基于产品化理念的空间运输系统高强密度研发管理研究与实践

/北京宇航系统工程研究所

上面级是一种由基础级运载火箭发射进入地球轨道或准地球轨道，能够进一步将有效载荷送入预定工作轨道或预定空间位置的具有自主独立性的轨道转移飞行器，具有短期在轨工作、多次启动、自主飞行、任务适应性好等特点，能够完成轨道部署、轨道转移等多种任务，它的发展水平代表着一个国家自主进入空间的能力。

我国的空间运输系统发轫于“北斗”导航系统建设等国家重大航天任务，作为现役上面级的主力军，“远征”系列上面级是我国空间运输系统的典型代表。中国运载火箭技术研究院在短短几年内发展了“远征”系列XX-1、XX-2、XX-1A、XX-1S共4个上面级型号，能够覆盖目前各种运载能力需求，是具备直接入轨能力、轨道机动部署能力、在轨服务能力的型号家族，被称为“太空摆渡车”，承担了大量重要的发射任务。其需要适应多型基础级火箭、要求多样的卫星/飞船、迥异的任务剖面，并且往往要在短时间内高强度地完成一型上面级的论证、设计、试验、生产，产品种类多，技术复杂程度高，研制周期和质量的保证难度大。面对多样化的任务要求和高度密集的发射需求，如何在现有技术、管理基础和生产基础条件下高效地完成研制、迅速提升能力，解决各方面能力水平与任务需求的差距，确保研制、发射任务的全面成功，对上面级研制队伍以及研究院传统型号研制模式都是一个巨大的挑战。

一、管理创新思路

“远征”系列上面级从论证阶段开始就前瞻性地瞄准了空间运输的未来需求，通过充分识别领域内国际发展方向及我国的需求，科学分析发展轨道转移飞行器所需的能力。但进入空间并驾驭空间是一项艰难而又充满风险的事业，尤其是要适应多个不同的上面级型号并行快速研制和高强密度生产发射要求，由此带来高强度研制和高密度发射的双重压力。

针对上面级技术新、指标高、使用环境复杂且兼具运载器和空间飞行器特性的技术特点，以及研制周期短、经费紧、用户多元化和需求差异化的管理特点，型号项目队伍统筹谋划各型上面级研制与发射任务，创新管理思路，优化研制流程，识别管控风险，狠抓责任落实，坚决贯彻产品化设计思路，实现技术攻关和试验验证2个维度成果共享，以及实现箭上和地面设备2个方面的产品化共用。通过持续开展流程优化和领域创新，探索基于产品化的集成研制模式，开创研究院新研系列型号技术、进度、质量、成本以及管理模式的实践创新，以实现科研生产模式和产品化转型升级，确保设计、生产、试验、飞行一次成功。

“远征”系列上面级以“自顶向下”与“自底向上”相结合的方式全面贯彻标准化、产品化的科学管理方法，在各个工作层级都实现了技术条件及箭上/地面大部分设备通用化、单机功能配置系列化、分系统按需求组合化，并以此全力促进技术成熟化、产品货架化、任务市场化，进而支撑上面级在多任务并举的情况下实现保组织成功、保任务成功。

以研究院新体系建设型号研制流程建设试点为契机，以流程重组为途径和方法，从传统迭代式改进的模式中提炼出影响正确性和成熟度的关键环节，建立面向上面级产品的计划、经费、质量等各项管理制度。同时，以人员重组为基础，健全面向产品的队伍，明确职责权限和考核评价重点，落实组织保障要求，以实现高密度发射情况下各项工作的顺利运转。

二、管理实施方案

1．将上面级型号产品化工作原则纳入顶层策划

将产品化工作原则作为重要的型号管理原则，写入上面级标准化大纲、上面级质量保证大纲等顶层纲领性文件中，将产品化要求细化并贯彻到型号工作的各个方面。上面级产品化工作原则包括以下5个方面：

一是在方案设计中，产品化设计理念的贯彻要从顶层向下推行，先统一分系统方案，然后统一单机产品。

二是总体及各分系统在方案设计中要充分贯彻产品化的相关要求，技术方案的选择要具备必要的可扩展性。

三是尽可能借用其他型号产品，并选用型谱产品，技术方面优先与成熟型号、在研型号进行共用。

四是在单机产品设计要求方面，要综合考虑不同型号上面级的使用要求，以最大包络作为环境试验条件，为上面级产品化工作奠定基础。

五是大力提升试验测试设备、地面保障设备、工装模具以及研保条件的通用性，做到不同型号上面级使用需求的统筹兼顾。

2．形成专用技术和管理标准，推进产品型谱化

空间运输系统是宇航领域一个相对独立的发展方向，其与运载火箭、卫星研制既有许多共同点，又有许多新特点，如果选用原有的适用于运载火箭研制的各种技术标准、研制规范，就会造成某些方面过度设计、过度考核，同时存在对有些新要求考虑不够、实验考核不充分、资源使用不够优化的问题。坚持产品化发展思路，通过充分识别在原有体系基础上的新特点、新需求，推动形成一批适用于上面级的标准和规范，有效地指导上面级的研制工作。

在此基础上开展整箭级、系统级、单机级、部（组）件级产品型谱建设，优化产品规格，形成上面级产品型谱，将配套单机产品按照新研产品、改进产品、借用产品分类，明确优先选用、借用产品和改进产品的原则，以支撑型号配套产品的选用，切实提高每一型上面级产品的可靠性与经济性。

上面级单机产品配套情况按照3种状态进行统计：新研产品，即完全新研制或者在原有产品状态基础上进行较大规模更改；改进产品，即在原有产品状态基础上进行较小规模更改；借用产品，即完全借用其他型号产品或选用型谱产品，无需做任何更改。

3．以“统一技术要求+模块化+按需组合”思路牵引构型设计

根据任务需求不同，4型上面级将各分系统统一技术要求按最大包络进行设计和验证，进而形成模块化设计策略，并将上面级产品分为结构模块、动力模块、电气模块、发射支持模块。通过各系统模块间的灵活组合完成多种功能配置，实现多任务适应能力，一方面有利于集中力量突破关键技术，提升上面级多任务适应能力及测试覆盖性，另一方面可通过优化研制产品配套，进一步缩短研制周期，降低研制成本。

4．用产品化理念助力型号任务

上面级进入工程应用阶段后，工作重心更多地向控制技术状态、组织生产测试、控制产品质量、执行发射飞行任务等方面转移，面临最突出的困难是4型上面级并行研制、发射带来的高强度工作，以及一年内多次发射的飞行任务，因此需要在有限的资源保障情况下全面完成型号任务，具体实施方案包括：

一是贯彻产品化要求，大幅减少单机研制数量和产品质量保障的工作量。通过采用单机产品化设计，XX-2、XX-1A、XX-1S研制过程中没有大规模开展单机研制工作，全部采用XX-1初样试验件进行试验，即使是对于有部分变化的单机也不需要开展技术攻关，这样可保证型号项目队伍将主要精力集中于最需要解决的技术问题，以便节约大量研制经费，节省研制周期。

二是通过“新研产品试验+改进产品分析对比”，有效减少同类试验项目。产品化顺利实施的前提是吃透技术、吃透状态、吃透产品，这样才能做到借用的产品能适用于新的工作任务剖面和工作环境，改进的技术状态能与原有产品平台有机融合、相互匹配。XX-1研制过程中型号项目队伍首先强调了对试验的认识，通过试验结果分析进一步完善上面级的仿真模型和相应的仿真分析技术，并在技术状态变化时具备评估手段，由此能够在减少同类试验的情况下仍得出科学的结论。

型号项目队伍依据所用产品的技术成熟度，对需要采取试验方式验证或数字化仿真方式分析的项目进行了科学策划，组建了计算机辅助分析仿真团队（CAT）。通过充分利用数字化仿真手段，先后完成了数字化热平衡试验等共计6项CAT试验，大量的仿真分析验证了热控设计等10余项设计的正确性，实现传统研制模式中只有通过大型地面试验才能够达到的目标，最大程度节省研制保障资源，减少产品配套数量，缩短研制周期，确保首飞成功及计划节点的要求。

三是不断提升产品成熟度，以高质量的产品确保任务成功。通过大力实施产品化工作来促进产品成熟，规范生产过程，有效提升单机借用程度。不同型号的飞行均增加了单机的飞行子样，以快速地提升单机产品的设计、生产、使用成熟度，确保新研产品不出现重大反复，以及成熟产品生产质量稳定、关键环节一次通过。XX-1上面级完成试样研制后的单机产品被XX-2、XX-1A、XX-1S上面级大量借用，经过4型上面级的多次飞行任务考核，目前93%的单机产品已具备了5级成熟度的评定条件。

四是狠抓领域管理创新，优化流程。型号项目队伍以新体系建设型号研制流程建设试点型号为契机，围绕上面级特点狠抓管理创新，开展了研制流程优化工作，具体包括：基于集成产品开发（IPD）流程系统梳理了上面级研制一、二级流程；形成了上面级产品规格说明书；采用协同办公的形式完成了系统间接口的确认、数字化模装和结构产品数字化出图；开展了上面级飞行剖面分析及试验流程优化；结合上面级飞行中地面指令参与控制的特点进行了飞行组织模式的分析与论证等工作，逐步推进新研制流程在型号研制过程中的应用。

三、实践效果

“远征”系列上面级型号深入贯彻产品化理念，在顶层策划、标准规范、方案设计、单机研制、设备通用、人员与资源优化配置等各个层面均取得了非常显著的成果。按照新研产品、改进产品和借用产品3类情况进行统计分析，计算结果见表1。

表1 “远征”系列上面级型号产品化程度分析

通过推进“远征”系列上面级产品化工作，大规模优化精简了研制工作量，有效地缩短了研制周期，提高了地面设备等资源的使用效率，大幅度降低了研制成本，显著地提升了产品可靠性，见表2。

1．规模优化精简了研制工作量

上面级研制中一直坚决贯彻产品化设计理念，并立足于成熟型谱产品的研制模式，从总体、分系统、单机几个层面实现了产品化目标，使“远征”系列上面级的研制工作量得以大幅度优化精简，成为研究院产品化效果最为显著的典型型号之一。

2．有效缩短了研制周期

上面级型号自立项研制以来，仅用了7年时间就完成了4型系列化上面级的研制及发射工作，其中XX-1A从立项到飞行演示验证成功仅用了27个月，XX-1S研制时间更是缩短至24个月。相比于传统的研制模式，采用产品化策略后，4型上面级的研制周期至少缩短5年时间。

3．大幅提高了地面设备等资源的使用效率

XX-1上面级地面设备充分考虑了通用化、系列化、组合化的产品化要求，使得XX-2、XX-1A、XX-1S上面级研制中的试验项目、流程、产品配套得以优化，配套数量有效减少，进度压力显著降低，电气系统、机械类地面设备等均实现全部通用，同时试验的各项保障条件也可实现最大程度的复用，以有效避免技术风险，大幅降低管理难度。

上面级研制队伍研究改进了研究院在空间运输领域的研制组织管理流程和模式，探索并积累了“远征”系列上面级基于产品化理念实现高强度研制、高密度发射的重要经验，确保了上面级4种构型、10余次发射的圆满成功，实现了向空间运输领域的跨进，为“远征”系列上面级型号后续研制工作的管理奠定了一个良好的基础，同时为其他航天型号推进产品化工作提供了参考和借鉴。