高技术复杂度单机产品的研制模式探索与应用

张昊东、李均锋、白玉玲、赵晶、付进军 /北京航天发射技术研究所

随着航天装备的持续升级换代，系统对单机产品的技术先进性、功能集成度、严酷环境适应能力、升级迭代速度等方面的要求不断提升，同时对可靠性要求更加严苛。在这样的背景下，对于具有高技术复杂度、高技术综合性、高研制难度的单机产品，过去的研制模式已不能适应当前的任务研制周期和有限的可投入资源，传统研制模式和新任务形势之间的矛盾日益凸显。

航天地面电源是极具代表性的高技术复杂度单机产品，作为航天地面装备和特种车辆中供配电部分的核心单机，其主要功能是实现能源的二次变换，使电能转化为能够满足特定负载个性化用电需求的电能形式，对整个装备系统的用电提供有效保障。航天地面电源综合了功率半导体技术、电力电子拓扑技术、模拟和数字电子技术、自动控制技术、软件设计及软件工程化技术、磁性元器件设计和应用技术、安规设计技术、EMC 设计技术、热设计技术、结构设计技术等，技术综合性强，难度高，研制投入大。对于航天地面电源这类单机产品，在传统研制的模式下存在定制开发，重复投入；研制样机与产品不区分，疲于应付质量问题；具体任务牵引，迭代验证制约多等方面的问题。

为了突破传统研制模式的局限性，笔者总结了以往在新一代电源产品开发过程中探索出的行之有效的研制模式和经验，分析了该模式在当前形势和制度安排下的有效性，并提出了后续进一步发展的思路。

一、工作与实践

为突破传统研制模式的局限性，航天地面电源产品着眼于探索全新的研制模式和方法。新一代电源研制流程如图1 所示，其研制模式具有以下4 个方面的特点。

一是分析综合多样需求，最大化适应，告别反复定制开发。基于以往的用户服务经验，结合未来任务需求、自身能力评估，梳理出新一代电源的研制思路和方向，以通用化、模块化、系列化、平台化的研制思路代替过去定制化开发的研制模式。

二是预研先行，放开手脚，大胆尝新。通过预先研究课题立项，开展前期样机研制验证和首轮设计迭代，避免研制与产品不分开导致研制问题被当做质量问题处理，促使设计人员放开手脚，聚焦于新技术的实现和落地。

三是产品化牵引，自主可控，快速迭代。在预研验证的基础上，转入产品化牵引，使产品研制的牵引主体由过去的具体任务转换为产品化项目，使电源的设计优化迭代工作不完全被任务捆绑，在产品化的专门支持下可独立投产样机，自主开展迭代验证工作。

四是推广应用和成熟度持续提升并行开展。在产品化牵引下结合少量的产品应用验证，可快速实现产品成熟度的初步提升。随后在不同任务中进行推广应用，同时并行开展产品成熟度的持续提升，最终实现产品的技术状态固化，完成研制过程。

1.研制思路

一是需求调研分析。电源产品多年来一直是相关研究室的核心单机产品，长期应用于航天系统中，多年的应用和服务经验，为研究室对电源产品需求的认识打下基础，在此基础上可以进行有效的需求分析。航天电源产品需求具有以下特点：

图1 新一代电源研制模式流程图

电压等级系列化。系统中对电源电压等级的需求呈现系列化的特点，常见电压等级为28V、48V、160V、270V 等，较少出现系列值之外的特殊电压需求。其中应用最多的为28V电压等级。

功率需求多样化。虽然电压等级呈现序列化，但不同负载对电源功率的需求差异显著，呈现多样化的特点。

输入形式差别化。在以往系统应用中，电源输入源形式较为单一，多数是三相交流电形式，电压范围不超过380V±15%。而随着地面装备的发展，高压蓄电池引入到系统中，高压直流输入成为越来越常见的输入形式，电压等级也随系统而变得不同，目前已知的直流输入范围包括300V～600V 等。

接口状态定制化。无论是结构安装接口、硬件接口还是软件接口，不同系统往往都有各自不同的要求，难以形成统一，定制化的特点突出。

安装空间小型化。随着装备信息化程度提高，装备种类和数量显著上升，与此同时，对装备轻量化和安装空间的要求愈发严苛，因此单机小型化已成为必要的需求。

性能要求严苛化。装备的总体发展趋势对装备的性能要求愈发严苛，特别是环境适应能力、不同应用环境和工况下的高稳定性和高可靠性以及电磁兼容性能等。

二是研制能力评估。从研制所需设备或试验条件来分析研制能力，包括实验场地、一般实验仪器设备、专用实验设备、实验计算机等；从人力资源方面分析，包括团队人数、技术专家人数、可贡献超过80%精力于该研制项目的人员、人数。

三是研制思路梳理。结合需求调研分析情况和研制能力评估情况，用户需求难以完全统一，需要产品进行定制化设计。但随着任务数量的快速增长、研发迭代需求日益旺盛、进度要求日趋紧张，现有的研制能力难以完全满足复杂多样化的快速定制需要。这就要求提出模块化、平台化、系列化、通用化的研制思路，最大程度降低重复开发成本，使研制成果最大化地适应不同用户需求。

模块化设计。对于整机来说，确定一个最佳功率等级模块，通过模块的串并联实现功率扩展，满足不同负载需求；对于整机内部的组成部分来说，应当将各组件按照模块化思路设计，以便于部分功能的快速定制化调整和重组。

平台化、系列化设计。技术方案应具备移植扩展能力，将电源研制开发为技术平台，在该平台下通过较小的改动即可实现不同电压等级电源的设计。

通用化设计。确定技术方案时应充分考虑通用性，尽可能较宽地输出调压范围、恒流恒压等不同工作模式，适应不同一次源输入形式和电压等级。

四是确定技术方案。根据需求分析及研制思路的梳理，确定技术方案需要考虑的关键评价要素。

最大效率。首先反映技术方案的先进性。同时，效率对于最终产品的小型化、能否实现全密封高环境适应性设计具有重要影响。

开关频率。开关频率不仅能够反映技术的先进程度，而且还会影响无源器件的体积和重量，从而影响整机功率密度。

可靠性。不同技术方案存在可靠性差异，通过对市场产品信息的比对以及技术理论分析、可靠性预计等手段，可以初步评估技术方案的相对可靠性水平。

通用性。技术方案应充分考虑通用性适应能力，包括输入形式和范围、输出范围、系列化扩展等方面。

硬件成本。硬件成本是装备价格的重要组成部分，也是技术方案确定过程中的重要考虑因素。

结合功率半导体技术以及电路拓扑技术的发展趋势和最新动向，充分对比不同技术路线的优缺点，探索满足用户需求并适用于既定研制思路的技术方案。在此过程中可结合仿真工具，对不同技术方案进行对比分析研究。最终的技术方案应满足用户需求以及既定研制思路的要求，并在各评估要素方面取得综合优势，同时具备充分的技术先进性。

2.预研先行

预先研究是产品研制过程中的先行步骤，同时也是后续产品研制工作的前提和基础。由于预先研究项目基于航天任务的发展需求，但同时又独立于任务之外，因此具有灵活的管理模式和广阔的施展空间，在这一阶段应充分利用相关平台，实现技术方案的充分验证、技术目标的有效考核，以及原理样机的首轮迭代。

一是技术方案验证。首先通过仿真工具进行仿真验证，确定技术方案可行性，随后进行原理样机试制和验证。

二是技术难题攻关。在原理样机试制和验证过程中通常会遇到若干技术难题，因此预研过程中需要对各类技术难题进行专项攻关。如新一代电源在预研过程中攻克了全密封结构散热技术、宽范围调压及其环路调节技术、轻载打嗝纹波抑制技术等多项技术难题。

三是功能性能全面考核验证。在核心功能验证后，应对其他辅助功能、各项性能指标进行测试，在此过程中往往不会一次性通过，针对不满足技术方案要求的项目需要进行专项优化或局部方案调整。

四是环境试验摸底和可靠性摸底。在功能和性能指标均满足要求后，应初步对环境适应能力和可靠性进行摸底试验，暴露设计薄弱环节并进行优化整改。

3.产品化牵引

新一代电源在预研先行阶段之后完成了技术方案的验证和首轮样机迭代，即可转入到产品化牵引开发阶段。在该阶段的主要目标是完善产品配套内容，进行各项摸底匹配和试验，以尽早暴露设计、工艺、生产、元器件等多方面的问题，从而快速实现成熟度的初步提升。

DFMEA 分析。在预研阶段已经对技术方案进行了验证，积累了一定的认识和经验，在此基础上开展DFMEA 工作可以起到承上启下的作用，有助于提炼产品的各类关键特性或可靠性关键项目，在后续产品转化过程中具有重要意义。

设计复核复算及合规性检查。

充分对照相关标准或规范，对设计的合规性进行检查，对不符合要求的内容进行设计整改。

元器件选型替代。在原理样机研制阶段通常采用市购的进口元器件，在产品化牵引阶段需要向产品进行转化。因此，首先要进行元器件的选型替代工作，器件选型应计算满足各类元器件的降额要求，以及符合单位合格供方的要求、国产化比例要求，并应优先在优选目录内选取。

软件工程开发。在产品化牵引阶段必须重新进行软件工程化开发，严格按照GJB5000A 的相关要求开展软件研制工作。梳理软件设计需求，按照工程化方法进行详细设计、代码编写、测试等完整的开发工作。

图纸和技术文件编写。图纸以及技术文件应在产品化牵引阶段完成，其中不同的具体文件可以在不同的细分阶段进行。如技术条件在最初阶段进行编制，图纸和试验大纲应在设计复查以及元器件替代完成后编制，调试细则可以在工程样机测试完成后结合测试经验进行编制。

工程样机测试与迭代。开展工程样机试制和测试工作，内容包括所有的功能和性能指标、完整的试验项目。该过程中暴露的问题应当采取有效措施并进行充分的举一反三，通过多轮迭代直到工程样机测试完全满足要求。

4.实际应用与成熟度提升并行

经过产品化牵引研制，通常电源可达到2 级成熟度。产品满足了所有的功能和性能指标，并通过了完整的试验测试，基本具备了交付应用的条件，应将实际应用与成熟度提升并行开展。实际交付应用提供了进一步暴露隐蔽问题的可能性，特别是接口匹配方面的问题，通常在实际系统测试时才能充分显现。因此，成熟度的提升离不开产品的实际应用，也应并行开展。同时部分试验项目的开展周期较长，为不影响研制进度，同样需要并行开展。通过这一阶段后，产品应达到3 级成熟度，技术状态基本固化。

一是工艺文件编制和评审。准备正式产品生产前需要编制生产工艺文件，不仅需要工艺人员参与，更需要设计人员参加。设计人员应对工艺人员进行技术交底，并结合产品设计特点、可靠性关键项目等，对可能的工艺难点、工艺关键特性、过程关键特性等与车间工艺师进行充分的讨论沟通。

二是工装开发。对生产过程中所用到的工装进行设计开发。

三是初样产品生产和交付使用。进行初样产品的生产、试验、验收交付使用。设计人员应积极跟踪全过程，对生产问题、测试实验问题、交付使用后的问题均应采取有效措施并举一反三。

四是IPT 活动。进行批生产后，应择机开展IPT 活动，设计人员和工艺人员针对生产过程中的问题、发现的工艺难点、风险点等进行反馈分析，讨论改进措施，从而提升产品的设计工艺性，做到从设计角度降低产品缺陷率。

五是试样产品生产（小批量试制）和交付。在初样产品生产应用迭代优化后，进行试样产品生产，即小批量试制，继续发现问题并整改。

六是数据包络分析。对于小批量试制的产品测试数据进行包络分析，研究产品的一致性问题，以及通过不合理的高方差数据研究发现可能存在的潜在问题。

七是电磁兼容试验。电磁兼容试验是电源类产品的难点，整改难度大、周期长，若等待电磁兼容试验完全整改通过，会耽误产品研制进度。由于通常情况下即便未通过完整试验项目的产品也不会影响用户的正常使用，因此电磁兼容试验和整改通常与研制阶段产品的生产应用同步开展，并在产品定型鉴定之前通过电磁兼容试验项目。

八是可靠性试验。可靠性试验通常需花费较长时间，因此也应与研制阶段产品的生产应用同步开展，并在产品定型鉴定之前通过可靠性试验项目。

5.技术状态固化

经过充分的应用考核、试验考核以及多轮迭代优化，产品成熟度不断提升，在定型之前应达到4 级成熟度水平。至此，电源各方面的技术状态可以固化，标志着研制工作完成。

二、实践效果

1.产品技术革新度高

与以往在具体任务基础上研制不同，此次研制由预先研究课题切入，消除了设计人员对于直接进入任务应用产生质量问题的顾虑，能够勇于尝试前沿技术。如此次在电源中引入了先进的碳化硅功率半导体器件，同时采用了行业内领先的谐振变换拓扑技术及其数字控制技术，使产品在外形尺寸、性能指标、结构方案等一系列方面相比于以往的产品有了显著的提升。

2.通用性、适应性、沿用性好，降成本效果显著

与基于具体任务的定制化开发不同，这次研制过程考虑的不同任务的通用化需求，确立了通用化、模块化、平台化、系列化的研制思路，最大化扩展单机模块的应用适应能力。通过串并联实现功率扩展，通过平台化和模块化的设计技术易于拓展出系列化的产品，最大程度地降低了重复研制成本和生产管理成本。

3.成熟度提升快、提升质量高

在问题发生度最高、最集中的研制前期阶段，以预先研究课题立项，脱离具体任务管理，使技术人员能在研制早期专注于技术问题，快速实现初步的成熟度提升。预研之后的研制过程，牵引主体告别了过去特定任务，取而代之以产品化作为牵引；得益于产品化主管部门与任务项目组的相对独立性，设计部门提出的优化迭代验证需求得到了充分的资源支持和资金保障，研制过程中投产的各类样机完成了设计工艺性优化验证、专项试验验证和整改等，实现了全方位高质量的成熟度提升；结合并行推进的实际应用考核，提前实现了技术状态的固化。

在新形势下经过实践探索总结出来的有效经验，对具有类似特点的单机产品均具有指导借鉴意义。后续工作中需要进一步总结和固化复杂单机产品的研制思路，总结正反2 个方面的经验教训中形成启示录；同时提炼出易于参考、具有指导性的核心要点，形成方法指南。在未来其他类似的新产品研制中前期需进行相关经验介绍和培训，使本项目探索实践出的有效方法推广应用。同时，要进一步在后续实践过程中不断分析形势的新变化，吸收新的经验和方法，调整和优化研制流程，持续推动高技术复杂度单机产品研制模式的创新和完善，促进产品竞争力的不断提升。