低成本航天器研制模式研究

罗渠 邱亮 刘畅（中国空间技术研究院）

近年来，国内外宇航技术发展越来越快，用户对卫星重访周期等指标要求越来越高。同时，随着集成电路、软件工程技术等新型技术的迅猛发展和快速更新，对利用航天器进行在轨飞行验证的周期和成本提出了更高要求。低成本航天器凭借低成本、可批量生产、高效率等优势得到越来越多用户的青睐与重视，市场需求巨大。本文将在分析低成本航天器国内外研制现状和国内航天器传统研制模式的基础上，提出一种低成本航天器研制模式。

1 国内外现状

低成本航天器是指采用新的可获得的低成本技术手段、管理方法和经营模式，面向特定需求，可实现大规模、批量化生产的小型航天器。

国外现状

目前，国外以萨瑞卫星技术公司、泰雷兹-阿莱尼亚航天公司为代表的传统小卫星公司，以及以特拉贝拉公司（原天空盒子成像公司）、行星公司为代表的新兴小卫星公司均开展了低成本航天器研制模式研究，并形成了领先的低成本航天器研制能力，其研制经营具有以下特点：

1）“精兵简政”，构建高效精简和扁平化架构的研制管理团队。萨瑞卫星技术公司采取了“小型团队、集同工作”的研制管理模式，将管理、设计、制造和运行部门安置在同一地点以降低成本，同时保持完整的“内部能力”，发展了从卫星总体到分系统、再到部组件级的研制能力，避免转包带来的制约与依赖。泰雷兹-阿莱尼亚航天公司提出了低成本航天器“十条”研制管理措施，第一条就是“组织一支精干的研制队伍，简化管理手续”。两家公司均认为高效精简和扁平化架构的研制管理团队是保持较高工作效率、降低人力成本的重要举措。

2）采用模块化、标准化设计理念，注重平台功能模块定型设计和载荷模块通用化设计，形成多系列产品型谱和规范。作战响应空间-1（ORS-1）卫星是美国近年发展的模块化卫星典范。硬件方面，基于模块化设计方法，形成模块化卫星平台和有效载荷产品清单，并使用即插即用标准接口，实现按需组装、迅速响应，满足作战需求。同时，以较低成本提升作战效率和速度。软件方面，按照模块化设计理念，根据不同功能设计不同软件模块，形成软件单元模块库，使基础软件（如操作系统）与应用软件相对隔离、系统设计者与子系统设计者隔离，保证可以在多个不同的任务中使用通用的软件模块库，实现软件的模块化设计。

3）充分“移植”其他领域成熟技术，大量使用商用现有技术。美国“军事作战空间使能效果”（SeeMe）计划，在系统技术创新层面提出利用衍射光学技术以及赛车行业氮气推进技术、医疗器械行业气动阀门技术等非传统宇航技术。美国“手机卫星”（PhoneSat）和英国萨瑞培训研究与纳卫星验证星-1（STRaND-1）均采用了消费级智能手机作为卫星的核心部件，并且后者还首次实现将3D打印技术应用于航天领域。

4）采用互联网思维，引入大数据、云计算等信息技术，发展全新商业服务模式。特拉贝拉公司计划构建由24颗小卫星构成的高分辨率对地观测卫星星座，具有8h全球数据更新能力，并采用“时间积分延迟”（TDI）的地面处理技术提高数据分辨率，同时以大数据和云计算技术为驱动，提供基于云平台的遥感数据在线访问服务，颠覆由代理商负责数据分销的传统模式，并鼓励第三方开发个人定制应用工具和应用模式。行星公司构建了由3U立方体卫星组成的“鸽群”（Flock）星座，采用“时刻在线”工作模式，无需对星上相机下达特定区域的成像指令即可满足用户需求。一网公司提出发展由648颗小卫星组成的低轨互联网星座，优化卫星制造模式，引入智能制造和流水线技术，单星成本低于50万美元。

国内现状

国内低成本航天器研制始于20世纪90年代，迄今取得较大进步。工业部门、科研院所、高校等单位积极参与，平台谱系、技术水平、研制生产能力等初具规模。特别是2014年以来，长光卫星技术有限公司等商业公司成功研制并发射了各自的首颗商用小卫星，使国内低成本航天器研制呈现出“百花齐放”的发展趋势。现阶段国内低成本航天器研制经营呈现以下特点：

1）多家单位积极参与，形成以航天东方红卫星有限公司为领先，上海微小卫星工程中心、长光卫星技术有限公司、哈尔滨工业大学等其他公司和科研院所跟进的发展态势。

2）积极探索低成本小卫星设计、研制、应用、管理新模式，提出柔性化设计、一体化集成设计、货架产品采购、工业级器件选用、流水线总装、自动化测试、组批试验、批量研制生产、星座运营等理念，推动国内低成本小卫星创新发展。

3）低成本航天器研制保障不够全面，尚未建立适应于低成本航天器的产品体系、标准规范和保障机制，无法满足批量化生产需求。

2 传统航天器研制模式分析

航天器研制模式是指从立项研制到交付使用的全过程活动中，在过程开展、组织体系和管理机制上的构建与运行方式。传统航天器研制模式的主要特点是以任务需求为牵引，以保证质量为核心，实施完整的工程研制活动，设置全面系统的项目队伍，建立配套完善的管理制度，横向各项目队伍之间相互独立，纵向项目“两总”一管到底。

早期阶段，航天器数量少、规模小，既没有单机积累，更没有成熟的公用平台，一切都要从最基础的部分做起。因此，自上而下、层层分解的“任务驱动”型科研生产模式是一种必然和合理的选择。

由于其特殊的历史条件，传统航天器研制模式未能对产品的市场竞争力、经济性及后期运营效益等诸多方面进行综合考虑，统一布局，从而引起在技术更加成熟、竞争日趋激烈的市场环境中，出现不适应的情况。

3 低成本航天器研制模式探讨

低成本航天器研制模式工作应以提升航天器产品市场竞争力为目标，以设计理念和科研生产模式转型为基础，鼓励创新经营新思路，建立适合低成本航天器开发、设计、研制、运营的配套组织体系和管理机制，从而满足低成本航天器经济性、实用性和可靠性的要求。

研制模式工作开展过程中应着重关注以下几点：①强化低成本航天器设计理念，推动低成本航天器生产模式转型；②强化扁平化组织体系，推动航天器研制管理机制创新；③重视全链条成本效益，强化低成本制造能力；④牢固树立全员成本意识，塑造低成本发展愿景。以下提出一种低成本航天器研制模式。

研制目标设定

一是注重经济性要求的设定。限定单星成本上限和外协费用支出比例，从而保证企业盈利目标，以批量生产为降低成本的重要手段，提出批产目标。

二是增加实用性要求。在功能实用性方面，根据用户实际指标，空间环境影响等，开展指标和功能适度设计，降低成本；在研制理念实用性方面，采用成熟技术、严控技术状态一致性和可重复性、形成标准生产流程和机器化装配及自动化测试、科学减少试验验证。

三是合理设定可靠性要求。利用数字化手段以可靠性模型进行分析验证，采用异构备份等方式降低冗余设计，实现适度冗余，满足航天器可靠性目标。

研制方法

低成本航天器开发研制中，应积极跟踪借鉴信息化技术、自动化技术等前沿技术，在基于成熟产品体系的设计基础上，采用工业和信息化产业标准，充分利用数字化手段，以模型进行分析验证，在可接受风险的前提下避免过设计，实现卫星成本最优化设计。

低成本航天器在研制方法上可以采取的主要改进包括：

1）设计与生产分离。目的是让“专业的人干专业的事”，减少人员工作交叉和重叠，提高效率。

2）单机可靠性设计验证剪裁。可以用仿真分析、相似性验证等代替或部分代替实物验证，确保既避免多余和无效的试验，又不漏掉能够检测出产品设计缺陷和质量缺陷的必要试验。

3）产品投产状态整合。尽量选择成熟产品减少初样产品投产，用部分投产代替全面投产。

4）整星级试验项目裁剪。航天器研制初期可以降低试验标准，可以采用准鉴定飞行策略；组网初期可以采用抽样的方式；快速组网阶段可以不再进行整星级试验，仅开展功能和性能测试。

5）大系统对接试验裁剪。通过构建测控、中继、数传等通信产品型谱和规范接口协议，合并和裁剪大系统对接次数与内容。

6）柔性化总装。应用通用化、标准化、组合式总装工艺装备，先进的总装管理模式及配套的数字化辅助手段等柔性化总装技术，提高生产资源利用效能，同时按照总装岗位一岗多能推进要求，合理配置总装人力资源。

7）自动化测试。建立完善的自动化测试系统，全面梳理测试状态、测试流程和测试项目，精简并优化生产测试流程和环节，统一固化状态并形成标准。

市场推广与运营管理

低成本航天器主要在常规航天器市场和竞争性航天器市场进行推广。对于常规航天器市场，在航天器价格稳定的条件下，研制成本的降低可以大大提升航天器项目的盈利能力。而对于竞争较为激烈的航天器项目，其报价会因为竞争而降至较低水平，随之带来航天器制造的盈利能力下降，企业经营压力上升，因此企业需要在运营模式上创新，促进低成本航天器业务的良性发展。

1）多元化的融资和盈利渠道。延伸航天器的赢利点，覆盖航天器应用等相关领域，保障企业在航天器价格降低、竞争力提升情况下的盈利能力。通过对航天器项目未来应用产业、品牌经营等相关市场规模评估，引入企业投资、银行贷款、股市募投甚至众筹等融资模式，最大限度地利用市场资源。鼓励航天器研制与航天器应用产业统一规划、创新发展，通过将盈利点后移，提升低成本航天器的盈利能力，促进产业良性发展。

2）一体化的研制产业链。通过联合经营，共同开发，发挥总体企业的总体优势和分系统、产品研制企业的技术优势，共同开发适合低成本航天器的产品，并通过批量化采购等方式尽可能降低成本，全面提升相关方的盈利能力。

3）多样化的销售模式。随着低成本航天器研制技术的成熟，其对应的市场群体也更加广泛，积极采用市场上已经运用成熟、行之有效的销售模式扩大市场规模，比如基于互联网的直销模式、基于传统媒体的广告营销等，最大限度地发掘潜在用户，提升销售数量。

4 结语

随着低成本航天器市场规模的不断增大，其开发、研制、生产和运营已成为国内外航天企业相互争夺的焦点。航天企业需要通过不断探索与实践，逐步建立系统有效的低成本航天器研制模式，并根据应用过程中出现的问题和不足，迭代改进和完善，从而使研制管理模式能够适应市场要求和创新节奏，满足企业可持续发展要求，牵引企业研制经营体系完善，提升企业在商业航天市场中的竞争力。