高效费比商用微小卫星产品保证模式研究

◎上海卫星工程研究所 张华 宗益燕 施伟璜

高效费比商用微小卫星产品保证模式研究

◎上海卫星工程研究所 张华 宗益燕 施伟璜

美欧航天大国于20世纪60年代初开始推行质量与可靠性保证管理,并逐步形成了全面与全过程产品保证,包含可靠性、安全性、维修性、元器件、材料、零部件、工艺、软件等因素。我国在20世纪90年代开始学习和推广ESA的产品保证方法,进而逐步形成具有自身特色,适用于高可靠、长寿命航天产品的产品保证模式。

商用微小卫星因其低成本、短周期的特点,具有巨大的市场价值和广阔的发展空间,受到越来越多的关注。美国早在20世纪就开展了商用微小卫星的研究,由多所大学负责开发了CubeSat皮卫星项目;欧盟近年来也实施了QB50项目,采用50颗立方星组网开展大气测量,这些卫星在研制过程中均通过不断完善形成了较为成熟的产品保证模式。我国对于商用微小卫星的研究还处于前期论证和研究阶段,虽也有纳卫星成功发射的示例,但总体上仍处在技术研究阶段,对于产品保证管理机制的探索较少,且尚未有公开报告的适用商用微小卫星的成熟产品保证策略。因此,探索适用于低成本、短周期商用微小卫星特点的产品保证新思路和新方法,成为商用微小卫星管理工作亟待解决的问题之一。

为此,笔者在分析商用微小卫星特点的基础上,提出了商用微小卫星产品保证的总体思路,并制定了基于某商用微小卫星的产品保证实施方案,以期为一般商用微小卫星产品保证工作提供思路和方法借鉴。

一、传统卫星产品保证模式适应性问题分析

商用微小卫星相比传统的长寿命、高可靠卫星,具有质量小、研制周期短、研制成本少、集成度高、设计寿命不长等特点。开展工程研制时,在考虑寿命与可靠性要求的前提下,一般采用以下做法：

优化研制流程。将传统卫星研制经历的方案、初样和正样3个研制阶段缩短为1～2个研制阶段,部分快速响应微小卫星直接进入正样阶段。

减少硬件冗余。卫星上产品的硬件冗余少,多采用软件功能冗余。

商业化元器件管理。基于商业考量,选用工业级甚至商业级等低等级器件,并优化元器件筛选流程。

传统卫星产品保证体系适应性问题包括以下几个方面：

一是多层次细分的组织体系不能适应精简化的制度建设需求。传统卫星产品保证组织体系采用纵横并举的矩阵式架构,纵向上覆盖卫星总体设计单位、总装单位、分系统承制单位和单机配套单位,横向上包含行政指挥、产品设计师和产品保证人员,进而形成从上到下相互衔接的产品保证工作系统。但是,多层次的组织结构易造成项目管理的链条过长,形成信息流通不畅、组织松散的局面,从而影响项目管理的时效性和执行力。同时,细分的组织岗位人员设置,对项目人员数量要求较多,增加了项目研制经费,不符合商用微小卫星精简、商业的理念。

二是3个研制阶段划分不能适应短周期的项目管理需求。方案、初样和正样阶段作为成熟和经典的研制阶段划分,被国内大多数传统卫星的研制模式所采用。方案阶段完成卫星总体方案验证和关键技术攻关;初样阶段开展产品研制、试验与测试,在此基础上形成正样产品状态;正样阶段完成飞行产品的研制并发射入轨。3个阶段的划分和工作安排有力地保障了传统卫星研制的成功,但需要的研制周期较长,一般为4～5年,不能满足商用微小卫星短周期甚至快速响应的研制需求。

三是地面研制试验不能适应商业化的成本控制需求。传统卫星研制需开展元器件筛选试验、单机级环境与可靠性试验、分系统和整星级大型试验,其中单机级试验还包括单板和整机筛选试验、环境模拟试验、稳定性考核试验等。充足的地面试验虽有力地保证了地面筛选剔除早期失效的充分性,验证了产品在轨的环境适应性,但多项目的试验对研制周期和经费都提出了严峻挑战,而且部分地面试验略显保守,存在重复性及可裁剪的试验要求。因此,商业化的产品保证需优化地面试验项目与要求。

四是全系统、全要素的监督管理不能适应自主为主的过程控制要求。传统卫星产品保证的过程控制强调对于系统内各组成部分,以及人、机、料、法、环等各相关要素的全面管理,部分卫星甚至由卫星总体派专人到产品承制单位进行跟产监制,做到实时知晓、事事掌控。但商用微小卫星由于人员队伍精简、事务管理集中,不能做到全系统、全要素监管,而且商用微小卫星存在直接采购商业现货的情况,更不能做到对产品研制过程的全面掌握,因此探索全新模式下的过程控制内容尤为重要。

二、商用微小卫星产品保证方案及实施

1．产品保证总体方案

产品保证目标为质量受控、进度受控、成本受控。笔者依据美国质量管理专家戴明博士提出的戴明环理论(PDCA),并结合商用微小卫星的工程特点提出了产品保证总体方案,如图1所示,其包含组织策划、项目实施、试验验证和过程监督4个方面的工作内容。

图1 产品保证总体方案

2．产品保证方案实施

(1)强化组织建设,建立简洁高效的产品保证组织体系

结合已有卫星研制的成熟与成功经验,建立适应卫星管理简洁高效的产品保证组织体系(见图2),其主要体现为“集中”与“分解”2项核心理念。

集中,即组织机构集中和部分职能集中,减少中间组织层级,实现组织机构的扁平化,以提高管理效率,便于上级要求的及时传达和下级问题的实时反馈。设置卫星项目总负责人一名,作为型号产品保证的第一负责人,负责产品保证计划的管理与设计推进;总体单位负责卫星的总体设计、总装与总测,以及分系统交付后的卫星各项工作,解决以往卫星型号总体设计与总装操作分离带来的状态不清等问题。

分解,即责任意识分解,将产品保证的意识,尤其是质量意识分解到每个设计师,使得人人有意识、人人懂规矩。不设置具体的产品保证岗位与产品保证人员,而由总体、分系统和单机的各级设计师负责对应产品的产品保证工作,由于设计师清楚地掌握产品技术状态,所以更有利于产保工作的开展。

(2)创新项目管理,构建实用可控的产品保证管理模式

为节省研制周期、优化研制流程,将研制阶段划分为设计验证和总装集成测试(AIT)2个子阶段。

图2 产品保证组织体系

其中,设计验证子阶段的主要任务是产品设计定型,包括单机设计方案验证、单机的研制与生产等工作,阶段结束标志为产品交付卫星总体;AIT子阶段的主要任务是整星总装、总测和大型试验。2个研制子阶段的划分有利于后续商用卫星的批量化生产,即除首发星外,后续装备星在技术状态不变的情况下,单机生产完成后仅需开展AIT阶段的工作。在工程实施上,根据商用微小卫星的特点,对技术状态管理、质量问题归零、交付验收等工作项目制定具有自身特点的工作要求,具体要求如下：

一是技术状态管理。

技术状态更改遵循“论证充分、各方认可、试验验证、审批完备、落实到位”的原则。

设计验证阶段的技术状态管理,以通过设计评审的技术状态文件作为技术状态项的功能基线和分配基线。相对基线的技术状态更改,Ⅰ类技术状态更改由产品设计师自行控制,Ⅱ类更改在准确记录后应及时向上一级产品分承制单位和整星报备,Ⅲ类更改应经相关方会签确认后及时向上一级产品分承制单位和整星报备。

AIT阶段的技术状态管理,以设计验证阶段结束时的技术状态作为技术状态项的产品基线。相对基线的技术状态更改,Ⅰ类技术状态更改由产品设计师自行控制,并及时向上一级产品分承制单位和整星报备;Ⅱ、Ⅲ类更改应进行充分分析论证,并经相关方会签确认后,由卫星总负责人审批。卫星出厂前,整星应对AIT阶段的技术状态更改与控制情况进行总结,纳入研制总结报告,并提交评审会审查。

二是质量问题归零。

质量问题归零参照航天归零“五条标准”实施技术归零与管理归零。其中,设计验证阶段的质量问题归零由产品研制单位实施闭环,在产品交付验收时提交审查;AIT阶段发生的质量问题严格实施航天“双五条”归零,并按要求及时完成归零工作,由责任单位编制归零报告,卫星总体组织技术归零审查,产品承制单位组织管理归零审查。

三是交付验收。

产品交付验收根据分系统与单机的特点分别制定交付方案,不强调严格按“单机向分系统交付,再分系统向整星交付”的形式逐级交付。总体原则是：尽量优化交付层次,产品能直接交付整星的,交付分系统与交付整星合二为一;软件随硬件交付,除综合电子软件外,其余软件产品不单独交付;产品接收方按要求对提交的产品进行验收和交接,并做好完整的质量记录,对交付的产品妥善保管、贮存和使用。

(3)优化试验方法,推进完备有效的产品保证筛选试验

在保证试验有效性的前提下,经过充分的分析论证,适当裁剪试验项目并调整试验要求,以满足商用微小卫星研制经济性和市场化的要求。

一是产品环境与可靠性试验优化。

各单机一般投产两套产品,一套产品进行方案验证,完成准鉴定级试验考核,并作为飞行备份产品;另一套产品完成验收级试验,并作为飞行产品。

试验优化的原则是：试验项目总体参照GJB1027A《运载器、上面级和航天器试验要求》的要求;裁剪筛选度低、发现问题少的试验项目,如加速度试验;合并部分单机与整星试验,如准鉴定产品的单机级冲击试验与整星冲击试验合并进行;由于地面力学试验的局限性,在轨主动段力学环境一般均远低于地面试验环境,因此整星和单机力学试验要做到严格控制、减小试验余量,尽量不留余量。

二是低等级元器件可靠性保证。

为控制成本和保证进度,卫星上大量采用工业级等低等级COTS器件,制定的主要保障措施包括：明确质量等级要求、筛选试验要求、分析应用要求和管理要求。

质量等级要求。国产元器件选用不低于QZJ7905技术条件等级的产品,进口元器件选用不低于军用级的产品。低于以上质量等级要求且不低于工业级的元器件为低等级元器件,应进行补充筛选试验,以剔除由于工艺控制不当等产生的早期失效问题,原则上限制使用商业级元器件。

筛选试验要求。一般低等级元器件应进行外部目检筛选、高温老炼器件筛选、单板温循筛选和整机随机筛选等试验,塑封器件在此基础上还应补充超声扫描筛选,以检查剔除器件内部因水汽或热能所造成的破坏。

分析应用要求。选用低等级元器件的设备应进行温度适应性仿真分析,保证结温满足I级降额要求,综合电子等关键设备应采用红外热辐射成像仪进行温度测试。选用低等级元器件的设备应通过整星布局优化、设备机壳加固和重点器件的局部屏蔽加固等措施,以提高空间环境适应能力,确保卫星的在轨可靠性。

管理要求。选用低等级元器件时应坚持正规渠道采购,最大限度地使用有卫星、运载飞行经历的、有可靠性数据的元器件;低等级元器件、首飞器件应在分析论证的基础上选用,并向卫星总体报备;使用A、B类超期电子元器件应向卫星总体报备,原则上不得使用C类超期电子元器件。

(4)注重过程控制,落实关键环节的产品保证监督管理

商用微小卫星的产品保证强调“自主控制为主,检查监督为辅”,主要由各产品承制单位按厂所的质量体系文件落实过程控制,做好过程数据包管理和信息收集,做好过程的记录、检查与监督;由卫星总体负责关键环节的审查监督,有的放矢,从而真正做到重点突出、覆盖全面。

一是数据包管理和信息收集。

以各单位的质量体系文件为基础,构建以产品保证数据包和信息收集与处理为主的产品保证信息管理系统,制定切实可行的管理办法和实施方法,对产品保证信息进行汇总和传递等工作,及时、准确、规范地采集、处理、存储和传递卫星研制各阶段、各级产品的产品保证信息,实现信息共享,并在此基础上推进产品质量的持续改进。

二是关键环节审查。

卫星总体组织对研制过程中的重要节点实施技术审查,审查节点应纳入产品研制计划流程。对于审查中提出的建议和意见,由被评项目的责任设计师牵头梳理汇总后组织进行落实。

笔者针对商用微小卫星质量小、研制周期短、研制成本少、集成度高和设计寿命短等特点,探索了适用于商用微小卫星产品保证的新思路,通过组织建设、项目管理、试验方法和过程控制等工作,实现产品保证在整星和各产品承制单位的闭环管理,以从根本上提高商用微小卫星产品保证的整体水平,确保卫星发射试验成功。