航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的透視與淺析

姜盛鑫 韓天龍 施帆 陸宏偉 陳陽

（中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院， 北京， 100071）

對于當(dāng)今航天領(lǐng)域而言， LEO （低地球軌道）衛(wèi)星星座無疑是最為火熱的關(guān)鍵詞之一。 大型LEO 衛(wèi)星星座的概念最早可以追溯到90 年代， 當(dāng)時(shí)幾家公司試圖提供全球連接， Globalstar、Iridium、 Odyssey 和Teledesic 制定了龐大宏偉的計(jì)劃， 但由于成本過高以及需求有限的原因， 除了Iridium 公司以外， 其他所有公司都縮減了規(guī)?；蛉∠似湫亲?jì)劃。 隨著OneWeb 消亡， SpaceX在LEO 衛(wèi)星星座部署方面取得了絕對領(lǐng)先地位，并在去年聲稱可以開始提供商業(yè)服務(wù)。 2021 年1 月20 日， SpaceX 成功發(fā)射了第17 批星鏈衛(wèi)星，已經(jīng)累計(jì)將多達(dá)1000 顆衛(wèi)星送入太空。 此外，Amazon 已經(jīng)申請?jiān)谄銴uiper 星座中發(fā)射3236 顆航天器， 并計(jì)劃將其不斷壯大的團(tuán)隊(duì)遷入新設(shè)施，以全力應(yīng)對星座建設(shè)中遇到的挑戰(zhàn)。 衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步、 新業(yè)務(wù)模式的出現(xiàn)、 更強(qiáng)大的資本儲備以及對于低延遲帶寬的猛增需求， 使LEO 衛(wèi)星星座發(fā)展迎來了 “第二春”。

盡管有諸多強(qiáng)大力量牽引著LEO 衛(wèi)星星座的快速發(fā)展， 但為確保長期的生存能力與競爭力，滿足快速化、 批量化、 小型化的行業(yè)需求， 規(guī)劃大型LEO 衛(wèi)星星座的設(shè)計(jì)者仍需要大幅降低研發(fā)成本與時(shí)間是不爭的事實(shí)。 如今美國軍方和一些公司紛紛把目光投到商業(yè)貨架 （Commercial-Off-The-Shelf， COTS） 產(chǎn)品， 選擇在衛(wèi)星研制過程中采用COTS 產(chǎn)品， 這為有效壓縮研發(fā)成本與時(shí)間提供了行之有效的解決策略。 由于COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域中的使用頻率越來越高， 投入應(yīng)用的系統(tǒng)越來越廣泛， 出現(xiàn)的問題越來越復(fù)雜， 實(shí)施開展標(biāo)準(zhǔn)化工作以促進(jìn)COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域中的規(guī)范化應(yīng)用具有重要的意義。

1 航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)質(zhì)內(nèi)涵

1.1 航天COTS 產(chǎn)品的概念分析

COTS 產(chǎn)品首次作為宇航產(chǎn)品替換方案的官方化文件可追溯到1994 年， 當(dāng)時(shí)的美軍國防秘書長發(fā)表了 “派瑞備忘錄”， 該備忘錄指出在可能的情況下要將COTS 產(chǎn)品投入到軍事應(yīng)用中，從而取代專門定制方案， 其初衷是避免軍事規(guī)范產(chǎn)品的全面使用會限制競爭、 扼殺創(chuàng)新以及增加部署新系統(tǒng)的成本和時(shí)間。 在COTS 產(chǎn)品成功應(yīng)用于軍事裝備數(shù)十年之后， COTS 在航天裝備上的使用才成為現(xiàn)實(shí)。 根據(jù)國外相關(guān)報(bào)道， 國防后勤局 （DLA） 認(rèn)證或軍事規(guī)范 （MS） 認(rèn)證的某類產(chǎn)品技術(shù)要比用于下一代航天裝備及相關(guān)儀器的最先進(jìn)、 高性能產(chǎn)品落后數(shù)代， 這也加速了COTS 在航天裝備中的使用進(jìn)程。

商業(yè)貨架產(chǎn)品 （COTS） 指的是經(jīng)過更新迭代、 在商業(yè)市場出售、 通過政府合同使用或獲得的非研發(fā)項(xiàng)目 （NDI）。 很多人會將NDI 與COTS劃等號， 實(shí)際上并非如此。 因?yàn)閺膰?yán)格意義上講， COTS 應(yīng)該屬于NDI 的一個子集， 而并非它的全部。 非研發(fā)項(xiàng)目 （NDI） 是出于政府目的，但不限于特定工程的任何項(xiàng)目， 可以是由聯(lián)邦機(jī)構(gòu)、 國家或州政府， 以及與政府簽署了國防戰(zhàn)略協(xié)議的其他政府等任何形式主導(dǎo)。 COTS 與NDI 的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 非研發(fā)項(xiàng)目的分類示意圖

1.2 COTS

航天產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)涵分析

標(biāo)準(zhǔn)化減少了在不同設(shè)計(jì)中使用的組件種類數(shù)量， 對于具有類似需求的特定設(shè)計(jì)/產(chǎn)品， 可以從不同級別上實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。 標(biāo)準(zhǔn)化的級別分為： 國際、 國家、 企業(yè)、 工廠以及項(xiàng)目， 其最終目標(biāo)都是在設(shè)計(jì)/產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)組件通用性并且在此過程中有所收益。 隨著COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域占據(jù)的份額越來越重， 面對商業(yè)市場上種類繁雜的COTS 產(chǎn)品， 需要開展航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作。

航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的優(yōu)點(diǎn)是多方面的。對于COTS 產(chǎn)品供應(yīng)商來說， 標(biāo)準(zhǔn)化能夠?yàn)槠髽I(yè)提供嚴(yán)明的工作準(zhǔn)則、 受控的工作文化， 使企業(yè)的稀缺資源能夠得到最佳的利用； 同時(shí)還能夠有效降低總體擁有成本 （更高的采購量、 更少的訂單、 更少的非經(jīng)常性項(xiàng)目）； 而最重要的是通過標(biāo)準(zhǔn)化壓縮產(chǎn)品類型， 利用單一的開發(fā)工作取代功能相似部件上的重復(fù)研發(fā)， 可以從長遠(yuǎn)角度上降低成本。 對于衛(wèi)星研制部門來說， 標(biāo)準(zhǔn)化可以為其選用COTS 產(chǎn)品提供權(quán)威指導(dǎo)， 有效降低衛(wèi)星制造和產(chǎn)品采購成本， 研發(fā)一項(xiàng)功能相同的軍事規(guī)范產(chǎn)品要比選用經(jīng)過篩選的COTS 產(chǎn)品花費(fèi)更多的成本與時(shí)間， 對于需要特定的開發(fā)軟件資源的產(chǎn)品尤為明顯， 例如微處理器、 FPGA 等。當(dāng)然， 任何事物都具有兩面性， 航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的缺點(diǎn)與已經(jīng)實(shí)施多年的軍事標(biāo)準(zhǔn)化大致相似， 那就是對于設(shè)計(jì)人員個性方面的束縛。 設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)時(shí)希望擁有充分的設(shè)計(jì)自由， 但各種級別的標(biāo)準(zhǔn)會將設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)限制在某個指定的 “空間” 范圍。

然而瑕不掩瑜， 對于過去受限于只能選擇軍事規(guī)范產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員來說， 更先進(jìn)的COTS產(chǎn)品已經(jīng)能夠?yàn)槠湓O(shè)計(jì)帶來更大的創(chuàng)新自由。航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施顯然是利大于弊的。 正因如此， 開展航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作勢在必行。

2 航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施進(jìn)展

2.1 國際標(biāo)準(zhǔn)層面

ISO 于2020 年發(fā)布了航天COTS 產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)TC20/SC14 Space systems — Evaluation of radiation effects on Commercial -Off -The -Shelf（COTS） parts for use on low-orbit satellite。

該標(biāo)準(zhǔn)是用來描述近地軌道 （LEO） 衛(wèi)星所用COTS 產(chǎn)品輻射效應(yīng)的評估方法， 能夠?qū)μ嵘鼵OTS 產(chǎn)品的輻射耐受性、 長期任務(wù)壽命的置信水平提供指導(dǎo)。

該標(biāo)準(zhǔn)正文包括6 個章節(jié)， 分別是范圍、 引用參考、 術(shù)語和定義、 縮寫術(shù)語、 抗輻射設(shè)計(jì)、輻射耐受試驗(yàn)。 附件由12 個資料性附錄組成， 分別是抗輻射設(shè)計(jì)程序、 總劑量預(yù)測法、 等高線圖測量總劑量的輻射指南、 模型預(yù)測值與實(shí)測值的比較實(shí)例、 電子元器件的輻射劣化、 單事件效應(yīng)概述、 電子元器件單次事件處理方法、 設(shè)備單事件措施、 位移損傷預(yù)測方法、 各裝置位移損傷抗力、 半導(dǎo)體器件位移損傷試驗(yàn)導(dǎo)則、 激光脈沖試驗(yàn)方法。 其中抗輻射設(shè)計(jì)程序是該標(biāo)準(zhǔn)的精髓所在， 如圖2 所示， 其將環(huán)境條件設(shè)置、 總劑量預(yù)測、 劣化率預(yù)測、 耐輻射數(shù)據(jù)等多方面因素有機(jī)結(jié)合， 從而使得到的測試結(jié)果更具有準(zhǔn)確性。

圖2 抗輻射設(shè)計(jì)流程

2.2 國家標(biāo)準(zhǔn)層面

雖然在我國航天領(lǐng)域應(yīng)用COTS 的時(shí)間較短， 但COTS 的顯著優(yōu)勢使COTS 的應(yīng)用頻率大大提高。 目前， 我國航天對于COTS 產(chǎn)品的使用正處于 “百花齊放” 的現(xiàn)狀， 無論是傳統(tǒng)衛(wèi)星研制單位還是商業(yè)航天公司， 都已對COTS 產(chǎn)品開展了針對性研究。 但國內(nèi)尚無系統(tǒng)性的航天COTS 產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

基于這種情況， 2018 年中國空間技術(shù)研究院作為主要起草單位申請 《宇航用COTS 器件質(zhì)量保證要求》 國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃， 計(jì)劃號為20201647-T-469。 根據(jù)全國標(biāo)準(zhǔn)信息公共服務(wù)平臺的相關(guān)信息， 該標(biāo)準(zhǔn)的制定將統(tǒng)一國內(nèi)宇航領(lǐng)域?qū)τ贑OTS 器件的質(zhì)量保證要求。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定宇航用COTS 器件質(zhì)量保證的組織機(jī)構(gòu)與職責(zé)、工作流程、 工作項(xiàng)目和工作要求。

該標(biāo)準(zhǔn)擬將COTS 器件的質(zhì)量保證流程分解為5 個環(huán)節(jié)， 突出強(qiáng)調(diào)了質(zhì)量保證方案的重要性。 ①選用控制， 規(guī)定各級產(chǎn)品承研單位負(fù)責(zé)所選COTS 器件的論證及驗(yàn)證工作， 各級產(chǎn)品承研單位對COTS 器件應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)質(zhì)量保證； ②質(zhì)量保證委托， 要求各級產(chǎn)品承研單位應(yīng)委托元器件質(zhì)量保證部門進(jìn)行COTS 器件的質(zhì)量保證工作，并應(yīng)根據(jù)型號項(xiàng)目進(jìn)度提前辦理質(zhì)量保證委托；③質(zhì)量保證方案制定， 在制定方案前首先應(yīng)進(jìn)行任務(wù)分析， 包括任務(wù)來源、 任務(wù)需求以及COTS器件基礎(chǔ)信息等， 在分析與型號要求差異的基礎(chǔ)上制定質(zhì)量保證方案， 質(zhì)量保證方案的內(nèi)容一般包括： 結(jié)構(gòu)分析 （必要時(shí)）、 評價(jià)試驗(yàn) （必要時(shí)）、 篩選試驗(yàn)、 考核試驗(yàn)、 抗輻射能力評價(jià)試驗(yàn) （必要時(shí)）、 DPA、 應(yīng)用驗(yàn)證 （必要時(shí)）； ④質(zhì)量保證實(shí)施， 該標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格按照經(jīng)評審的質(zhì)量保證方案進(jìn)行， 實(shí)施過程中應(yīng)注意對器件的防護(hù)、 失效分析、 質(zhì)量問題處理及歸零、 產(chǎn)品交貨等相關(guān)要求； ⑤質(zhì)量保證結(jié)論確定， 該標(biāo)準(zhǔn)要求根據(jù)質(zhì)量保證工作的方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 形成質(zhì)量保證結(jié)論。

3 有關(guān)發(fā)展建議

3.1 頂層設(shè)計(jì)， 破除阻力

目前航天COTS 標(biāo)準(zhǔn)化工作尚且處于初始起步階段， 實(shí)施發(fā)展過程中勢必會有很多的阻力與困難， 需要有強(qiáng)大的力量來破除， 而這股力量只能源于頂層設(shè)計(jì)。 在頂層設(shè)計(jì)上采取 “剛?cè)岵?jì)” 的方式， 從 “柔性” 層面謀劃因地制宜的柔性方案， 營造適合航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作發(fā)展的大環(huán)境； 從 “剛性” 層面提出以國為重的剛性約束， 制定相關(guān)制度條例保障航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化工作的規(guī)范發(fā)展。

高新技術(shù)研究發(fā)展過程中， 在標(biāo)準(zhǔn)上占有優(yōu)勢， 在一定程度上就掌握了競爭的主動權(quán)， 這也是ISO 在航天COTS 產(chǎn)品熱度劇增的情況下迅速編制發(fā)布ISO 21980： 2020 的主要原因。 因此，應(yīng)該通過頂層設(shè)計(jì)將航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化提升到國家發(fā)展的戰(zhàn)略高度， 賦予航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)施的 “正規(guī)名分”， 避免航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化在起步階段出現(xiàn) “加速無力” 的情況。

3.2 上下聯(lián)動， 發(fā)揮合力

航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展僅從頂層設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的， 還需要借助下游更廣大的基礎(chǔ)力量。 通過上下聯(lián)動構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展平臺， 強(qiáng)化航天COTS 產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)線的上下游貫通融合， 形成一體謀劃、 一體部署、 一體推進(jìn)的發(fā)展模式， 以合力的形式推動航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化沿著符合雙方共同利益的方向前進(jìn)。

例如， 在軌衛(wèi)星經(jīng)常遇到參數(shù)退化、 功能異常等問題， 其主要原因是電磁輻射引起的電離總劑量效應(yīng)、 位移效應(yīng)和單粒子效應(yīng)， 這是下游產(chǎn)品研制單位迫切需要解決的頭等難題， 也是COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域中應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。基于此種情況， 來自民間企業(yè)的專業(yè)人士負(fù)責(zé)提出需求， 被賦予了 “裁判員” 的真實(shí)權(quán)利， 在標(biāo)準(zhǔn)制定過程中本著自身利益參與討論， 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會等官方人員負(fù)責(zé)把握主體方向， 充分考慮行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r， 多方共同確定首要編制應(yīng)對航天COTS 產(chǎn)品輻射效應(yīng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 中心統(tǒng)籌， 釋放活力

如果說電磁輻射是影響COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域應(yīng)用的外在因素， 那么篩選范圍較廣、 更新?lián)Q代較快、 批次穩(wěn)定性存疑、 全程追溯較困難等各類問題則是COTS 產(chǎn)品的內(nèi)在特點(diǎn)， 而這些內(nèi)在特點(diǎn)也是航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展過程中需要重點(diǎn)解決的主要問題。

標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，并不能夠簡單的一蹴而就。 盡管上下聯(lián)動能夠形成合力， 但合力真正發(fā)揮力量還需要有專業(yè)機(jī)構(gòu)的組織與串聯(lián)。 利用專業(yè)機(jī)構(gòu)的中心統(tǒng)籌， 對COTS 產(chǎn)品的外在因素、 內(nèi)在特點(diǎn)開展專題研究，在不斷實(shí)踐和探索中， 尋求靈活高效的管理機(jī)制、 溝通機(jī)制以及運(yùn)行機(jī)制， 逐步打牢COTS 產(chǎn)品在航天領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)， 釋放航天COTS 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的真正活力。

對于任何標(biāo)準(zhǔn)而言， 獲得廣泛的行業(yè)認(rèn)可才是最重要的。 而對于未來十年內(nèi)將奔向LEO 的數(shù)萬顆衛(wèi)星來說， COTS 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展是重中之重。 COTS 產(chǎn)品是LEO 衛(wèi)星追求高性能、 低成本、 短周期的重要保證。