考虑成本效率的航天运输系统研制

宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京100854

降低成本已成为国际航天界越来越重视的挑战之一，以至于美国将一年一度的“重塑空间”(Reinventing Space)会议主题确定为“显著地降低空间任务的费用”(Dramatically Reducing Space Mission Cost)，并且指出，在当前经济形势下，创造低成本、快速响应的系统，具备迅速、经济和可靠地进入空间的能力，显得比以往任何时刻都重要。

来自私营宇航公司的成本竞争不容忽视。美国航天专家John Strickland曾指出，SpaceX公司降低发射费用的主要技术手段有3个方面:1)降低制造成本;2)降低运行费用(具有时效性的操作设计和降低发射的人力成本);3)实现高效性能的飞行。尽管SpaceX很少公开介绍具体的技术细节，但在文献［1］中突出介绍了软件在Falcon1火箭智能、自动和远程的测发控系统中发挥的作用，其控制中心的操控人员仅为2人。

各个传统的大型宇航公司很早就意识到成本对竞争的重要性，例如洛克希德·马丁公司在设计AtlasV火箭时［2］，将改善可靠性、操作性和可用性作为重要的因素，并且提出了“清洁发射台”(clean pad)的思路，将助推级的组装和检查测试从发射场又返回工厂，即只有完全组装好并测试好的助推级才运回发射场，从而减少发射场的操作时间和费用。

欧洲为了应对低成本的挑战，正着手研制Ariane 6火箭［3］;日本Epsilon火箭则将简化且智能化的测试与发射控制技术作为其主要创新点［4］。我国在这方面的研究还不系统，随着用户要求的不断提高，成本对新火箭的推广显得愈发重要。本文就是在这种背景下，系统梳理国内外在航天领域实现成本效应的经验和方法，为提高长征系列运载火箭的竞争力提供参考。

1 成本的全程控制

参考火箭发射的成本模型［5］，一次性使用火箭的成本包括研发费用、产品费用、发射费用和保险费用，降低这些费用将从设计、制造、运行以及管理等方面着手，贯穿火箭全寿命周期。

(1)设计

设计对降低成本的作用体现在以下方面:设计高效性能的火箭(更大的推力，更轻的自重，适应多种有效载荷);采用重复使用运载器方案;发射方式的选择;冗余度的选择;产品化/可重用性设计;自主控制技术;与火箭相适应的发射场优化设计……。

文献［6］提出了一种据认为最适合快速发射和低成本的方案:液氧/煤油推进剂、挤压式发动机(相对泵压式发动机)、三级火箭、全天候发射，且每级火箭的设计方案尽可能一致。尽管会有不同意见，但梳理出了影响火箭成本的主要因素:推进剂、发动机、火箭构型和适应性等。自主控制技术包括自主测试、自主导航和自主控制，文献［7-8］将快速的上升段轨迹规划和闭路制导技术作为快速发射、进而降低成本的有效手段，因为减少了射前准备工作，节约了时间和人力成本。文献［9］则介绍了发射场的建设应如何与火箭匹配才能优化工作流程与发射准备时间，这将对后续运行的费用产生很大影响。

(2)制造

可制造性设计，降低制造的难度;采用成熟的工艺;增材制造技术(又称3D打印);媒体现实技术……。

“媒体现实”技术指采用混合和增强现实技术，在生产制造中恰当的时刻和恰当的地点向岗位人员提供正确的信息，文献［10］介绍了ESA的研究成果，操作的精确性从75%提高到90%，任务完成的时间缩短30%，培训的时间减少30%。

(3)运行

对火箭而言，运行指发射以及发射前的各种测试准备工作、发射后的数据收集与结果分析、以及用于发射的地面设备的维护等。一个快速响应的运载火箭需要快速响应的地面系统［11］，涉及到各阶段的工作，包括:

测试工作:零部组件测试、总装厂测试、发射场测试;软硬件系统集成测试、系统在回路仿真测试、火箭/有效载荷/发射场设施联合测试;产品的运输;发射场的运行控制与操作;任务/飞行的规划;有效载荷的集成与测试;发射设施的维护;备件与库存的管理;交互式电子手册;便携式维护支持手段……。

(4)管理

根据Boeing公司2002年的统计［11］，在一个项目全寿命周期的费用中，工程费用占17%，技术人员的开支占19%，物流等费用占10%，计划与控制占4%，而包含质量保障等管理活动在内的开销占50%。尽管我国国情不同，但可以看出管理是相当耗费成本的，这部分工作包括:安全性及任务保障(8%)、信息服务、文档服务、保密管理、需求控制、配置管理、验证管理、商务管理等，这些均是有必要降低成本的领域。

任务保障的作用是控制风险，如果未能准确辨识风险，所有环节均不加区分地套用标准，将导致经费过消耗且未带来与其匹配的收益提升。为此，各个航天机构的产品保障部门意识到了这种危机以及自身价值所在，NASA，ESA，JAXA三方质保部门联合召开了主题为“安全性和任务保障在考虑成本效率任务中的贡献”的研讨会，探讨如何结合实际情况简化流程，从而降低成本并将风险控制在可接受水平的成功经验。正如文献［12］所述，严格执行各种软硬件开发的标准(DO178，278，254等)需要付出很大的努力。这就对产品保障部门提出了较高要求，需要与研发团队协作，共同制定裁剪准则［13］，明确不能裁剪的项目，将资源用在最需要的场合。

文献［14］探讨了研发与产品的关系。研发是解决基本的科学和技术问题，往往要经过数年才能转为商用或具有较好的可制造性。为此提出了产品成熟度(PR)的概念，PR由人、产品、流程/计划、工具、设备等因素组成，这与“人、机、料、法、环”的概念有点类似。PR与技术成熟度(TRL)是两个不同的概念，在研发的早期就要开展面向制造的设计，当TRL达到3级时，需要考虑各个零部组件的设计与制造需求;达到4级时，需要考虑与之配套的工具的需求;达到5级时，需要考虑流程的需求;达到6级时，需要考虑对制造人员的需求;而达到8级时，就需要对PR进行评估。

2 典型的成本控制手段

第1节宏观地介绍了成本控制措施以及控制环节，本节将选择几个重点展开介绍，这也是国外已经取得较好实用效果的领域。

2.1 分类管理

根据NASA有效载荷风险分类的定义［15-16］，风险等级由高到低分为A～D级，分级考虑的因素包括优先级(对战略计划的关键程度)、对国家的重要性、任务复杂性、生命周期、费用和发射约束条件、在轨可维护性、重新开展研究或飞行的机会等。对于不同级别的任务有不同的设计约束，这些设计约束包括:单点失效模式、工程模型/原型/飞行/备用硬件、认证/认可/原型飞行测试、元器件、审查活动以及各种可靠性安全性要求等。

对于A级任务，不允许存在单点失效模式，选用符合NPSL L1的器件;而D级任务则可以进行裁剪，也是考虑降低成本的主要目标。在D级任务中，单点失效模式是可以接受的，允许使用商用货架器件COTS，安全性和质量保证的各种活动可以大幅裁剪甚至省略，例如NASA的旋风全球导航卫星系统(CYGNSS)［17］。

但是，哪些风险是可以接受的，如何对各种质量保障活动进行裁剪，取决于对风险的理解和经验，这本身也是极具风险的，这些并没有在裁剪指南中明确说明。同时，许多标准中也没有给出各种活动的来龙去脉。为此，研究了一种称为“系统工程和产品保障体系的价值模型”［18-19］，其目的是构建质量保障活动与风险的联系，从而指导工程技术人员进行裁剪。文献［19］以软件为例，开发了软件工程和产品保障价值链模型，如图1所示。

图1 任务保障价值链模型

该模型涵盖了ESA关于软件风险的所有内容(Risk for Safety，R4S)，指出通过开展基础实践(BP)活动可以获得相应结果，该结果消除了R4S中定义的一些风险，并最终可以得到益处。该模型以交互和可视化的形式，用于项目开发人员的辅助决策、管理人员的对标检查、技术人员的设计咨询和培训等。

2.2 元器件选用

元器件的选择总是成为降低成本的潜在手段。采用宇航级器件，意味着高的可靠性和更强的抗辐射性能，但也带来性能下降、更高价格和更长的交货时间。COTS器件有更高的性能、更短的交货时间，但是以牺牲可靠性和抗辐射能力为代价的。尽管如此，NASA在飞行电子硬件发展路线图［20］中，仍然安排了“CD03:COTS-Based Instrument Processor”、“CD07:Advanced COTS-Based C＆DH”等内容。NASA，ESA和JAXA为其应用制定了一系列的指南、标准和经验［21-24］，包括塑封器件的应用指南等。

NEPP［24］是 NASA主导下研究的“NASA 电子元器件和封装项目”，它将对元器件的需求分为3类:对于商业性的乘员(载人)任务，关注“故障-安全”的体系架构;对于载人登陆火星这样的任务，注重可靠性和抗辐射性能;而对于小型的航天任务，需要考虑成本效率以及低功耗的电子系统等。NEPP重点研究了宇航级、军用级、汽车级、医用级、宽温商业级以及商业级等不同级别的器件，依据任务的关键性和环境/生命周期矩阵，提出了器件选用的建议。然而，如何做出合适的风险决策，即如何在由关键性和环境/生命周期组成的矩阵中找到本项目合适的位置，始终是个挑战。

图2 LE-X发动机的仿真分析流程

在实际应用中使用COTS器件，应该选择具有良好声誉厂家的产品，同时有选择性地采用冗余设计，以消除具有较高概率的单点失效模式［16］，也可同时采用高等级和COTS器件，用高等级器件“管理”COTS器件［20］，而冗余设计则是普遍采用的手段［25-26］。此外，由于商用器件越来越多地采用无铅焊接工艺，国外也十分重视由此带来的焊接等工艺问题［27-28］。

2.3 建模与仿真

通过仿真手段开展试验验证，以代替实物的试验，也可以大大节约成本。这项技术一般普遍应用在电子产品的虚拟样机中，然而，目前也已推广到发动机等复杂的产品中。

Boeing公司的发动机专家曾提出，73%的费用消耗在“测试-失效-修复”的循环上［29］，未来应“更少的测试，更多的建模”。日本正在研制新一代旗舰型的运载火箭H-X，其突出的特点之一是具有鲁棒性更强和极高可靠性的发动机，实现这一点的主要手段是建模与仿真分析［30-31］。

首先，基于经验知识和故障树/事件树分析结果，辨识出所有的故障模式;其次，采用基于模型的量化风险评估技术，将概率设计分析应用于组件级的试验结果分析和基于失效机理的解析模型分析，通过该概率以及故障树/事件树，计算系统的可靠性;最后制定设计改进和零部组件级的试验计划。在此基础上，通过不确定性的量化分析对解析模型的有效性进行评估。这区别于以往依赖发动机点火试车的做法，这些做法需要花费大量的经费。该方法已经用于LE-X发动机，是实现高性能、高可靠性和低成本的主要手段，其分析流程见图2。

模型的准确性影响评估效果，尤其对于可靠性分析。因此，越来越多的航天机构开始重视实际运行数据，利用已有项目实际运行的参数重新对可靠性模型进行修订［12-13，32-33］，可以得出更为可信的结果:1)对各种参数、假设条件和模型进行修订，突出最薄弱的环节和潜在的设计改进;2)支持对未来新项目的预计，避免可靠性的“过设计”。

3 我国运载火箭电气系统降低成本的措施

在我国，以降低成本为目标的研究还不普遍，主要跟踪国外COTS器件的应用，对其使用的条件、升级筛选措施、空间应用性能以及可靠性设计等开展了研究［34-36］。本章以电气系统为例，介绍其他可以采取的措施。

3.1 降低产品成本

本文介绍3种手段:1)在质量与可靠性之间取得平衡，即以微小的可靠性指标的损失换取较大的成本效益;2)采用系统集成和一体化设计，即充分发挥每个单机的功能，从而减少其他配套设备;3)加强地面可靠性试验，即通过大量的地面试验，将原本“预计指标”略低的产品提升到稳定可靠的性能状态。

3.1.1 质量与可靠性的平衡

提高电子产品的可靠性有2种常用手段:选用高等级的器件和采用冗余设计。冗余设计的目的是考虑到元器件可靠性难以进一步提高而采取的补偿措施。但目前在许多应用中2种手段同时使用，这已偏离了冗余设计的初衷。

文献［37］提出了可靠性净现值(NPV)的概念，通俗含义就是用户为该可靠性支付的费用减去承包方实现这个可靠性指标而消耗的费用。文献［38］将运载火箭的可靠性模型与性能及成本的约束集成在一起，实现整体优化。国内也有学者开始考虑这些问题［39］，其目的均是建立起可靠性指标与投资效益的关系。

为理解可靠性与成本的关系，本文以某型火箭综合控制器为例做简要分析。考虑到不同元器件高、低质量等级之间价格的差异、单价以及用量等，将该设备的元器件分为3类:

L1:普通分立元器件，不同质量等级之间价格差异较大，但单价相对集成电路而言较低，且用量多。例如各种阻容器件，二、三级管、门电路、变压器等;

L2:中小规模的电路，其特点介于L1与L3之间，包括光耦、晶振、固体继电器、稳压器、驱动器等;

L3:大规模及超大规模的集成电路、混合集成电路等，不同质量等级之间的价格差异大，单价很高，但用量较少。例如 DSP，FPGA，FLASH、总线协议芯片、DC/DC和滤波器等。

综控器中各类器件的统计如表1。

表1 某综控器各类器件数量与成本统计

考虑5种情况(括号内的%为降低成本数):

S1:全部采用最高质量等级的器件;

S2:全部采用较低质量等级的器件:阻容器件由J/K或GJB降为七专(-35%);光耦由JCT降为JP(-25%);二极管由JCT降为七专(-50%);固态继电器由Y级降为W级(-75%);稳压器由军级降为工业级(-10%);FPGA由883级降为军温工业级(-90%);54系列单片集成电路降为工业级(-95%);其余进口元器件按价格下降50%计算;

S3:仅L3器件采用较低质量等级器件;

S4:仅L1采用高等级器件，L2与L3均采用较低质量等级器件;

S5:采用高等级器件，未采用冗余设计。

针对上述假设，不同状态下成本与可靠性的统计如表2所示。可以看出，即使所有器件全部降低1个等级，可靠性的影响不足百万分之四，成本将节省60.92%，显然，采用较低质量等级的器件更为合理。假设综控器在原方案(S1)下整个控制系统的可靠性为0.996，如果采用S2，控制系统的可靠性将降为0.995996;假设控制系统各类控制器共10台全采用类似的方案，控制系统的可靠性将变为0.99596，这样的可靠性指标系统也是可以接受的，但总成本将节约683万。

表2 某综控器不同质量等级下成本与可靠性的统计

3.1.2 系统集成和一体化设计

充分发挥每个单机的功能，减少单一功能的设备，也可以降低成本。图3给出在欧洲酝酿中的Ariane 6火箭某级系统组成框图［40］，采用了 IMA(集成化模块电子系统)的概念，将多种功能块集成在一个组合内，每个组合内均嵌入遥测功能，其中CPU模块采用标准化设计，被称作“模块化数据处理功能块”(MDHB)。

图3 Ariane6某舱段电气系统组成框图

但我国目前的长征系列火箭还未能实现跨系统集成设计。数字化技术使设备的功能、性能有了显著提升，成本也大幅增加。同样以上述综合控制器为例，表3对比了2种设计方案:新一代运载火箭综合控制器成本的增加主要是由于采用了1553B总线、高性能DSP处理器以及FPGA等大规模集成电路的应用。如果仅完成同一种功能，显然这种设计在成本上不具有优势。但是，如果赋予综控器更多的功能，通过BIT实现自身信号的检测以及本地化信号采集单元的功能，将可以简化地面和遥测设备，满足技术进步和节约成本的需求，这正发挥了系统集成的优势。

表3 2种控制器指标对比

3.1.3 地面可靠性试验

在方案论证和初样设计前期，可靠性预计采用的是元器件计数法;随着可靠性试验的实施，最终对可靠性的评估采用的是应力分析法。如果采用较低等级的产品，通过了同样时间的可靠性增长试验，那么它与采用高等级器件的产品，其可靠性的评估值是一样的。因此，通过加强地面筛选和可靠性试验，可以用较低质量等级的器件获得较高的可靠性。

当然，得出上述结论有一个前提，即工艺的一致性要有保证。否则，由于可靠性试验只是抽样进行，其试验结果将不具有代表性。

3.2 降低发射服务成本

在火箭发射中心尽可能简化人工操作，也是实现快速发射的有效手段。以火工品回路的检查为例，各国火箭在火工品安装前后均要进行回路阻值测试，以确保连接可靠，但也都是较为费时的操作。为此日本Epsilon火箭采用了箭载测试设备实现自动测试，如图 4［4］所示。

图4 日本Epsilon固体火箭的箭载测试设备

ROSE被称作“快速响应支持设备”，是用于配合箭上BIT而设计的产品，集数据采集、通讯、网络集线器等多种功能。MOC专门用于火工品回路检查以及模拟起飞、分离等信号，并且可以脱落留待下次发射任务继续使用。

采用自动、智能的测发控技术，可以缩短测试时间，减少技术保障人员。有关这方面的应用研究成果可参考文献［41］。

3.3 采用平台化设计降低开发成本

图5示例了采用设计平台配以I/O接口实现不同的功能，如GNC、伺服控制等功能。

平台化设计的基本思路就是通过标准的体系结构、基本的软硬件配置、模块化的I/O接口，以一种开发环境组配不同的应用系统，从而避免重复开发、产品种类繁多等不利于资源共享、成熟度提高和成本降低的因素;同时通过模块的升级，满足技术发展需求。

图5 基于通用开发平台的设计

不仅硬件如此，采用分时分区(TSP)技术可以进一步降低软件开发与测试的成本，图6是ESA提出的空间系统集成模块化电子系统开发平台［42］(IMA-SP platform)。该平台由多个逻辑层组成，包括:1)硬件节点;2)系统执行平台(SEP)，涵盖独立分区内核、TSP抽象层、用户操作系统;3)系统支持服务层，主要包括系统级的中间件软件，如I/O处理、FDIR等;4)应用支持服务层，主要包括应用层面的中间件软件，如遥测/遥控接口(TM/TC)等。通过分时分区，降低软件任务之间的耦合度，将共性软件剥离出来并增强其重用度和成熟度，用户只需关心与特定任务相关的软件设计，软件开发量、测试量均大幅降低，从而起到提高效率降低成本的作用。

图6 空间系统集成模块化电子系统开发平台

4 结束语

讨论了国内外航天器降低成本设计所采取的措施，这些措施可以分为2类:1)在不增加风险的前提下优化方案和流程，2)按所能承受的风险简化设计和流程。第2种方案主要用在所谓的D级任务中，例如科学试验卫星、地球观测卫星、小卫星甚至导航卫星，而在火箭中的应用较少。

对电气系统而言，用适当质量等级的器件、冗余设计和充分的地面试验，将是降低成本并维持较高可靠性的最有效途径。尽管国内对COTS器件的应用还处于跟踪观望中，但也有自己的经验:“七专”产品可以看作是升级筛选后的国产COTS器件，其质量一致性以及实际性能经过了CZ-3A系列等火箭的考验。即使针对上面级等任务，也可以借鉴国外COTS器件在卫星项目中抗辐射设计的经验。此外，加强系统级的地面试验时间，可以看作是系统级的升级筛选。

航天尽管是一项高风险的事业，但火箭作为一种运输工具，应该参考其他市场化的运输行业，例如汽车行业的经验，同一种型号可以有高中低的配置，不同的型号有不同细分的用户，从而满足不同任务的需求。对于一个成熟的企业而言，不是每一种火箭都要承担技术进步的重任，产品化、重用技术将成为核心竞争力之一。

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