长期存储航天产品评估的系统工程方法应用

刘闯斌，许晓冬，李 昊，庞智敏，张金辉，魏 强

（1.中国空间技术研究院 通信与导航卫星总体部，北京100094；2.中国航天科技集团有限公司，北京100048）

0 引言

随着“航天强国建设”要求、国家“一带一路”倡议及军民融合等战略的实施，我国航天事业迎来重大发展机遇，航天型号的应用需求也面临重大转变，任务性质从科研试验任务为主向应用服务为主转变，应用规模从少量型号独立应用向小批量组网应用转变，应用领域从特定领域少量需求向广泛领域大量需求转变[1]。为此，我国航天产品的种类、规模和数量需求日益增加，航天器研制多型号、多任务并举及小批量生产、高密度出厂发射的特点愈发明显，研制模式也正在从单星研制向通用化、系列化、组批生产转变。

为适应型号和单机产品需求大幅增加以及组批生产，航天器研制部门需要进行器件、材料甚至单机的提前储备和研制。然而，受研制难度、研制周期、发射时间安排等客观因素限制，储备的器件、材料或已完成研制的单机产品可能会在地面经过一定时间的存储后才能交付使用。这就给航天产品的地面存储及存储后的再使用评价提出了课题。

美国早在20世纪50～60年代就开展了航天产品存储可靠性方面的研究和试验；2014年4月发射的美国国防气象卫星计划-F19卫星（DMSP 5D3 F19）在地面存储了近20年[2]。法国阿尔卡特宇航公司对卫星的存储管理有着明确的规定，对存储环境要求、存储之前的准备工作、存储期间的相关检测以及存储后的测试与试验都有详细的规定，说明其卫星存储可靠性技术已进入实用阶段[3]。但国外航天产品的存储要求及评价方法等具体的基础性研究成果尚未完全正式公布。

我国航天在几十年的发展过程中，也形成了一系列航天产品存储的相关标准和规定。国内一些航天器型号也有6个月到4年不等的地面存储经历，涉及整星存储和设备存储等情况，积累了一些航天产品存储方面的经验[3]，但如何对长期存储的航天产品进行性能和可用性评价，还没有形成一套系统、成熟的方法。

本文采用系统工程原理和方法，对航天产品长期存储环境、存储状态，以及在规定环境中长期存储后航天产品的性能、应用状态等评估因素和评价方法进行梳理，按照用户要求和航天产品研制质量要求，建立长期存储航天产品评估要素体系。

1 航天产品存储环境条件约束

由于航天产品具有高风险、高可靠、高质量、小子样及一次成功的特殊性，对其研制和地面存储环境也有相应的非常严格的要求。在相关的国家标准和行业/企业标准中，都对航天产品存储的温度、相对湿度、环境洁净度等提出了具体要求。卫星整星存储环境条件要求如表1所列，国家标准和相关企业标准一般都要求整星在包装箱内保存；设备类产品存储环境条件要求如表2所列，一般要求产品在包装箱（袋）内存储，并充氮保持正压或抽真空保存，或用防静电塑料袋包装后放置在专用包装箱内，并按要求放置干燥剂等。

表1 整星存储环境条件要求Table1 Requirements of storage environment for satellite

表2 设备类产品存储环境条件要求Table2 Requirements of storage environment for general electrical units

从上述标准的规定中可以看出，针对航天产品存储环境，除非有特殊要求，一般关注的是存储产品的包装箱内外的温度、相对湿度、洁净度和气压状态，其他影响产品的存储要素应该根据不同产品的特殊性进行再规定。

2 长期存储航天产品评估体系的建立

2.1 系统工程方法应用

系统工程方法是实现系统工程目标过程中应用的一种跨学科的方法，它从需求出发，综合多种专业技术，通过“分析—综合—试验”的反复迭代，开发出整体性能优化的系统[6]。系统工程方法强调对系统的全寿命统筹策划，分阶段循序展开，利用还原论方法逐级分解，通过“分析—设计—验证”的反复迭代，最终运用整体论方法综合集成，实现系统设计、建造的完成和有效运行。系统工程方法论的特点在于研究方法强调整体性，技术应用强调综合性，管理决策强调科学性[6-7]。系统工程方法的实施，实际上就是对影响系统性能的各因素进行综合权衡，寻求平衡和整体最优。

我们可以把长期存储航天产品的评估工作作为一个系统工程——如何系统地梳理各种纷繁复杂的影响因素，如何对这些因素进行综合协调和评价，寻求评价结果的最佳，正是系统工程观点和处理原则、方法的具体体现。

2.2 评价因素的维度分析

对于存储产品的评价维度涉及技术、管理和经济等多方面，评价要素的选择比较困难。对于航天产品评估，主要还是应该从技术的角度来考虑，因为使用存储产品的目标仍然是要满足使用要求，能用是最主要的评价原则；其次，也要考虑用户关心的经济性、研制进度等问题。

技术角度考虑的因素主要包括：产品自身性能、产品可靠性、产品制造工艺、产品存储环境影响等维度。

1）产品自身性能：针对产品长期存储后功能的退化，机、电、热性能的变化，整机的可靠性等进行分析。

2）产品可靠性：针对研制产品所用的材料、元器件、接插件、电路板等进行分析。

3）产品制造工艺：针对研制所用的制造工艺、研制流程等进行分析。

4）产品存储环境影响：主要针对产品存储地点、温度、湿度等对产品性能的影响进行分析。

管理及用户关心的主要是经济性和研制进度等问题。

1）经济性：用户作为商业公司，采购卫星的目的主要是盈利，即便是重新启动研制的项目，同样要考虑再次投入与未来产出、收益的效费比。

2）研制进度：重新启动项目，可能是出于满足需求或其他诸如竞争需要等方面的考虑，因此能否尽快启动、完成项目研制也是用户较为看重的。

值得注意的是，上述各种因素是相互影响和制约的，比如，部件、器件的长期存储可能影响整机的性能，产品的修复与器件的更换影响经费和进度；经费和进度的制约影响产品的修复和质量改进，等等。而如何权衡各要素的利与弊，需要制定一套整体优化和评价的原则和方法。产品评估和使用决策受到上述几方面因素的综合影响。

2.3 评价方法和标准制定

作为一项系统性的工作，对存储产品的评估一样可遵循系统工程方法，首先自顶向下进行评估要素分解，逐一进行评价后，再逐级上升进行组件、整机的评价，最终通过多维度的综合权衡，确定对存储产品的处置意见。常用V 字形模型（见图1）来描述此“分解—集成”的过程[6]。

图1 评价工作过程V 字形模型Fig.1 V-typemodelof the evaluation process

具体的评价方法如下：

1）评价要素分解

如前所述，从技术和管理等方面充分考虑影响评估工作的各个因素，细化分解出应该考虑的影响要素。暂且按前述的产品自身性能、产品可靠性、产品制造工艺、存储环境影响等技术方面因素，以及经济性和研制进度等管理方面因素。

2）制定评估方法与标准

产品自身性能的评价标准以满足用户应用要求为主；

产品可靠性、产品制造工艺的评价标准以现行的质量和管理要求为准；

产品存储环境影响主要看产品存储地点、温度、湿度等是否满足存储要求和现行的质量和管理要求；

对经济性、研制进度等的考虑和评价，主要是用户根据市场需求和回报程度，考虑重新投产的代价是否值得，并要与研制方共同综合权衡产品质量与研制进度对产品投入使用和效果的影响程度。

3）各要素复查、试验与验证

产品自身性能可以通过前期研制数据复查、再测试及环境试验等予以验证，也可利用相类似产品比对分析进行评价；

产品可靠性可以通过元器件、原材料、产品部件进行拆解后予以测试、分析和验证，也可利用同批、同类产品的比对试验予以验证；

产品制造工艺可以对研制所用的制造工艺、研制流程等进行分析评审，也可以通过质量复查、质量确认或比对试验等方式进行验证；

产品存储环境影响可以查看存储场所的环境监测记录来寻找证据；

对经济性、研制进度等的考虑和评价，需要用户对市场预期、投入/产出以及产品时效性、应用时限性等进行比较分析，为评价提供依据。

存储产品评价要素、评估标准与方法见表3。

表3 存储产品评价要素、评估标准与方法Table3 Example of items and criteria for evaluating the stored product

2.4 综合评估与决策

1）各要素评价与影响分析

针对评价要素自身的影响进行定性或定量分析，评价出产品可用性或者说对用户而言的可接受性，结果最好是定量的；如果无法定量评价，也应利用数字分级进行定性评价。

2）产品整体评价与综合权衡决策

系统工程的优化过程实际上也是各种约束条件相互妥协、互相让步、寻求整体最优的过程。存储产品的评价也需要综合权衡各要素对整机性能、用户需求等方面的影响，由用户和研制方一起综合分析评价后做出最终决策。当然，对于系统重要产品、单点产品等，也可以根据关键因素评价结果实施一票否决。

3 某卫星存储产品评估实践

某卫星于2007年开始设计研制，由于种种原因，于2009年10 月转入地面存储阶段。卫星平台在将其上单机基本拆除后返回研制单位单独存储，通信舱放置在包装箱内并充氮保存，天线分系统返回研制单位单独存储。2013年12月，用户明确重新启动该卫星研制时，大多数的卫星留存产品已存储6年多。

由于经费等原因，用户希望尽量采用存储的产品开展重启后的卫星研制工作，给型号项目提出了评估存储产品是否可以再使用的要求。借助第2章所述的多角度、多维度的影响因素和评估方法，卫星研制队伍对存储的产品进行了全面评估，最终60%的存储产品得到再次应用。2017年，该卫星顺利完成发射任务，在轨交付使用，目前运行状态良好。

3.1 产品存储环境要求制定

由于该卫星产品决定转入存储状态时，国内还没有系统、成熟的航天产品存储和评估标准与规范，所以制定存储方案时，主要参考产品研制以及其他类似产品的相关要求，确定的产品存储要求主要包括如下方面。

1）卫星平台：①存储在专用包装箱或满足存储要求的存储间内；②包装箱（存储间）内充入干燥氮气，形成正压保护，温度控制在(20±5)℃范围内，相对湿度控制在60%以下。

2）通信舱：①已安装的仪器设备等，随通信舱一起存储在专用包装箱（存储间）内；②包装箱（存储间）内充入干燥氮气，形成正压保护，温度控制在(20±5)℃范围内，相对湿度控制在60%以下。

3）天线产品：①采用专用包装箱单独存储；②包装箱内充氮气或抽真空，存储环境洁净度等级为10万级，并在包装箱内放置适量干燥剂，同时配置温/湿度和污染监视。

4）其他存储单机：①在包装箱内存储，存储环境洁净度等级为10万级，温度控制在(20±5)℃，相对湿度控制在30%～60%；②对敏感机电组件采取必要的保护措施，并按照规定的条件保存。

5）存储时间不超过36个月。

现在看来，上述存储要求基本达到或严于后续发布的国家和行业、企业标准及规范要求，为维持和保证产品状态和性能提供了保障。

3.2 存储期间的产品监控情况

产品存储期间，按照存储方案要求，研制单位定期对存储包装箱（存储间）和存储场地的温度、相对湿度、压力进行监测和控制；每6个月，进行存储设备的外观检查、电子单机通电健康检查；每12个月，进行通信舱、平台设备的外观检查、通电健康检查和主要性能测试，确保产品状态良好、可控。

定期的检查和测试结果表明，产品存储状态和性能在存储期间基本正常。

3.3 产品评估情况

1）制定产品验证与评估流程

产品验证与评估主要从技术层面对产品性能、可靠性等进行全面评价。首先，根据存储产品的类型、状态等，制定产品评估总体方案，明确评估和验收准则、方法及步骤；然后，按单机、分系统等不同层级开展相关复查、检测、测试及补充试验验证等，同时根据产品类型和特点，制定各类产品的验收条件；最后，根据验收条件和复查、测试、试验等数据，评估产品元器件、材料及工艺的质量状况和再使用可靠性等，进行可用性评价[8]，为留用或新研等决策提供依据。

2）各要素复查、试验与验证

对存储产品进行了复查、性能测试等，结果表明产品性能满足要求，而且与存储前、存储期间的性能一致性好。通过类比分析了存储产品选用的原材料和元器件，均满足产品使用要求。对产品进行了开盖检查，焊线、印制板状态等均未发现异常；根据现行标准，进行了工艺更改以及单机的补充测试、地面环境试验等验证，结果表明产品性能满足要求。复查产品存储环境监测记录，结果显示存储期间的存储环境满足要求。

3）评价分析与综合决策

以上各项定性或定量分析结果显示存储产品性能可靠，可以继续使用。因此，虽然新研单机的研制周期也能满足型号进度需要，但综合考虑经济性后，最终决策该产品经过修复后继续使用。

4 结束语

采用系统工程原理和方法建立的长期存储航天产品评估要素体系，综合考虑了航天产品长期存储的环境、存储状态，以及在长期存储后产品的性能、应用状态等评估因素和评价方法，并按照用户的要求和航天产品研制质量要求，从技术和管理两个方面，进行多个维度、多个层级的评估。通过对存储期长达6年多的某卫星产品进行存储、评估、再使用的应用实践，取得了良好的效果，节约了研制成本，缩短了研制周期，探索了航天存储产品评估与再使用的技术方法和管理模式，也为相关规范制定和产品批产存储与应用提供了实践依据。

鉴于航天产品技术跨度大、资金投入多、生产周期长、研制风险高等特点[7]，这套体系中一些原则性和定性分析的方法，还有更多具体的实施细节和要素评价标准等需要通过不断实践，进一步细化、量化和完善。