航天電源產(chǎn)品產(chǎn)品化研制模式的實(shí)踐

戴藝凱、譚文華、王建軍、張飛宇 /北京航天發(fā)射技術(shù)研究所

一、電源產(chǎn)品現(xiàn)狀分析

目前，美國貿(mào)易保護(hù)主義抬頭，受到部分關(guān)鍵領(lǐng)域的出口限制，從美國進(jìn)口的商品價(jià)格大幅提升，促使國內(nèi)市場加強(qiáng)對關(guān)鍵領(lǐng)域核心高端自主可控重要性的意識，核心產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)一步得到政策扶持，助推高科技領(lǐng)域尤其是軍用領(lǐng)域產(chǎn)品向更高可靠性、更強(qiáng)環(huán)境實(shí)用性、更高性能方向發(fā)展。在國產(chǎn)替代需求下，電源產(chǎn)品的國產(chǎn)化比例有望進(jìn)一步提升，催生大規(guī)模產(chǎn)品的替代空間和新增市場容量。

面對國內(nèi)日益增長的軍品市場需求，北京航天發(fā)射技術(shù)研究所在電源領(lǐng)域本身具備軍品研制配套經(jīng)驗(yàn)豐富、研發(fā)體系完備、掌握產(chǎn)品核心技術(shù)、具備完備試驗(yàn)設(shè)施等優(yōu)勢。但以往針對小批量定制化研制生產(chǎn)模式存在的不適應(yīng)性也逐步顯現(xiàn)，主要體現(xiàn)在以下2 個(gè)方面：一是隨著單機(jī)產(chǎn)品需求量增加，許多項(xiàng)目在國產(chǎn)化率、可靠性和成本預(yù)算上出現(xiàn)差異化需求，單一滿足功能性需求的產(chǎn)品難以對標(biāo)覆蓋上述需求；二是行業(yè)技術(shù)發(fā)展迅速，以任務(wù)需求為導(dǎo)向的定制化研發(fā)模式缺乏中長期技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，面對新興市場技術(shù)競爭力不夠強(qiáng)，研制周期較長，逐漸不能滿足新形勢下短平快且高可靠的研制需求。

針對上述問題，研究所針對地面電源產(chǎn)品開展了一系列產(chǎn)品化建設(shè)研究實(shí)踐工作。

二、電源產(chǎn)品的產(chǎn)品化建設(shè)

1.產(chǎn)品化建設(shè)概述

產(chǎn)品化是以產(chǎn)品為對象，研究產(chǎn)品的體系框架、型譜、成熟度、可靠性等諸多要素的系統(tǒng)性工程。相比定制化研制模式，產(chǎn)品化研制模式能夠做到統(tǒng)籌開發(fā)、提前布局，改被動(dòng)變主動(dòng)，預(yù)先設(shè)計(jì)產(chǎn)品，使得企業(yè)更能把握住轉(zhuǎn)瞬的市場機(jī)遇。同時(shí)，形成高可靠性、高成熟度的產(chǎn)品，滿足航天型號日益提高的發(fā)展速度、質(zhì)量和可靠性要求。

以往電源產(chǎn)品的研制模式以型號項(xiàng)目為導(dǎo)向，根據(jù)型號的具體需求立項(xiàng)設(shè)計(jì)滿足功能的電源單機(jī)產(chǎn)品，即使不同型號的需求相似，有時(shí)也會(huì)設(shè)計(jì)不同的電源單機(jī)產(chǎn)品，這在很大程度上浪費(fèi)了設(shè)計(jì)部門的人力資源。針對此類情況，研究所提出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前將產(chǎn)品化研制理念深入貫徹進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)規(guī)劃中的思想。

科室將產(chǎn)品化研制理念由單機(jī)拓展至分系統(tǒng)，采用系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，劃分電氣系統(tǒng)配電方案的基本型。目前已經(jīng)形成高低壓直流配電的基本型。電驅(qū)底盤一體化供配電隨多個(gè)型號的研制正在構(gòu)建。推進(jìn)電氣、機(jī)械、軟件等軟硬件接口統(tǒng)型工作；推進(jìn)元器件統(tǒng)型、軟件重用庫建設(shè)。單機(jī)產(chǎn)品型號布局參與到系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃中，優(yōu)先使用自研產(chǎn)品，深化對產(chǎn)品化認(rèn)識，處理好單機(jī)與分系統(tǒng)關(guān)系。

供配電系統(tǒng)分為交流供配電、低壓直流供配電和高壓直流供配電等3 個(gè)基本型，其型譜結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 分系統(tǒng)級產(chǎn)品型譜

以高壓直流供配電系統(tǒng)為例，其基本型一般采用高壓直流600V 供電體制、分布式配電模式，主要由一次電源、二次電源、配電設(shè)備和監(jiān)控設(shè)備組成，系統(tǒng)框架如圖2 所示。其中，一次電源主要包括市電、高壓直流發(fā)電機(jī)組、行車取力發(fā)電（高壓直流）或高壓動(dòng)力鋰電池組等，是供配電系統(tǒng)的能源來源。二次電源主要包括DC/AC 逆變電源、DC/DC 直流穩(wěn)壓電源等，其中DC/DC 負(fù)責(zé)將高壓直流電轉(zhuǎn)換為中低壓電（28V、48V、96V、160V、270V 等）為用電負(fù)載供電。在供配電基本型架構(gòu)統(tǒng)型后，單機(jī)的類別就已經(jīng)固定，進(jìn)而成為單機(jī)級電源類產(chǎn)品型譜設(shè)計(jì)的依據(jù)。

圖2 高壓直流供配電系統(tǒng)示意圖

單機(jī)級電源是供配電系統(tǒng)中的最小單元之一，主要功能是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換，在產(chǎn)品化體系中按電能變換的形式劃分為直直變換電源（DC/DC）、交直變換電源（AC/DC）、直交變換電源（DC/AC）、交交變換電源（AC/AC）共4 個(gè)大類，其總型譜結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 單機(jī)級產(chǎn)品型譜

2.產(chǎn)品型譜建設(shè)

電源單機(jī)產(chǎn)品的預(yù)研工作規(guī)劃應(yīng)具有先進(jìn)性、前瞻性、經(jīng)濟(jì)性以及可實(shí)現(xiàn)性，因此組織開展了產(chǎn)品需求分析和行業(yè)發(fā)展分析活動(dòng)。產(chǎn)品需求分析主要包括環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)尺寸、成本要求、配電體制變化、新市場需求等方面。行業(yè)發(fā)展分析著重產(chǎn)品狀態(tài)清理、同類產(chǎn)品對標(biāo)、技術(shù)發(fā)展趨勢分析、經(jīng)濟(jì)性分析等方面。

產(chǎn)品化創(chuàng)新研制模式下，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)，按模塊化、系列化、功率可擴(kuò)展為基本原則建立型譜。

一是應(yīng)針對產(chǎn)品主要功能和性能需求，選擇最能描述產(chǎn)品固有能力的主要參數(shù)作為產(chǎn)品型譜特征參數(shù)；

二是產(chǎn)品型譜特征參數(shù)應(yīng)能夠區(qū)分該類產(chǎn)品的不同基本型差異；

三是引入技術(shù)平臺概念，基于技術(shù)平臺的原則開發(fā)單機(jī)系列產(chǎn)品?？紤]到產(chǎn)品的技術(shù)繼承性，采用相同的主電路拓?fù)洌ò捎闷骷橐粋€(gè)技術(shù)平臺。技術(shù)平臺應(yīng)體現(xiàn)在產(chǎn)品的命名規(guī)則中；

四是針對航天軍品用戶用電習(xí)慣和實(shí)際需求，在型號選用時(shí)將最關(guān)心的技術(shù)參數(shù)作為產(chǎn)品型譜特征參數(shù)。歸納的參數(shù)與電源行業(yè)通用分類方法略有不同，因此輸出電壓等級確定為特征參數(shù)；

五是為了滿足不同用戶對成本的需求，根據(jù)成本、器件質(zhì)量等級及國產(chǎn)化率，產(chǎn)品主要分A、B、C、D、E5 個(gè)版本，各版本產(chǎn)品的機(jī)械接口、電氣接口、軟件接口、技術(shù)指標(biāo)等完全一致，可直接互換。

基于技術(shù)平臺的原則開發(fā)單機(jī)系列產(chǎn)品。目前LLC 技術(shù)電源有3 個(gè)技術(shù)平臺，PDA、PDB 和PDC 系列。PDA 系列主電路拓?fù)洳捎冒霕騆LC 技術(shù)，主功率器件為SiC；PDB 系列主電路拓?fù)洳捎靡葡嗳珮騆LC 技術(shù)，主功率器件也為SiC；PDC系列為三電平半橋LLC 技術(shù)（第4 代電源），采用GaN 器件。“十四五”規(guī)劃提出的技術(shù)平臺有PDD、PDE 和PDF 系列。

按型號需求從輸出電壓與功率等級2 個(gè)方面確定產(chǎn)品的型譜規(guī)劃，型譜的劃分如圖4 所示。

圖4 電源產(chǎn)品型譜劃分示意圖

以PDA 系列電源為例，以系統(tǒng)內(nèi)存在的輸出電壓等級為分類根據(jù)，采用模塊并聯(lián)方式進(jìn)行功率擴(kuò)展，最終覆蓋用戶需求。目前已形成300W、1.2kW和3.5kW 級別共有17 種產(chǎn)品可供選用，并有6 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了較為完備的產(chǎn)品型譜。

針對不同型號項(xiàng)目在成本預(yù)算和可靠性上的需求差異較大，為提高競標(biāo)產(chǎn)品競爭力，通過快速設(shè)計(jì)拓展出適應(yīng)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，具體代表含義如下：

無尾綴：選用工業(yè)級器件，一般為原理樣機(jī)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)品和系統(tǒng)研制初期使用。

A：滿足國產(chǎn)化“雙九五”。屬于國產(chǎn)化進(jìn)程中的中間過渡產(chǎn)品。

B：價(jià)格適中且與進(jìn)口件可靠性相當(dāng)?shù)钠骷缱枞萜骷暗凸β拾雽?dǎo)體器件選用國產(chǎn)普軍級，為現(xiàn)階段主打性價(jià)比產(chǎn)品。

C：滿足器件國產(chǎn)化“百分之百”要求。器件質(zhì)量等級以普軍為主。成本較低，可滿足用戶對國產(chǎn)化的要求。

D：滿足器件國產(chǎn)化“百分之百”要求。器件質(zhì)量等級為較高。成本和可靠性較高?？赏瑫r(shí)滿足用戶對高可靠和國產(chǎn)化的要求。

E：滿足器件國產(chǎn)化“百分之百”要求。器件質(zhì)量等級一般為國產(chǎn)工業(yè)級或汽車級（工作溫度滿足－40℃～＋85℃）。可同時(shí)滿足成本低和國產(chǎn)化的要求。

3.產(chǎn)品貨架建設(shè)

根據(jù)院標(biāo)《地面通用單機(jī)產(chǎn)品成熟度定級模型》和所標(biāo)《電氣類產(chǎn)品成熟度定級》對成熟度進(jìn)行提升，同時(shí)根據(jù)電源產(chǎn)品特點(diǎn)在實(shí)際執(zhí)行過程中進(jìn)行加嚴(yán)控制，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

一是可能導(dǎo)致方案反復(fù)的研制試驗(yàn)盡可能提前做，例如在2 級成熟度階段就要求做完電磁兼容摸底、極限拉偏等試驗(yàn)項(xiàng)目；

二是在產(chǎn)品化研制生產(chǎn)模式中，電源單機(jī)的生產(chǎn)數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過以往定制化型號電源，因此新的成熟度定級標(biāo)準(zhǔn)不再使用宇航單機(jī)產(chǎn)品成熟度定級標(biāo)準(zhǔn)，以飛行考核次數(shù)作為成熟度定級依據(jù)，而是以更加嚴(yán)格的可靠性增長試驗(yàn)、多型號應(yīng)用考核以及批產(chǎn)數(shù)量作為成熟度定級的依據(jù)；

三是試驗(yàn)的目的不再是求通過，而是暴露問題。試驗(yàn)子樣不再是以往的一兩臺子樣經(jīng)過一次試驗(yàn)就結(jié)束，而是同技術(shù)平臺產(chǎn)品多臺同時(shí)試驗(yàn)，即使試驗(yàn)通過后，也會(huì)再繼續(xù)進(jìn)行下一輪；

四是對研制、生產(chǎn)及使用過程中的問題進(jìn)行針對性地收集，對一次合格率、年故障率等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，有針對性地進(jìn)行更改，不斷提升產(chǎn)品成熟度。

產(chǎn)品成熟度作為進(jìn)入產(chǎn)品貨架的依據(jù)之一，產(chǎn)品進(jìn)入貨架的條件具體包括（須同時(shí)滿足）：產(chǎn)品型譜內(nèi)；達(dá)到三級成熟度要求，完成成熟度評定工作；2 個(gè)及以上用戶選用。

儲備庫入庫條件則為（滿足之一，但須在產(chǎn)品型譜內(nèi)）：HTF 產(chǎn)品中具有通用性能，但成熟度未達(dá)到3 級；成熟度達(dá)3 級但用戶未達(dá)2 個(gè)；原1TY、TY 產(chǎn)品中具有廣泛應(yīng)用前景；產(chǎn)品化牽引研制但成熟度未達(dá)到3 級。

4.產(chǎn)品選用規(guī)范

針對不同型號項(xiàng)目單機(jī)重復(fù)研制的問題，為提高研制效率效益和質(zhì)量與可靠性，實(shí)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，規(guī)范電源產(chǎn)品選用，提高型號產(chǎn)品的產(chǎn)品化率。

型號貨架產(chǎn)品選用一般原則為以下4 點(diǎn)：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；二是在同一規(guī)格不同尾綴的產(chǎn)品，從性價(jià)比角度考慮，一般來說選擇順序?yàn)锽、A、C、D；三是產(chǎn)品的選擇要綜合考慮可靠性、價(jià)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(jìn)性、性能指標(biāo)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(shí)以改動(dòng)最小為原則，重點(diǎn)關(guān)注變化的部分。

產(chǎn)品選用控制一般流程見圖5。

圖5 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(jìn)行分類，可分為關(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；一般要素為用戶可協(xié)商項(xiàng)，不需要單為此要素新研單機(jī)。電源產(chǎn)品選用流程中的控制要素如表1所示。一般要素涉及指標(biāo)較多，一般均按標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)慣例執(zhí)行，表中未一一列出。

表1 電源類產(chǎn)品控制要素表

三、實(shí)踐效果

目前電源單一規(guī)格產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量已從幾十臺到幾百臺，再到2019 年批產(chǎn)千臺，從樣機(jī)小批研制到產(chǎn)品化的組批投產(chǎn)，實(shí)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(xì)梳理了每年批產(chǎn)任務(wù)電源產(chǎn)品的出廠合格率、存在的問題以及設(shè)計(jì)及工藝改進(jìn)方案。從逐年數(shù)據(jù)可以看出，電源產(chǎn)品在經(jīng)多輪次批量生產(chǎn)及生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，其出廠合格率逐步提升至98.9%的較高水平。

按“預(yù)研一代、儲備一代、裝備一代”的技術(shù)更迭目標(biāo)，新品研制周期大幅度縮短。3 年左右可形成一個(gè)新的技術(shù)平臺，同一技術(shù)平臺系列產(chǎn)品研制周期從過去的1 ～2 年縮短到6 個(gè)月以內(nèi)。不同技術(shù)平臺產(chǎn)品相互補(bǔ)充，逐步拓展市場，滿足了不同用戶需求。

截至2021 年底，電源類產(chǎn)品已多達(dá)23 款，年批產(chǎn)量達(dá)3000 臺/套。形成了輸出電壓覆蓋28V、48V、96V、160V、270V、600V，可并聯(lián)使用，滿載效率可達(dá)95%以上的直流穩(wěn)壓系列電源產(chǎn)品。產(chǎn)品在多個(gè)型號項(xiàng)目中被選用并承擔(dān)著重要任務(wù)，成熟的電源產(chǎn)品為現(xiàn)代武器裝備的自動(dòng)化、信息化、智能化提供了穩(wěn)定可靠的電力保障。

四、后續(xù)思路

通過產(chǎn)品化研制模式的實(shí)踐，基本解決了傳統(tǒng)研制模式不適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展新常態(tài)的問題。形成了豐富的電源產(chǎn)品，在航天系統(tǒng)多院所中推廣使用，目前該研制模式已初步進(jìn)入良性循環(huán)。

未來，研究所將繼續(xù)貫徹落實(shí)航天科技集團(tuán)新時(shí)期產(chǎn)品化工作總體方案，以預(yù)研、型號和競爭性采購任務(wù)為牽引，進(jìn)一步推進(jìn)新產(chǎn)品開發(fā)持續(xù)推進(jìn)產(chǎn)品化建設(shè)，以產(chǎn)品化建設(shè)為樣板，豐富各專業(yè)產(chǎn)品，提升產(chǎn)品成熟度，加大型號選用力度，提高型號產(chǎn)品化率；進(jìn)一步推進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，持續(xù)推動(dòng)單位產(chǎn)品驗(yàn)收的全面實(shí)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(zé)，共同支撐“三高”“雙一流”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。