基于成熟度评价的航天器跨领域成熟产品集成管理模式

邱家稳 刘庆华 张也弛

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2中国空间技术研究院,北京 100094)

基于成熟度评价的航天器跨领域成熟产品集成管理模式

邱家稳1刘庆华2张也弛1

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2中国空间技术研究院,北京 100094)

针对低成本卫星市场的需求,综合考虑功能、性能、价格和进度等约束条件,提出了基于成熟度评价的“低成本、短周期、全可靠”航天器集成研制管理模式。该管理模式应用成熟度评价方法指导航天器产品的跨领域、跨平台、跨等级选用,以较低投入、较快进度、全系统可靠为目标实现航天器系统的集成与运行。管理模式已成功应用于实践十号卫星的研制管理过程,有效降低了研制经费,缩短了研制周期,且卫星任务获得了圆满成功,可为低成本航天器的研制提供参考。

航天器产品;成熟度评价;集成管理;实践十号卫星

1 引言

技术成熟度的概念是由美国国家航空航天局(NASA)提出的,后来美国国防部(DoD)强调在国防正式采办工作中须引入技术成熟度评价[1],将技术按其成熟度划分为9个等级[2]。我国也在其基础上,应用产品成熟度的概念对产品进行评价[3]。对于复杂项目,最终产品可由若干分系统的上百件产品组成,技术成熟度难以评价系统内的匹配程度和集成程度,为此,文献[4]中提出一种综合技术指数,并形成了集成技术分析方法论。文献[5]中首先开展了技术集成度量标准的研究,提出了9级集成成熟度标准,用以评价多种技术的接口匹配程度及相互间的兼容性。文献[6]对复杂研制项目的成熟度评价进行了探讨。文献[7]中对国防装备系统工程中的成熟度理论与应用进行了详细介绍。上述研究形成了完整的成熟度评价标准,但对于如何采用成熟度评价方法改善卫星的研制模式尚未进行深入探讨。

实践十号卫星项目启动时,原有的返回式卫星研制生产能力已不复存在,而用户又要对卫星的热控、供配电、控制等分系统功能进行升级换代,并要增加数管、工程参数测量分系统。另外,卫星的研制经费和研制周期是按原有返回式卫星确定的,因此实践十号卫星的研制面临较大的经费和进度压力。为了保证任务圆满完成,在坚持“高可靠、长寿命”研制模式的基础上,要探索建立适应市场及民、商用需求的“低成本、短周期、快响应”的航天器研制模式。为此,本文提出了基于成熟度评价的航天器跨领域成熟产品集成管理方法,用于采用跨领域、跨平台、跨等级成熟产品进行航天器系统的快速集成,取代传统的新研产品或平台继承研制模式。该管理模式优选出基于型谱、长期库存、新研、商用和返回复用等多种类型产品的整星研制方案,对停产产品、功能性能不满足用户新需求的返回式卫星产品采用跨领域、跨平台产品进行补位,大大减少了新研产品占比,降低了研制进度、经费及质量风险,并且优化了研制试验矩阵与研制流程,强化了卫星环境适应性分析及接口匹配性验证。通过卫星管理实践,形成了卫星工作成熟度评价方法与管理机制,可推广应用于有低成本需求的商业航天器质量、进度、经费优化工作的开展。

2 管理方法

本文提出的管理模式可概括为:首先,开展成熟度管理顶层策划,明确评价组织形式、评价对象、评价方法和结果等要素,确保成熟度评价工作的有序开展。然后,通过综合运用产品成熟度和集成成熟度理论,制定成熟度评价标准和评价模型,建立成熟度评价程序;在此基础上,基于中国航天器产品型谱进行跨平台产品选型,并依据成熟度评价模型开展研制方案优选和研制流程优化,进而针对薄弱环节制定管理和强化措施。

2.1 开展成熟度管理顶层策划

构建基于成熟度评价的系统研制顶层策划,明确成熟度评价的组织管理形式及工作内容,确保成熟度评价工作的有序实施。

2.1.1 明确成熟度评价组织管理形式

借鉴NASA和DoD的先进理念,结合中国产品成熟度标准和定义[8],构建贯穿卫星研制全阶段、基于成熟度评价的顶层管理策划,包括评价组织机构、评价对象、评价方法和评价结果4个要素,结构如下。

(1)评价对象:单机产品、分系统和整星系统。

(2)评价组织机构:分为决策层、管理层和实施层。决策层是评价机构的发起人;管理层主要负责组织协调评价工作;实施层是评价工作的具体操作层[7]。在实践十号卫星项目中,中国空间技术研究院是成熟度评价工作的发起人,并联合中国航天科技集团、用户进行最终决策,明确和批准管理方案、技术方案及研制进度;北京空间飞行器总体设计部负责组织相关项目的评价工作,并组织对评价结果的审定;技术状态委员会受实践十号项目办公室委托开展成熟度评价工作,包括组建专家组,组织专家组对项目进行评价并完成评价结果的审核。评价工作组织机构见图1。

(3)评价方法:分别应用产品成熟度和集成成熟度评价方法,针对单机产品和分系统、系统级产品开展成熟度评价活动。以上2种方法覆盖了从产品选型、产品制造到产品集成的全过程,最终目的是采用最成熟的产品和技术,在满足实践十号卫星进度和经费约束条件下,保证卫星的功能和性能满足用户的需求。

(4)评价流程:由中国航天科技集团启动评价工作,技术状态委员会制定工作计划,评价工作负责人提交评价报告,技术状态委员会组织专家对报告进行评审,北京空间飞行器总体设计部签署意见,中国航天科技集团、中国空间技术研究院和用户三级联合完成审定。评价工作流程如图2所示。

2.1.2 明确成熟度评价工作内容

成熟度评价工作内容为:综合采用产品成熟度和集成成熟度评价方法建立成熟度评价模型,对系统、分系统、子系统和单机产品的成熟度进行评价,用于指导方案优选、产品选型、产品生产/制造、试验验证、系统集成等研制过程,重点是围绕用户需求和节约成本,研究跨领域、跨平台产品选用与集成的可行性,提前识别研制过程中成熟度较低的环节,并制定相关的设计备份措施、试验验证方法及针对特殊产品的产品保证规定,进而保证卫星质量。在确保系统功能性能满足用户要求的前提下,通过选择成熟度较高的研制路径,达到节省研制经费、缩短研制周期的目的。

依据WBS、产品分解结构(PBS)、成本分解结构(CBS)、功能分解结构(FBS)和过程分解结构(GBA)等,支撑成熟度评价工作,具体见图3。

2.2 制定成熟度评价模型

借鉴国外成熟度评价标准,结合航天器内部专家经验,依据不同产品类型,明确产品成熟度和集成成熟度的评价标准;之后,建立融合两种成熟度的评价模型。

2.2.1 产品成熟度评价标准

航天单机产品在全生命周期内,将产品成熟度等级划分为原理样机产品、工程样机产品、飞行产品、1次飞行考核产品、多次飞行考核产品、3级定型产品、2级定型产品、1级定型产品8个级别,如表1所示。产品成熟度越高,其所经历的功能性能验证也越充分,选用成熟度等级高的产品,可有效规避在产品研发与制造层面“拖进度、涨经费”的风险,对各产品依据成熟度等级进行分类管理,为实践十号卫星的技术状态把控和风险管理工作的顺利实施提供了保障。但同时需注意到,如果所选用的型谱产品并非原返回式卫星平台产品,接口的适应性一般会存在问题,因此,要确保产品研制满足卫星研制过程中的经费和进度约束,对上一层级的(分系统级、系统级)集成成熟度评价也是至关重要的。

表1 航天单机产品成熟度等级划分定义Table 1 Grade specification of space product maturity

2.2.2 集成成熟度评价标准

产品成熟度评价着眼于产品实现层面,为产品研制管理提供分类管理依据,但对于分系统及卫星集成层面,还应注意产品之间的相关性,涉及到多产品的关系、接口和相互作用。尤其对实践十号卫星来说,由于跨领域、跨平台选用了多种产品,接口的匹配性问题需要更多的关注,为了对这些接口关系进行分类管理,在管理过程中引入集成成熟度的概念,对来自不同领域、平台的产品接口进行评价,确保产品间的接口具有足够的成熟度,进而保证系统集成过程的进度、质量和经费风险可控。集成成熟度模型包含8个等级,各等级的描述见表2。

表2 集成成熟度等级划分定义Table 2 Grade specification of integration maturity

续 表

2.2.3 建立成熟度综合评价模型

产品的实现过程和最终结果是由产品成熟度和集成成熟度共同决定的,实践十号卫星在制定2种成熟度评价标准的基础上,采用加权平均法,建立成熟度综合评价模型,成熟度因子LR评价模型如下。

式中:ai为成熟度对应的权值,i=1,2,通过专家打分,确定在实践十号卫星成熟度评价活动中a1取0.7,a2取0.3;LPR为产品成熟度等级;LIR为集成成熟度等级。

基于成熟度评价结果及相关薄弱环节识别,可进一步确定不同类型产品的研制流程,其中复产产品开发过程与新研产品较为接近,而型谱产品、长期库存产品、复用产品和商用产品的开发过程与新研产品开发过程相比,均存在不同程度的精简,具体见表3。

成熟度与经费、进度的关系可参照表4。由式(1)可知,成熟度满分为100分,表4中对进度和经费的评价同样以100分为满分。

表3 各类型产品的开发V型过程模型Table 3 V model of several kinds of products’development process

表4 成熟度因子与经费和进度的对应关系Table 4 Relation between L R,funding and progress

3 管理模式在实践十号卫星研制中的应用

3.1 卫星研制方案简介

实践十号卫星最早于2004年开始方案论证时,各分系统升级换代需求不大,实际为具有较好继承性的返回式卫星的“业务星”。到2013年初项目正式启动时,原有的返回式卫星的研制生产能力已不复存在,在人员、材料、器件、工艺工装、生产设备和产品保证要求等方面都发生了较大的变化,尽管曾经属于成熟产品,但重新投产仍面临着生产线恢复与改造、人员培训等诸多困难,综合评估复产的进度与经费因素,几乎与新研产品无异。同时随着载荷论证的进一步深入,提供科学实验过程中必要的功能支持,需要对卫星的热控、供配电、控制等分系统功能进行升级换代,并需增加数管、工程参数测量分系统。这些升级需求,使实践十号卫星从最初规划的“业务星”转变为了一颗“科研星”,卫星的研制面临较大的经费和进度压力。因此,除传统研制模式外,需要跨领域、跨平台、跨等级选用成熟产品进行集成研制的新研制模式,为此提出了2种研制方案。

方案1:基于当时的主流卫星研制模式,严格遵守各项科研和产品保证管理规定,按科研星研制,这就需要新研、恢复生产大量的新产品。若按传统科研星模式进行研制,实践十号卫星需要新研产品达118台,已停产需恢复投产设备57台,共占在整个产品配套中的72.9%,给卫星研制带来巨大的经费、进度和质量风险。

方案2:基于其他卫星平台成熟产品、甚至商业产品开展卫星研制工作,跨平台、跨领域选用满足任务需求的产品,则165台产品可进行补位选用,需要新研产品数量减少为10台。

3.2 基于成熟度评价方法建立产品选用程序

实践十号卫星产品选用遵循以下程序:①识别所需功能、性能是否具有关键技术;②对于不具有关键技术的功能性能要求,通常已有成熟产品,优先在返回式卫星产品型谱内选用成熟产品;③若返回式卫星型谱产品不能满足应用需求,则根据卫星总体功能性能需求,跨平台跨领域选用成熟产品;④如果定型产品无法满足技术指标要求,则考虑选用型谱中成熟度较高的现有产品;⑤对于某些型谱产品无法满足要求,而产品可进行冗余备份设计或产品功能非关键功能的情况,可考虑在商业市场中选用成熟产品。

3.3 制定多种研制方案

经过初步方案论证,在原有返回式卫星的基础上,依据实践十号卫星的需求开展技术升级,其基本实现途径有以下2类。①对返回式卫星平台原有产品能够满足实践十号卫星功能要求的,对原有产品进行复产;针对实践十号卫星的新增功能性能需求,研制新的产品,产品配套参见表5。②在满足用户功能性能需求的基础上,最大化的跨领域、跨平台、跨等级选择现有成熟、价优产品,并在此基础上做好系统集成,产品配套参见表6。

对于实现途径①,经过研制团队充分的技术论证,使用新研产品可从顶层设计层面保证方案的合理性、接口的匹配性及设备的环境适应性等,但由于产品本身的成熟度低,必然会给项目带来一定的技术风险。同时,面对紧张的研制周期和经费限制,实践十号卫星的技术升级困难重重,需要在升级换代的同时控制好经费和时间。如果在方案制定时就选用了许多不成熟的技术和产品,在后续的研制中就容易由于新产品的研发而出现“拖进度”和“涨经费”的问题。

对于实现途径②,跨领域、跨平台、跨等级选择现有成熟产品可保证产品的成熟度,对所选用产品的飞行经历进行详细的调研,通过历史数据,类比或仿真分析等手段可确定其能否承受实践十号卫星环境条件要求,但多平台产品间的集成、配套仍面临较多的技术和管理问题。尤其对于返回卫星来说,经过几十年的发展,形成了自己独有的产品配套体系,与其他卫星平台的配套产品存在较大差异,这也为跨平台产品的集成交互造成较大困难。这就要求引入一套用于成熟度评价的客观准则体系,作为产品和技术选用的参考依据,充分识别产品集成交互过程中的不成熟环节,提前采取控制对策,最终实现降低项目技术和管理风险、提高项目成功概率的目的。

3.4 基于成熟度评价开展研制方案优选

依据成熟度评价模型对卫星研制方案进行评价,优选出成熟度较高、研制周期和研制经费较低的研制方案,指导卫星的研制管理与产品保证工作。

3.4.1 应用成熟度评价模型,综合比较各种研制方案

实践十号卫星在产品选型过程中应用成熟度评价方法,对2种研制方案进行了比较。各分系统的产品成熟度、集成成熟度见表5,其中产品成熟度取分系统各单机成熟度的加权平均值;综合比较见表6。

表5 2种研制方案的成熟度Table 5 Maturity of two development schemes

表6 2种研制方案的综合比较Table 6 General comparison of two development schemes

从以上比较可看出,在技术方案的选择上,采用新研产品虽然能满足卫星需求,但产品成熟度低,在研制进度、研制经费上都面临较大风险;而选用现有型谱产品,尽管在系统集成(包括接口、环境适应性)方面存在一定劣势,但产品成熟度更高,在研制进度、研制经费方面都大大优于重新研制新产品。

实践十号卫星应用成熟度评价模型对不同研制方案进行比较,在成熟航天产品中选用最能满足卫星功能性能要求的产品。同时,在产品的跨平台集成交互过程中遵循系统工程思想,按照产品工程的特点和规律实施科学管理,产品选用、开发过程中强调满足用户需求、组合化、并行工程等一系列实施和管理措施,体现和应用集成产品开发模式思想。

3.4.2 识别成熟产品集成成熟度薄弱环节,制定相应控制措施

集成成熟度要综合考虑产品之间的机、电、热及信息接口,对于跨平台成熟产品来说,尽管产品成熟度较高,但产品之间的接口及产品与返回式卫星平台的接口都可能存在集成成熟度较低的问题。以对流风扇的选用为例,说明成熟产品集成成熟度方面存在的薄弱环节,见表7。

表7 产品实现方案的集成成熟度比较Table 7 Comparison of integration maturity of two development schemes

实践十号卫星为满足密封舱设备的热环境条件,需要使用对流风扇,而返回式卫星原有对流风扇停产多年,已不具备投产条件。目前,航天产品中有过在轨飞行经历的对流风扇满足实践十号卫星应用需求的,仅有载人飞船和空间站中使用的对流风扇,表7中①即为选用现有载人飞船风扇,该风扇在产品成熟度和集成成熟度方面都较高,可保证产品各项技术指标满足要求,但该产品价格十分昂贵,在实践十号卫星研制经费紧张的客观条件下,应用该型产品面临的压力较大。基于以上原因,实践十号卫星项目办公室考虑从现有商业成熟产品中选型。表7中②为选用商业产品,其产品成熟度,电、热接口集成成熟度均较高,只有力学环境适应性不能保证,因此通过单机环境试验摸底、多风扇冗余备份设计,保证产品的可靠性满足要求。通过2种成熟度的比较,识别了风扇选用的优劣和薄弱环节,采取冗余备份的设计手段保证系统可靠性,指导系统设计。在满足系统指标的基础上,实践十号卫星最终选用了商业风扇,起到了降低成本的效果,并取得了在轨试验的成功。

3.5 基于成熟度评价优化研制流程

对于实践十号卫星来说,结构、回收等大部分功能经过了返回式卫星多次的再设计、再分析与再验证的完善流程,采用新的产品选型模式后,其生产、验证环节也存在一定的优化空间。在研制过程中,基于成熟度评价理论,从技术实现的角度对产品、分系统和系统的研制流程进行了一定的优化。

3.5.1 设计评审及验收流程优化

设计评审优化分为产品、分系统和系统3个层次进行,优化的依据为产品的技术成熟度和集成成熟度,对于成熟度高的环节,可适当简化其设计评审和产品验收的步骤,在保证产品质量和可靠性的基础上,为卫星研制节约宝贵的时间和经费。具体优化环节见表8。

表8 实践十号卫星产品实现过程优化情况Table 8 Optimization of development process of SJ-10 satellite

3.5.2 试验矩阵优化

对于成熟度较高的产品,研制过程中的试验矩阵也进行了适当的优化。如返回式卫星的结构强度、刚度已经过多次的再设计与再验证,初样阶段不再进行结构星力学试验;返回式卫星热控分系统的密封舱设计,也已经过多次的分析验证,且回收舱所用流体回路经神舟号飞船多次验证,设计余量较大,初样阶段不再进行整星热试验。相应的,初样整星力、热试验采用仿真分析的方法予以代替。在单机和分系统层面,针对大量成熟产品,减少了单机鉴定验收试验。

经过成熟度理论的评价,省略了对卫星技术风险影响较小的研制步骤,且对上述流程进行优化后,大大缩减了卫星研制主线,降低了卫星研制成本。

3.6 分类制定产品保证控制措施

实践十号卫星在成熟度评价的基础上,优选出若干产品选用方案,同时也针对各类产品识别出所选用方案的薄弱环节,并针对薄弱环节加强产品保证控制措施。

3.6.1 返回复用产品的产品保证控制措施

通过成熟度评价完成产品选型后,实践十号卫星确定了对部分过去返回式卫星、飞船返回后的产品进行复用,初步探索星上产品的重复使用技术。同时,明确了产品技术状态管理要求和数据包要求,并制定了专用的产品保证大纲,有效保证了返回复用产品的质量、可靠性、功能性能满足卫星要求。

3.6.2 有效载荷的产品保证控制措施

有效载荷分系统产品状态新,使用专用或特殊元器件比重大,而且采购渠道单一,高等级元器件的可获得性比较低,同时在试验设备中使用了大量的部组件。针对这种特殊情况,卫星工程总体单位批复了有效载荷专用的产品保证大纲。大纲中对有效载荷的试验单机进行了综合风险分析,在此基础上对选用元器件的范围和质量等级以及质量保证的内容进行了规定,以此大纲作为有效载荷分系统元器件质量保证的依据。其中,产品保证总体原则是:在不对整星安全性造成威胁的前提下,允许有效载荷在非关键功能部位使用低等级元器件和限用工艺。

4 结束语

本文提出的基于成熟度评价的高性能、低成本的航天器集成研制模式,在实践十号卫星的研制过程中取得了成功应用,在36个月内完成了卫星的研制工作,项目经费比原测算经费降低了38.8%,在19项有效载荷全部为新研产品的情况下,最终以高于用户预期的较短研制周期实现卫星出厂、发射,有力地说明了基于成熟度评价的航天器产品跨领域集成管理模式对缩短卫星研制周期有较大的促进作用。该管理模式可推广应用于采用跨领域成熟产品进行航天器的集成研制。

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Integration Management Mode of Cross-domain Mature Products for Spacecraft Based on Maturity Evaluation

QIU Jiawen1LIU Qinghua2ZHANG Yechi1
(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)(2 China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

A management mode for low cost,short cycle and highly reliable satellite development is proposed based on maturity evaluation.Constraint conditions such as function,performance,price and progress are considered comprehensively in the management mode to guide the cross-platform,cross-domain and cross-level of product selection.System integration process of satellite is realized with lower cost,rapid progress and higher system reliability.The management mode is applied successfully in the development process of SJ-10 satellite.With the management mode,the development funds reduced effectively,the development cycle is shorten,and the task has a successful conclusion.The management mode is easy to popularized and applied for low-cost spacecraft development.

spacecraft product;maturity evaluation;integration management;SJ-10 satellite

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.014

2017-09-19;

2017-09-29

国家重大航天工程

邱家稳,男,博士,研究员,研究方向为航天器总体设计。Email:13911816829@139.com。

(编辑:夏光)