面向市场的上面级产品化工程实践与探索

◎中国运载火箭技术研究院 马昆 唐军刚 惠兴晨 刘欣 王华

中国运载火箭技术研究院建院50 余年来，已由成立之初的型号研究院逐步转变为集“多型号研制并举，研制与批生产并重”的经营实体，逐步由单一途径执行国家科研任务向多任务途径主动开拓市场转变，逐步由项目牵引能力发展向市场导向自主研发转变。

2009年以来，依托国家科技重大专项工程牵引，研究院开展了大、小2 型上面级的论证设计和工程研制，以完成“一箭多星”直接入轨发射任务。在基本型的基础上进一步拓展性能、提升能力和任务适应性，形成了拓展构型，进而满足不同用户的多样发射需求。上面级按照通用化、系列化、产品化原则开展设计，通过实施产品化工程，分系统设计方案和主要单机产品技术状态保持一致，同时充分考虑多种任务需求开展优化设计，缩短了研制周期，优化了研制成本，为提高上面级产品市场竞争力、快速抢占市场奠定了坚实的基础。

一、产品化思路

1.指导思想

上面级发展遵循立足基础、突破技术，形成能力、满足需求，整体规划、系列发展，分步实施、持续推进的总体思路，在具体型号研制过程中秉承顶层设计、逐步扩展、型谱选用、统筹兼顾的产品化设计理念和指导思想。

在上面级设计中，产品化工程贯彻顶层设计、自上而下的原则，尽量统一分系统方案，以此为基础统一单机产品。

上面级总体及各分系统设计中充分考虑产品化要求，技术方案应具备一定可扩展性，为技术方案统一及后续型号借用奠定基础。

充分考虑与成熟型号及在研型号的产品和技术共用，可借用其它型号产品的尽量借用，可选用型谱产品的必须选用。

单机产品设计要力求兼顾多型上面级使用要求，且试验环境条件以最大包络进行，为产品化工作奠定基础；提高地面设备、试验工装以及研制保证条件实施方案的通用性，统筹多型上面级使用要求；统一接插件选型，制定统一的上面级接口标准和接插件要求。

2.实施策略

总体方案设计中考虑系列化设计，系统方案尽量保持一致；充分考虑产品化策略，尽量减少单机种类；充分考虑通用性，能够与不同的基础级火箭组合使用；充分考虑使用灵活性，具备单星、双星和多星发射能力及轨道部署能力，能够发射包括高、中、低等多种轨道有效载荷。

结构系统由于结构尺寸、载荷条件等均有较大差异，无法实现完全意义上的产品化，只能实现设计思路、工艺、主材料、零部件等最大程度的一致化；结构形式及总体布局可保持一致，采用直筒段仪器舱仪器内装方案、圆柱段壳体加十字腹板结构形式及4 个主动力贮箱环向均匀分布的总体布局；强化产品相似性的类比分析，掌握影响结构产品承载能力或功能的主要因素，在同类结构产品中进行借鉴或继承。

动力系统采用同一种总体方案，如主动力系统和姿控系统独立供应，采用常规动力液体发动机等；主动力系统尽量选用同一型种发动机，综合权衡可靠性等设计要求，考虑采用多台发动机并联方案；姿控发动机系统尽量选用相同规格的推力室以及贮箱、气瓶、电磁阀等单机产品，综合权衡可靠性等设计要求，根据控制力、沉底等设计要求，配置不同数量的姿控喷管、贮箱、气瓶、电磁阀等单机产品；增压输送系统总体方案及单机状态尽量保持一致，综合权衡可靠性等设计要求，配置不同数量的单机产品来满足设计要求；推进剂管理系统方案及单机状态尽量保持一致。

电气系统采用一体化设计，统一软硬件接口标准；采用统一供配电模式进行控制、测量、热控、分离的供配电；控制系统采用总线进行综合设计，具备产品化条件；测量系统中遥测传输体制相近、外弹道测量体制相近，因此测量系统的高精度测量技术、一体化供配电技术、数据预处理技术、无线信道仿真技术等均可以共用，产品化基础较好。

发射支持系统主要单机参数由上面级结构参数、质量特性、推进剂种类、加注诸元、瞄准方案等要求决定，具备较好的产品化工作基础；对主要单机产品进行参数包容性设计，以满足多个型号需求。

二、产品化实践

针对上面级产品特点，在型号研制过程中贯彻顶层设计、自上而下的原则，统一与其它大系统的接口，统一分系统方案，注重选用型谱产品及借用产品，控制适应性改进产品和控制新研产品，贯彻产品化工作要求。

1.外系统接口统一

基本型上面级以“一箭多星”直接入轨发射国家某重大专项卫星任务为设计目标，兼顾长远发展需求设计。因此，在方案设计和研制过程中的一个重要原则就是不同发射方案下对工程各大系统，尤其是与卫星系统的接口必须保持统一。

具体措施为：星箭机械接口保持一致，采用方形盒卫星支架，4 点连接，连接解锁装置选用低冲击分离螺母，分离能源选用压缩弹簧组件；星箭电气接口保持一致，采用2 个分离插头连接；卫星对上面级供电、热防护、滑行段姿态调整、电磁兼容、分离速度及分离姿态等要求均保持一致；提供卫星系统的设计载荷和力学环境条件为不同发射方案下的最大包络，确保卫星的设计能够满足不同发射方案的要求。

2.分系统方案统一

基本型上面级除多星分配器外，其它各系统方案绝大部分均保持相同或相近。但在主结构尺寸及主承力构件布置、贮箱及贮箱悬挂结构尺寸和结构参数、仪器布局、管路电缆敷设及分支长度、隔热屏外形尺寸及结构参数、主动电加热路数、运输/停放/起吊设备结构尺寸及结构参数、推进剂加注供气系统方案等方面需做适应性调整；在主发动机、姿控喷管、姿控贮箱、气瓶、主增压气瓶、阀门等单机产品方面需做适应性增加。同时，大上面级研制中需针对其特有的轻质高刚度多星分配器技术、多星分离技术、散热面等温化、发动机双机并联所带来的偏差量控制、地面测试发射流程等技术进行攻关研制。

3.单机产品选用

（1）型谱产品选用情况

根据目前小上面级总体及各系统方案，全箭配套产品共计75 种，其中可选型谱产品22 种，选用型谱产品19 种、借用产品23 种、新研产品33 种。

根据上述原则，选用型谱产品百分比=（选用型谱产品类数/可选型谱产品类数）×100%，其中各级成熟度产品占比=（各级成熟度产品类数/选用型谱产品类数）×100%。据此，小上面级选用型谱产品为86.36%，其中5 级成熟度产品为33.33%，4 级成熟度产品为21.43%，3 级成熟度产品为28.57%，2 级成熟度产品为11.91%，1 级成熟度产品为4.76%，所选型谱产品及借用产品均为国产化产品。

同样，根据目前大上面级总体及各系统方案，其选用型谱产品为90.48%，其中5 级成熟度产品为31.58%，4 级成熟度产品为36.84%，3 级成熟度产品为15.79%，2 级成熟度产品为10.53%，1 级成熟度产品为5.26%，所选型谱产品及借用产品也均为国产化产品。

另外，考虑到大上面级借用了部分小上面级的新研产品，后续这部分新研产品也将统一纳入产品型谱管理，因此未来大上面级选用型谱产品的比例还将进一步提升。

（2）借用产品情况

根据目前小上面级总体及各系统方案，其借用产品共计23种，占30.67%。在大上面级设计中，除小上面级的借用产品外，姿控发动机系统、主发动机、增压输送系统、推进剂管理系统、控制系统、测量系统、主动热控系统全套产品均借用小上面级产品。所有借用产品均按质量管理要求进行了环境适应性分析等工作。

（3）适应性改进产品情况

根据目前2 型上面级总体及各系统方案，小上面级设计中适应性改进产品数量较少，大上面级设计中无适应性改进产品。所有适应性改进产品均按照质量管理要求进行了环境适应性分析、技术状态变化控制、接口技术状态分析等工作。

（4）新研产品情况

根据目前小上面级总体及各系统方案，新研产品共计33 种，占44%。在其研制基础之上，大上面级新研产品主要是结构系统产品。所有新研产品均按照质量管理要求进行了关键技术攻关、原理性试验验证、数学仿真分析等工作。

4.产品成熟度提升

根据型谱产品选用分析结果，小上面级选用的型谱产品中3 级成熟度以上产品（含3 级）占83.33%，大上面级选用的型谱产品中3 级成熟度以上产品（含3 级）占84.21%，绝大部分产品都经过了3 次以上飞行试验，产品成熟可靠。

上面级工程研制带动了一批新研产品开发，后续将以型号应用发射为牵引带动产品成熟度提升，实现型号和产品同步发展。

三、市场化应用

上面级一般具有多次起动、长时间工作、自主飞行等特点，具有较强任务适应性，其工作段通常已进入地球轨道，能够完成轨道机动、有效载荷分离与部署等任务，是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径。

上面级发展遵循立足基础、突破技术，形成能力、满足需求，整体规划、系列发展，分步实施、持续推进的总体思路，本着继承基础、逐步提升和产品化的设计理念与指导思想构建了一系列上面级产品发展规划，为提高市场竞争力、缩短研制周期、优化研制成本、快速占领市场奠定了坚实基础。

小上面级与3.35m 直径基础级火箭组合，2015年首飞，直接应用于国家某重大专项工程“一箭多星”的组网和补网发射，除此之外，还可应用于月球探测工程等其它国家重大专项。

大上面级与5m 直径基础级火箭组合，2016年左右结合CZ-5 火箭首飞进行飞行搭载，主要用于“一箭多星”发射任务。特别是由于与小上面级并行统筹开展研制，大大缩短了研制周期，研制成本也得以大大优化。

中国运载火箭技术研究院在当前和未来相当长一段时间内，型号任务规模越来越大、新技术越来越复杂、研制周期越来越短、质量要求越来越高，要全面提升核心竞争力和持续健康发展，首要的实质性工作就是降本增效，而实施产品化工程是实现降本增效的有效途径之一。

在上面级的论证设计和工程研制中，充分秉承通用化、系列化、产品化设计理念，从管理方法、技术实现等几个层次充分贯彻产品化设计思想，切实提高了设计可靠性、降低了技术风险，为提高市场竞争力、缩短研制周期、优化研制成本、快速占领市场奠定了坚实基础。▲