基于產(chǎn)品化的電源貨架建設研究與實踐

趙晶、戴藝凱、王建軍、趙志剛、白玉玲 /北京航天發(fā)射技術(shù)研究所

近年來，我國的國防支出預算穩(wěn)步增長，但目前新裝備數(shù)量及結(jié)構(gòu)占比與美俄等軍事強國相比仍有較大的差距，“補償式”發(fā)展空間巨大。隨著武器裝備向智能化、集成化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展升級換代，負責電能轉(zhuǎn)換的電源產(chǎn)品需求將會大幅增加，在航空、航天、車輛、電子、核工業(yè)及船舶等重要領域，隨著國家政策對國防力量建設和支撐力度不斷加大，新一代武器裝備在“十四五”期間加速列裝必將帶動上游配套需求提升。

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所在電源領域具備較為豐富的軍品研制配套經(jīng)驗、較為完備的研發(fā)體系，掌握著產(chǎn)品核心技術(shù)、具備完備試驗設施等優(yōu)勢，但是其小批量定制化的研制生產(chǎn)模式存在的問題逐步顯現(xiàn)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是定制化研發(fā)模式以功能實現(xiàn)為主，實現(xiàn)功能的技術(shù)途徑因設計者而異，不利于技術(shù)風險管控與核心技術(shù)能力發(fā)展；二是不同型號項目在成本預算和可靠性上有較大的差異化需求，滿足功能性需求的電源產(chǎn)品難以覆蓋預算需求，在項目競標中處于不利地位；三是定制化研發(fā)模式下產(chǎn)品通用性不佳，隨著型號種類增加，存在重復研制問題；四是定制化研發(fā)模式產(chǎn)品批量小、成本高，產(chǎn)品的實際質(zhì)量特性難以把控。因此，研究所從2013 年開始針對地面電源產(chǎn)品開展了一系列基于產(chǎn)品化的貨架建設研究與實踐工作。

一、電源產(chǎn)品貨架建設

經(jīng)過貨架構(gòu)建調(diào)研論證，研究所對電源產(chǎn)品及下級零部組件進行了梳理，按產(chǎn)品成熟度以及型號應用情況逐步構(gòu)建出產(chǎn)品貨架、產(chǎn)品儲備庫和產(chǎn)品零部組件2 級貨架，并形成一套產(chǎn)品化制度體系框架，包括產(chǎn)品化工作管理、型譜管理、產(chǎn)品管理以及配套保障條件實施辦法，并著重針對電源貨架產(chǎn)品的規(guī)劃、產(chǎn)品選用控制、產(chǎn)品成熟度管理、產(chǎn)品批產(chǎn)質(zhì)量控制進行了探索與實踐。

1.貨架產(chǎn)品規(guī)劃

貨架產(chǎn)品規(guī)劃工作由所內(nèi)研究室承擔，在產(chǎn)品化電源貨架建設模式下，型譜特征參數(shù)是劃分電源類產(chǎn)品型譜規(guī)格序列的主要依據(jù)，按照模塊化、系列化、功率可擴展為基本原則建立型譜。

針對技術(shù)途徑因設計者而異的問題，確立了單機產(chǎn)品開發(fā)基于技術(shù)平臺的原則。以開關(guān)電源產(chǎn)品為例，目前基于LLC 軟開關(guān)技術(shù)規(guī)劃出兩大技術(shù)平臺，形成PDA 系列、PDB 系列電源。其中，PDA 系列產(chǎn)品采用半橋LLC 技 術(shù)，屬 于DC/AC-DC 開關(guān)電源；PDB 系列產(chǎn)品采用移相全橋LLC 技術(shù)，屬于DC-DC 開關(guān)電源。

以PDA 系列為例，以輸出電壓等級為分類根據(jù)，采用模塊并聯(lián)方式進行功率擴展，最終覆蓋用戶需求。目前已形成3.5kW、1.2kW 和300W 級 別 共 有13 種產(chǎn)品可供選用，并有10 種產(chǎn)品在研或完成規(guī)劃，針對航天系統(tǒng)內(nèi)地面電源供電需求形成較為完備的產(chǎn)品型譜，如圖1 所示。

圖1 PDA系列電源型譜

針對不同型號項目在成本預算和可靠性上有較大差異化需求，提高競標產(chǎn)品競爭力，通過快速設計拓展出適應不同可靠性需求、成本需求的同功能子系列產(chǎn)品，子系列產(chǎn)品的型號尾綴用于表示可靠性及成本情況，具體含義如下：

（1）無尾綴。選用工業(yè)級器件，一般為原理樣機階段產(chǎn)品、中試產(chǎn)品，成本低、生產(chǎn)周期短，可作為橫向產(chǎn)品使用和系統(tǒng)研制初期使用；

（2）A。滿足國產(chǎn)化“雙九五”標準，屬于國產(chǎn)化進程中的中間過渡產(chǎn)品；

（3）B。價格適中且可靠性與進口件相當?shù)钠骷?，如阻容器件及低功率半導體器件選用國產(chǎn)普軍級，為現(xiàn)階段主打性價比產(chǎn)品；

（4）C。滿足器件國產(chǎn)化“百分之百”要求，器件質(zhì)量等級較低，成本較低，可滿足軍方對國產(chǎn)化的要求；

（5）D。滿足器件國產(chǎn)化“百分之百”要求，器件質(zhì)量等級較高，成本較高，可靠性較高，可同時滿足軍方對高可靠性和國產(chǎn)化的要求。

2.貨架產(chǎn)品選用控制

針對不同型號項目單機重復研制的問題，提高研制效率、效益和質(zhì)量與可靠性，實現(xiàn)基于產(chǎn)品型譜的產(chǎn)品規(guī)劃、開發(fā)與選用的良性循環(huán)，研究所修訂了《電源產(chǎn)品選用控制流程及要素》，給出產(chǎn)品選用控制要求和選用要素，以規(guī)范電源產(chǎn)品選用，提高型號產(chǎn)品的產(chǎn)品化率。

型號從貨架選用產(chǎn)品的一般原則是：一是優(yōu)先選用貨架中成熟度高的產(chǎn)品，同一成熟度產(chǎn)品優(yōu)先選用批產(chǎn)量大、故障率低產(chǎn)品；二是同一規(guī)格不同尾綴的產(chǎn)品，從性價比角度考慮，一般來說選擇順序為B、A、C、D；三是產(chǎn)品的選擇要綜合考慮可靠性、價格、器件國產(chǎn)化情況、生產(chǎn)周期、庫存狀況、售后、技術(shù)先進性、性能指標等；四是如果貨架無可直接選用產(chǎn)品，優(yōu)先在成熟技術(shù)平臺上開發(fā)新品。開發(fā)新品時以改動最小為原則，重點關(guān)注變化的部分。產(chǎn)品選用控制一般流程如圖2 所示。

圖2 產(chǎn)品選用控制流程

產(chǎn)品選用控制要素從系統(tǒng)使用角度進行分類，分為關(guān)鍵要素與一般要素。關(guān)鍵要素為產(chǎn)品不可或缺功能，涉及到重新研制的問題；一般要素則為用戶可協(xié)商項，專門為該要素新研單機并不劃算。電源產(chǎn)品選用流程中的控制要素見表1。一般要素涉及指標較多，一般均按標準或行業(yè)慣例執(zhí)行，要素表中不一一列出。

表1 電源類產(chǎn)品控制要素表

3.貨架產(chǎn)品成熟度管理

針對電源產(chǎn)品的技術(shù)特點，研究所根據(jù)中國運載火箭技術(shù)研究院標準編制了電氣類產(chǎn)品成熟度定級標準，將電氣類產(chǎn)品成熟度劃分為8 個等級。各級的定義及對應的研制階段見表2。在產(chǎn)品化研制生產(chǎn)模式中，電源單機的生產(chǎn)數(shù)量遠遠超過以往的定制化型號電源，因此新的成熟度定級標準中不再使用宇航單機產(chǎn)品成熟度定級標準以飛行考核次數(shù)作為成熟度定級依據(jù)，而是以更加嚴格的可靠性增長試驗、多型號應用考核以及批產(chǎn)數(shù)量作為成熟度定級的依據(jù)。

表2 電氣類產(chǎn)品成熟度等級劃分和定義

產(chǎn)品成熟度作為進入產(chǎn)品貨架的依據(jù)之一，產(chǎn)品進入貨架的條件包括（必須同時滿足）：一是在產(chǎn)品型譜內(nèi)；二是產(chǎn)品達到3級成熟度要求，完成成熟度評定工作；三是有2 個及以上用戶選用。

儲備庫入庫條件包括（滿足條件之一，但必須在產(chǎn)品型譜內(nèi)）：一是HTF 產(chǎn)品中具有通用性能，但成熟度未達到3 級；二是成熟度達到3 級但用戶未達到2 個；三是原1TY、TY 產(chǎn)品中具有廣泛應用前景；四是產(chǎn)品化牽引研制但成熟度未達到3 級。

4.貨架產(chǎn)品批產(chǎn)質(zhì)量控制

在實現(xiàn)了產(chǎn)品化貨架建設后，針對實際質(zhì)量特性難以把控的問題，有了批產(chǎn)數(shù)據(jù)的支撐。為提高貨架產(chǎn)品批產(chǎn)質(zhì)量控制，深入推進電源產(chǎn)品合格率與穩(wěn)定性控制工作的開展，研究所建立了產(chǎn)品控制清單，面向產(chǎn)品生產(chǎn)制造流程，基于全壽命周期實測質(zhì)量數(shù)據(jù)分解產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，展開過程工序；面向產(chǎn)品制造全流程分析薄弱環(huán)節(jié)，確定影響合格率與穩(wěn)定性的因素。

二、產(chǎn)品化貨架建設成果

目前，電源單一規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量已從幾十臺發(fā)展到幾百臺，2019 年實現(xiàn)了千臺批產(chǎn)，從樣機小批研制到產(chǎn)品化的組批投產(chǎn)，實現(xiàn)了從量變到質(zhì)變的跨越，電源產(chǎn)品的質(zhì)量也經(jīng)過逐年的批量化生產(chǎn)得到有效提升。

以質(zhì)量控制中的合格率為例，研究所詳細梳理了每年批產(chǎn)任務電源產(chǎn)品的出廠合格率及存在的問題和設計及工藝改進方案。表3 為某型號電源歷年出廠數(shù)量（模糊處理）及出廠合格率數(shù)據(jù)。

表3 某型號電源歷年出廠合格率

從具體數(shù)據(jù)可以看出，電源貨架產(chǎn)品在經(jīng)過多輪次批量生產(chǎn)及生產(chǎn)工藝改進后，其出廠合格率逐步提升至98.9%。截止2021年底，通過驗收進入研究所貨架名錄的電源類產(chǎn)品已多達16 款，年批產(chǎn)量達3000 臺套。形成的輸出電壓覆蓋28V、48V、96V、160V、270V，可并聯(lián)使用，遠程監(jiān)測與控制滿載效率可達95%以上的直流穩(wěn)壓系列電源產(chǎn)品。產(chǎn)品在多個型號項目中被選用并承擔著重要任務，成熟的貨架電源產(chǎn)品為現(xiàn)代武器裝備的自動化、信息化、智能化提供了穩(wěn)定可靠的電力保障。

通過基于產(chǎn)品化的貨架建設研究與實踐，基本解決了傳統(tǒng)研制模式不適應產(chǎn)業(yè)發(fā)展新常態(tài)的問題，形成了豐富的電源貨架產(chǎn)品，在航天系統(tǒng)內(nèi)多個院所中推廣使用，目前該貨架建設管理模式已初步進入良性循環(huán)。后續(xù)，研究所將繼續(xù)貫徹落實航天科技集團新時期產(chǎn)品化工作總體方案，以預研、型號和競爭性采購任務為牽引，進一步推進新產(chǎn)品開發(fā)，持續(xù)推進貨架建設，以電源產(chǎn)品貨架建設為樣板，豐富各專業(yè)產(chǎn)品貨架，提升貨架產(chǎn)品成熟度，加大型號選用力度，提高型號產(chǎn)品化率；進一步推進產(chǎn)品標準體系建設，持續(xù)推動單位產(chǎn)品驗收的全面實施。將產(chǎn)品管理融入型號研制流程，明確產(chǎn)品與型號職責，共同支撐“三高”“雙一流”目標的實現(xiàn)。