宇航元器件应用验证系统工程研究

江理东 郭鹏 张延伟 孙明

（1 中国航天标准化与产品保证研究院，北京 100071） （2 西北工业大学管理学院，西安 710072）（3 中国空间技术研究院，北京 100094）

1 引言

验证是一个提供证据的质量保证过程，为产品、服务或系统满足其预期目的提供了高水平保证［1-2］。这一过程通过提供客观证据来确定产品针对特定应用要求的符合程度和适用性［3］。随着我国航天科技工业的快速发展，新型航天器和新一代运载器对配套元器件的性能、功能、可靠性和适应性提出了更高的要求。宇航元器件研制和保证思路也由“单纯达到产品规范、满足合同要求”，向“尽可能加大产品耐应力裕度、保留合理使用余量、提高宇航应用适应性、保证工程应用中不出故障”转变。因此，急需提高国产新研制元器件的技术成熟度和宇航应用适用度，经充分验证获取评价数据，得出明确评价结论并促进元器件成熟应用。

宇航元器件应用验证是指对元器件在宇航工程应用前开展的一系列试验、分析、评估和综合评价等工作，以确定元器件研制成熟度和在宇航工程中应用适用度，并综合分析评价得出其可用度。“从系统的角度看，应用验证项目是将委托方的验证需求作为项目系统的输入，通过一系列的验证活动，输出详细的应用验证数据和明确的应用验证结论及应用指南，提供给委托方，以满足委托方的验证需求”［4］。应用验证项目搭建了宇航元器件研制和应用之间的桥梁，应用验证结论是元器件研制及应用管理的重要技术支撑。它对促进我国宇航元器件的自主研制，提升自主创新和自主保障能力，具有重要的战略意义。

本文在梳理国内外宇航元器件应用验证开展情况的基础上，以分析应用验证的目标和实现这一目标的技术途径为主线，总结、归纳应用验证工作的主要特征，论证系统工程理论和方法，指导宇航元器件应用验证研究的适用性，以系统工程思想和方法为指导，建立我国应用验证技术体系框架，并对应用验证的技术创新和管理创新进行总结。

2 国内外研究及工程实践现状

宇航元器件应用验证是为适应宇航产业需求和宇航元器件发展而形成的新领域，国际上航天技术比较发达的国家及组织都很重视这项工作，成立了专门的研究和组织机构，开展了充分的实践工作。

美国非常重视宇航元器件的应用验证相关工作，美国国家航空航天局（NASA）设置了专门的组织机构——NASA元器件和封装项目组（NEPP）及NASA电子、电气和机电元器件保证组（NEPAG），负责元器件的评估和应用研究工作，此外还有提供基础技术支撑的很多研究机构和团体。NEPP主要由NASA 的各中心组成，其领导单位为NASA 元器件的主管部门——安全与任务保证办公室。NEPAG 是由政府支持的国际性研究机构，由NASA 安全与任务保证办公室发起建立，以宇航新型元器件验证和评价方法为主要研究内容。NASA 通过研究来降低新型元器件空间应用风险，确定新工艺元器件通用验证流程，以及实现验证信息交换、结果分析交流及发布。NASA 开发了技术成熟度评估技术，将新产品技术成熟度划分为9个度量等级，美国国防部在2003年颁布了技术成熟度评价手册。

欧洲航天局（ESA）也非常重视宇航元器件的评估、准入和应用研究工作，设立了专门的组织机构和研究机构，建立并维护包括欧洲宇航元器件保证要求、鉴定合格元器件目录和优选元器件目录等标准在内的欧洲空间标准化合作组织（ECSS）和欧洲空间元器件协作组织（ESCC）规范体系。目前，元器件的空间应用研究是在宇航元器件指导委员会（SCSB）的赞助，以及政策与标准工作组（PSWG）和元器件技术委员会（CTB）的支持下进行的，形成了完整的技术方法体系。该体系中包括识别元器件在空间应用中的缺陷并提出改进建议，改进技术以适应测试和工程评价要求，采用评估和审核方式对产品规范和保证要求符合性进行确认，最终进行试验并评估宇航应用适应性。

日本在航天领域的发展十分迅速，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在宇航元器件应用验证研究发展中发挥着重要作用。在日本宇航元器件保证大纲中，“验证”主要是指在规定环境下验证元器件功能、性能和可靠性与元器件研制及应用要求符合性的一系列试验。

我国宇航元器件使用单位结合实际工程应用要求，开展了应用验证相关的实践活动，近年对BB3656、64KSRAM-KW064和P1750等国产化产品进行了验证和评估工作。这些工作属于针对具体应用的验证，缺乏系统、科学的理论指导，未建立明确的流程、方法和判据，也缺乏必需的结构分析、极限评估等基础技术，导致系统性、规范性和权威性不够，制约了验证结果的全面推广。在国家重大专项支持下，中国航天科技集团公司组织相关单位对我国宇航元器件应用验证进行了专门和系统的研究，设计了一套完整的应用验证流程和方法，提出了“成熟度-适用度-可用度”综合评价框架，以及以其为核心的“需求调研→需求分析→指标建立→项目确定→流程建立→流程实现→综合评价→结果应用”工程路线；对隐含和散布的元器件特性指标进行系统归纳，形成可量化的验证指标体系，并建立主客观相结合的评价模型和判据；提出宇航元器件极限评估相关概念，建立评估模型和评估试验设计原则；提出建立在结构单元分解、结构要素识别和结构判别三要素理论基础上的结构分析方法；提出空间环境适应性和系统适应性评估方法；构建应用验证项目集成管理框架，建立应用验证工程项目驱动型矩阵式组织结构和管理体系。

3 宇航元器件应用验证系统工程

3．1 目标及特点

我国宇航元器件应用验证的主要目标包括：通过对宇航元器件的系统验证分析，尽早发现产品设计、制造缺陷和质量隐患等“不好用”问题，及时反馈研制单位进行改进、完善，促进产品成熟；通过对元器件的科学评价，为用户提供选用的依据，解决用户因应用支持数据缺乏、应用风险不明而决策困难的“不敢用”问题，促进元器件在宇航工程中推广应用；通过与用户的互动和发布应用指南，有效指导应用，解决用户选择错误、应用不合理等“用不好”问题，提高应用水平。

为了实现上述目标，应用验证需要开展元器件的研制成熟度、应用适用度评价和可用度综合评价。研制成熟度（以下简称成熟度），是指元器件在设计、工艺、材料、试验和过程控制等研制生产及质量保证能力的综合得分，与对应等级判据比对得出的评价结果；成熟度评价关注元器件在设计、制造及工艺、过程控制等方面的过程要素和元器件的功能性能、可靠性等产品指标。应用适用度（以下简称适用度），是指元器件的宇航应用环境及系统的适应能力的综合得分，与对应等级判据比对得出的评价结果；适用度评价关注元器件空间环境应性、系统适应性等指标。可用度是对成熟度和适用度进行进一步综合分析和评估，并与对应等级判据比对得出元器件可满足宇航应用要求的量化综合评价结果。可用度间接表征了元器件在宇航应用中的风险程度，可用度越高，风险越小，反之亦然。因此，成熟度、适用度和可用度综合评价，构成了应用验证工作的核心，同时也决定了应用验证工作具有多阶段、多领域、多目标、多任务和多参与方等特点。这些特点具体表现为：①应用验证需要开展元器件研制生产阶段的过程要素评价和产品的元器件阶段、地面整机阶段及飞行阶段等多个阶段的验证评估；②应用验证涉及元器件研发与制造、质量保证、宇航项目系统与工程、质量管理和项目管理等多个领域；③应用验证要解决“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多个问题；④应用验证涉及多类型、多品种元器件的评价分析，涵盖了综合评价技术、流程设计技术、项目管理技术、质量管理技术、平台构建技术、结构分析技术、极限评估技术、空间环境适应性评估技术、系统适应性评估技术和验证测试技术等多项研究任务；⑤应用验证包括宇航项目系统、元器件用户单位、元器件生产单位、验证实施单位和第三方鉴定机构等多个参与方。

3．2 应用验证与系统工程

系统工程理论是以研究大规模复杂系统为对象的一种方法论，从20世纪50年代的“阿波罗”登月计划，到20世纪90年代我国的三峡区域经济研究，再到21世纪的载人航天工程，系统工程已经成功应用到社会、经济、军事等各个领域。系统工程的理论和方法，在航天事业的发展中也得到了广泛应用［5-9］。实践证明，系统工程是研究解决复杂系统的行之有效的技术手段［10-11］。

一般而言，宇航元器件研制和应用系统规模庞大，层次结构嵌套复杂，影响因素众多，有很多不确定因素，具有明显的复杂系统特征，这些必将导致应用验证工作的复杂性。同时，应用验证的目标和特点，更是决定了其具有复杂性、层次性、整体性和环境适应性等复杂系统特征。

（1）应用验证的复杂性体现在：验证目标需解决元器件“不好用”、“不敢用”和“用不好”等多个问题；验证过程涵盖元器件阶段验证、地面整机阶段验证和飞行阶段验证等多个阶段，各阶段关注重点不同，又相互关联；验证技术途径需开展元器件研制成熟度、适用度评价和可用度综合评价，并给出分级量化评估结论；验证的多个参与方包括宇航项目系统、元器件用户单位、元器件生产单位、验证实施单位和第三方鉴定机构等；主客观评价需要元器件研制、质量保证、宇航项目系统与工程、质量管理、项目管理等多领域的专家广泛参与；应用验证技术涉及多学科的交叉融合、综合归纳与集成创新。

（2）应用验证的层次性体现在验证指标分为三级。一级指标包括研制生产过程要素、功能性能、可靠性和应用适应性；应用适应性包括空间环境适应性、力学环境适应性、热学环境适应性和系统适应性等二级指标；系统适应性又包括装联工艺适应能力、电磁兼容适应能力、容差能力和插拔替换能力等三级指标。验证判据包括单指标判据和综合判据；验证结论需先形成研制成熟度和应用适用度结论，再综合分析得出元器件的可用度结论。

（3）应用验证的整体性体现在技术整体性、管理整体性和资源整体性。技术整体性表现为：应用验证技术是由总体技术和基础技术构成，基础技术又包含结构分析、极限评估、系统适应性评估等新开发技术与已掌握的失效分析、破坏性物理分析等技术的整合。管理整体性表现为：中国航天科技集团公司的应用验证，以总指挥和总师为决策协调核心，应用验证中心（含分中心和认可实验室）为主体；各研究院主管部门、宇航项目系统、主要用户单位和研制单位有效参与。资源整体性表现为：需充分发挥国内元器件研制单位优质资源和优势应用单位能力，经认证成为认可实验室，共同承担验证工作，同时做好资源协调。技术、管理和资源多个子系统协同，才能将应用验证工作整合为一个系统整体。

（4）应用验证的环境适应性，体现在开展应用验证需与目前我国宇航元器件研制与应用的具体情况相适应。在技术上，需将新开发的结构分析、极限评估等验证技术与已掌握的破坏性物理分析（DPA）、失效分析等技术进行有效整合应用；在管理上，需针对目前宇航元器件产品质量和可靠性评估数据较少、研制生产单位应用支持能力较弱、缺少元器件宇航应用技术成果支撑、尚未建立验证信息交流和结论发布平台等特点，建立并完善管理模式。

可以看出，宇航元器件应用验证是一个典型的系统工程工作，系统工程理论可以指导应用验证方法的构建。具体来说，在系统论的基础科学层面，宇航元器件应用验证属于开放复杂系统。在应用验证过程中，需要应用信息学、控制学、运筹学和模糊学等基础科学。应用验证主要是解决元器件的整体应用问题，最终目标是工程应用；而系统工程是从总体上改造客观世界的工程技术实践，是系统科学的工程应用。对于宇航元器件应用验证，系统工程综合研讨的方法，能够将专家的科学理论、经验知识乃至专家智慧，转化成对应用验证的全面认知；系统分解-集成的思想能够将应用验证分解为若干个子系统，并对分解出的子系统进一步分解，直至涵盖应用验证的全部主要要素；运用由定性到定量的评价思想，采用相对定量方式将元器件成熟度、适应度和可用度均划分为5个等级。宇航元器件应用验证系统工程方法论体系框架，如图1所示。

图1 宇航元器件应用验证系统工程方法论体系框架Fig．1 Methodology system framework of application validation for space components

3．3 系统工程视角下的应用验证技术框架

具有复杂系统特性的应用验证工程，其技术和管理体系的建立，首先需要进行宏观整体设计和框架构建，然后对框架中的各个组成部分进行微观细化和深化设计构建。应用验证的宏观方法论是指应用验证的总体框架和相关方法，它以应用验证整体为对象，解决应用验证如何科学和有计划地开展，如何有序地组织和管理的问题；应用验证的微观方法论是指应用验证总体框架各部分的展开及相关方法，主要以应用验证具体问题为对象。

首先，以系统工程理论为指导，进行整体布局和协同优化。其次，将研究内容分为应用验证总体技术研究和应用验证基础技术研究两大部分。①应用验证总体技术研究，解决应用验证的总体内容框架和相关方法，如应用验证的指标体系、工作项目和流程、方法和判据、项目管理和质量管理，以及整个应用验证工作的支撑平台等问题，其中包括应用验证流程研究、方法和判据研究、项目管理研究、质量管理研究和验证平台研究等5个方面；②应用验证基础技术研究，解决应用验证工作项目实施需要的具体技术相关方法，其中包括应用验证测试技术研究、结构分析技术研究、极限评估技术研究、空间环境适应性评估技术研究、力和热环境适应性评估技术研究、系统适应性评估技术研究等6个方面。应用验证总体技术和基础技术框架，如图2所示。

目前，在宇航元器件应用验证总体技术和基础技术的牵引下，应用验证已经取得了一系列研究成果，如图3所示。其中包括：核心框架、工程路线和技术体系，以及标准、指南、手册和软硬件等方法工具，应用验证工作模式、组织结构和管理制度规范等。随着应用验证工程的开展，这些研究成果将有效指导工程实践，并通过工程实践进一步完善、丰富，为我国宇航元器件应用验证工程实施和管理积累宝贵的理论和实践经验。

图2 系统工程视角下的宇航元器件应用验证技术框架Fig．2 Technology framework of application validation for space components from perspective of system engineering

图3 宇航元器件应用验证成果体系Fig．3 Achievement system of application validation for space components

3．4 应用验证工程实践

为了保证国产1553总线控制器电路J61580能够满足航天器的应用要求，中国空间技术研究院结合应用验证总体技术和基础技术研究的阶段性成果，遵循“需求调研→需求分析→指标建立→项目确定→流程建立→流程实现→综合评价→结果应用”的工程路线，开展了J61580的专项应用验证工作。针对该电路的产品和应用特点，建立了验证指标体系，将元器件功能性能、可靠性和应用适应性分解为15个二级指标、35个三级指标，形成针对性验证流程和技术方案，应用了结构分析、极限评估、项目管理、综合评价等总体技术和基础技术，实施了与元器件研制及航天器应用关联协同的应用验证工作模式。经验证，该产品成熟度评为4级、适用度评为3级，可用度评为4 级，可以满足某卫星的应用。目前，J61580在轨工作正常，并已在多个航天器中推广应用。上述实践结果，在一定程度上证实了应用验证研究成果的科学性、有效性，同时也推动了相关研究成果的进一步丰富和完善。

4 结束语

在系统工程理论和方法的指导下，本文通过研究建立了宇航元器件应用验证技术体系和管理体系框架，取得了较多创新性的科学和技术成果，形成了具有中国特色的宇航元器件应用验证系统工程管理的理念、体系和方法，为我国宇航元器件应用验证工程提供了理论指导和技术方法工具，为加快我国宇航元器件推广应用提供了可行的技术路径，为提升我国宇航元器件自主保障能力提供了有效支撑，为我国宇航元器件工程体系的完善奠定了基础。通过应用验证工程的推广和实施，在不断丰富和完善技术体系和管理体系中，我国的宇航元器件应用验证工作能够为我国宇航元器件和航天事业的发展提供有力保障。

（References）

［1］Ivo B J，Tinsley O．Verification and validation in computational engineering and science：basic concepts［J］．Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering，2004，193（36／37／38）：4057-4066

［2］Plant R，Gamble R．Methodologies for the development of knowledge based systems［J］．Knowledge Engineering Review，2003，18（1）：47-81

［3］Maropoulos P G，Ceglarek D．Design verification and validation in product lifecycle［J］．CIRP Annals Manufacturing Technology，2010，59（2）：740-759

［4］孙明，吕文学，白凡．宇航元器件应用验证项目管理的理论与实践［J］．电子元件与材料，2011，30（12）：65-70

Sun Ming，Lü Wenxue，Bai Fan．Theory and practice of components for application validation project manage-ment［J］．Electronic Components and Materials，2011，30（12）：65-70（in Chinese）

［5］郭宝柱．中国航天系统工程方法与实践［J］．复杂系统与复杂性科学，2004，1（2）：16-19

Guo Baozhu．China aerospace systems engineering methods and practices［J］．Complex Systems and Complexity Science，2004，1（2）：16-19（in Chinese）

［6］王礼恒．中国航天系统工程［J］．航天工业管理，2006（10）：60-64

Wang Liheng．System engineering of China areospace［J］．Aerospace Industry Management，2006（10）：60-64（in Chinese）

［7］马兴瑞．中国航天的系统工程管理与实践［J］．中国航天，2008（1）：7-15

Ma Xingrui．System engineering management and practice of the China aerospace［J］．China Aerospace，2008（1）：7-15（in Chinese）

［8］张连成．以航天系统工程理念推动预先研究工作［J］．航天工业管理，2011（5）：4-6

Zhang Liancheng．Promoting the advanced research based on the concept of the aerospace system engineering［J］．Aerospace Industry Management，2011（5）：4-6（in Chinese）

［9］顾基发，高飞．从管理科学角度谈物理-事理-人理系统方法论［J］．系统工程理论与实践，1998，18（8）：10-16

Gu Jifa，Gao Fei．To see Wuli-Shili-Renli systems approach from the view of management science［J］．Systems Engineering Theory ＆Practice，1998，18（8）：10-16（in Chinese）

［10］许国志．系统科学［M］．上海：上海科技教育出版社，2000

Xu Guozhi．System science［M］．Shanghai：Shanghai Science and Technology Education Press，2000（in Chinese）

［11］汪应洛．系统工程学（第三版）［M］．北京：高等教育出版社，2007

Wang Yingluo．System engineering［M］．3rd ed．Beijing：Higher Education Press，2007（in Chinese）