衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”策略研究

李國強 郭凱 周思卓 齊心

摘 要：本文在闡述產(chǎn)品通用化、系列化、組合化，即“三化”內(nèi)涵及其作用意義的基礎(chǔ)上，調(diào)研分析了美歐等國外有代表性的衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”模式及實施案例，歸納總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗；介紹了我國衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，并重點針對后續(xù)衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”的廣泛深入開展進行了策略設(shè)計。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星，通用化，系列化，組合化

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.14.004

0 引 言

“三化”是通用化、系列化、組合化的簡稱，既是產(chǎn)品研制貫徹標(biāo)準(zhǔn)化理念的三種主要形式，也是標(biāo)準(zhǔn)化在產(chǎn)品研制中發(fā)揮作用的三種重要方法，還是產(chǎn)品研制實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的三項關(guān)鍵目標(biāo)。其中，通用化是最大限度地擴大同一單元使用范圍的標(biāo)準(zhǔn)化形式，也即通過選定或研制具有結(jié)構(gòu)和功能互換性的通用單元并將其應(yīng)用于互相獨立的新研系統(tǒng)以滿足其需求；系列化是根據(jù)同一類產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律和使用需求，將其主要參數(shù)按一定數(shù)列合理安排或規(guī)劃，并對其型式和結(jié)構(gòu)進行規(guī)定或統(tǒng)一，從而有目的地指導(dǎo)同類產(chǎn)品有序發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)化形式；組合化是重復(fù)利用通用單元（通用模塊）并補充研制部分專用單元（專用模塊），拼合成滿足不同需求的新功能產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化形式。實踐表明，“三化”是降低產(chǎn)品研制費用和研制風(fēng)險的重要選擇，是縮短研制周期、延長產(chǎn)品有效壽命的重要措施，是提高產(chǎn)品質(zhì)量和使用效能的有效途徑[1-2]。

伴隨著航天科技的快速發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用的范圍不斷拓展，對不同衛(wèi)星功能的需求日益廣泛而迫切；但衛(wèi)星本身具有多研少產(chǎn)、體系復(fù)雜的特點，制約了衛(wèi)星產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)和規(guī)模效益。及時總結(jié)國內(nèi)外衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”經(jīng)驗，積極探索并持續(xù)深化衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”研究與實踐，是衛(wèi)星產(chǎn)品面向多樣性需求發(fā)展規(guī)模生產(chǎn)方式的必由之路。

1 國外衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”調(diào)研分析

20世紀(jì)70年代起，世界航天發(fā)達國家和國際一流航天制造企業(yè)即開始推行衛(wèi)星產(chǎn)品的“三化”設(shè)計。發(fā)展至今，形成了Boeing 702、A2100等系列衛(wèi)星通用平臺、多功能集成的地面終端等，并經(jīng)大量應(yīng)用與驗證，趨于成熟。近年，美軍針對未來太空作戰(zhàn)模式，開發(fā)了快響衛(wèi)星模塊化開放體系架構(gòu)，對小衛(wèi)星進行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)小衛(wèi)星的快速發(fā)射快速形成戰(zhàn)斗力。

1.1 美歐衛(wèi)星通用平臺研發(fā)

麻省理工學(xué)院受美國航空航天局（NASA）委托進行了衛(wèi)星產(chǎn)品通用化系列化研究，2000年，在研究成果中給出了基于平臺的衛(wèi)星設(shè)計方法。衛(wèi)星系統(tǒng)集成商與產(chǎn)品供應(yīng)商根據(jù)發(fā)展需要，提出了成熟通用平臺和商業(yè)貨架產(chǎn)品的制造理念，為實現(xiàn)衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)奠定了理論基礎(chǔ)。以波音衛(wèi)星系統(tǒng)公司、洛克希德-馬丁商業(yè)空間系統(tǒng)公司、勞拉空間系統(tǒng)公司以及歐洲泰雷斯·阿萊尼亞公司等為代表的整星集成商，研發(fā)并固化了一系列高適應(yīng)性、長壽命、大功率、多頻段的衛(wèi)星通用平臺[3]。

波音公司主要涉及通信、導(dǎo)航和電子偵察衛(wèi)星業(yè)務(wù)，也為NASA提供支撐。Boeing 702系列平臺保留了成熟的Boeing 601平臺的優(yōu)點，既簡單又靈活，在承載能力、性能和性價比等方面都處于世界領(lǐng)先水平。目前，該系列平臺采用“一個基本型+多個子型（改進型或增強型）”的模式，已發(fā)展了基本型、702HP、702MP、GEM等型號，以滿足不同的任務(wù)要求。

洛克希德·馬丁公司衛(wèi)星平臺產(chǎn)品的主要客戶為美國國防部，涉及通信、電子偵察及導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)航、遙感、氣象衛(wèi)星，主要包括L M 70 0系列、LM 900/1200系列、LM 3000/4000/5000/7000系列、A2100系列、DSCS系列、Milstar系列、TIROS N等。其中，A2100系列是其主推的標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星平臺，包括A2100A、A2100AX、A2100AXS和A2100M等。A2100系列衛(wèi)星平臺的平臺艙和有效載荷艙采用箱板式結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，可根據(jù)載荷的不同需求對平臺的配置進行剪裁，使其對于各種載荷的適應(yīng)能力大大加強，同時平臺零部件的通用率也大幅提高，進而提高了零部件的可靠性，使得A2100系列平臺被評為世界上可靠性最高的靜止軌道通用平臺。

勞拉空間系統(tǒng)公司作為美國領(lǐng)先的商業(yè)衛(wèi)星制造商，產(chǎn)品包括通信衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、數(shù)字音頻廣播衛(wèi)星、點波束衛(wèi)星等。目前主要的衛(wèi)星通用平臺為SSL 1300系列，面向大型商用通信衛(wèi)星領(lǐng)域，包括1300平臺基本型及1300E、1300HL、1300S、1300X等增強型、改進型。單一的平臺系列以及高繼承性的特點，為SSL 1300平臺系列積累了更多的星年，有利于可靠性的提高，也有利于企業(yè)生產(chǎn)成本和項目風(fēng)險的降低，其市場占有率和市場認知度“雙高”，屬于“明星類”產(chǎn)品。

泰雷斯·阿萊尼亞公司是目前歐洲最大的衛(wèi)星制造商，主要衛(wèi)星平臺包括Spacebus系列平臺、Proteus平臺、PRIMA平臺，以及與Astrium聯(lián)合研制的Alphabus平臺。以Spacebus系列平臺為代表，其在開發(fā)當(dāng)前平臺的同時充分考慮產(chǎn)品和技術(shù)后繼應(yīng)用前景的通用化、系列化設(shè)計思想及平臺能力代表了國際商用通信衛(wèi)星的先進水平。隨著關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，Spacebus平臺的能力在一定程度上反向牽引了市場需求，從最初的Spacebus 100平臺發(fā)展至如今的Spacebus 4000平臺，產(chǎn)品代際明顯，老平臺迅速被新平臺替代。同時，采用“一個基本型+多個子型（改進型或增強型）”模式，如Spacebus4000系列平臺，就有Spacebus－4000B1、4000B2、4000B3、4000C1、4000C2、4000C3和4000C4等多種子型，多個規(guī)格并存可滿足不同的任務(wù)要求。

衛(wèi)星通用平臺的開發(fā)理念和相應(yīng)接口規(guī)范體系的建立，加快了衛(wèi)星平臺所屬單機和部件的系列化、專業(yè)化開發(fā)，并逐步形成了以系列型譜為指導(dǎo)、技術(shù)相對成熟、質(zhì)量穩(wěn)定、可供衛(wèi)星設(shè)計選用的“商業(yè)貨架式產(chǎn)品（COTS）”。衛(wèi)星產(chǎn)品供應(yīng)商紛紛建立企業(yè)產(chǎn)品系列型譜，開展貨架式產(chǎn)品研發(fā)研制工作。美軍與洛克希德-馬丁簽署的新一代衛(wèi)星研制合同中，也提出了全面采用COTS的相關(guān)要求。20世紀(jì)末，航天發(fā)達國家的成熟衛(wèi)星研制周期已能夠控制在20個月左右，部分衛(wèi)星甚至可以在14個月或更短時間內(nèi)完成研制。目前，國際主要衛(wèi)星制造企業(yè)以公用平臺和貨架產(chǎn)品為基礎(chǔ)，基本實現(xiàn)了衛(wèi)星生產(chǎn)的準(zhǔn)流水線作業(yè)，在控制和縮短研制周期的同時，保證了產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性，降低了項目風(fēng)險，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟、技術(shù)和軍事效益。

1.2 美軍快響衛(wèi)星“三化”

美國是最早開展快速響應(yīng)技術(shù)研究的國家。早在1999年美軍為重點支持包括情報、監(jiān)視和偵察（ISR）、特種通信等空間力量增強及空間控制、空間支持任務(wù)，提出構(gòu)建靈活的、具備更強響應(yīng)能力且面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的空間體系概念——“作戰(zhàn)響應(yīng)空間（ORS）”。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，不但成立了專門的組織機構(gòu)ORS辦公室，制定了ORS發(fā)展計劃，還成功開展多個飛行演示驗證項目，并開展了包括衛(wèi)星平臺標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化等關(guān)鍵技術(shù)研究。

2008年，ORS辦公室提出將“模塊化開放體系架構(gòu)（MOSA）”策略引入快響衛(wèi)星研制，在該策略指導(dǎo)下構(gòu)建快響衛(wèi)星體系，使其更具彈性，更易融入未來聯(lián)合作戰(zhàn)系統(tǒng)，提高互操作性和兼容性。美軍將MOSA定義為“一種將技術(shù)與商業(yè)兩種因素相結(jié)合的綜合策略，可用于指導(dǎo)開發(fā)新系統(tǒng)或升級改造現(xiàn)有系統(tǒng)”，體現(xiàn)兩個最顯著的特點：在技術(shù)層面（因素）強調(diào)模塊化，在商業(yè)層面（因素）突出開放性。此外，美軍的快速響應(yīng)衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)還包括快速總裝、快速測試與試驗（AIT）流程、貨架式產(chǎn)品選用和即插即用技術(shù)應(yīng)用等[4]。

美軍的快響衛(wèi)星已基本形成了一套完善可靠的需求分析、設(shè)計研制、測試試驗、演示驗證等機制，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、開放式架構(gòu)成為快響衛(wèi)星未來發(fā)展及軍事化應(yīng)用的基礎(chǔ)。在MOSA策略下進行關(guān)鍵接口的統(tǒng)一，并建立標(biāo)準(zhǔn)化的衛(wèi)星平臺，解決了面向不同載荷任務(wù)需求快速實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、集成及總裝發(fā)射的難題，降低了技術(shù)難度、壽命要求和進入門檻，加速未來快響衛(wèi)星的大規(guī)模應(yīng)用。

2 國內(nèi)衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代起，依據(jù)我國應(yīng)用衛(wèi)星“九五”發(fā)展規(guī)劃和1996年發(fā)布的關(guān)于加強衛(wèi)星通用化、系列化、組合化的決定，衛(wèi)星在我國航天領(lǐng)域中率先開展了“三化”工作。二十余年間，衛(wèi)星由最初“以型號為中心”逐步轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙援a(chǎn)品為中心”的模式，衛(wèi)星“三化”理論方法逐漸成熟，“三化”產(chǎn)品不斷優(yōu)化、固化并全面應(yīng)用，衛(wèi)星“三化”成效逐步顯現(xiàn)。

目前，我國初步形成了多個種類、能適應(yīng)多種軌道和有效載荷的衛(wèi)星通用平臺系列，主要有DF H- 4、C S -L 3 0 0 0（資源）、C A S T 9 6 8、CAST2000、SAST1000、SAST3000等。比較典型的如DFH-4衛(wèi)星平臺，是我國自主研發(fā)的高功率、大容量、長壽命衛(wèi)星平臺，適用于大容量廣播衛(wèi)星、直播衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、高軌遙感以及其他地球靜止軌道應(yīng)用衛(wèi)星，可滿足國內(nèi)外用戶的不同應(yīng)用需求。同時，基于以航天器平臺基本型為主、兼顧可擴展能力的產(chǎn)品規(guī)范編制方法，形成了航天器通用平臺系列標(biāo)準(zhǔn)，以指導(dǎo)新通用平臺的建設(shè)[3]。

以推力器為代表的衛(wèi)星單機在“三化”實施過程中也取得了顯著成效。推力器經(jīng)過多年研制與應(yīng)用，技術(shù)成熟，但產(chǎn)品規(guī)格眾多、小修小改不斷，既造成大量設(shè)計、試驗重復(fù)，也影響了產(chǎn)品可靠性增長和生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定。通過對標(biāo)國際先進水平、把握技術(shù)發(fā)展趨勢、梳理明確現(xiàn)有產(chǎn)品規(guī)格，明確識別了推力器類型和額定真空推力為特征參數(shù)，規(guī)劃建立了能夠滿足未來10～15年應(yīng)用需求且技術(shù)先進的推力器型譜。目前，通過推力器產(chǎn)品“三化”建設(shè)，已形成了0.5 N、1 N、5 N、10 N、25 N等成系列的、跨領(lǐng)域或跨平臺的、具有多星年在軌經(jīng)歷的成熟產(chǎn)品，在提升產(chǎn)能的同時，降低了研制生產(chǎn)成本，縮短了交付周期，保證了質(zhì)量穩(wěn)定性。

3 衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”策略設(shè)計

為貫徹國家有關(guān)衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”及便于快速升級的要求，在充分吸取國外先進做法經(jīng)驗基礎(chǔ)上，依據(jù)統(tǒng)型譜統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的總體思路，以成熟型譜建設(shè)理論方法為牽引，分類開展“三化”型譜建設(shè)，以產(chǎn)品全壽命周期中“三化”策劃、設(shè)計、實施與監(jiān)督評估為主要手段，先開展基礎(chǔ)性研究論證制定統(tǒng)型方案，再通過試點應(yīng)用進行制標(biāo)貫標(biāo)改造，牽引全面的工程化實施，構(gòu)建以縱向的各級各類產(chǎn)品型譜與技術(shù)狀態(tài)基線、橫向的體系建設(shè)與共性技術(shù)為核心的衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”策略機制。

3.1 衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”體系建設(shè)

針對衛(wèi)星產(chǎn)品小批量、高復(fù)雜、高成本、技術(shù)升級快等特點，在現(xiàn)有“三化”理論基礎(chǔ)上，從衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”推進需求和典型應(yīng)用特征出發(fā)，研究建設(shè)指導(dǎo)衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”推進需要的原理、規(guī)律、方法等理論體系，保障“三化”工作協(xié)調(diào)、有序開展的分工明確、界面清晰的組織管理體系，緊貼衛(wèi)星產(chǎn)品特點的型譜規(guī)劃與設(shè)計、成熟度提升與評價、模塊化設(shè)計開發(fā)、統(tǒng)一接口適配器設(shè)計開發(fā)的技術(shù)研究體系，以規(guī)范“三化”推進工作實施和技術(shù)要求為目的、以系列型譜和接口標(biāo)準(zhǔn)為重點的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系，支撐“三化”推進實施的分析評估軟件、信息管理系統(tǒng)、人才隊伍等方面的配套保障體系；形成各階段界面劃分、工作內(nèi)容和要求明確，保證衛(wèi)星產(chǎn)品各類型、各階段“三化”工作規(guī)范化、有章可循的基本工作程序。

3.2 衛(wèi)星通用平臺型譜建設(shè)

針對當(dāng)前及未來衛(wèi)星應(yīng)用，對標(biāo)國外先進平臺產(chǎn)品，融合我國主力衛(wèi)星通用平臺型譜，進一步壓縮優(yōu)化衛(wèi)星通用平臺規(guī)格，明確衛(wèi)星通用平臺基本配置與選配包，通過確立充分繼承現(xiàn)有成果、集約優(yōu)化規(guī)格數(shù)量，對標(biāo)國際一流企業(yè)、追求先進設(shè)計理念，持續(xù)升級平臺規(guī)劃、引領(lǐng)平臺發(fā)展進步，合理匹配運載能力、協(xié)同規(guī)劃平臺型譜等4項原則，以衛(wèi)星軌道、整星發(fā)射重量作為特征參數(shù)，規(guī)劃并開展以“東方紅”系列、“資源”系列、CAST系列、SAST系列為代表的衛(wèi)星通用平臺型譜建設(shè)[5]。

3.3 衛(wèi)星通用單機產(chǎn)品型譜建設(shè)

通用性強、可多型號衛(wèi)星平臺通用，技術(shù)先進、必要功能采用集成性設(shè)計是當(dāng)前及未來衛(wèi)星平臺設(shè)計與應(yīng)用的主流產(chǎn)品類別，以開展產(chǎn)品化、型譜化工作，具有通用化、系列化基礎(chǔ)等為遴選與確定原則，聚焦星上平臺關(guān)鍵重要單機、有效載荷單機、與地面有接口的單機等，迭代開展衛(wèi)星通用單機產(chǎn)品型譜研究與更新，打通并統(tǒng)一各級單機產(chǎn)品型譜內(nèi)產(chǎn)品類別、產(chǎn)品規(guī)格、產(chǎn)品名稱與代號等，建設(shè)衛(wèi)星通用單機產(chǎn)品型譜及配套的產(chǎn)品規(guī)范。

3.4 衛(wèi)星平臺分系統(tǒng)及有效載荷型譜研究與建設(shè)

針對衛(wèi)星平臺數(shù)據(jù)管理、綜合電子、測控通信等技術(shù)發(fā)展快、功能集成度大的分系統(tǒng)，探索建立分系統(tǒng)級型譜；針對通信、遙感、數(shù)傳等有效載荷模塊化組合化設(shè)計趨勢，探索建立有效載荷級型譜或選配方案；針對星上告警、防護等新型分系統(tǒng)，探索建立分系統(tǒng)級型譜等，研究建立衛(wèi)星平臺分系統(tǒng)、有效載荷級型譜或選配方案指南等。

3.5 衛(wèi)星產(chǎn)品選用機制建設(shè)

在當(dāng)前衛(wèi)星產(chǎn)品科研訂購與試驗鑒定總體框架下，結(jié)合星箭產(chǎn)品化與鑒定定型工作推進，融合當(dāng)前衛(wèi)星研制部門產(chǎn)品選用實踐與成果成效，探索建立衛(wèi)星產(chǎn)品選用模式與監(jiān)督評價機制，融入衛(wèi)星產(chǎn)品研制主流程，適時開展試點驗證并迭代完善，形成衛(wèi)星產(chǎn)品選用系列規(guī)章制度文件、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、試點經(jīng)驗指南等。

3.6 衛(wèi)星通用產(chǎn)品成熟度提升與上貨架

結(jié)合星箭產(chǎn)品化實踐和貨架產(chǎn)品建設(shè)，在前期基礎(chǔ)上深化提升衛(wèi)星產(chǎn)品成熟度評價工作，將成熟度提升重點回歸至產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性的本質(zhì)上，切實保證衛(wèi)星“三化”產(chǎn)品基礎(chǔ)，研究形成貨架產(chǎn)品基線、規(guī)章制度及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

3.7 衛(wèi)星產(chǎn)品研制過程“三化”監(jiān)督

將“三化”監(jiān)督納入衛(wèi)星產(chǎn)品研制主流程，同時結(jié)合里程碑節(jié)點的標(biāo)準(zhǔn)化審查與標(biāo)準(zhǔn)化評估工作，以“研制總要求—標(biāo)準(zhǔn)化大綱—‘三化方案—標(biāo)準(zhǔn)化工作—考核驗證—標(biāo)準(zhǔn)化審查—狀態(tài)鑒定—標(biāo)準(zhǔn)化專項評估—產(chǎn)品定型”為主線，在不同階段以訂購方監(jiān)督、研制方監(jiān)督以及主管部門監(jiān)督等多種方式開展。

3.8 衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”評估

設(shè)計涵蓋“三化”規(guī)劃與保障、“三化”產(chǎn)品選用、“三化”資源開發(fā)、“三化”設(shè)計和“三化”使用評價等評估維度，包括“三化”組織與管理、型譜產(chǎn)品選用率、貨架產(chǎn)品選用率、通用產(chǎn)品規(guī)范制定、“三化”資源數(shù)據(jù)庫建設(shè)等指標(biāo)要素的衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”評估指標(biāo)體系；綜合基于專家經(jīng)驗的定性方法和基于數(shù)理統(tǒng)計的定量方法，科學(xué)確定各指標(biāo)權(quán)重，建立衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”評估模型。

4 結(jié) 語

本文以分析衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”作用意義為切入點，基于國內(nèi)外衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計提出了縱向貫穿各級各類衛(wèi)星產(chǎn)品型譜與技術(shù)狀態(tài)基線、橫向覆蓋體系建設(shè)與共性技術(shù)，涉及策劃、實施、監(jiān)督、評估的衛(wèi)星產(chǎn)品“三化”策略，可為后續(xù)新型通用平臺等衛(wèi)星產(chǎn)品論證方案的確定提供參考，以期有助于推動我國衛(wèi)星產(chǎn)品的通用化、系列化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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作者簡介

李國強，副研究員，主要研究方向為航天標(biāo)準(zhǔn)化。

（責(zé)任編輯：張佩玉）