太空2.0时代初创航天企业的生产与运营管理

王殿佑、王娟 /北京控制工程研究所

太空1.0 时代（1957 ～2000 年）主要指由政府主导的太空发展时代，以美国和前苏联为争夺地缘政治影响力而展开的竞争为开端。太空2.0 时代，也称“新太空”（New Space），是指太空发展的一个全新时代。始于20 世纪70 年代中期，是美国太空商业化和私有化运动过程中发展出来的一种新业态、一种全新的太空商业开发模式。

“新太空”的出现，改变了传统太空产业的研发生产经营模式。其实质是私营商业航天，特别是指初创航天企业，如太空探索技术公司、蓝色起源公司等。与大多由政府主导且对可靠性要求高的大型空间项目的生产运营管理相比，私营商业航天更注重降低生产成本，关注量产和快速迭代开发，以及是否盈利。

一、初创航天企业与传统航天企业对比

初创航天企业的研发和生产运营注重快速、扁平和精益。快速是指快速迭代开发，复用现有技术和商业现货器件，加快设计、制造和验收交付；扁平是指扁平化管理，破除了传统航天企业层级结构的组织管理模式，将金字塔状的组织管理形式压缩成扁平状的组织形式，以便对市场做出更快响应，同时减少业务流程的繁复和组织人员的反应滞后，便于将指令下达到更细的组织环节或人员；精益是指精益生产，能够大幅减少闲置时间、作业切换时间，同时降低产品不合格率、缩短产品开发设计周期等，从而提升企业竞争力，降低生产成本。

初创航天企业的生产运营管理和研发组织模式，一是注重垂直一体化，杜绝项目的层层转包，并尽可能地自筹供应链，做到自主设计和生产。比如，SpaceX 公司的“猎鹰”火箭系列，从设计、研发、制造到整个发射过程全部自己完成。二是批量生产，对卫星及其产品采用流水线式的生产模式。比如，英国卫星通信公司与空中客车公司合作建设的卫星制造厂，借鉴空客的工业化、标准化和自动化研发模式进行卫星批量生产。三是快速迭代开发，对卫星产品或整星采取快速迭代开发，不断升级、改进太空产品，形成核心竞争力。初创航天企业与传统航天企业对比见表1。

表1 初创航天企业与传统航天企业的对比

二、需求和设计阶段

初创航天企业发展的根本和核心在于盈利，要做到盈利就必须做到最大限度地降低生产成本，而降低生产成本的关键在于量产和快速迭代开发。生产运营方面，首先要批量生产、精简流程，消除不必要的各类文档负担。其次，解决从方案设计到最终飞行鉴定验收整个寿命周期产生的生产运营管理问题，方便快速迭代开发。本文重点讨论初创航天企业在满足可靠性和性能要求的前提下，如何降低成本需求。

1.需求设计

一方面为了最大限度地降低成本，将技术需求压缩到满足商业应用必需的最低程度；将任务保证（功能满足程度）缩减到最低限度以满足必需的可靠性要求，如立方体卫星和小卫星。另一方面降低成本的压力以及生产进度的紧迫性，使得需求决策大量缩减。

通过需求设计，客户能够以满意的成本获取到产品或服务，而产品或服务提供方节约了成本，获得更多收益。为了低成本生产运营，客户和产品提供方还要考虑产品的性能和某些功能的必要性以及质量或任务保证能否满足成本优先等问题，借此判断和消减不必要的需求。因此，减少和清除不必要的需求是降低初创航天企业项目成本和缩短产品研制进度的最佳方式，也是产品提供方和客户之间共同努力的结果。

2.方案设计

好的方案设计必须做到构思、测试、迭代和重复设计，即不断地快速循环和修改。目前通过增材制造（3D 打印）可以更快地实现。方案完成前特别是在设计和研发阶段，进行更多的设计思考，可以为项目节省更多时间。为了节省成本、加快生产速度或为了更快地供货，初创航天企业通常大量采用性能能够满足空间应用且质量满足需要的商业现货件，从而节省成本。

3.详细设计

详细设计是降低成本和缩短进度周期的第二大驱动因素。

生产制造初始，低成本生产制造需要考虑的包括但不限于零部件生产制造、集成、测试、电气接口以及航天器接口和集成安装成本等。另外，生产成本还要与性能和质量这类典型设计目标相互权衡。

详细设计中，最节约成本的做法是采用最少数量的零部件。与卫星生产或服务提供商对零部件的情况保持有效沟通，不仅有助于降低零部件的生产成本，还有助于降低生产制造的难度。巧妙的设计也可以降低生产的成本，比如采用现代加工制造技术将多个零件整合成一个组件，不仅可以减少相关零部件的生产费用，还可以降低零部件的安装成本以及所带来的风险。

公差是节约成本的另一项重要考虑。错误的公差会导致成本的增加，研究表明，将0.005 英寸（0.12毫米）的容差调整到0.001 英寸（0.025 毫米），制造成本增加3.5 倍。当容差变得更加严苛时，成本也会随之增长。如果容差要求太松，所导致的机械性能异常又会增加测试成本的。因此，好的设计师要认真选择最适宜的容差，在进行最坏情况分析时，避免因公差问题导致机构失效。

4.研制阶段

与传统航天企业相比，初创航天在节点和进度安排上要求更严格、压力更大，因为研制阶段要降低方案设计中的成本，来验证和改进设计。大多数工程师通过不断地迭代方案改进设计来节省成本。项目研制阶段，如果项目研制时间紧、降低成本需求大，那么进行充分的硬件开发便十分必要。研制阶段还要考虑的一个问题就是解决故障缺陷问题且在产品批量生产前加以解决。

从批量生产的角度看，研制和设计无法有效区分，因为研制设计也是方案设计的一部分。因此，在研制阶段，方案设计和生产设计需要同时进行，只有这样才能顺利、低成本地进行批量生产。

三、制造阶段

初创航天企业采用流水线式的生产模式，这种模式通常借鉴传统生产企业的工业化、标准化和自动化来进行卫星产品的批量制造。初创航天企业批量生产通常要具备空间方面的一般性和专业性知识储备。

制造阶段讲究精益制造，可以在制造和测试环节有效降低成本，提高效益，其原理和方法也非常适合批量生产。精益制造提出了2 个关键原则，一是要尽可能地消除一切浪费，要对设计环节不停地提出疑问，进行试制和试验测试，“必要”的疑问会带来更多的设计改进；二是设计时对整个制造环节进行思考。

1.零件制造

初创航天企业在零件批量生产与传统企业做法类似，强大的制造能力能够低大量制造零件和组件成本。

新兴增材制造技术近来受到了人们的极大关注，对初创航天企业的研制和生产来说，也具有非常大的价值。增材制造核心的关键点：一是增材制造不是简单地将CAD 文件发送给打印机，而且打印的部件必须处于技术参数范围内；二是增材制造对加快初样研制有重要价值，可以极大地加强方案设计阶段工作；三是增材制造可以生产其他方式无法生产的零部件形状，工程师可以利用这点对其设计进行改进或简化；四是增材制造可以生产复杂零件构成的组件。

2.检验和质量保证

采用现代化计算机检测设备可以节省大量成本，缩短生产进度，快速准确地自动化检测具有巨大的成本优势。基于摄像头的检测系统和自动坐标测量装置（CMM）配合相关的检测软件能实现流水线似的检测过程。另外，快速检测系统还能根据相应的公差生成电子检测报告。

检测前预防问题比后期排查故障和解决问题节省更多成本。初创航天的理念是通过重新评估真正所需，将成本控制在检验和质量保证之外。解决检验和质量保证过程中所出现的各种可能会导致大量的成本支出的问题。

3.装配集成

效率是装配集成的关键，主要包括消除浪费和多余的库存。另外，可以利用自动化提高零件的装配效率。

四、集成和测试阶段

1.试验验证

大型空间项目通常从什么可以测试的角度开始测试计划，而初创航天项目一般从什么必须测试的角度开始测试计划。研制和生产运营模式的根本在于，测试是验证性能和可靠性的唯一方法，减少大量测试不可行，但对初创航天的批量生产来说则是必须的。

测试对于证明性能和可靠性至关重要。在没有测试的情况下，仅通过分析和检验来验证产品性能和可靠性是不充分的。但是，测试对初创航天企业的生产运营模式来说是个挑战，因为代价高昂，为此初创航天企业只能寻求将该项成本从整个生产流程中剔除。每种试验验证都是单独进行的，在涉及试验验证和成本权衡上，各环节的试验验证通常由相应的小组决策。

2.开发测试

开发测试目的在于暴露设计中的缺陷，以便在投产前给予解决。充分的开发测试是消除设计缺陷的关键。如果开发时间较紧，可以在完成开发测试的同时进行试生产来解决缺陷问题。完成整个寿命周期的开发测试，对完成开发同时进入试生产来说非常关键。

3.环境试验验证

发射环境由采用何种运载工具所决定，初创航天企业的卫星企业通常希望生产能够搭载不同的运载工具进入太空，并灵活地适应发射延误等问题。此外，即将投入商业运营的运载工具没有经过实际发射的测试或发射测试尚不合格，比如SpaceX 的星舰飞船，导致环境试验验证在振动、声学以及搭载环境上存在诸多不确定性，需要反复测试。一些项目选择采用通用环境验证标准或类似规范来解决这种不确定性，但是采用通用环境验证标准会带有一定的风险性，而特定火箭采用特定环境验证又存在超过测试限度的问题。

4.鉴定试验

早期太空计划通常在完成所有飞行测试条款前，对1 个或多个未进行飞行的构件进行正式的鉴定测试。近年来，大多数空间项目都已转向原型飞行试验，可以节省大量的时间来对从未飞行的单元进行测试。

鉴定试验的前提是测试飞行设备来验证性能的高冗余性。比如，振动测试是平时的2 倍，而飞行期间则高达3 倍。制造零部件的空间计划从鉴定测试中得到了2 个有益提示：一是高裕度测试能够在批量生产前发现设计缺陷；二是简化的鉴定测试对确保可靠性而言已经足够。

5.验收试验

如果能够减少风险测试，批量生产便能节省大量的测试成本。例如验收测试的目标是验证每个飞行单元的性能是否与鉴定单元一致，一旦验收测试证明单个部件性能与鉴定件的性能一致，那么这个部件就可以用于飞行，通过了正式的鉴定测试。将机构鉴定测试缩减到必要的环节，直至此环节可以证明所制造的零件性能和鉴定件一致，便达到了节约测试成本的要求。

6.抽样试验

定期从生产线抽出1 个或多个零部件进行充分测试，以验证不一致的地方是否已经进入生产阶段。这种抽样测试可以是鉴定测试的一个子集，也可以进行更广泛和有针对性的测试，确保疑点或小的设计缺陷没有隐藏在简化的验收测试中。

7.测试自动化

随着对更多零部件的测试需要，自动化的测试设备在市场上不断涌现，这些设备可以减少人力劳动成本支出。它们能够非常快速且有重点地进行测试，还能减少大量的测试文档。建议工程师在设计低成本测试程序时考虑：哪种类型的性能测试深入了解机构的性能，且易于执行；鉴定、验收和抽样测试的最佳组合是什么；是否需要对振动、温度、真空等每个方面进行测试；怎样才能使每个单元的测试自动化；如何使测试报告和可交付文件自动化；什么样的测试能让人相信问题没有进入生产线；这个测试的真正成本是多少；它的真正价值又是什么；能否创建一个单一的测试等。批量生产验收测试中，有很多生产流程可以精简；但不同的生产流程要采用不同的测试机制。

五、航天器集成测试

初创航天企业正寻求简化整星级别的项目集成和测试，以实现重复批量生产。广泛开展卫星鉴定测试和原型测试，新的卫星设计和生产流程通过鉴定测试后，将安装集成和测试的重点要转到整星的生产上，并执行鉴定件的测试。初创航天企业将整星级别的环境测试看成一种选择，而不是必须。初创航天生产的机械结构要与简化的卫星组装相兼容。例如，卫星制造商可能要求某些功能实现自动处理，并希望卫星能够快速和容易安装。

由于我国商业航天起步较晚，对研发管理和生产运营尚处于借鉴学习阶段，只有不断地学习并吸收先进企业的优秀做法，才能在实践中不断完善自己，形成独有特色的自身研发管理和生产运营模式，也才能更好地发挥商业航天对传统航天的优势互补。

优先考虑开发效益、重视投入产出比是商业航天所奉行的市场准则，随着技术的不断进步，成熟技术不断用于商业航天开发，这既给我国商业航天带来了机遇，也带来了挑战。面对快速发展的市场和旺盛需求，我国商业航天的现有模式已不能满足高密度发射和快速响应的需求。因此，商业航天的研制模式必须转型，大胆创新，在满足用户压缩成本和进度、保证质量以及可靠性要求下，充分发挥优势；形成全面涵盖设计、研制和生产各环节的流水线式作业流程，实现“卫星工厂”的研制模式，促进研制模式和生产运营环节的转型、创新，适应市场化的需要。▲