降低商业低轨卫星星座用元器件成本的方法研究

赵丽 张楠 王坦 雷亚珂 尹世刚

1. 中国航天科工二院空间工程总体部，北京 100854；2. 航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854

0 前言

随着通信卫星技术的发展，全球掀起了低轨通信星座建设热潮，主要体现在星座规模骤增（国外典型LEO星座建设计划，如OneWeb和SpaceX星座数量计划达到数千颗，如表1所示）、建设成本降低、研制周期缩短等方面[1-3]。几千颗的卫星交付需求给元器件的选用、采购、配套和质量保证工作带来了前所未有的挑战。以2017年底成功发射的虹云工程技术验证星为代表，标志着中国商业航天进入实质性阶段。商业航天型号除了具有一般长寿命、高可靠、高质量的特点，还具有其特有的大批量、低成本、短周期等研制特点，需要满足用户在快响应、个性化等方面不断增长的需求，以更低的成本、更快的速度投入市场，给传统的型号研制模式提出了新的挑战。这就要求商业卫星用元器件具备低成本、小型化、轻重量、小体积、高可靠性、高密度集成等特点，并能覆盖批量化卫星生产的应用需求，稳定配套供应。

表1 国外典型LEO星座卫星数量

1 现阶段卫星用元器件供应模式分析

目前，国内研制的中高轨通信卫星出于轨道高度和在轨长寿命的考虑，对元器件的可靠性指标要求较高，这就需要从元器件等级以及筛选条件等方面加强控制，以满足卫星高可靠、长寿命的指标要求，因此造成了卫星成本居高不下。现有的元器件采购和质量保证模式难以满足大规模商用卫星星座的建设研制元器件配套保障要求，主要表现如下：

（1）商业卫星星座其特征表现为低成本、小型化以及快响应等，使用功能较为先进的低等级元器件的优势愈发明显，因而元器件等级选型方式也需进行相应调整，以此保证商业航天低成本、快响应的优势；

（2）目前，各卫星配套单位的元器件采购基本上是独立采购，存在对供应商产品及服务的要求个性化，缺乏统一的协调，从而导致采购效率低下，元器件采购成本高，甚至出现供给中断等情况，严重影响商业航天研制进度；

（3）为优化型号研制生产流程，对降低元器件质保成本、缩短质保周期提出了迫切需求，目前，单星用元器件的保证模式难以满足星座的需求，急需根据商业星座特点，研究元器件差异化的质量保证模式。

综合来看，需要通过系统研究，探索降低商业卫星星座用元器件成本的道路，以保证商业通信卫星的快响应、低成本优势，以建立起满足商业航天应用需求的元器件低成本长期稳定供应体系，有力支撑以卫星互联网低轨星座为代表的商业航天型号工程顺利实施[4-6]。

2 现阶段卫星用元器件成本分析

结合现阶段的卫星用元器件的供应模式，本文从型号用元器件选型、采购、质量保证等环节，对现阶段卫星用元器件成本构成进行分析。卫星用元器件成本影响因素主要包括元器件本身的成本、质保成本，其中，元器件等级和采购数量又决定了元器件本身成本。因此，降低商业卫星星座用元器件成本主要从降低元器件等级、集中采购和降低元器件质保成本3方面入手。

3 按需降低卫星星座用元器件成本的方法研究

在保证卫星用元器件质量可靠性要求的前提下，降低商业卫星星座用元器件成本的方法主要从差异化使用低等级元器件、优化采购模式、差异化制定元器件的质量保证方法等3个方面入手。

3.1 卫星用低等级元器件差异化使用

卫星型号上降低元器件等级不能“一刀切”，应根据卫星任务轨道、寿命要求、空间辐射环境和防护要求，开展元器件选用分析。如，对于关键辐照敏感的元器件选用抗辐照产品；对于非辐照敏感产品可以适当降低等级；部分规格可选用经多次飞行验证过的低等级器件。在进行元器件选择时，可以充分继承以往的地面验证和飞行试验数据，不单纯依靠元器件抗辐射能力抵御空间环境效应，可以通过多种设计防护手段合理应用器件等。

首先，根据单机应用环境的严酷度、冗余方式确定单机应用等级，进而确定所选元器件应用环境的严酷度和冗余方式，最终确定所选元器件的应用等级，划分操作流程如图1所示。卫星的“生命线系统”：供配电分系统、测控分系统、综合电子分系统等，在技术验证星阶段，使用的核心元器件等级保持不变。经过必要的风险分析、评价、筛选和鉴定等工作，其他分系统可以适当降低元器件等级。后续根据研制经验，逐步降低电源、测控、综合电子分系统等的元器件选用等级。

另外，在前期技术验证卫星上选用元器件时，尽量选择元器件质量等级可以向下覆盖的型号规格，方便后期进行卫星选用元器件质量等级降低；尽量采购国内和国际上成熟的宇航级、军级元器件供应商以及生产线上生产的低等级元器件，确保元器件质量的稳定性。同时，针对低等级元器件的应用位置和典型失效模式，开展特定的元器件质量保证工作，如在元器件质保过程中，提高低等级电容的筛选耐压值。

3.2 元器件采购模式优化

结合元器件特点、质量等级、应用情况等，在保证所选元器件的性能、可靠性、进度、成本等方面满足商业卫星要求的条件下，优先基于成熟产品及成熟工艺，合并压缩元器件的规格型号、生产厂家，采取卫星总体牵头的模式，集中从元器件生产厂家订购产品。比如，星上大量使用的电阻、电容、电感、电连接器、半导体分立器件等，由卫星总体牵头，结合前期卫星研制过程中元器件选型经验，制定元器件批量采购规范，对配套单位采用的元器件种类、规格、质量等级、性能指标进行统一要求。同时和元器件生产厂家约定批量采购的各类型、各质量等级的元器件价格和供货周期，指导卫星分系统配套单位直接从元器件生产厂家批量订购元器件，通过卫星用元器件统谈分签集中采购，可以提高型号配套效率并降低成本。

对商业卫星星座用元器件采购模式优化分为三个阶段。

第一阶段：针对批量化卫星低成本、组批生产、元器件需求量大、元器件质量水平要求高等特点，在卫星方案设计之初，卫星总体应要求各分系统在选择元器件时应遵循以下原则：

（1）先进性：所选的元器件要具有一定的先进性，符合卫星元器件需求型谱规划，有较长的生命周期；

（2）继承性：所选的元器件应充分继承在成熟型号上成功应用的国产元器件基础数据和进口元器件的选用、采购信息；

（3）优化压缩：由卫星总体牵头，要求卫星各分系统尽量集中选型，压缩选型品种，对各类元器件的型号规格、供货厂家、封装形式等进行合并压缩；

（4）覆盖需求：所选元器件应尽量覆盖批量化卫星的应用需求；

（5）自主可控：所选用的元器件应为自主可控元器件，对于已经禁运或者停产的元器件不能选用；

（6）稳定供应：为保障批量化卫星元器件的长期稳定可获得，所选用的元器件原则上应考虑两家以上的供应商。

结合型号上元器件选用情况，进行制定元器件选型规范的顶层策划，以及元器件优选生产厂家的梳理。

第二阶段：进入卫星批产阶段之前，结合前期元器件选型情况，卫星总体牵头配套单位和元器件生产厂家，制定型号的元器件选型规范，对配套单位采用的元器件种类、规格、质量等级、性能指标进行统一要求。同时和元器件生产厂家约定批量采购的各类型、各质量等级的元器件价格和供货周期，以期可以更低成本、更高效为卫星配套。卫星配套单位按照总体制定的元器件选型规范以及既定的批量价格，直接从规定的元器件生产厂家进行采购。同时，建立元器件配套厂家动态考核机制，对不同应用等级的元器件生产过程提出不同的管控措施，对生产工艺变更和不符合卫星型号可靠性要求的厂家有明确的处理措施。结合上述内容，制定商业卫星星座用元器件批量采购方案。

第三阶段：在卫星批产阶段，根据元器件实际选型情况，进一步优化选型规范和元器件批量采购质量保证方案。具体如图2所示。

3.3 卫星用元器件差异化质量保证方法研究

元器件质量保证工作的原则是：尽量将元器件质量保证工作前移，实现元器件研制、质量控制、质量保证一体化进行，达到节约成本和缩短周期的目的，并充分借鉴已有成熟飞行经历的元器件质量保证数据，结合产品固有可靠性和应用等级要求，制定差异化的质量保证要求。探索适合商用卫星元器件的筛选条件，保证元器件的可靠性，具体如下所述：

（1）推进质量控制过程前移，加强产品过程质量控制（SPC），适当减少甚至取消后期筛选项目。有文献[7]对多颗卫星选用的不同类型的器件进行统计，比如星上大量使用的电阻、电容、电感、电连接器、半导体分立器件等，由于目前国内生产厂家生产工艺得到了大幅度提升，产品一致性好，可靠性高，二筛几乎没有失效问题发生，军用级以上的质量等级器件，在生产过程中一次完成所有的质量控制工作，不再进行补充筛选项目。为确保元器件质量，可委托第三方元器件质量保证专业机构定期或不定期进行质量保证工作，对产品质量达不到指标要求的厂家，进行既定的处理措施。

（2）对于继电器、部分半导体器件、集成电路、星上使用的进口元器件等可以延用型号原有的筛选模式进行筛选，或者根据元器件质量等级简化筛选内容。根据卫星寿命要求制定筛选条件，探索适合商用卫星元器件的质保方案，保证元器件的可靠性。

（3）对于低等级元器件，结合型号需求，通过一系列试验、分析，对选用的低质量等级器件进行加严筛选，剔除一定比例的存在早期失效风险的器件，适当提高元器件使用可靠性。对低等级器件生产过程控制等生产要素进行识别，对原始等级的器件设计生产经历和状况进行摸底，包含设计、仿真、流片、封装、筛选、鉴定等识别关键工艺和过程的风险点；识别是否存在和故障相关的敏感应力或应用场景；综合器件生产要素、应用特点、降额方式、防护等级等，适当参照宇航专业领域现有规范、标准、失效机理、失效案例等，对关键项目、关键应力进行加严，包含关键电参数测试、动态老化、气密性、内腔气氛等。

（4）制定针对性的元器件生产过程状态控制，对于筛选检测成本高的元器件，可以分析其可靠性以及对型号任务的影响，采用板级筛选方式实施质量保证。

总而言之，加强元器件选用控制管理最终以选用目录为着力点，通过建立独立的元器件选用目录来指导各卫星配套单位开展元器件选型，从而实现规范元器件选用的目标。

4 结束语

商业卫星用元器件只有建立面向商业应用、组批采购、质量保证、成本控制的保障模式，才能适应发展趋势。降低商业卫星星座用元器件成本主要从降低元器件等级、集中采购和降低元器件质量保证成本3方面入手给出实施措施，指导型号元器件选型、评价与验证、质量保证等，以建立起满足商业航天应用需求的元器件低成本长期稳定供应体系，支撑商业航天型号工程顺利实施，最终达到降低商业卫星满足用户需求和实现市场价值为基本目标。