采用商业元器件降低航天器成本研究

周剑波，丛彦超，赵鹏飞，洪东跑

(1. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076；2. 南京航空航天大学，江苏 南京210016)

0　引言

近三十年来，尤其是20世纪冷战结束以来，成本问题已经越来越成为制约航天器发展的主要因素，如何降低成本成为航天器设计中需要首先考虑的问题。

以目前的技术水平和应用状况来看，采用商业元器件是降低航天器成本的直接途径[1-2]。虽然商业元器件不是专为航天设计，在可靠性要求苛刻的航天领域采用商业元器件必然存在很多问题，实际上关于此的争论也一直没有停息，但是随着研究和应用的深入，商业元器件的采用逐渐被接受。现在，通常的民用航天领域特别是小卫星领域使用商业元器件已经比较普遍，军用航天中商业元器件的应用也得到越来越多的认可，典型的航天电子设备供应商如Rockwell、Honeywell、Fairchild等都投入大量精力进行商业元器件的军用研究[3-6]。

导弹采用商业元器件也逐渐成为趋势，例如美国新一代战术战斧巡航导弹与以往相比最主要的特点之一就是成本低廉，每枚战术战斧导弹造价只有56.9万美元，比战斧III的140万美元大为降低。战术战斧的廉价化除了在一开始就采取了面向成本的策略外，最主要的就是大量采用了商业元器件。

与国外相比，国内对商业元器件在航天上的应用研究较少，特别是商业元器件的主要应用领域小卫星中，国内还没有如同国外一样出于成本的要求而大范围开展商业元器件的应用研究。但是由于国内电子工业的落后现状和国外的出口限制，实际应用中已经开始使用了一些商业元器件。

本文在分析采用商业元器件原因的基础上，首先分析采用商业元器件的可行性，然后对采用商业元器件所产生的问题进行了讨论，并从技术与工程应用角度对这些问题进行了分类概括，最后针对这些问题研究了相应的对策。

1　采用商业元器件的原因

商业元器件(Commercial-of-the-shelf，COTS)国内也直译为商业货架产品，是指那些可以直接从市场上买到的软件和硬件产品，本文主要讨论硬件，包括通常(不严格的)所称民用级(commercial)元器件、工业级(industrial)元器件。

总的来说，采用商业元器件最主要的原因是其价格优势和技术优势。

1.1　历史原因

电子技术是20世纪发展最快的技术之一。在电子技术发展的早期，军事需要无疑是绝对的推进力量，然而自20世纪六七十年代以来，电子市场中商用的份额逐渐占据主导地位，军用市场对电子技术发展的影响越来越小，冷战以后军用电子需求的萎缩使得这种趋势更加明显。美国洛克希德·马丁公司统计，1975年美国军方在半导体集成电路上花费7亿美元，占美国半导体总市额的1/6，到1995年，美国军方在半导体芯片上付出了11亿美元，但是美国的总市额却已经高达1 500亿美元，也就是说军用所占市场份额不足1%。激烈的市场竞争、有限的利润以及军用标准的苛刻要求必定使绝大部分电子制造商把精力投往其他领域，很多著名的电子制造商，例如摩托罗拉、英特尔、飞利浦都已经关闭了他们的军用电子元器件生产线[7-8]。

与此同时，微电子产业需要的投资却越来越大，开发时间越来越长，例如微电子的热点技术片上系统(System on a Chip，SoC)，根据日本有关方面估计，工厂的投资需要3 500亿日元以上，开发时间在1年以上，开发费用达数亿日元[9]。

在欧洲和美国，由于冷战后防务经费的大幅度减少，不可能在需要的技术上进行冷战时期那种近乎无限的投资。在这种情况下，为了能以可承受的成本利用最新的(sate-of-the-art)电子技术，欧美开展了商业电子在军事和航天上的应用研究，美国将其称之为获取改革(Acquisition Reform)[10]。美国在下一代战略导弹的前期研究中通过分析对比，专门提出采用一些商业元器件是提高导弹性能、降低成本的有效途径[11]。

1.2　减少研制费用

研制费用一般是按照一定方式分配到元器件的售价中，由于专用器件采购量较小，研制费用在整个元器件成本中占了很大比例。同时，专用器件的通用性也很差，针对某个任务设计的器件很难直接用在其他任务上，即使可以用往往还要再付出很高的改装费用。商业元器件通常是标准化系列化产品，通用性强，生产量大，售价低廉。

在小卫星的研究中，按照成本估算关系式(CER公式)反复计算，结果表明，采用商业元器件成本仅是采用航天专用元器件成本的1/10[2]。

1.3　商业元器件的技术优势

专用元器件(军用级、宇航级)针对具体任务或特殊要求进行设计，研制时间长，往往还未研制出来就已经在技术上落后。相比之下，商业元器件受市场的推动作用，以异乎寻常的速度向前发展，更新换代非常快。

单就技术性能而言，绝大多数的商业元器件要比军用级、宇航级元器件先进得多，例如现在使用的星载计算机，一般其计算速度只相当于商业计算机10年前的速度。表1比较了一些不同标准元器件，可以看出商业元器件在性能方面的优势。

表1　一些不同标准元器件的比较[12]

此外，采用商业元器件可以做到总体设计不受分系统进展落后的影响，同时可以不断利用最新出现的商业元器件对航天器加以改进，特别是采用模块化技术后，这种改进更加方便。

1.4　商用元器件的标准

商业元器件大多是按通用标准(例如ISO、IEC、IEEE制订的质量标准)进行生产的，质量水平较高，在航天上的应用逐渐成熟。

首先，商业元器件有标准的件号和描述其机械、电气和环境与极限的技术规范，虽然出于保守商业秘密的考虑，不可能获得商业元器件生产过程和生产工艺的全部细节，但也不是什么都不可获知。一般而言，供应商愿意提供足够的信息。

其次，出于降低成本的考虑，各国进行了大量商业元器件在航天上的应用研究。欧美和日本已经成立专门的研究机构研究商业元器件在航天上的应用问题，很多检验合格的产品不仅在小卫星上而且在大卫星上得到应用。随着众多广泛采用商业元器件的大小卫星的研制成功，商业元器件在航天应用上的经验得以积累，相关技术迅速发展，使用商业元器件的风险降低。

1.5　商业元器件的软件支持

软件的研制和维护需要投入大量的人力、财力，无数实例说明，许多软件投入大量人力财力后仍然失败了，很多软件即使开发出来也是漏洞百出不堪使用。通常商业元器件拥有与之配套的软件，并且有专门的机构来维护、升级和提供技术支持，因此使用商业元器件可以具有很高的效率，节约大量的开发时间，从而减少开发费用。

2　可行性分析

一般认为，虽然采用商业元器件可以降低成本，但航天器将无法实现采用专用元器件所能具有的全部效能，例如可靠性、工作年限等。那么，采用商业元器件的航天器究竟需要实现普通航天器效能的多少，才能达到希望的总成本降低比例？下面以导弹为例进行分析。

下文公式中各参数的含义如下：P：要求的摧毁概率；Pm：普通导弹的单发摧毁概率；Cm：普通导弹的单发成本；Nm：达到要求的摧毁概率需要的普通导弹数量(枚)；Pc：采用商业元器件导弹的单发摧毁概率；Cc：采用商业元器件导弹的单发成本；Nc：达到要求的摧毁概率需要采用商业元器件的导弹数量(枚)；Cc/Cm：成本比，表示采用商业元器件的设计余地，其值越大则越容易实现；Pc/Pm：效能比，表示技术实现难度，其值越大则越难实现，反之越容易实现。

假设只要有一枚导弹命中即可摧毁目标，那么为了以P的概率摧毁目标，需要的普通导弹数量Nm根据n中取1的概率模型，由式

P=1-(1-Pm)Nm

(1)

可得：

(2)

导弹总成本Cnormal为：

(3)

同理可得采用商业元器件的导弹以P的概率摧毁目标需要的数量Nc和总成本CCOTS为：

(4)

(5)

若总成本相等，即CCOTS=Cnormal，可以求出Cc/Cm随Pc/Pm变化的关系式：

(6)

由式(6)计算可得，当Pm=0.9，Pc/Pm=0.9时，Cc/Cm需要达到0.72才能实现与普通导弹相同的摧毁概率，从商用元器件的售价和改装费用考虑，这是完全可以实现的(远大于参考文献[2]介绍的0.1的比例)。而且，如图1所示，随着敌方采取防导等措施使得Pm减小，Pc/Pm保持不变时，Cc/Cm还可以进一步增大，这就意味着设计余地增大。

图1　Cc/Cm随Pc/Pm的变化关系

上述分析也说明只要实际的Cc/Cm值低于计算出的Cc/Cm，就能减小总成本。假设实际的Cc/Cm为0.5，由式(3)和式(5)可得以要求的概率P摧毁目标时所需采用商业元器件的导弹总成本与采用普通导弹总成本之比CCOTS/Cnormal随Pc/Pm变化的关系，如图2所示。

图2　CCOTS/Cnormal随Pc/Pm的变化关系

图2表明，Pc/Pm必须达到一定程度后总成本才有可能减小，并且随着Pm的减小，使总成本减小的Pc/Pm也随之减小。Pc/Pm减小意味着技术上更容易实现，而目前反导技术的发展使得Pm减小，因此采用商业元器件是对抗反导的有效措施。

3　必须面对的技术问题

商业元器件毕竟不是针对航天任务设计的，很多方面商业元器件需要满足的要求比航天相关方面的要求低，需要根据可靠性要求进行综合设计，才能既满足要求，又不丧失价格优势。航天器采用商业元器件需要解决的主要技术难题如表2所列[13]。

表2　采用商业元器件必须面对的典型技术问题

4　必须面对的非技术因素

除了上述技术问题，采用商业元器件还受一些非技术因素的制约，常常是这些非技术因素限制了商业元器件的应用。这些因素包括以下方面。

4.1　后勤保障要求

必须考虑所采用的商业元器件是否有可靠的供货来源，能不能在特定时期获取足够数量需要的器件，是否有替换品。

考虑到目前国内的技术水平，很多商业元器件特别是电子产品需要进口，国内没有生产厂家或根本不具备相应技术能力，采用这种商业元器件在战时就会大受限制。

4.2　产品过时-长期供应问题

如图3所示[4]，商业元器件更新换代比军用器件快，好处是可以不断获取采用最新技术的元器件，同时也带来一个严重问题，即若干年后需要进行维修或再生产时，原始设计所采用的商业元器件早已过时报废，没有厂家再生产这种产品了。此时修改设计或要求厂家重新生产，必定要付出极大的代价。

图3　商业元器件的使用周期

4.3　作为买方的劣势

作为商业元器件的买方不能对生产者提出过多要求或者根本就无法提出要求，否则就违背了使用商业元器件的初衷——降低成本。大批量标准化、系列化生产是商业元器件售价低廉的根本原因，除非需求量足够大，对生产者提出专门要求在成本上是划不来的。

商业元器件的生产者通常拥有对其产品进行修改的自由，很多时候买方对这种修改是无能为力的，并且还经常不能得到关于修改的信息。

4.4　信息安全问题

对大量商业元器件，尤其是含有软件的商业元器件(如片上系统内嵌软件)，由于其生产厂家较难进行控制，还需考虑元器件的信息安全问题，对后门、病毒等进行考虑[14]。

5　对策

对于上述技术和非技术问题，需要从系统工程的角度出发，以成本为主要目标，只要能降低成本，就可以进行尝试。下面给出应对措施。

5.1　从系统工程的角度考虑可靠性

电子设备的可靠性设计是一个系统工程，元器件单项可靠性能高并不代表整体可靠性高，元器件单项可靠性较差也并不意味着整体可靠性差，“可靠性在很大程度上是设计出来的”已经成为共识。

从系统的角度考虑，即使采用了商业元器件，但是进行了针对性设计，也可以设计出足够的系统可靠性。例如对于元器件抗空间辐射要求，虽然商业元器件未经抗辐射加固，但是必须注意到商业元器件集成度高、体积小，因此暴露面积也小，受辐射失效的概率也相应减小，如果在设计保护电路和在结构上进行整体防护，完全可以满足抗辐射要求[15]。

5.2　商业元器件的选用

对商业元器件进行筛选和试验，选用可靠性较高的器件。商业元器件生产厂家众多，很多生产军品级、宇航级元器件的厂家也在生产商业器件，各个厂家各个批次的产品都会有所不同，通过大量的试验对比，通常都可以得到满足要求或与要求接近的产品。在建立相应的数据库后，效率会得到大幅提高。

从成本和效率两方面考虑，元器件的选用可以由专门的技术中间实体来进行，现在已经出现了一批这样的技术实体。

5.3　风险管理

进行风险管理，从总体的角度进行可靠性设计。对于对总可靠性影响巨大的部件，采用宇航级器件，对于数量巨大、可以容忍一定数量失效的部件，例如存储器单元，尽量采用商业元器件，最终目的是在全系统级别达到要求的可靠性。

风险管理的关键在于危害性分析，必须确定哪些元器件只能使用通常的宇航级元器件，而哪些元器件的要求可以适当放宽。

5.4　容错设计

容错设计的设计思想是既然不能避免错误发生或避免代价太大，那么就在分系统(部件)级别进行特殊设计以达到在系统级别避免错误发生的目的。冗余设计就是一种典型的容错设计。容错设计是实际中应用最为广泛的确保可靠性的方法之一，在目前电子技术高度发达的情况下，能以较小的代价(成本、重量等)大大提高系统可靠性。

5.5　后勤保障和长期供应

针对后勤保障要求，可以采取一次性购买。由于商业元器件在成本上的优势，而且如战略导弹之类的航天器装备数量很小，需要的元器件总量有限，为航天器的整个寿命周期购买足够的备份元器件值得考虑。特别是对于进口元器件，在若干年内储存一定数量的元器件是必需的。

购买服务是解决长期供应的可行方法。购买服务是指直接与元器件生产商或中间供应商签订服务购买合同，保证在航天器全寿命周期内持续提供这种元器件或可以接受的替代品。如果在设计阶段就进行模块化标准化设计，提供标准化接口，寻找替代元器件就会容易得多[16]。

购买服务或者购买技术支持是近年来比较流行的方式，能有效避免买方不熟悉市场、对元器件的历史情况和质量现状不了解等情况。众多技术中间商的出现为购买服务提供了便利，与普通的中间商相比，这些技术中间商拥有完善的监测手段、庞大的数据库和遍及全球(全国)的供货渠道，如图4所示。

图4　新型采购模式

5.6　从新审视设计策略，适当减少航天器使用年限

适当减少航天器使用年限，特别是导弹之类的武器系统。考虑到微电子技术的发展速度，想要设计在非常长的时期内，比如30年，始终保持技术先进性的航天器基本不可能，也没有必要，反之可以在设计之初就考虑不断升级的问题，设计一种在较长时期内具有改进潜力的航天器更为可行。

6　结论

采用商业元器件势在必行，而目前讨论最多的问题不是用不用而是如何用。以小卫星为代表的工程实践已经证明采用商业元器件不但可以大幅度降低成本，同时还可以实现足够的可靠性，而其关键在于进行针对性设计。随着国内航天的商业化进程，商业元器件的使用会成为普遍行为。

[1] WERTZ J R, LARSON W J. Reducing space mission cost [M].Netherlands：Springer，1996.

[2] 王存恩，于家源，宋海丰，等.降低现代小卫星研制成本问题的研究[M].北京：航天工业总公司第五零二研究所，1999.

[3] HALL J, NAFF R. The cost of COTS[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2001,16(8):20-24.

[4] AFORD L D. The problem with aviation COTS[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2001,16(2): 33-37.

[5] BOOTH C. Considering COTS[J].Air Force Journal of Logistics,1998(4):1-6.

[6] SAMSON J R, PRADO E R. SPINA D. The COTS conundrum[C]//2003 IEEE Aerospace Conference, Big Sky, MT, United states: IEEE Aerospace and Electronics Systems Society, 2003:2363-2372.

[7] 霍曼.综合航空电子技术发展展望[J].航空电子技术，2000(3)：12-17.

[8] 韩士杰.军用航空电子系统的新发展(上)[J].航空电子技术，1998(2)：36-43.

[9] 田民波.电子封装工程[M].北京：清华大学出版社，2003.

[10] PERRY W J. Specifications & standards-a new way of doing business[R]. Department of Defense, 1994.

[11] SCHAFF J, BILLE M, BLALOCK L, et al. Future ballistic missile requirements: a first look[C]//AIAA Space Technology Conference & Exposition, Albuquerque, NM: AIAA, 1999:1-5.

[12] HAEBEL W. A new approach to provide high-reliability data systems without using space-quailed electronic components[J]. Acta Astronautica, 2004, 55(3-9): 563-571.

[13] 曾声奎.系统可靠性设计分析教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

[14] 吴雪黎，武雪峰，杨光,等. 嵌入式系统的功能安全与信息安全[J].信息技术与信息化，2012(6)：84-88.

[15] GULDAGER P B, THUESEN G G, JØRGEMSEM J L. Quality assurance for space instruments built with COTS[J].Acta Astronautica, 2005, 56(1-2): 279-283.

[16] 刘铀光.可供借鉴的元器件采购模式[J].航天工业管理，2004(6)：40-41.