重大工程核心元器件自主保障实施途径研究

杨保华 ,张延伟 ,李艳波 ,张笃周 ,张 伟 ,谷重阳 ,姜贸公

(1.中国空间技术研究院,北京 100094;2.中国卫星网络集团有限公司,河北 保定 071799;3.中国航天标准化与产品保证研究院 航天元器件保证研究所,北京 100071)

作为国之重器的重大工程,必须要走高质量发展、自立自强的发展道路。近年来,我国在北斗导航全球组网系统、载人空间站工程、嫦娥探月工程等重大工程领域取得了非凡的成就,彰显了国家实力,核心元器件作为国家重大工程的基础,对于工程任务成败有至关重要的作用。我国元器件快速发展取得了诸多重要突破,但受制于人的被动局面并未实现根本性扭转[1-3]。本文在调研国外实施策略并在系统总结航天重大工程元器件自主保障及自主创新发展的实践经验的基础之上,提出了重大工程核心元器件“双路径”自主保障实施策略和途径,为后续国家重大工程自主保障的顺利实施提供借鉴。

1 国外核心元器件自主保障实施策略分析

1.1 注重自主发展,强调自主保障及创新发展

美国十分注重高可靠元器件的发展,制定了宇航元器件的发展战略,由美国航空航天局(NASA)统一领导、策划宇航元器件发展,在保障本国需求的前提下持续保持世界领先。欧洲将其元器件研发理念由传统的“独立自主” (Independence)调整为“自主可控”(Non-dependence)。日本启动宇航元器件 “All-Japan” 计划,加大在宇航元器件领域的研发投入,加快鉴定合格宇航元器件的应用[4]。

1.2 重视规划引导,专项推动行业基础能力提升

美国自2019 年提出“电子复兴计划”,计划未来五年投入超过20 亿美元,在FPGA、新型存储器、第三代半导体等领域加大研发力度,开启下一次电子革命[5]。欧盟实施“地平线2020” (Horizon 2020)计划,遴选元器件关键技术领域布局规划,推动空间技术研发。日本将大功率VDMOS 等核心器件作为重点规划和研发方向,旨在突破引进元器件的限制。

1.3 强调研用结合,充分发挥任务需求带动作用

无论是欧盟官方发布的未来三年空间技术研发优先级,还是欧洲航天智库制定的面向2030 年空间技术路线图,其共同特点都是更加注重以应用为牵引,以技术为驱动,发挥需求侧的带动作用。通过持续投入技术研发,实现技术能力提升与发展。

2 我国核心元器件自主保障面临的形势

2.1 核心、高端元器件自主保障形势依然严峻

美国出口管理规则(EAR)、武器国际贸易规则(ITAR)等出口控制政策,在高等级元器件领域对我国实施长期管制政策[6-7],尤其是在大规模集成电路、VDMOS 等核心、高端元器件方面,对我国实施严格封锁,自主保障的形势依然严峻[8]。

2.2 重大工程对于高性能、高可靠元器件需求迫切

未来火星探测、载人登月、高精度遥感及卫星互联网建设,对高性能CPU、半导体激光器及探测器、宽禁带器件等先进元器件的需求越来越多,需在国产化替代的基础之上,加速形成需求牵引、重点突破、技术预研、研用结合的自主发展良性机制。

2.3 国内元器件取得突破,已具备自主发展的条件

国内元器件设计、制造、测试的基础条件已较为完备,建立了元器件基础发展体系,质量水平大幅提升,核心关键技术领域取得突破[9]。以宇航元器件领域为例,近年来我们完成了抗辐射千万门级FPGA、PROM 存储器、大功率DC/DC、VDMOS 等几百项元器件的研制攻关工作,解决了一大批重大工程型号任务“卡脖子” 问题[10]。

3 重大工程元器件自主保障实施途径

我国重大工程应用的核心元器件涉及种类多、覆盖电子单机广,特别是在宇航重大工程中,通常一个工程型号中需要上装的元器件达到20 余万只,核心元器件也达上万只,涉及的电子单机达到百余台(套)。为实现重大工程核心元器件自主保障,需要从源头抓起,顶层规划,开放联合,以 “工程牵引、统筹规划、研用结合、稳步推进” 为指导思想,运用系统工程的方法和理念,在核心元器件自主创新发展上进行实施模式创新,建立适应载人航天等重大工程的核心元器件自主保障实施途径。

3.1 自主保障及自主创新发展总体与思路

国家重大工程要以实现核心元器件100%自主保障为目标,以落实国产元器件应用为导向,综合考虑核心元器件自主保障要求、国产元器件研制和应用验证状态、工程研制计划等方面的因素,全面梳理重大工程用进口元器件情况,统筹规划自主保障研制项目,顶层科学设计自主保障实施途径。在国家重大工程核心元器件自主创新发展实施过程中,首先,应满足工程总体目标要求,包括工程进度、功能性能指标、质量和可靠性要求;其次,应满足核心元器件成熟度要求,上装前开展充分的应用验证工作;最后,应结合国内元器件的研制基础,差异化制定自主保障实施途径。

针对航天重大工程用核心元器件“卡脖子” 问题与核心元器件需求特点,基于我国国情提出了国产化仿制实现进口被动替代和自主定义正向设计实现自主创新发展的“双路径” 自主保障工作流程,如图1 所示为建立国产元器件研制-验证-应用一体化的自主保障总体技术流程和方法。首先开展需求分析,主要考虑元器件种类、功能、性能、寿命指标、抗辐射、时间进度等需求要素,根据分析结果对所采取的路径进行决策,一方面,采用研制攻关治理存量,另一方面,通过严控新增加强选用控制,通过需求侧规划设计自主定义研制产品,通过实施双路径实现重大工程元器件自主可控,满足国产化率和可靠性指标要求。探索一条系列产品集中验证与重点工程型号同步应用的工程化实施途径,研用转化周期缩短2～3 年,解决了确保型号成功与低成熟度新研国产元器件之间的矛盾,有效保证重大工程核心元器件自主保障,同步牵引和带动国内基础电子行业的快速发展。

图1 重大工程元器件自主保障“双路径” 流程Fig.1 Significant project components independent controllable “dual pathway” process

3.2 实施途径一:面向自主,开展元器件规划设计,通过自主定义正向设计实现创新发展

立足长远发展,着眼未来,重大工程核心元器件自主保障需要顶层开展规划设计,通过制定不同元器件类别的需求型谱和中长期需求规划,建立选用控制机制,限制使用引进元器件,鼓励使用国产元器件,实现型号选用模式由依靠引进向立足国内转变。元器件自主定义将工程型号任务指标和核心技术转化为元器件指标体系,形成功能、构架和性能等指标,将自主知识产权融入元器件设计开发过程,以需求推动元器件的原始技术创新。自主定义是促进核心元器件原始技术创新的关键,也是推动我国核心元器件从“跟仿” 到“自主发展” 的有效途径。

在实施过程中开展规划设计、产品定义、产品实现、仿真验证等工作。在规划设计阶段,通过靠前规划、提前引领,开展面向当前及未来需求的重大工程核心关键元器件规划设计,制定需求型谱和技术发展路线图,引导选用;在产品定义阶段,核心元器件主要根据用户具体需求开展自主功能和性能指标体系设计,将工程型号任务指标和核心技术转化为元器件指标体系,根据产品定义开展产品实现及仿真验证工作。

3.3 实施途径二:面向可控,多渠道解决核心元器件研制攻关,实现产品替代

为顺利保障重大工程核心元器件自主保障,借鉴工程项目管理的经验,基于系统工程的方法,实施过程由需求规划、研制攻关、应用验证、工程应用、标准规范五个工程分系统组成,如图2 所示。

图2 重大工程元器件自主保障途径一实施流程Fig.2 Implementation process of significant project components independent support pathway 1

(1)需求规划:全面梳理需求,并按照厂家、质量等级、封装形式等对需求进行统型优化,按照国内研制基础进行分类,并开展技术对接工作;

(2)研制攻关:在确认元器件研制技术条件后开展研制技术攻关,过程中用户确认研制方案及详细规范,元器件还需通过评估试验与鉴定检验工作;

(3)应用验证:以实际应用场景、最坏情况为条件,开展全面的验证试验工作,验证宇航适用性;应用验证具有指导工程应用和元器件产品优化的双重作用,推动元器件产品和型号应用的“双向成熟”;

(4)工程应用:验证合格的国产元器件提供给重大工程电子系统使用。应基于国产元器件参数指标,开展“再设计、再试验、再定型” 等工作,确认国产元器件在型号应用中的有效性;

(5)标准规范:固化元器件技术状态,形成指导文件,包括详细规范、应用指南、采购规范等,指导研制、选用和保证等各项工作的顺利开展。

4 载人航天空间站工程元器件自主保障典型案例

2021 年4 月29 日,我国空间站天和核心舱由长征五号B 遥二运载火箭在中国文昌航天发射场成功发射。在工程建设全过程始终秉承“国之重器,核心在握” 原则,坚持走自主创新发展的道路。为保证载人空间站工程成功建设和后续长期运营,采用了“实施途径一” 的方法,提出需立足国产元器件开展设计,严格控制使用引进元器件,通过加强元器件的选择、研制、应用验证和工程应用,实现关键元器件全面自主保障,满足工程要求。

载人航天空间站工程自主定义了31 款100 V DC/DC 产品、4 款SSPC 产品、4 款矩形自控电连接器、舱外宇航员操作高低频混装电连接器、压接型2 腔浮动电连接器、高压直流接触器、耐环境快速分离微圆形连接器等百余款核心元器件。由空间站工程提出应用需求,开展需求规划,建立元器件的考核指标体系,基于应用环境设计应用验证试验项目。

为了节约能源、发挥高压母线的优点,制定100 V输入厚膜电源系列产品型谱,自主定义输出功率分别为5,15,20,30 和65 W 共27 个品种的DC/DC 模块以及配套的4 个EMI 滤波器。根据元器件的内部设计、工艺、结构等方面进行薄弱环节分析,建立元器件指标体系。通过开展应用验证,不仅给型号设计师提供了丰富的特性曲线、试验数据,也验证了元器件的长期可靠性、工艺符合性,有力地支撑了空间站工程的型号研制,满足了各型号对国产元器件的迫切需求。

通过工程实践形成了一套基于国产元器件自主研发和设计航天器的创新理念。在空间站工程设计初期直接立足国产元器件进行选用,基于国产元器件的评估试验、应用验证试验结果开展单机设计,逐步形成和建立一套基于国产元器件开展自主研发和系统设计航天器的创新理念,既能够避免航天器系统设计对国外核心元器件的过度依赖,同时能够带动国内元器件研制单位积极探索原始创新,放弃对进口元器件的长期跟仿,形成具有中国特色的宇航元器件技术和产品体系。

5 结束语

我国正处于实现“两个一百年” 奋斗目标的历史交汇期,世界科技革命和强国兴军事业深入推进的历史交汇期。国之重器始终走的是一条自力更生、自主创新的道路。通过探索与创新核心元器件自主保障和自主创新发展实施途径和策略,能有效提升国家重大工程的自主保障水平。突破技术封锁和产品禁运,实现关键技术自主创新发展。通过重大工程牵引核心元器件等基础领域自主创新发展。始终坚持以自主创新为战略基点,通过国家重大工程的实施,牢牢掌握核心前沿技术发展的主动权。