紙和技術(shù)文件編寫。圖紙以及技術(shù)文件應(yīng)在產(chǎn)品化牽引階段完成，其中不同的具體文件可以在不同的細(xì)分階段進(jìn)行。如技術(shù)條件在最初階段進(jìn)行編制，圖紙和試驗大綱應(yīng)在設(shè)計復(fù)查以及元器件替代完成后編制，調(diào)試細(xì)則可以在工程樣機測試完成后結(jié)合測試經(jīng)驗進(jìn)行編制。

工程樣機測試與迭代。開展工程樣機試制和測試工作，內(nèi)容包括所有的功能和性能指標(biāo)、完整的試驗項目。該過程中暴露的問題應(yīng)當(dāng)采取有效措施并進(jìn)行充分的舉一反三，通過多輪迭代直到工程樣機測試完全滿足要求。

4.實際應(yīng)用與成熟度提升并行

經(jīng)過產(chǎn)品化牽引研制，通常電源可達(dá)到2 級成熟度。產(chǎn)品滿足了所有的功能和性能指標(biāo)，并通過了完整的試驗測試，基本具備了交付應(yīng)用的條件，應(yīng)將實際應(yīng)用與成熟度提升并行開展。實際交付應(yīng)用提供了進(jìn)一步暴露隱蔽問題的可能性，特別是接口匹配方面的問題，通常在實際系統(tǒng)測試時才能充分顯現(xiàn)。因此，成熟度的提升離不開產(chǎn)品的實際應(yīng)用，也應(yīng)并行開展。同時部分試驗項目的開展周期較長，為不影響研制進(jìn)度，同樣需要并行開展。通過這一階段后，產(chǎn)品應(yīng)達(dá)到3 級成熟度，技術(shù)狀態(tài)基本固化。

一是工藝文件編制和評審。準(zhǔn)備正式產(chǎn)品生產(chǎn)前需要編制生產(chǎn)工藝文件，不僅需要工藝人員參與，更需要設(shè)計人員參加。設(shè)計人員應(yīng)對工藝人員進(jìn)行技術(shù)交底，并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計特點、可靠性關(guān)鍵項目等，對可能的工藝難點、工藝關(guān)鍵特性、過程關(guān)鍵特性等與車間工藝師進(jìn)行充分的討論溝通。

二是工裝開發(fā)。對生產(chǎn)過程中所用到的工裝進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。

三是初樣產(chǎn)品生產(chǎn)和交付使用。進(jìn)行初樣產(chǎn)品的生產(chǎn)、試驗、驗收交付使用。設(shè)計人員應(yīng)積極跟蹤全過程，對生產(chǎn)問題、測試實驗問題、交付使用后的問題均應(yīng)采取有效措施并舉一反三。

四是IPT 活動。進(jìn)行批生產(chǎn)后，應(yīng)擇機開展IPT 活動，設(shè)計人員和工藝人員針對生產(chǎn)過程中的問題、發(fā)現(xiàn)的工藝難點、風(fēng)險點等進(jìn)行反饋分析，討論改進(jìn)措施，從而提升產(chǎn)品的設(shè)計工藝性，做到從設(shè)計角度降低產(chǎn)品缺陷率。

五是試樣產(chǎn)品生產(chǎn)（小批量試制）和交付。在初樣產(chǎn)品生產(chǎn)應(yīng)用迭代優(yōu)化后，進(jìn)行試樣產(chǎn)品生產(chǎn)，即小批量試制，繼續(xù)發(fā)現(xiàn)問題并整改。

六是數(shù)據(jù)包絡(luò)分析。對于小批量試制的產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)進(jìn)行包絡(luò)分析，研究產(chǎn)品的一致性問題，以及通過不合理的高方差數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)可能存在的潛在問題。

七是電磁兼容試驗。電磁兼容試驗是電源類產(chǎn)品的難點，整改難度大、周期長，若等待電磁兼容試驗完全整改通過，會耽誤產(chǎn)品研制進(jìn)度。由于通常情況下即便未通過完整試驗項目的產(chǎn)品也不會影響用戶的正常使用，因此電磁兼容試驗和整改通常與研制階段產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用同步開展，并在產(chǎn)品定型鑒定之前通過電磁兼容試驗項目。

八是可靠性試驗?？煽啃栽囼炌ǔＰ杌ㄙM較長時間，因此也應(yīng)與研制階段產(chǎn)品的生產(chǎn)應(yīng)用同步開展，并在產(chǎn)品定型鑒定之前通過可靠性試驗項目。

5.技術(shù)狀態(tài)固化

經(jīng)過充分的應(yīng)用考核、試驗考核以及多輪迭代優(yōu)化，產(chǎn)品成熟度不斷提升，在定型之前應(yīng)達(dá)到4 級成熟度水平。至此，電源各方面的技術(shù)狀態(tài)可以固化，標(biāo)志著研制工作完成。

二、實踐效果

1.產(chǎn)品技術(shù)革新度高

與以往在具體任務(wù)基礎(chǔ)上研制不同，此次研制由預(yù)先研究課題切入，消除了設(shè)計人員對于直接進(jìn)入任務(wù)應(yīng)用產(chǎn)生質(zhì)量問題的顧慮，能夠勇于嘗試前沿技術(shù)。如此次在電源中引入了先進(jìn)的碳化硅功率半導(dǎo)體器件，同時采用了行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的諧振變換拓?fù)浼夹g(shù)及其數(shù)字控制技術(shù)，使產(chǎn)品在外形尺寸、性能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)方案等一系列方面相比于以往的產(chǎn)品有了顯著的提升。

2.通用性、適應(yīng)性、沿用性好，降成本效果顯著

與基于具體任務(wù)的定制化開發(fā)不同，這次研制過程考慮的不同任務(wù)的通用化需求，確立了通用化、模塊化、平臺化、系列化的研制思路，最大化擴展單機模塊的應(yīng)用適應(yīng)能力。通過串并聯(lián)實現(xiàn)功率擴展，通過平臺化和模塊化的設(shè)計技術(shù)易于拓展出系列化的產(chǎn)品，最大程度地降低了重復(fù)研制成本和生產(chǎn)管理成本。

3.成熟度提升快、提升質(zhì)量高

在問題發(fā)生度最高、最集中的研制前期階段，以預(yù)先研究課題立項，脫離具體任務(wù)管理，使技術(shù)人員能在研制早期專注于技術(shù)問題，快速實現(xiàn)初步的成熟度提升。預(yù)研之后的研制過程，牽引主體告別了過去特定任務(wù)，取而代之以產(chǎn)品化作為牽引；得益于產(chǎn)品化主管部門與任務(wù)項目組的相對獨立性，設(shè)計部門提出的優(yōu)化迭代驗證需求得到了充分的資源支持和資金保障，研制過程中投產(chǎn)的各類樣機完成了設(shè)計工藝性優(yōu)化驗證、專項試驗驗證和整改等，實現(xiàn)了全方位高質(zhì)量的成熟度提升；結(jié)合并行推進(jìn)的實際應(yīng)用考核，提前實現(xiàn)了技術(shù)狀態(tài)的固化。

在新形勢下經(jīng)過實踐探索總結(jié)出來的有效經(jīng)驗，對具有類似特點的單機產(chǎn)品均具有指導(dǎo)借鑒意義。后續(xù)工作中需要進(jìn)一步總結(jié)和固化復(fù)雜單機產(chǎn)品的研制思路，總結(jié)正反2 個方面的經(jīng)驗教訓(xùn)中形成啟示錄；同時提煉出易于參考、具有指導(dǎo)性的核心要點，形成方法指南。在未來其他類似的新產(chǎn)品研制中前期需進(jìn)行相關(guān)經(jīng)驗介紹和培訓(xùn)，使本項目探索實踐出的有效方法推廣應(yīng)用。同時，要進(jìn)一步在后續(xù)實踐過程中不斷分析形勢的新變化，吸收新的經(jīng)驗和方法，調(diào)整和優(yōu)化研制流程，持續(xù)推動高技術(shù)復(fù)雜度單機產(chǎn)品研制模式的創(chuàng)新和完善，促進(jìn)產(chǎn)品競爭力的不斷提升。