太空2.0時代初創(chuàng)航天企業(yè)的生產(chǎn)與運(yùn)營管理

王殿佑、王娟 /北京控制工程研究所

太空1.0 時代（1957 ～2000 年）主要指由政府主導(dǎo)的太空發(fā)展時代，以美國和前蘇聯(lián)為爭奪地緣政治影響力而展開的競爭為開端。太空2.0 時代，也稱“新太空”（New Space），是指太空發(fā)展的一個全新時代。始于20 世紀(jì)70 年代中期，是美國太空商業(yè)化和私有化運(yùn)動過程中發(fā)展出來的一種新業(yè)態(tài)、一種全新的太空商業(yè)開發(fā)模式。

“新太空”的出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)太空產(chǎn)業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)經(jīng)營模式。其實(shí)質(zhì)是私營商業(yè)航天，特別是指初創(chuàng)航天企業(yè)，如太空探索技術(shù)公司、藍(lán)色起源公司等。與大多由政府主導(dǎo)且對可靠性要求高的大型空間項(xiàng)目的生產(chǎn)運(yùn)營管理相比，私營商業(yè)航天更注重降低生產(chǎn)成本，關(guān)注量產(chǎn)和快速迭代開發(fā)，以及是否盈利。

一、初創(chuàng)航天企業(yè)與傳統(tǒng)航天企業(yè)對比

初創(chuàng)航天企業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)運(yùn)營注重快速、扁平和精益。快速是指快速迭代開發(fā)，復(fù)用現(xiàn)有技術(shù)和商業(yè)現(xiàn)貨器件，加快設(shè)計、制造和驗(yàn)收交付；扁平是指扁平化管理，破除了傳統(tǒng)航天企業(yè)層級結(jié)構(gòu)的組織管理模式，將金字塔狀的組織管理形式壓縮成扁平狀的組織形式，以便對市場做出更快響應(yīng)，同時減少業(yè)務(wù)流程的繁復(fù)和組織人員的反應(yīng)滯后，便于將指令下達(dá)到更細(xì)的組織環(huán)節(jié)或人員；精益是指精益生產(chǎn)，能夠大幅減少閑置時間、作業(yè)切換時間，同時降低產(chǎn)品不合格率、縮短產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計周期等，從而提升企業(yè)競爭力，降低生產(chǎn)成本。

初創(chuàng)航天企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營管理和研發(fā)組織模式，一是注重垂直一體化，杜絕項(xiàng)目的層層轉(zhuǎn)包，并盡可能地自籌供應(yīng)鏈，做到自主設(shè)計和生產(chǎn)。比如，SpaceX 公司的“獵鷹”火箭系列，從設(shè)計、研發(fā)、制造到整個發(fā)射過程全部自己完成。二是批量生產(chǎn)，對衛(wèi)星及其產(chǎn)品采用流水線式的生產(chǎn)模式。比如，英國衛(wèi)星通信公司與空中客車公司合作建設(shè)的衛(wèi)星制造廠，借鑒空客的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化研發(fā)模式進(jìn)行衛(wèi)星批量生產(chǎn)。三是快速迭代開發(fā)，對衛(wèi)星產(chǎn)品或整星采取快速迭代開發(fā)，不斷升級、改進(jìn)太空產(chǎn)品，形成核心競爭力。初創(chuàng)航天企業(yè)與傳統(tǒng)航天企業(yè)對比見表1。

表1 初創(chuàng)航天企業(yè)與傳統(tǒng)航天企業(yè)的對比

二、需求和設(shè)計階段

初創(chuàng)航天企業(yè)發(fā)展的根本和核心在于盈利，要做到盈利就必須做到最大限度地降低生產(chǎn)成本，而降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵在于量產(chǎn)和快速迭代開發(fā)。生產(chǎn)運(yùn)營方面，首先要批量生產(chǎn)、精簡流程，消除不必要的各類文檔負(fù)擔(dān)。其次，解決從方案設(shè)計到最終飛行鑒定驗(yàn)收整個壽命周期產(chǎn)生的生產(chǎn)運(yùn)營管理問題，方便快速迭代開發(fā)。本文重點(diǎn)討論初創(chuàng)航天企業(yè)在滿足可靠性和性能要求的前提下，如何降低成本需求。

1.需求設(shè)計

一方面為了最大限度地降低成本，將技術(shù)需求壓縮到滿足商業(yè)應(yīng)用必需的最低程度；將任務(wù)保證（功能滿足程度）縮減到最低限度以滿足必需的可靠性要求，如立方體衛(wèi)星和小衛(wèi)星。另一方面降低成本的壓力以及生產(chǎn)進(jìn)度的緊迫性，使得需求決策大量縮減。

通過需求設(shè)計，客戶能夠以滿意的成本獲取到產(chǎn)品或服務(wù)，而產(chǎn)品或服務(wù)提供方節(jié)約了成本，獲得更多收益。為了低成本生產(chǎn)運(yùn)營，客戶和產(chǎn)品提供方還要考慮產(chǎn)品的性能和某些功能的必要性以及質(zhì)量或任務(wù)保證能否滿足成本優(yōu)先等問題，借此判斷和消減不必要的需求。因此，減少和清除不必要的需求是降低初創(chuàng)航天企業(yè)項(xiàng)目成本和縮短產(chǎn)品研制進(jìn)度的最佳方式，也是產(chǎn)品提供方和客戶之間共同努力的結(jié)果。

2.方案設(shè)計

好的方案設(shè)計必須做到構(gòu)思、測試、迭代和重復(fù)設(shè)計，即不斷地快速循環(huán)和修改。目前通過增材制造（3D 打?。┛梢愿斓貙?shí)現(xiàn)。方案完成前特別是在設(shè)計和研發(fā)階段，進(jìn)行更多的設(shè)計思考，可以為項(xiàng)目節(jié)省更多時間。為了節(jié)省成本、加快生產(chǎn)速度或?yàn)榱烁斓毓┴?，初?chuàng)航天企業(yè)通常大量采用性能能夠滿足空間應(yīng)用且質(zhì)量滿足需要的商業(yè)現(xiàn)貨件，從而節(jié)省成本。

3.詳細(xì)設(shè)計

詳細(xì)設(shè)計是降低成本和縮短進(jìn)度周期的第二大驅(qū)動因素。

生產(chǎn)制造初始，低成本生產(chǎn)制造需要考慮的包括但不限于零部件生產(chǎn)制造、集成、測試、電氣接口以及航天器接口和集成安裝成本等。另外，生產(chǎn)成本還要與性能和質(zhì)量這類典型設(shè)計目標(biāo)相互權(quán)衡。

詳細(xì)設(shè)計中，最節(jié)約成本的做法是采用最少數(shù)量的零部件。與衛(wèi)星生產(chǎn)或服務(wù)提供商對零部件的情況保持有效溝通，不僅有助于降低零部件的生產(chǎn)成本，還有助于降低生產(chǎn)制造的難度。巧妙的設(shè)計也可以降低生產(chǎn)的成本，比如采用現(xiàn)代加工制造技術(shù)將多個零件整合成一個組件，不僅可以減少相關(guān)零部件的生產(chǎn)費(fèi)用，還可以降低零部件的安裝成本以及所帶來的風(fēng)險。

公差是節(jié)約成本的另一項(xiàng)重要考慮。錯誤的公差會導(dǎo)致成本的增加，研究表明，將0.005 英寸（0.12毫米）的容差調(diào)整到0.001 英寸（0.025 毫米），制造成本增加3.5 倍。當(dāng)容差變得更加嚴(yán)苛?xí)r，成本也會隨之增長。如果容差要求太松，所導(dǎo)致的機(jī)械性能異常又會增加測試成本的。因此，好的設(shè)計師要認(rèn)真選擇最適宜的容差，在進(jìn)行最壞情況分析時，避免因公差問題導(dǎo)致機(jī)構(gòu)失效。

4.研制階段

與傳統(tǒng)航天企業(yè)相比，初創(chuàng)航天在節(jié)點(diǎn)和進(jìn)度安排上要求更嚴(yán)格、壓力更大，因?yàn)檠兄齐A段要降低方案設(shè)計中的成本，來驗(yàn)證和改進(jìn)設(shè)計。大多數(shù)工程師通過不斷地迭代方案改進(jìn)設(shè)計來節(jié)省成本。項(xiàng)目研制階段，如果項(xiàng)目研制時間緊、降低成本需求大，那么進(jìn)行充分的硬件開發(fā)便十分必要。研制階段還要考慮的一個問題就是解決故障缺陷問題且在產(chǎn)品批量生產(chǎn)前加以解決。

從批量生產(chǎn)的角度看，研制和設(shè)計無法有效區(qū)分，因?yàn)檠兄圃O(shè)計也是方案設(shè)計的一部分。因此，在研制階段，方案設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計需要同時進(jìn)行，只有這樣才能順利、低成本地進(jìn)行批量生產(chǎn)。

三、制造階段

初創(chuàng)航天企業(yè)采用流水線式的生產(chǎn)模式，這種模式通常借鑒傳統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化來進(jìn)行衛(wèi)星產(chǎn)品的批量制造。初創(chuàng)航天企業(yè)批量生產(chǎn)通常要具備空間方面的一般性和專業(yè)性知識儲備。

制造階段講究精益制造，可以在制造和測試環(huán)節(jié)有效降低成本，提高效益，其原理和方法也非常適合批量生產(chǎn)。精益制造提出了2 個關(guān)鍵原則，一是要盡可能地消除一切浪費(fèi)，要對設(shè)計環(huán)節(jié)不停地提出疑問，進(jìn)行試制和試驗(yàn)測試，“必要”的疑問會帶來更多的設(shè)計改進(jìn)；二是設(shè)計時對整個制造環(huán)節(jié)進(jìn)行思考。

1.零件制造

初創(chuàng)航天企業(yè)在零件批量生產(chǎn)與傳統(tǒng)企業(yè)做法類似，強(qiáng)大的制造能力能夠低大量制造零件和組件成本。

新興增材制造技術(shù)近來受到了人們的極大關(guān)注，對初創(chuàng)航天企業(yè)的研制和生產(chǎn)來說，也具有非常大的價值。增材制造核心的關(guān)鍵點(diǎn)：一是增材制造不是簡單地將CAD 文件發(fā)送給打印機(jī)，而且打印的部件必須處于技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)；二是增材制造對加快初樣研制有重要價值，可以極大地加強(qiáng)方案設(shè)計階段工作；三是增材制造可以生產(chǎn)其他方式無法生產(chǎn)的零部件形狀，工程師可以利用這點(diǎn)對其設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)或簡化；四是增材制造可以生產(chǎn)復(fù)雜零件構(gòu)成的組件。

2.檢驗(yàn)和質(zhì)量保證

采用現(xiàn)代化計算機(jī)檢測設(shè)備可以節(jié)省大量成本，縮短生產(chǎn)進(jìn)度，快速準(zhǔn)確地自動化檢測具有巨大的成本優(yōu)勢?；跀z像頭的檢測系統(tǒng)和自動坐標(biāo)測量裝置（CMM）配合相關(guān)的檢測軟件能實(shí)現(xiàn)流水線似的檢測過程。另外，快速檢測系統(tǒng)還能根據(jù)相應(yīng)的公差生成電子檢測報告。

檢測前預(yù)防問題比后期排查故障和解決問題節(jié)省更多成本。初創(chuàng)航天的理念是通過重新評估真正所需，將成本控制在檢驗(yàn)和質(zhì)量保證之外。解決檢驗(yàn)和質(zhì)量保證過程中所出現(xiàn)的各種可能會導(dǎo)致大量的成本支出的問題。

3.裝配集成

效率是裝配集成的關(guān)鍵，主要包括消除浪費(fèi)和多余的庫存。另外，可以利用自動化提高零件的裝配效率。

四、集成和測試階段

1.試驗(yàn)驗(yàn)證

大型空間項(xiàng)目通常從什么可以測試的角度開始測試計劃，而初創(chuàng)航天項(xiàng)目一般從什么必須測試的角度開始測試計劃。研制和生產(chǎn)運(yùn)營模式的根本在于，測試是驗(yàn)證性能和可靠性的唯一方法，減少大量測試不可行，但對初創(chuàng)航天的批量生產(chǎn)來說則是必須的。

測試對于證明性能和可靠性至關(guān)重要。在沒有測試的情況下，僅通過分析和檢驗(yàn)來驗(yàn)證產(chǎn)品性能和可靠性是不充分的。但是，測試對初創(chuàng)航天企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營模式來說是個挑戰(zhàn)，因?yàn)榇鷥r高昂，為此初創(chuàng)航天企業(yè)只能尋求將該項(xiàng)成本從整個生產(chǎn)流程中剔除。每種試驗(yàn)驗(yàn)證都是單獨(dú)進(jìn)行的，在涉及試驗(yàn)驗(yàn)證和成本權(quán)衡上，各環(huán)節(jié)的試驗(yàn)驗(yàn)證通常由相應(yīng)的小組決策。

2.開發(fā)測試

開發(fā)測試目的在于暴露設(shè)計中的缺陷，以便在投產(chǎn)前給予解決。充分的開發(fā)測試是消除設(shè)計缺陷的關(guān)鍵。如果開發(fā)時間較緊，可以在完成開發(fā)測試的同時進(jìn)行試生產(chǎn)來解決缺陷問題。完成整個壽命周期的開發(fā)測試，對完成開發(fā)同時進(jìn)入試生產(chǎn)來說非常關(guān)鍵。

3.環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

發(fā)射環(huán)境由采用何種運(yùn)載工具所決定，初創(chuàng)航天企業(yè)的衛(wèi)星企業(yè)通常希望生產(chǎn)能夠搭載不同的運(yùn)載工具進(jìn)入太空，并靈活地適應(yīng)發(fā)射延誤等問題。此外，即將投入商業(yè)運(yùn)營的運(yùn)載工具沒有經(jīng)過實(shí)際發(fā)射的測試或發(fā)射測試尚不合格，比如SpaceX 的星艦飛船，導(dǎo)致環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證在振動、聲學(xué)以及搭載環(huán)境上存在諸多不確定性，需要反復(fù)測試。一些項(xiàng)目選擇采用通用環(huán)境驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)或類似規(guī)范來解決這種不確定性，但是采用通用環(huán)境驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)會帶有一定的風(fēng)險性，而特定火箭采用特定環(huán)境驗(yàn)證又存在超過測試限度的問題。

4.鑒定試驗(yàn)

早期太空計劃通常在完成所有飛行測試條款前，對1 個或多個未進(jìn)行飛行的構(gòu)件進(jìn)行正式的鑒定測試。近年來，大多數(shù)空間項(xiàng)目都已轉(zhuǎn)向原型飛行試驗(yàn)，可以節(jié)省大量的時間來對從未飛行的單元進(jìn)行測試。

鑒定試驗(yàn)的前提是測試飛行設(shè)備來驗(yàn)證性能的高冗余性。比如，振動測試是平時的2 倍，而飛行期間則高達(dá)3 倍。制造零部件的空間計劃從鑒定測試中得到了2 個有益提示：一是高裕度測試能夠在批量生產(chǎn)前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷；二是簡化的鑒定測試對確?？煽啃远砸呀?jīng)足夠。

5.驗(yàn)收試驗(yàn)

如果能夠減少風(fēng)險測試，批量生產(chǎn)便能節(jié)省大量的測試成本。例如驗(yàn)收測試的目標(biāo)是驗(yàn)證每個飛行單元的性能是否與鑒定單元一致，一旦驗(yàn)收測試證明單個部件性能與鑒定件的性能一致，那么這個部件就可以用于飛行，通過了正式的鑒定測試。將機(jī)構(gòu)鑒定測試縮減到必要的環(huán)節(jié)，直至此環(huán)節(jié)可以證明所制造的零件性能和鑒定件一致，便達(dá)到了節(jié)約測試成本的要求。

6.抽樣試驗(yàn)

定期從生產(chǎn)線抽出1 個或多個零部件進(jìn)行充分測試，以驗(yàn)證不一致的地方是否已經(jīng)進(jìn)入生產(chǎn)階段。這種抽樣測試可以是鑒定測試的一個子集，也可以進(jìn)行更廣泛和有針對性的測試，確保疑點(diǎn)或小的設(shè)計缺陷沒有隱藏在簡化的驗(yàn)收測試中。

7.測試自動化

隨著對更多零部件的測試需要，自動化的測試設(shè)備在市場上不斷涌現(xiàn)，這些設(shè)備可以減少人力勞動成本支出。它們能夠非?？焖偾矣兄攸c(diǎn)地進(jìn)行測試，還能減少大量的測試文檔。建議工程師在設(shè)計低成本測試程序時考慮：哪種類型的性能測試深入了解機(jī)構(gòu)的性能，且易于執(zhí)行；鑒定、驗(yàn)收和抽樣測試的最佳組合是什么；是否需要對振動、溫度、真空等每個方面進(jìn)行測試；怎樣才能使每個單元的測試自動化；如何使測試報告和可交付文件自動化；什么樣的測試能讓人相信問題沒有進(jìn)入生產(chǎn)線；這個測試的真正成本是多少；它的真正價值又是什么；能否創(chuàng)建一個單一的測試等。批量生產(chǎn)驗(yàn)收測試中，有很多生產(chǎn)流程可以精簡；但不同的生產(chǎn)流程要采用不同的測試機(jī)制。

五、航天器集成測試

初創(chuàng)航天企業(yè)正尋求簡化整星級別的項(xiàng)目集成和測試，以實(shí)現(xiàn)重復(fù)批量生產(chǎn)。廣泛開展衛(wèi)星鑒定測試和原型測試，新的衛(wèi)星設(shè)計和生產(chǎn)流程通過鑒定測試后，將安裝集成和測試的重點(diǎn)要轉(zhuǎn)到整星的生產(chǎn)上，并執(zhí)行鑒定件的測試。初創(chuàng)航天企業(yè)將整星級別的環(huán)境測試看成一種選擇，而不是必須。初創(chuàng)航天生產(chǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)要與簡化的衛(wèi)星組裝相兼容。例如，衛(wèi)星制造商可能要求某些功能實(shí)現(xiàn)自動處理，并希望衛(wèi)星能夠快速和容易安裝。

由于我國商業(yè)航天起步較晚，對研發(fā)管理和生產(chǎn)運(yùn)營尚處于借鑒學(xué)習(xí)階段，只有不斷地學(xué)習(xí)并吸收先進(jìn)企業(yè)的優(yōu)秀做法，才能在實(shí)踐中不斷完善自己，形成獨(dú)有特色的自身研發(fā)管理和生產(chǎn)運(yùn)營模式，也才能更好地發(fā)揮商業(yè)航天對傳統(tǒng)航天的優(yōu)勢互補(bǔ)。

優(yōu)先考慮開發(fā)效益、重視投入產(chǎn)出比是商業(yè)航天所奉行的市場準(zhǔn)則，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，成熟技術(shù)不斷用于商業(yè)航天開發(fā)，這既給我國商業(yè)航天帶來了機(jī)遇，也帶來了挑戰(zhàn)。面對快速發(fā)展的市場和旺盛需求，我國商業(yè)航天的現(xiàn)有模式已不能滿足高密度發(fā)射和快速響應(yīng)的需求。因此，商業(yè)航天的研制模式必須轉(zhuǎn)型，大膽創(chuàng)新，在滿足用戶壓縮成本和進(jìn)度、保證質(zhì)量以及可靠性要求下，充分發(fā)揮優(yōu)勢；形成全面涵蓋設(shè)計、研制和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的流水線式作業(yè)流程，實(shí)現(xiàn)“衛(wèi)星工廠”的研制模式，促進(jìn)研制模式和生產(chǎn)運(yùn)營環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新，適應(yīng)市場化的需要?！?/p>