皮纳二号卫星研制流程优化的探索与实践

李红宝 李延东 苏文 马文杰

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

皮纳二号卫星研制流程优化的探索与实践

李红宝 李延东 苏文 马文杰

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

皮纳二号卫星是航天东方红卫星有限公司研制的试验验证卫星,目的是对微纳型卫星平台和载荷的技术及产品进行在轨验证,同时对低成本卫星研制流程优化工作进行探索。通过研究和借鉴其它卫星型号的做法和经验,在皮纳二号卫星研制过程中对技术流程、产品投产、试验验证、元器件选用、软件管理、发射场工作等各方面均开展了流程优化的尝试工作,节省了一定的人员和设备资源占用,缩短了研制周期,为低成本卫星研制流程优化积累了经验,可作为其它有类似需求的卫星型号的借鉴和参考。

低成本卫星;研制流程;优化

1 引言

近年来以立方体卫星为代表的微纳卫星、皮纳卫星发展迅速,已逐渐突破以科学与技术试验为主要用途的传统思维,应用领域不断拓宽[1]。比如美国空军、海军、国家侦察局(NRO)等在空间快速响应(ORS)计划驱动下,提出并落实了一系列用于战场侦察、通信任务的皮纳卫星星座,与传统大卫星系统形成能力互补。

我国也开展了一系列的微纳卫星研制和在轨验证工作,如深圳航天东方红海特卫星有限公司、中国科学院上海微小卫星工程中心、哈尔滨工业大学、浙江大学等,均发射了多颗微纳卫星,开展了大量的在轨验证,并形成了一定的能力。

航天东方红卫星有限公司已研制发射了多颗微纳卫星,如2009年发射的希望一号卫星,2015年发射的希望二号卫星[2]等,均在国内外产生了一定的影响。

皮纳二号卫星是航天东方红卫星有限公司自主研制的一组试验验证星,目的是在进一步验证微纳卫星平台和新型载荷技术的同时,对研制周期短、工作寿命和可靠性要求不高的低成本卫星研制流程进行探索和实践。

2 微纳卫星优势

相比传统卫星,采用微纳卫星组网运行,可以快速实现针对特定区域、特殊目标进行高频度观测的能力。同时,微纳卫星组网运行还具有建设成本低廉的好处,一般一个星群的成本不会超过一颗常规低轨卫星的成本。另外,微纳卫星组网运行还具有生存能力强的特点。2013年8月,美国空军航天司令部发布的“弹性与分散空间体系”白皮书指出:除了能够提高效能和节约成本等好处之外,分离或分散的卫星星座还能够在遭受自然环境影响和敌对威胁时具有更强的生存能力、强健性和弹性。

因此,微纳型专用星群能够有效弥补其他手段的不足,其系统生存能力强,少量卫星失效对系统效能的影响有限,建设成本低廉。

3 皮纳二号卫星概述

皮纳二号卫星是公司自主投入,针对用户特定需求研制开发的微纳型试验卫星,目的是基于微纳型卫星平台和轻小型载荷的技术成果,研制专门的卫星,全面验证相关技术和产品,探索微纳卫星在相关领域的应用模式,同时对低成本卫星的研制模式进行探索,为后续的“批生产”奠定基础。

皮纳二号包括技术状态基本相同的两颗卫星——A星和B星,每颗卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成,卫星平台包括控制、结构与机构、热控、星务管理、测控、能源等6部分,有效载荷包括载荷和数传两部分。卫星采用立方体构型,本体尺寸为边长约400 mm的立方体,整星质量约30 kg,长期功耗20 W,载荷和数传开机期间短期功耗约35 W。

两星于2016年11月10日在酒泉卫星发射中心由CZ-11 Y2运载火箭发射入轨,工作于500 km高度的太阳同步轨道,目前两星工作稳定,载荷在轨工作正常,各项功能、性能指标满足设计要求。

4 皮纳二号卫星研制流程优化理念

在进行皮纳二号卫星研制全生命周期策划时,卫星研制队伍特别重视“流程优化”。在对常规卫星的研制工作项目进行梳理分析的基础上,借鉴各卫星型号研制经验和教训[3],按照“精简一部分、优化一部分、保留一部分”的原则,确定了皮纳二号卫星研制工作项目和研制技术流程。

这些精简、优化的项目,是在充分分析论证的基础上进行的,并且精简和优化的项目也不是绝对地不做或少做,而是通过其它方式进行验证和确认,比如有的工作项目用分析对比代替试验验证,有的是以仿真代替实物验证,有的是以局部验证代替全面验证等,而必须开展的整星力学、热控、电磁兼容性(EMC)试验和全面测试等工作,则全部保留。

5 皮纳二号卫星研制流程优化的探索与实践

5.1 技术流程优化

皮纳二号卫星研制过程突破传统的技术流程框架,将整个卫星研制分为“设计验证”和“研制生产”两个阶段,其中设计验证阶段不投产专门的验证星(电性星、力学热控星、辐射模型星等),而是将一颗正样星,即皮纳二号A星定义为正检星,完成全面验证之后直接参加发射任务。

设计验证阶段主要开展的工作如下:①梳理明确各产品、组件间接口,明确技术状态;②对成熟产品的适应性进行分析确认;③新研制的数传、载荷电性产品,与平台产品进行联试、电磁兼容性专项验证;④明确正样产品技术状态并投产,其中新研制的数传和载荷产品完成准鉴定级试验;⑤正样产品齐套,组装为正检星(皮纳二号A星),完成整星测试和各项试验,完成大系统对接试验;⑥对试验结果进行评估,明确正样星技术状态。

研制生产阶段主要开展的工作如下:①B星正样产品的研制、试验;②B星正样产品齐套,完成整星测试和各项试验;对A星、B星进行发射状态实施,完成两星出厂评审。

皮纳二号卫星研制技术流程与传统卫星相比,最大的区别是未投产专门用于整星级试验验证的地面验证星,而将其中一颗正样星(皮纳二号A星)定义为正检星,完成全面验证,经评估并进行发射状态实施后参加发射任务。另外一点是新研制产品不投产鉴定件,而是以正样产品通过准鉴定试验进行考核。

5.2 产品投产优化

1)成熟产品直接投产正样件

皮纳二号卫星平台大部分为成熟产品,如星务、电源、控制等,设计验证阶段均未投产验证产品,而是对借用产品进行适应性修改(主要是软件的修改),参加各组件间的电性能联试验证工作,然后直接投产正样件产品,实现“一步正样”。

成熟产品“一步正样”,不仅节约成本,而且节省了产品研制的时间,也减少了设计师的工作精力投入,能够更好地对产品状态进行梳理,更早的投产正样产品,确保正样产品的研制质量和交付时间。

2)新研制设备不投产鉴定产品

皮纳二号卫星新研制的载荷、数传产品,均有一定的技术基础,但无在轨验证经历,按照常规的要求,应投产专门的鉴定件进行试验考核。考虑此卫星属于试验验证性质,同时借鉴以往卫星研制中利用正样产品通过准鉴定级试验进行考核的经验,皮纳二号数传和载荷产品未投产鉴定件,只投产一台电性产品和A、B星共两台正样产品。电性产品主要验证功能、指标和接口,A星正样产品进行准鉴定试验考核,B星产品进行验收级试验。取消鉴定产品的投产,显著地节约了研制成本,节省了研制时间。

5.3 试验验证流程优化

1)整星试验流程优化

如前所述,皮纳二号未投产完整的初样电性星和力学热控星,而是将一颗正样发射星(A星)定义为正检星,完成所有的整星验证工作,包括整星的测试、模飞、力学试验、EMC试验、热平衡试验、热真空试验和磁试验等。

试验完成后,对局部设计状态进行了更改完善,经仿真和分析,更改的项目无需再进行整星级的全面验证。完成更改完善和发射状态实施后,卫星直接参加发射任务,也即实现了整星级的“一步正样”。

整星试验流程的优化,降低了研制成本,并且使得卫星研制周期至少缩短了3个月。

2)EMC试验验证流程优化

皮纳二号属于无线电载荷的卫星,根据以往卫星研制经验,这类卫星的电磁兼容性问题一般比较突出,如果不尽早进行验证,正样阶段可能需要大量的时间投入[4-5]。

在卫星研制策划时,明确了设计验证阶段电磁兼容性相关工作先进行局部验证、再利用正检星进行全面验证的思路。其中局部验证工作,包括天线间空间隔离度仿真、相关设备间射频兼容性分析、天线间空间隔离度测试、电性产品联试时无线状态的电磁兼容性摸底试验等。通过这些分析、测试及摸底试验,对整星状态的电磁兼容特性有了较全面的把握,明确了电磁兼容性实施要求,包括天线的隔离安装、低频电缆的包覆要求、射频设备的屏蔽实施等。

这些措施直接在正样产品和发射星实施,整星EMC试验一次通过,确保了卫星的出厂计划。

5.4 元器件选用管理

与以往长寿命、高可靠型号的要求不同,皮纳二号卫星具有研制周期短、在轨寿命要求低、重点开展在轨验证而无明确的任务要求等特点。针对这些特点,卫星项目办公室委托中国空间技术研究院物资部制定了“电气、电子和机电(EEE)元器件保证要求”,对元器件选用、采购、质量保证等进行了规定,并和以往型号有所区别。

如采购渠道,不再要求统一采购,而是由使用单位直接采购;国产商用现货产品(COTS)元器件要求从厂家直接采购,进口COTS元器件优先从一级代理商处进行采购,非一级代理采购时要求选择有采购历史且产品具有卫星产品应用经历的渠道,COTS元器件采购应尽可能多地获取元器件生产情况,如生产厂情况、元器件产品手册等。同时还提出了元器件板级筛选的要求,单机承制单位应根据项目和单机设计、可靠性等要求制定板级或单机级筛选试验方案,明确试验项目、试验条件和试验判据,试验方案由型号项目办公室组织有关专家审查确认;元器件装机后应进行板级或单机级筛选试验,试验项目应至少包括高温老炼和温度循环,高温老炼连续运行时间不少于48 h,温度循环不低于10次。温度按照设备鉴定级条件确定。对元器件失效,要求单机研制过程中出现重复失效(两次及以上)或整星总装、测试与试验(AIT)过程中失效效应开展失效分析。

以上各项措施,既对元器件选用进行了有效控制,又避免了较长的时间占用和较高的成本投入。

5.5 软件研制管理

与元器件选用管理相同,软件管理方面,根据型号没有长寿命、高可靠要求的特点,制定了“软件产品保证大纲”,对软件研制流程、配置管理、更改管理、测试确认等方面的要求进行了明确。主要思路是重视软件需求的明确,重视软件更改的控制及版本管理,重视确认测试、联试测试验证的全面性和有效性,不要求软件进行第三方评测,只要求进行第三方审查即可。

同时,星上各设备的程序均存储在flash型存储器中,无PROM存储器,所以整星取消了“软件落焊”环节。各设备均具备不开盖更新软件的功能,即在整星状态就可以给各软件进行升级,减少了设备拆装的环节。

5.6 发射场工作流程优化

皮纳二号卫星在科学分析的基础上,充分继承成熟卫星的实践成果,对发射场工作进行了合理裁剪和流程优化[6]。具体如下。

(1)整星合板运输,发射场不开板。在卫星进场前,完成整星发射状态的合板工作,星内完成所有发射状态的实施,并进行最终状态检查确认和拍照确认。

(2)发射场不进行开板检查和全面性能测试。卫星进入发射场后,只对与运输、振动相关的项目进行功能测试、健康状态检查,如考核继电器切换动作的开关机、主备切换测试,考核天线状态及高频电缆安装状态的星地无线性能测试等。

(3)卫星与运载火箭对接后,无任何测试和操作。通过计算分析,卫星的设计状态支持断电后至少20天再加电,对蓄电池寿命等无任何影响,可确保在发射场有较大的时间灵活度。皮纳二号卫星与运载火箭对接前,即处于断电状态,对接后完成保护盖拆除、吊具吊点的防护处理等最终状态的处理和确认;与运载火箭对接后,不进行任何测试及电池充电等工作,也无任何总装操作项目。

通过这些流程优化,实现了发射场主要工作20人15天完成的目标。

6 结束语

卫星研制流程优化既可以缩短研制周期,加快新技术的应用验证,而且还可以降低研制成本,显著地提高市场竞争力,同时还是为应对可能到来的“井喷”式的宇航任务[1],探索“流水线”式的宇航产业全新生产模式奠定一定的基础。

References)

[1]李明.微小卫星发展的若干思考[J].航天器工程,2016,26(6):1-5 Li Ming.Perspective on development of micro-small satellites[J].Spacecraft Engineering,2016,26(6):1-5(in Chinese)

[2]施思寒,赵志明,付伟达,等.希望二号卫星低成本研制模式探索与实践[J].航天器工程,2016,25(z2):7-10 Shi Sihan,Zhao Zhiming,Fu Weida,et al.XW-2 low-cost development model to explore and practice[J].Spacecraft Engineering,2016,25(z2):7-10(in Chinese)

[3]吴松平,张弩,吴亚光.小卫星装备星研制流程梳理及优化分析[J].航天器工程,2015,24(z2):76-80 Wu Songping,Zhang Nu,Wu Yaguang.Small satellite equipment comb star development process analysis and optimization[J].Spacecraft Engineering,2015,24(z2):76-80(in Chinese)

[4]汪洲,张泽敏,高致,等.适应低成本、短周期、快响应卫星需求的遥感相机产品研制实践[J].航天器工程,2016,25(z2):46-49 Wang Zhou,Zhang Zemin,Gao Zhi,et al.To adapt to the low cost,short cycle,fast response to the demand of satellite remote sensing camera product development practice[J].Spacecraft Engineering,2015,25(z2):46-49(in Chinese)

[5]陈涛,李琦,王鑫,等.宇航型号研制流程优化管理实践[J].航天工业管理,2013(9):64-67 Chen Tao,Li Qi,Wang Xin,et al.The aerospace model research and process optimization of management practice[J].Aerospace Industry Management,2013(9):64-67(in Chinese)

[6]李建强,姚瑞芳,金煜,等.型号研制流程和发射场流程优化管理的实践[J].航天工业管理,2015(8):36-40 Li Jianqiang,Yao Ruifang,Jin Yu,et al.Model development process and launch site process optimization management practice[J].Aerospace Industry Management,2015(8):36-40(in Chinese)

Development Process Optimization for PN-2 Satellite

LI Hongbao LI Yandong SU Wen MA Wenjie
(DFH Satellite Co.,Ltd.,Beijing 100094,China)

PN-2 is test and validation satellites manufactured by DFH Satellite Co.,Ltd.,to on-board valid the micro-nano technology and products is satellite platforms and payload,as well as explore the posibility of the low-cost of satellite development process optimization work.Through research and draw lessons from other types of practice and experience.In case of the development of the PN-2,various technological process such as product production,assemble and test,component selection,software management,launch site work has been optimized,to save a certain amount of personnel and equipment resources,also has a certain degree of shortening development cycle,for low-cost satellite development process optimization has accumulated certain experience,and other similar demand model reference.In this paper,the process optimization of exploration and practice was summarized.

low-cost satellite;development process;op timization

V57

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.016

2017-09-25;

2017-09-28

国家高技术研究发展计划(863计划)(空间信息网络天基试验方案研究2014117011017)

李红宝,男,硕士研究生,高级工程师,从事卫星总体设计工作。Email:hongbao_li@163.com。

(编辑:张小琳)