長期存儲航天產(chǎn)品評估的系統(tǒng)工程方法應(yīng)用

劉闖斌，許曉冬，李 昊，龐智敏，張金輝，魏 強(qiáng)

（1.中國空間技術(shù)研究院 通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京100094；2.中國航天科技集團(tuán)有限公司，北京100048）

0 引言

隨著“航天強(qiáng)國建設(shè)”要求、國家“一帶一路”倡議及軍民融合等戰(zhàn)略的實(shí)施，我國航天事業(yè)迎來重大發(fā)展機(jī)遇，航天型號的應(yīng)用需求也面臨重大轉(zhuǎn)變，任務(wù)性質(zhì)從科研試驗(yàn)任務(wù)為主向應(yīng)用服務(wù)為主轉(zhuǎn)變，應(yīng)用規(guī)模從少量型號獨(dú)立應(yīng)用向小批量組網(wǎng)應(yīng)用轉(zhuǎn)變，應(yīng)用領(lǐng)域從特定領(lǐng)域少量需求向廣泛領(lǐng)域大量需求轉(zhuǎn)變[1]。為此，我國航天產(chǎn)品的種類、規(guī)模和數(shù)量需求日益增加，航天器研制多型號、多任務(wù)并舉及小批量生產(chǎn)、高密度出廠發(fā)射的特點(diǎn)愈發(fā)明顯，研制模式也正在從單星研制向通用化、系列化、組批生產(chǎn)轉(zhuǎn)變。

為適應(yīng)型號和單機(jī)產(chǎn)品需求大幅增加以及組批生產(chǎn)，航天器研制部門需要進(jìn)行器件、材料甚至單機(jī)的提前儲備和研制。然而，受研制難度、研制周期、發(fā)射時(shí)間安排等客觀因素限制，儲備的器件、材料或已完成研制的單機(jī)產(chǎn)品可能會(huì)在地面經(jīng)過一定時(shí)間的存儲后才能交付使用。這就給航天產(chǎn)品的地面存儲及存儲后的再使用評價(jià)提出了課題。

美國早在20世紀(jì)50～60年代就開展了航天產(chǎn)品存儲可靠性方面的研究和試驗(yàn)；2014年4月發(fā)射的美國國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃-F19衛(wèi)星（DMSP 5D3 F19）在地面存儲了近20年[2]。法國阿爾卡特宇航公司對衛(wèi)星的存儲管理有著明確的規(guī)定，對存儲環(huán)境要求、存儲之前的準(zhǔn)備工作、存儲期間的相關(guān)檢測以及存儲后的測試與試驗(yàn)都有詳細(xì)的規(guī)定，說明其衛(wèi)星存儲可靠性技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段[3]。但國外航天產(chǎn)品的存儲要求及評價(jià)方法等具體的基礎(chǔ)性研究成果尚未完全正式公布。

我國航天在幾十年的發(fā)展過程中，也形成了一系列航天產(chǎn)品存儲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。國內(nèi)一些航天器型號也有6個(gè)月到4年不等的地面存儲經(jīng)歷，涉及整星存儲和設(shè)備存儲等情況，積累了一些航天產(chǎn)品存儲方面的經(jīng)驗(yàn)[3]，但如何對長期存儲的航天產(chǎn)品進(jìn)行性能和可用性評價(jià)，還沒有形成一套系統(tǒng)、成熟的方法。

本文采用系統(tǒng)工程原理和方法，對航天產(chǎn)品長期存儲環(huán)境、存儲狀態(tài)，以及在規(guī)定環(huán)境中長期存儲后航天產(chǎn)品的性能、應(yīng)用狀態(tài)等評估因素和評價(jià)方法進(jìn)行梳理，按照用戶要求和航天產(chǎn)品研制質(zhì)量要求，建立長期存儲航天產(chǎn)品評估要素體系。

1 航天產(chǎn)品存儲環(huán)境條件約束

由于航天產(chǎn)品具有高風(fēng)險(xiǎn)、高可靠、高質(zhì)量、小子樣及一次成功的特殊性，對其研制和地面存儲環(huán)境也有相應(yīng)的非常嚴(yán)格的要求。在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)/企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，都對航天產(chǎn)品存儲的溫度、相對濕度、環(huán)境潔凈度等提出了具體要求。衛(wèi)星整星存儲環(huán)境條件要求如表1所列，國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般都要求整星在包裝箱內(nèi)保存；設(shè)備類產(chǎn)品存儲環(huán)境條件要求如表2所列，一般要求產(chǎn)品在包裝箱（袋）內(nèi)存儲，并充氮保持正壓或抽真空保存，或用防靜電塑料袋包裝后放置在專用包裝箱內(nèi)，并按要求放置干燥劑等。

表1 整星存儲環(huán)境條件要求Table1 Requirements of storage environment for satellite

表2 設(shè)備類產(chǎn)品存儲環(huán)境條件要求Table2 Requirements of storage environment for general electrical units

從上述標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中可以看出，針對航天產(chǎn)品存儲環(huán)境，除非有特殊要求，一般關(guān)注的是存儲產(chǎn)品的包裝箱內(nèi)外的溫度、相對濕度、潔凈度和氣壓狀態(tài)，其他影響產(chǎn)品的存儲要素應(yīng)該根據(jù)不同產(chǎn)品的特殊性進(jìn)行再規(guī)定。

2 長期存儲航天產(chǎn)品評估體系的建立

2.1 系統(tǒng)工程方法應(yīng)用

系統(tǒng)工程方法是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程目標(biāo)過程中應(yīng)用的一種跨學(xué)科的方法，它從需求出發(fā)，綜合多種專業(yè)技術(shù)，通過“分析—綜合—試驗(yàn)”的反復(fù)迭代，開發(fā)出整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)工程方法強(qiáng)調(diào)對系統(tǒng)的全壽命統(tǒng)籌策劃，分階段循序展開，利用還原論方法逐級分解，通過“分析—設(shè)計(jì)—驗(yàn)證”的反復(fù)迭代，最終運(yùn)用整體論方法綜合集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建造的完成和有效運(yùn)行。系統(tǒng)工程方法論的特點(diǎn)在于研究方法強(qiáng)調(diào)整體性，技術(shù)應(yīng)用強(qiáng)調(diào)綜合性，管理決策強(qiáng)調(diào)科學(xué)性[6-7]。系統(tǒng)工程方法的實(shí)施，實(shí)際上就是對影響系統(tǒng)性能的各因素進(jìn)行綜合權(quán)衡，尋求平衡和整體最優(yōu)。

我們可以把長期存儲航天產(chǎn)品的評估工作作為一個(gè)系統(tǒng)工程——如何系統(tǒng)地梳理各種紛繁復(fù)雜的影響因素，如何對這些因素進(jìn)行綜合協(xié)調(diào)和評價(jià)，尋求評價(jià)結(jié)果的最佳，正是系統(tǒng)工程觀點(diǎn)和處理原則、方法的具體體現(xiàn)。

2.2 評價(jià)因素的維度分析

對于存儲產(chǎn)品的評價(jià)維度涉及技術(shù)、管理和經(jīng)濟(jì)等多方面，評價(jià)要素的選擇比較困難。對于航天產(chǎn)品評估，主要還是應(yīng)該從技術(shù)的角度來考慮，因?yàn)槭褂么鎯Ξa(chǎn)品的目標(biāo)仍然是要滿足使用要求，能用是最主要的評價(jià)原則；其次，也要考慮用戶關(guān)心的經(jīng)濟(jì)性、研制進(jìn)度等問題。

技術(shù)角度考慮的因素主要包括：產(chǎn)品自身性能、產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品制造工藝、產(chǎn)品存儲環(huán)境影響等維度。

1）產(chǎn)品自身性能：針對產(chǎn)品長期存儲后功能的退化，機(jī)、電、熱性能的變化，整機(jī)的可靠性等進(jìn)行分析。

2）產(chǎn)品可靠性：針對研制產(chǎn)品所用的材料、元器件、接插件、電路板等進(jìn)行分析。

3）產(chǎn)品制造工藝：針對研制所用的制造工藝、研制流程等進(jìn)行分析。

4）產(chǎn)品存儲環(huán)境影響：主要針對產(chǎn)品存儲地點(diǎn)、溫度、濕度等對產(chǎn)品性能的影響進(jìn)行分析。

管理及用戶關(guān)心的主要是經(jīng)濟(jì)性和研制進(jìn)度等問題。

1）經(jīng)濟(jì)性：用戶作為商業(yè)公司，采購衛(wèi)星的目的主要是盈利，即便是重新啟動(dòng)研制的項(xiàng)目，同樣要考慮再次投入與未來產(chǎn)出、收益的效費(fèi)比。

2）研制進(jìn)度：重新啟動(dòng)項(xiàng)目，可能是出于滿足需求或其他諸如競爭需要等方面的考慮，因此能否盡快啟動(dòng)、完成項(xiàng)目研制也是用戶較為看重的。

值得注意的是，上述各種因素是相互影響和制約的，比如，部件、器件的長期存儲可能影響整機(jī)的性能，產(chǎn)品的修復(fù)與器件的更換影響經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度；經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度的制約影響產(chǎn)品的修復(fù)和質(zhì)量改進(jìn)，等等。而如何權(quán)衡各要素的利與弊，需要制定一套整體優(yōu)化和評價(jià)的原則和方法。產(chǎn)品評估和使用決策受到上述幾方面因素的綜合影響。

2.3 評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)制定

作為一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，對存儲產(chǎn)品的評估一樣可遵循系統(tǒng)工程方法，首先自頂向下進(jìn)行評估要素分解，逐一進(jìn)行評價(jià)后，再逐級上升進(jìn)行組件、整機(jī)的評價(jià)，最終通過多維度的綜合權(quán)衡，確定對存儲產(chǎn)品的處置意見。常用V 字形模型（見圖1）來描述此“分解—集成”的過程[6]。

圖1 評價(jià)工作過程V 字形模型Fig.1 V-typemodelof the evaluation process

具體的評價(jià)方法如下：

1）評價(jià)要素分解

如前所述，從技術(shù)和管理等方面充分考慮影響評估工作的各個(gè)因素，細(xì)化分解出應(yīng)該考慮的影響要素。暫且按前述的產(chǎn)品自身性能、產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品制造工藝、存儲環(huán)境影響等技術(shù)方面因素，以及經(jīng)濟(jì)性和研制進(jìn)度等管理方面因素。

2）制定評估方法與標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品自身性能的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以滿足用戶應(yīng)用要求為主；

產(chǎn)品可靠性、產(chǎn)品制造工藝的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以現(xiàn)行的質(zhì)量和管理要求為準(zhǔn)；

產(chǎn)品存儲環(huán)境影響主要看產(chǎn)品存儲地點(diǎn)、溫度、濕度等是否滿足存儲要求和現(xiàn)行的質(zhì)量和管理要求；

對經(jīng)濟(jì)性、研制進(jìn)度等的考慮和評價(jià)，主要是用戶根據(jù)市場需求和回報(bào)程度，考慮重新投產(chǎn)的代價(jià)是否值得，并要與研制方共同綜合權(quán)衡產(chǎn)品質(zhì)量與研制進(jìn)度對產(chǎn)品投入使用和效果的影響程度。

3）各要素復(fù)查、試驗(yàn)與驗(yàn)證

產(chǎn)品自身性能可以通過前期研制數(shù)據(jù)復(fù)查、再測試及環(huán)境試驗(yàn)等予以驗(yàn)證，也可利用相類似產(chǎn)品比對分析進(jìn)行評價(jià)；

產(chǎn)品可靠性可以通過元器件、原材料、產(chǎn)品部件進(jìn)行拆解后予以測試、分析和驗(yàn)證，也可利用同批、同類產(chǎn)品的比對試驗(yàn)予以驗(yàn)證；

產(chǎn)品制造工藝可以對研制所用的制造工藝、研制流程等進(jìn)行分析評審，也可以通過質(zhì)量復(fù)查、質(zhì)量確認(rèn)或比對試驗(yàn)等方式進(jìn)行驗(yàn)證；

產(chǎn)品存儲環(huán)境影響可以查看存儲場所的環(huán)境監(jiān)測記錄來尋找證據(jù)；

對經(jīng)濟(jì)性、研制進(jìn)度等的考慮和評價(jià)，需要用戶對市場預(yù)期、投入/產(chǎn)出以及產(chǎn)品時(shí)效性、應(yīng)用時(shí)限性等進(jìn)行比較分析，為評價(jià)提供依據(jù)。

存儲產(chǎn)品評價(jià)要素、評估標(biāo)準(zhǔn)與方法見表3。

表3 存儲產(chǎn)品評價(jià)要素、評估標(biāo)準(zhǔn)與方法Table3 Example of items and criteria for evaluating the stored product

2.4 綜合評估與決策

1）各要素評價(jià)與影響分析

針對評價(jià)要素自身的影響進(jìn)行定性或定量分析，評價(jià)出產(chǎn)品可用性或者說對用戶而言的可接受性，結(jié)果最好是定量的；如果無法定量評價(jià)，也應(yīng)利用數(shù)字分級進(jìn)行定性評價(jià)。

2）產(chǎn)品整體評價(jià)與綜合權(quán)衡決策

系統(tǒng)工程的優(yōu)化過程實(shí)際上也是各種約束條件相互妥協(xié)、互相讓步、尋求整體最優(yōu)的過程。存儲產(chǎn)品的評價(jià)也需要綜合權(quán)衡各要素對整機(jī)性能、用戶需求等方面的影響，由用戶和研制方一起綜合分析評價(jià)后做出最終決策。當(dāng)然，對于系統(tǒng)重要產(chǎn)品、單點(diǎn)產(chǎn)品等，也可以根據(jù)關(guān)鍵因素評價(jià)結(jié)果實(shí)施一票否決。

3 某衛(wèi)星存儲產(chǎn)品評估實(shí)踐

某衛(wèi)星于2007年開始設(shè)計(jì)研制，由于種種原因，于2009年10 月轉(zhuǎn)入地面存儲階段。衛(wèi)星平臺在將其上單機(jī)基本拆除后返回研制單位單獨(dú)存儲，通信艙放置在包裝箱內(nèi)并充氮保存，天線分系統(tǒng)返回研制單位單獨(dú)存儲。2013年12月，用戶明確重新啟動(dòng)該衛(wèi)星研制時(shí)，大多數(shù)的衛(wèi)星留存產(chǎn)品已存儲6年多。

由于經(jīng)費(fèi)等原因，用戶希望盡量采用存儲的產(chǎn)品開展重啟后的衛(wèi)星研制工作，給型號項(xiàng)目提出了評估存儲產(chǎn)品是否可以再使用的要求。借助第2章所述的多角度、多維度的影響因素和評估方法，衛(wèi)星研制隊(duì)伍對存儲的產(chǎn)品進(jìn)行了全面評估，最終60%的存儲產(chǎn)品得到再次應(yīng)用。2017年，該衛(wèi)星順利完成發(fā)射任務(wù)，在軌交付使用，目前運(yùn)行狀態(tài)良好。

3.1 產(chǎn)品存儲環(huán)境要求制定

由于該衛(wèi)星產(chǎn)品決定轉(zhuǎn)入存儲狀態(tài)時(shí)，國內(nèi)還沒有系統(tǒng)、成熟的航天產(chǎn)品存儲和評估標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，所以制定存儲方案時(shí)，主要參考產(chǎn)品研制以及其他類似產(chǎn)品的相關(guān)要求，確定的產(chǎn)品存儲要求主要包括如下方面。

1）衛(wèi)星平臺：①存儲在專用包裝箱或滿足存儲要求的存儲間內(nèi)；②包裝箱（存儲間）內(nèi)充入干燥氮?dú)?，形成正壓保護(hù)，溫度控制在(20±5)℃范圍內(nèi)，相對濕度控制在60%以下。

2）通信艙：①已安裝的儀器設(shè)備等，隨通信艙一起存儲在專用包裝箱（存儲間）內(nèi)；②包裝箱（存儲間）內(nèi)充入干燥氮?dú)?，形成正壓保護(hù)，溫度控制在(20±5)℃范圍內(nèi)，相對濕度控制在60%以下。

3）天線產(chǎn)品：①采用專用包裝箱單獨(dú)存儲；②包裝箱內(nèi)充氮?dú)饣虺檎婵眨鎯Νh(huán)境潔凈度等級為10萬級，并在包裝箱內(nèi)放置適量干燥劑，同時(shí)配置溫/濕度和污染監(jiān)視。

4）其他存儲單機(jī)：①在包裝箱內(nèi)存儲，存儲環(huán)境潔凈度等級為10萬級，溫度控制在(20±5)℃，相對濕度控制在30%～60%；②對敏感機(jī)電組件采取必要的保護(hù)措施，并按照規(guī)定的條件保存。

5）存儲時(shí)間不超過36個(gè)月。

現(xiàn)在看來，上述存儲要求基本達(dá)到或嚴(yán)于后續(xù)發(fā)布的國家和行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，為維持和保證產(chǎn)品狀態(tài)和性能提供了保障。

3.2 存儲期間的產(chǎn)品監(jiān)控情況

產(chǎn)品存儲期間，按照存儲方案要求，研制單位定期對存儲包裝箱（存儲間）和存儲場地的溫度、相對濕度、壓力進(jìn)行監(jiān)測和控制；每6個(gè)月，進(jìn)行存儲設(shè)備的外觀檢查、電子單機(jī)通電健康檢查；每12個(gè)月，進(jìn)行通信艙、平臺設(shè)備的外觀檢查、通電健康檢查和主要性能測試，確保產(chǎn)品狀態(tài)良好、可控。

定期的檢查和測試結(jié)果表明，產(chǎn)品存儲狀態(tài)和性能在存儲期間基本正常。

3.3 產(chǎn)品評估情況

1）制定產(chǎn)品驗(yàn)證與評估流程

產(chǎn)品驗(yàn)證與評估主要從技術(shù)層面對產(chǎn)品性能、可靠性等進(jìn)行全面評價(jià)。首先，根據(jù)存儲產(chǎn)品的類型、狀態(tài)等，制定產(chǎn)品評估總體方案，明確評估和驗(yàn)收準(zhǔn)則、方法及步驟；然后，按單機(jī)、分系統(tǒng)等不同層級開展相關(guān)復(fù)查、檢測、測試及補(bǔ)充試驗(yàn)驗(yàn)證等，同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品類型和特點(diǎn)，制定各類產(chǎn)品的驗(yàn)收條件；最后，根據(jù)驗(yàn)收條件和復(fù)查、測試、試驗(yàn)等數(shù)據(jù)，評估產(chǎn)品元器件、材料及工藝的質(zhì)量狀況和再使用可靠性等，進(jìn)行可用性評價(jià)[8]，為留用或新研等決策提供依據(jù)。

2）各要素復(fù)查、試驗(yàn)與驗(yàn)證

對存儲產(chǎn)品進(jìn)行了復(fù)查、性能測試等，結(jié)果表明產(chǎn)品性能滿足要求，而且與存儲前、存儲期間的性能一致性好。通過類比分析了存儲產(chǎn)品選用的原材料和元器件，均滿足產(chǎn)品使用要求。對產(chǎn)品進(jìn)行了開蓋檢查，焊線、印制板狀態(tài)等均未發(fā)現(xiàn)異常；根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了工藝更改以及單機(jī)的補(bǔ)充測試、地面環(huán)境試驗(yàn)等驗(yàn)證，結(jié)果表明產(chǎn)品性能滿足要求。復(fù)查產(chǎn)品存儲環(huán)境監(jiān)測記錄，結(jié)果顯示存儲期間的存儲環(huán)境滿足要求。

3）評價(jià)分析與綜合決策

以上各項(xiàng)定性或定量分析結(jié)果顯示存儲產(chǎn)品性能可靠，可以繼續(xù)使用。因此，雖然新研單機(jī)的研制周期也能滿足型號進(jìn)度需要，但綜合考慮經(jīng)濟(jì)性后，最終決策該產(chǎn)品經(jīng)過修復(fù)后繼續(xù)使用。

4 結(jié)束語

采用系統(tǒng)工程原理和方法建立的長期存儲航天產(chǎn)品評估要素體系，綜合考慮了航天產(chǎn)品長期存儲的環(huán)境、存儲狀態(tài)，以及在長期存儲后產(chǎn)品的性能、應(yīng)用狀態(tài)等評估因素和評價(jià)方法，并按照用戶的要求和航天產(chǎn)品研制質(zhì)量要求，從技術(shù)和管理兩個(gè)方面，進(jìn)行多個(gè)維度、多個(gè)層級的評估。通過對存儲期長達(dá)6年多的某衛(wèi)星產(chǎn)品進(jìn)行存儲、評估、再使用的應(yīng)用實(shí)踐，取得了良好的效果，節(jié)約了研制成本，縮短了研制周期，探索了航天存儲產(chǎn)品評估與再使用的技術(shù)方法和管理模式，也為相關(guān)規(guī)范制定和產(chǎn)品批產(chǎn)存儲與應(yīng)用提供了實(shí)踐依據(jù)。

鑒于航天產(chǎn)品技術(shù)跨度大、資金投入多、生產(chǎn)周期長、研制風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)[7]，這套體系中一些原則性和定性分析的方法，還有更多具體的實(shí)施細(xì)節(jié)和要素評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等需要通過不斷實(shí)踐，進(jìn)一步細(xì)化、量化和完善。