硬X射线调制望远镜卫星产品保证实践

王瑶 倪润立 魏红丽 韩庆龙 尤睿 李茂顺 徐鹤 张承模

(1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)(2中国科学院高能物理研究所,北京 100049)

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星规模大,产品数量多,且其有效载荷全部为新研产品,可借鉴工程研制的经验较少[1]。其在轨观测任务需要卫星采用不同于传统对地遥感的惯性空间定向模式,对卫星平台设计提出了新的要求。这些特点使得卫星研制工作面临“全新有效载荷研制,技术难度大”、“卫星工作模式复杂,具有多种姿态定向方式”、“惯性定向模式下平台设计”、“有效载荷低温控制需求”、“载荷正样件需要经过充分的地面标定”等五大难题。

为确保卫星研制难题顺利解决、风险有效管控、质量满足要求、任务圆满成功,在HXMT卫星研制过程中全面实施了产品保证工作。卫星产品保证工作以用户关注为焦点,对技术风险进行了充分的识别与控制[2]。本文总结提炼了HXMT卫星产品保证工作实践情况。

1 产品保证实施总体思路

产品保证是为使人们确信产品达到规定的质量要求,在产品研制、生产全过程,所进行的一系列有计划、组织的技术和管理活动。HXMT卫星产品保证遵循“识别、策划、实施、检查、改进”的基本策略,结合卫星难点、技术风险提前策划、识别关键,充分干预、确保见底,总结经验、提炼创新,确保产品保证工作系统、全面、及时、规范、有效。按照卫星研制阶段,HXMT卫星产品保证工作总体思路如下:

1)方案阶段

狠抓总体设计、系统级试验验证策划及有效载荷关键技术攻关,确保风险识别充分、控制措施策划全面。

2)初样阶段

(1)关注结构/热控星研制,确保载荷舱结构设计及与平台的匹配性、载荷的热设计及与平台热接口耦合满足要求;

(2)关注电性星研制,确保卫星各单机间的供电、信息流、软件满足要求;

(3)关注载荷各项研制试验、鉴定试验,确保设计工程合理、工艺稳定、性能符合要求。

3)正样阶段

加强技术状态控制、关键环节控制、过程控制。

4)发射场阶段

严控操作程序、卫星多余物、载荷安全;加强新流程分析,做好状态确认。

2 产品保证实施策略与实践

2.1 围绕任务特点和技术难点,开展技术风险识别与控制

(1)针对“全新有效载荷研制,技术难度大”的难点,从设计正确、验证充分、产品研制过程受控等方面开展风险控制工作。在方案设计阶段,加强与载荷研制方的沟通,充分宣贯、传递成熟的工程经验、设计规范及产品保证要求,确保载荷设计规范、有序开展;组织各专业专家,重点从设计合理性、产品可靠性、环境适应性、工艺可实现性等方面对载荷单机的设计进行多轮审查与改进迭代,为保证研制的顺利进行,减少反复奠定了基础。在初样阶段,强化载荷试验力度,确保正样产品投产前,各项设计得到充分验证。在载荷部组件级,以不同的产品形式,策划、开展了全面的研制试验,通过“试验-分析-改进”过程,充分验证设计和工艺正确性、确认设计裕度;此外,部分探测器还以“准鉴定状态”(采用低等级器件的真实探测器)参加了热控星试验,对主要载荷的环境适应性、性能指标的工程可实现性进行了验证。

(2)针对“卫星工作模式复杂,具有多种姿态定向方式”的难题,分析明确各模式姿态机动使用约束;优化姿态机动路径规划算法,确保各种姿态下卫星满足热控、能源约束;加强仿真和地面测试,按不同观测模式进行数学仿真、开展测试覆盖性分析、确保所有姿态模式切换及其可能出现的控制情况在各级测试验证覆盖到位;优化了动量轮配置,确保满足姿态机动要求。

(3)针对“惯性定向模式下平台设计”的难题,HXMT卫星测控、GPS、数传分系统采取了仿真加紧缩场的辐射模型星验证,确保无固定对地面的卫星姿态下的链路传输正常;整星热控通过仿真及热控星验证,确保满足任务要求。

(4)针对“安装于同一结构上大温差载荷的温度控制”风险,HXMT卫星载荷热控采取了优化隔热、导热、反射材料,并多次分析优化,并通过载荷部组件级热平衡试验以及整星(热控星)热平衡试验验证了其设计合理性,并修正热模型,为正样设计奠定基础;通过设计评审、工艺鉴定、稳定性和耐温专项试验等产保活动,保障了新研深冷热管的研制最终满足低能望远镜－80～－42℃的低温需求。

(5)针对“载荷正样件需要经过充分的地面标定,需要标定的探测器多、过程复杂、周期长”的风险,结合卫星研制阶段的特点,对各阶段标定工作重点进行了策划、实施,确保标定工作满足要求。在方案阶段,充分分析、论证标定需求,确定标定方案,并经各方评审确认;初样阶段,完成标定设施及装置的建设、验收,并利用载荷电性件、鉴定件进行试标定,验证了标定装置、流程的可行性;正样阶段,除在国内完成标定外,部件探测器产品还经过国际权威实验室的交叉标定,确保探测器在轨数据的有效性与国际认可度。

2.2 系统策划、提前确认,确保满足质量和进度的要求

针对多路径多项目并行研制特点,HXMT卫星策划了一些产品保证活动,保证了产品保证工作有序、高效开展,满足了研制进度要求。

(1)开展A、B类单机空间环境适应性、鉴定环境满足性复查和电性产品工艺实物检查工作,并强化测试数据判读工作,确保了“A、B类单机提前投产”风险可控。

(2)在载荷鉴定产品上星前,开展了“载荷鉴定件与正样产品接口、技术状态一致性”确认工作,确保“载荷鉴定产品参与正样整星总装、集成和测试(AIT)流程”风险可控。

(3)狠抓研制源头确保固有质量,对载荷单机的元器件选用、工艺方案、软件设计、可靠性和安全性设计分析等进行专题审查,加强载荷初样阶段的测试、试验和整星匹配性验证工作,确保能够充分暴露发现问题,通过上述工作,HXMT卫星有效载荷正样阶段出现未出现III类技术状态更改,“载荷正样产品会晚于卫星正样结构和平台正样产品研制”风险控制结果满足要求。

2.3 严格试验考核,确保设计正确

为充分验证HXMT卫星产品设计和工艺方案的正确性,暴露新故障模式,卫星策划并开展了一系列专项试验和研制试验。

(1)为验证了双GPS天线合路设计方案合理性,获得了恶劣工况下的双天线合路GPS定位情况,HXMT卫星进行了GPS双天线合路接收外场专项试验,模拟验证解决了惯性空间定向无固定对地面条件下双天线合路GPS定位及定位精度问题。

(2)针对动量轮支架组件不具备参加结构星力学试验的情况,通过动量轮支架组件专项试验获得了组件的力学特性,并在整星状态下进行了分析计算,验证了设计的正确性。

(3)针对载荷研制状态新、部组件数量多的特点,在鉴定件投产前,开展了新工艺的鉴定试验(高能主探晶体封装、中能准直器、Si-PIN探测器以及低能遮光膜)、新技术的性能摸底、力热环境及空间环境适应性试验(主探测器技术、中能扫视电核耦合器件探测器技术以及深冷热管)和薄弱设计环节力、热环境摸底(中能辐冷板、高能反符合屏蔽探测器、低能探测器机箱)等26项研制试验,并通过摸底试验改进了:①主探测器晶体光学耦合和支撑形式、高能准直器的胶结工艺;主探测器减震设计及力学试验下凹条件、提出了日本宾松光电倍增管筛选条件。②中能准直器点胶加固工艺、辐冷板的设计以及探测器小信号ASIC多路读出技术。③低能遮光膜镍网支撑方案、低能探测器上下机箱隔热和保证机箱整体刚度的设计方案。

2.4 合理举措,确保“新器件”风险可控

根据X射线望远镜的技术特点,HXMT卫星载荷选用了部分首次使用的元器件,这些元器件的生产、工艺、质保工作无现成经验可循。因此,从选用评审、设计改进、生产、筛选、电装、测试等各个环节加强质量跟踪与控制,使质量工作充分前移[3],并联合物资部门、厂家及时解决出现的问题,确保装星元器件满足载荷要求。

(1)针对载荷用ME-32 TA6型ASIC电路防静电指标低,在生产、测试等过程中易受静电损伤的问题,针对生产、测试、筛选、运输、电装等全过程制定了相应的防静电控制要求和措施,并跟踪落实。通过改进封装管壳、设计使用专用工装和包装、在芯片内增加防静电电路,有针对性地制定单批质保方案、改进测试方法、严格生产工艺工作检查等措施,确保了器件及最终产品满足要求并在轨正常运行。

(2)针对MEDET型Si-PIN探测器防污染能力差的特点,提出芯片镀膜的工艺改进方案,通过了专项验证,并制定了针对性单批质保方案。

(3)针对MEDET型Si-PIN探测器在生产过程中出现的铍片脱粘问题,完成了归零评审及改进后的工艺过程审查,完善了生产过程控制措施。

(4)针对S9100型高压模块在筛选过程中出现性能异常,中国空间技术研究院工艺专家针对产品内部色环电阻器和OHMITE电阻焊点开裂的焊接工艺问题,给出了改进工艺建议,并要求生产厂家进行了维修可行性验证。维修后的120只产品通过了筛选试验。

2.5 加强新研载荷管控,确保产品实现

HXMT卫星载荷承制单位研制单位为非航天系统内部单位,无大型航天载荷研制经验。为确保产品研制满足要求,加强了载荷研制单位的管控工作[4]。

(1)组织产品保证要求等一系列专题培训工作,帮助中国科学院高能物理研究所提升了产品保证能力,对载荷分系统产品保证计划进行专项审查,确保产品保证要求落实到位。

(2)积极参与载荷研制工作,通过评审、函审、现场检查、复核复审等各种质量手段对其进行过程控制,并派驻专人进行跟产、监管,确保过程质量受控[5]。

(3)成立载荷专项工作组,充分利用中国空间技术研究院的专家优势,发挥集体智慧,加速设计成熟,降低决策风险,协调解决载荷研制过程中出现的难点、问题。

(4)协助开展外协单位选择,载荷望远镜主结构及主要单机由有丰富的航天产品研制经验的厂所承担,确保了产品生产过程质量。

2.6 关注过程控制和关键节点清理确认

HXMT卫星利用转阶段、生产准备、合盖前检查、产品验收等关键节点进行过程控制、关机节点阶段清理、确认、总结工作[6]。

(1)加强研制过程跟产监督,对产品保证要求落实情况和产品研制情况进行专题检查。

(2)邀请有关领域专家开展供配电、元器件、工艺和材料、软件、空间环境适应性等专项检查确认工作。

(3)落实关键检验和强制检验,关注洁净、污染、多余物、防静电控制措施。

(4)对部组件、单机、子系统、分系统测试结果进行现场逐步逐项确认,对分配指标实现情况进行严格控制。

(5)对软件配置管理情况进行监督,对所有软件装订参数进行审查,对固化落焊版本进行现场确认。

(6)在产品验收前对产品研制和数据包进行全面审查,确认设计、工艺和过程三类关键特性控制情况和不可测试项目控制措施落实的有效性,避免事后复查,对于数据包不全、验收测试不充分等不符合要求的坚决拒收。

2.7 采用有效手段,卫星贮存工作有序开展

(1)组织开展卫星贮存任务影响分析工作,从卫星发射窗口、对科学观测任务的影响、单机产品地面贮存期影响等方面进行了专题分析,分析结果表明影响可接受。

(2)针对载荷探测器对污染和湿度敏感的特性,对卫星贮存环境提出了明确的温度(20℃±5℃)、湿度(≤10%)、洁净度(优于100 000级)和压力(300～3000 Pa)要求,专门制定了卫星贮存方案,并在贮存期内对贮存环境进行连续监测。

(3)卫星贮存结束后,开展了贮存后健康状态检查测试与评审确认工作,结果表明:卫星贮存条件满足规定的环境温度、湿度、洁净度和压力等要求,各项质量控制措施落实到位,卫星星上产品和单独贮存产品经过贮存前后测试验证和数据比对分析功能性能满足要求。

2.8 严控卫星新流程和最终状态设置及确认,发射场工作零缺陷

(1)进场前,HXMT卫星围绕着“十新”(新技术、新材料、新工艺、新状态、新环境、新设备、新单位、新岗位、新人员、新流程)开展了风险识别工作,针对识别出的未在北京AIT阶段实施的新流程“星箭对接后安装遮阳板”,明确遮阳板安装的注意事项和安装要求,细化、复核操作流程,并在实施阶段严格控制,新流程引起的高空作业和运载磕碰风险有效消除。

(2)结合“查状态”工作,HXMT卫星明确了27个产品保证工作项目,62个质量控制点,分阶段对卫星状态进行确认,卫星过程状态及最终状态满足要求。

(3)针对发射场质量保证的有关要求和卫星望远镜洁净度要求高的特点,HXMT卫星从望远镜多余物控制措施望远镜,敏感器、望远镜表面清洁,太阳翼安装过程多余物控制措施,加注过程多余物控制措施,整流罩多余物检查和确认共6个方面分阶段制定了严格的控制措施并严格执行,控制结果符合要求。

3 结束语

HXMT卫星产品保证工作通过“提前策划、有据可依、有章可循、重点突出、全程受控、及时总结、记录准确、可以追溯”,贯彻了“预防为主、一次成功”的原则,针对卫星研制特点提前策划,识别风险,实施精细管理和全过程管控,确保了卫星设计、制造和使用的质量,实现了发射场零缺陷、发射成功、在轨稳定运行。

参考文献(References)

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[3]花禄森．系统工程与航天系统工程管理[M]．北京:中国宇航出版社,2007 Hua Lusen．Systems engineering and aerospace systems engineering management[M]．Beijing:China Astronautics Press,2007(in Chinese)

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