降低商業(yè)低軌衛(wèi)星星座用元器件成本的方法研究

趙麗 張楠 王坦 雷亞珂 尹世剛

1. 中國(guó)航天科工二院空間工程總體部，北京 100854；2. 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854

0 前言

隨著通信衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，全球掀起了低軌通信星座建設(shè)熱潮，主要體現(xiàn)在星座規(guī)模驟增（國(guó)外典型LEO星座建設(shè)計(jì)劃，如OneWeb和SpaceX星座數(shù)量計(jì)劃達(dá)到數(shù)千顆，如表1所示）、建設(shè)成本降低、研制周期縮短等方面[1-3]。幾千顆的衛(wèi)星交付需求給元器件的選用、采購(gòu)、配套和質(zhì)量保證工作帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。以2017年底成功發(fā)射的虹云工程技術(shù)驗(yàn)證星為代表，標(biāo)志著中國(guó)商業(yè)航天進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段。商業(yè)航天型號(hào)除了具有一般長(zhǎng)壽命、高可靠、高質(zhì)量的特點(diǎn)，還具有其特有的大批量、低成本、短周期等研制特點(diǎn)，需要滿足用戶在快響應(yīng)、個(gè)性化等方面不斷增長(zhǎng)的需求，以更低的成本、更快的速度投入市場(chǎng)，給傳統(tǒng)的型號(hào)研制模式提出了新的挑戰(zhàn)。這就要求商業(yè)衛(wèi)星用元器件具備低成本、小型化、輕重量、小體積、高可靠性、高密度集成等特點(diǎn)，并能覆蓋批量化衛(wèi)星生產(chǎn)的應(yīng)用需求，穩(wěn)定配套供應(yīng)。

表1 國(guó)外典型LEO星座衛(wèi)星數(shù)量

1 現(xiàn)階段衛(wèi)星用元器件供應(yīng)模式分析

目前，國(guó)內(nèi)研制的中高軌通信衛(wèi)星出于軌道高度和在軌長(zhǎng)壽命的考慮，對(duì)元器件的可靠性指標(biāo)要求較高，這就需要從元器件等級(jí)以及篩選條件等方面加強(qiáng)控制，以滿足衛(wèi)星高可靠、長(zhǎng)壽命的指標(biāo)要求，因此造成了衛(wèi)星成本居高不下?，F(xiàn)有的元器件采購(gòu)和質(zhì)量保證模式難以滿足大規(guī)模商用衛(wèi)星星座的建設(shè)研制元器件配套保障要求，主要表現(xiàn)如下：

（1）商業(yè)衛(wèi)星星座其特征表現(xiàn)為低成本、小型化以及快響應(yīng)等，使用功能較為先進(jìn)的低等級(jí)元器件的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯，因而元器件等級(jí)選型方式也需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以此保證商業(yè)航天低成本、快響應(yīng)的優(yōu)勢(shì)；

（2）目前，各衛(wèi)星配套單位的元器件采購(gòu)基本上是獨(dú)立采購(gòu)，存在對(duì)供應(yīng)商產(chǎn)品及服務(wù)的要求個(gè)性化，缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)，從而導(dǎo)致采購(gòu)效率低下，元器件采購(gòu)成本高，甚至出現(xiàn)供給中斷等情況，嚴(yán)重影響商業(yè)航天研制進(jìn)度；

（3）為優(yōu)化型號(hào)研制生產(chǎn)流程，對(duì)降低元器件質(zhì)保成本、縮短質(zhì)保周期提出了迫切需求，目前，單星用元器件的保證模式難以滿足星座的需求，急需根據(jù)商業(yè)星座特點(diǎn)，研究元器件差異化的質(zhì)量保證模式。

綜合來(lái)看，需要通過(guò)系統(tǒng)研究，探索降低商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件成本的道路，以保證商業(yè)通信衛(wèi)星的快響應(yīng)、低成本優(yōu)勢(shì)，以建立起滿足商業(yè)航天應(yīng)用需求的元器件低成本長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)體系，有力支撐以衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)低軌星座為代表的商業(yè)航天型號(hào)工程順利實(shí)施[4-6]。

2 現(xiàn)階段衛(wèi)星用元器件成本分析

結(jié)合現(xiàn)階段的衛(wèi)星用元器件的供應(yīng)模式，本文從型號(hào)用元器件選型、采購(gòu)、質(zhì)量保證等環(huán)節(jié)，對(duì)現(xiàn)階段衛(wèi)星用元器件成本構(gòu)成進(jìn)行分析。衛(wèi)星用元器件成本影響因素主要包括元器件本身的成本、質(zhì)保成本，其中，元器件等級(jí)和采購(gòu)數(shù)量又決定了元器件本身成本。因此，降低商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件成本主要從降低元器件等級(jí)、集中采購(gòu)和降低元器件質(zhì)保成本3方面入手。

3 按需降低衛(wèi)星星座用元器件成本的方法研究

在保證衛(wèi)星用元器件質(zhì)量可靠性要求的前提下，降低商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件成本的方法主要從差異化使用低等級(jí)元器件、優(yōu)化采購(gòu)模式、差異化制定元器件的質(zhì)量保證方法等3個(gè)方面入手。

3.1 衛(wèi)星用低等級(jí)元器件差異化使用

衛(wèi)星型號(hào)上降低元器件等級(jí)不能“一刀切”，應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星任務(wù)軌道、壽命要求、空間輻射環(huán)境和防護(hù)要求，開展元器件選用分析。如，對(duì)于關(guān)鍵輻照敏感的元器件選用抗輻照產(chǎn)品；對(duì)于非輻照敏感產(chǎn)品可以適當(dāng)降低等級(jí)；部分規(guī)格可選用經(jīng)多次飛行驗(yàn)證過(guò)的低等級(jí)器件。在進(jìn)行元器件選擇時(shí)，可以充分繼承以往的地面驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不單純依靠元器件抗輻射能力抵御空間環(huán)境效應(yīng)，可以通過(guò)多種設(shè)計(jì)防護(hù)手段合理應(yīng)用器件等。

首先，根據(jù)單機(jī)應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)酷度、冗余方式確定單機(jī)應(yīng)用等級(jí)，進(jìn)而確定所選元器件應(yīng)用環(huán)境的嚴(yán)酷度和冗余方式，最終確定所選元器件的應(yīng)用等級(jí)，劃分操作流程如圖1所示。衛(wèi)星的“生命線系統(tǒng)”：供配電分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)等，在技術(shù)驗(yàn)證星階段，使用的核心元器件等級(jí)保持不變。經(jīng)過(guò)必要的風(fēng)險(xiǎn)分析、評(píng)價(jià)、篩選和鑒定等工作，其他分系統(tǒng)可以適當(dāng)降低元器件等級(jí)。后續(xù)根據(jù)研制經(jīng)驗(yàn)，逐步降低電源、測(cè)控、綜合電子分系統(tǒng)等的元器件選用等級(jí)。

另外，在前期技術(shù)驗(yàn)證衛(wèi)星上選用元器件時(shí)，盡量選擇元器件質(zhì)量等級(jí)可以向下覆蓋的型號(hào)規(guī)格，方便后期進(jìn)行衛(wèi)星選用元器件質(zhì)量等級(jí)降低；盡量采購(gòu)國(guó)內(nèi)和國(guó)際上成熟的宇航級(jí)、軍級(jí)元器件供應(yīng)商以及生產(chǎn)線上生產(chǎn)的低等級(jí)元器件，確保元器件質(zhì)量的穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)低等級(jí)元器件的應(yīng)用位置和典型失效模式，開展特定的元器件質(zhì)量保證工作，如在元器件質(zhì)保過(guò)程中，提高低等級(jí)電容的篩選耐壓值。

3.2 元器件采購(gòu)模式優(yōu)化

結(jié)合元器件特點(diǎn)、質(zhì)量等級(jí)、應(yīng)用情況等，在保證所選元器件的性能、可靠性、進(jìn)度、成本等方面滿足商業(yè)衛(wèi)星要求的條件下，優(yōu)先基于成熟產(chǎn)品及成熟工藝，合并壓縮元器件的規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家，采取衛(wèi)星總體牽頭的模式，集中從元器件生產(chǎn)廠家訂購(gòu)產(chǎn)品。比如，星上大量使用的電阻、電容、電感、電連接器、半導(dǎo)體分立器件等，由衛(wèi)星總體牽頭，結(jié)合前期衛(wèi)星研制過(guò)程中元器件選型經(jīng)驗(yàn)，制定元器件批量采購(gòu)規(guī)范，對(duì)配套單位采用的元器件種類、規(guī)格、質(zhì)量等級(jí)、性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一要求。同時(shí)和元器件生產(chǎn)廠家約定批量采購(gòu)的各類型、各質(zhì)量等級(jí)的元器件價(jià)格和供貨周期，指導(dǎo)衛(wèi)星分系統(tǒng)配套單位直接從元器件生產(chǎn)廠家批量訂購(gòu)元器件，通過(guò)衛(wèi)星用元器件統(tǒng)談分簽集中采購(gòu)，可以提高型號(hào)配套效率并降低成本。

對(duì)商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件采購(gòu)模式優(yōu)化分為三個(gè)階段。

第一階段：針對(duì)批量化衛(wèi)星低成本、組批生產(chǎn)、元器件需求量大、元器件質(zhì)量水平要求高等特點(diǎn)，在衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)之初，衛(wèi)星總體應(yīng)要求各分系統(tǒng)在選擇元器件時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）先進(jìn)性：所選的元器件要具有一定的先進(jìn)性，符合衛(wèi)星元器件需求型譜規(guī)劃，有較長(zhǎng)的生命周期；

（2）繼承性：所選的元器件應(yīng)充分繼承在成熟型號(hào)上成功應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)元器件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和進(jìn)口元器件的選用、采購(gòu)信息；

（3）優(yōu)化壓縮：由衛(wèi)星總體牽頭，要求衛(wèi)星各分系統(tǒng)盡量集中選型，壓縮選型品種，對(duì)各類元器件的型號(hào)規(guī)格、供貨廠家、封裝形式等進(jìn)行合并壓縮；

（4）覆蓋需求：所選元器件應(yīng)盡量覆蓋批量化衛(wèi)星的應(yīng)用需求；

（5）自主可控：所選用的元器件應(yīng)為自主可控元器件，對(duì)于已經(jīng)禁運(yùn)或者停產(chǎn)的元器件不能選用；

（6）穩(wěn)定供應(yīng)：為保障批量化衛(wèi)星元器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定可獲得，所選用的元器件原則上應(yīng)考慮兩家以上的供應(yīng)商。

結(jié)合型號(hào)上元器件選用情況，進(jìn)行制定元器件選型規(guī)范的頂層策劃，以及元器件優(yōu)選生產(chǎn)廠家的梳理。

第二階段：進(jìn)入衛(wèi)星批產(chǎn)階段之前，結(jié)合前期元器件選型情況，衛(wèi)星總體牽頭配套單位和元器件生產(chǎn)廠家，制定型號(hào)的元器件選型規(guī)范，對(duì)配套單位采用的元器件種類、規(guī)格、質(zhì)量等級(jí)、性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一要求。同時(shí)和元器件生產(chǎn)廠家約定批量采購(gòu)的各類型、各質(zhì)量等級(jí)的元器件價(jià)格和供貨周期，以期可以更低成本、更高效為衛(wèi)星配套。衛(wèi)星配套單位按照總體制定的元器件選型規(guī)范以及既定的批量?jī)r(jià)格，直接從規(guī)定的元器件生產(chǎn)廠家進(jìn)行采購(gòu)。同時(shí)，建立元器件配套廠家動(dòng)態(tài)考核機(jī)制，對(duì)不同應(yīng)用等級(jí)的元器件生產(chǎn)過(guò)程提出不同的管控措施，對(duì)生產(chǎn)工藝變更和不符合衛(wèi)星型號(hào)可靠性要求的廠家有明確的處理措施。結(jié)合上述內(nèi)容，制定商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件批量采購(gòu)方案。

第三階段：在衛(wèi)星批產(chǎn)階段，根據(jù)元器件實(shí)際選型情況，進(jìn)一步優(yōu)化選型規(guī)范和元器件批量采購(gòu)質(zhì)量保證方案。具體如圖2所示。

3.3 衛(wèi)星用元器件差異化質(zhì)量保證方法研究

元器件質(zhì)量保證工作的原則是：盡量將元器件質(zhì)量保證工作前移，實(shí)現(xiàn)元器件研制、質(zhì)量控制、質(zhì)量保證一體化進(jìn)行，達(dá)到節(jié)約成本和縮短周期的目的，并充分借鑒已有成熟飛行經(jīng)歷的元器件質(zhì)量保證數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品固有可靠性和應(yīng)用等級(jí)要求，制定差異化的質(zhì)量保證要求。探索適合商用衛(wèi)星元器件的篩選條件，保證元器件的可靠性，具體如下所述：

（1）推進(jìn)質(zhì)量控制過(guò)程前移，加強(qiáng)產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制（SPC），適當(dāng)減少甚至取消后期篩選項(xiàng)目。有文獻(xiàn)[7]對(duì)多顆衛(wèi)星選用的不同類型的器件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，比如星上大量使用的電阻、電容、電感、電連接器、半導(dǎo)體分立器件等，由于目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家生產(chǎn)工藝得到了大幅度提升，產(chǎn)品一致性好，可靠性高，二篩幾乎沒(méi)有失效問(wèn)題發(fā)生，軍用級(jí)以上的質(zhì)量等級(jí)器件，在生產(chǎn)過(guò)程中一次完成所有的質(zhì)量控制工作，不再進(jìn)行補(bǔ)充篩選項(xiàng)目。為確保元器件質(zhì)量，可委托第三方元器件質(zhì)量保證專業(yè)機(jī)構(gòu)定期或不定期進(jìn)行質(zhì)量保證工作，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)不到指標(biāo)要求的廠家，進(jìn)行既定的處理措施。

（2）對(duì)于繼電器、部分半導(dǎo)體器件、集成電路、星上使用的進(jìn)口元器件等可以延用型號(hào)原有的篩選模式進(jìn)行篩選，或者根據(jù)元器件質(zhì)量等級(jí)簡(jiǎn)化篩選內(nèi)容。根據(jù)衛(wèi)星壽命要求制定篩選條件，探索適合商用衛(wèi)星元器件的質(zhì)保方案，保證元器件的可靠性。

（3）對(duì)于低等級(jí)元器件，結(jié)合型號(hào)需求，通過(guò)一系列試驗(yàn)、分析，對(duì)選用的低質(zhì)量等級(jí)器件進(jìn)行加嚴(yán)篩選，剔除一定比例的存在早期失效風(fēng)險(xiǎn)的器件，適當(dāng)提高元器件使用可靠性。對(duì)低等級(jí)器件生產(chǎn)過(guò)程控制等生產(chǎn)要素進(jìn)行識(shí)別，對(duì)原始等級(jí)的器件設(shè)計(jì)生產(chǎn)經(jīng)歷和狀況進(jìn)行摸底，包含設(shè)計(jì)、仿真、流片、封裝、篩選、鑒定等識(shí)別關(guān)鍵工藝和過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)；識(shí)別是否存在和故障相關(guān)的敏感應(yīng)力或應(yīng)用場(chǎng)景；綜合器件生產(chǎn)要素、應(yīng)用特點(diǎn)、降額方式、防護(hù)等級(jí)等，適當(dāng)參照宇航專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、失效機(jī)理、失效案例等，對(duì)關(guān)鍵項(xiàng)目、關(guān)鍵應(yīng)力進(jìn)行加嚴(yán)，包含關(guān)鍵電參數(shù)測(cè)試、動(dòng)態(tài)老化、氣密性、內(nèi)腔氣氛等。

（4）制定針對(duì)性的元器件生產(chǎn)過(guò)程狀態(tài)控制，對(duì)于篩選檢測(cè)成本高的元器件，可以分析其可靠性以及對(duì)型號(hào)任務(wù)的影響，采用板級(jí)篩選方式實(shí)施質(zhì)量保證。

總而言之，加強(qiáng)元器件選用控制管理最終以選用目錄為著力點(diǎn)，通過(guò)建立獨(dú)立的元器件選用目錄來(lái)指導(dǎo)各衛(wèi)星配套單位開展元器件選型，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)范元器件選用的目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

商業(yè)衛(wèi)星用元器件只有建立面向商業(yè)應(yīng)用、組批采購(gòu)、質(zhì)量保證、成本控制的保障模式，才能適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)。降低商業(yè)衛(wèi)星星座用元器件成本主要從降低元器件等級(jí)、集中采購(gòu)和降低元器件質(zhì)量保證成本3方面入手給出實(shí)施措施，指導(dǎo)型號(hào)元器件選型、評(píng)價(jià)與驗(yàn)證、質(zhì)量保證等，以建立起滿足商業(yè)航天應(yīng)用需求的元器件低成本長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)體系，支撐商業(yè)航天型號(hào)工程順利實(shí)施，最終達(dá)到降低商業(yè)衛(wèi)星滿足用戶需求和實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)價(jià)值為基本目標(biāo)。