低成本航天發(fā)展現(xiàn)狀與啟示

低成本航天發(fā)展現(xiàn)狀與啟示一刖言星鏈計(jì)劃不僅創(chuàng)造了新的商業(yè)模式，還顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)航天的認(rèn)知，讓衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了前所未有的低成本、大規(guī)?？焖僦圃旌桶l(fā)射布署。低成本將成為未來航天發(fā)展的一大趨勢(shì)，如何實(shí)現(xiàn)低成本以及如何在高可靠與低成本之間取得合理平衡是低成本航天發(fā)展的關(guān)鍵。二低成本航天發(fā)展現(xiàn)狀綜合國(guó)內(nèi)外低成本航天發(fā)展現(xiàn)狀，本文借鑒蔡瑞林等［1］構(gòu)建的低成本創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)制造業(yè)高端化的路徑模型，梳理了低成本航天實(shí)施的四個(gè)方面，分別為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、制造（技術(shù)）環(huán)節(jié)、市場(chǎng)環(huán)節(jié)和組織環(huán)節(jié)。1.設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)秉持低成本目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)融合簡(jiǎn)潔、先進(jìn)、通用、實(shí)用的設(shè)計(jì)理念，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。1.采用成熟低成本技術(shù)或產(chǎn)品。如SpaceX公司獵鷹系列火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了阿波羅計(jì)劃登月艙下降段發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，推進(jìn)劑使用成本最低的液氧煤油，同時(shí)使用了已成熟應(yīng)用于航天飛機(jī)外置燃料箱的2195鋁鋰合金。⑵2.新材料、新技術(shù)應(yīng)用。如SpaceX公司自主研發(fā)了全新的摩擦攪拌焊接技術(shù)及裝備，實(shí)現(xiàn)火箭箭體巨型金屬板材焊接流程的自動(dòng)化。該公司在Starlink試驗(yàn)衛(wèi)星上也首次使用氪作為霍爾推力器工質(zhì)，其價(jià)格僅為傳統(tǒng)工質(zhì)氙的1/10左右，顯著降低了衛(wèi)星生產(chǎn)成本。3.產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)。如SpaceX公司獵鷹系列火箭的一、二子級(jí)采用相同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊標(biāo)準(zhǔn)化。如］又如美國(guó)作戰(zhàn)響應(yīng)空間一1衛(wèi)星在硬件方面，采用了模塊化衛(wèi)星平臺(tái)和通用標(biāo)準(zhǔn)接口；在軟件方面，根據(jù)不同功能設(shè)計(jì)不同軟件模塊，形成軟件單元模塊庫(kù)。⑶4.關(guān)鍵產(chǎn)品重復(fù)使用。如獵鷹-9火箭第一級(jí)重復(fù)使用，使火箭的成本降低70%；而回收第一級(jí)和第二級(jí)，火箭的發(fā)射成本將降低98%。丘5.指標(biāo)適度設(shè)計(jì)。根據(jù)用戶實(shí)際指標(biāo)、空間環(huán)境影響等，開展指標(biāo)和功能適度設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌優(yōu)化各專業(yè)設(shè)計(jì)余量⑹，合理設(shè)定可靠性要求，降低成本，提高實(shí)用性。6.星箭一體化設(shè)計(jì)。如SpaceX公司基于自研的獵鷹9火箭開展一體化設(shè)計(jì)，將StarLink衛(wèi)星設(shè)計(jì)為平板結(jié)構(gòu)，在整流罩內(nèi)采用每層2顆衛(wèi)星交錯(cuò)疊壓的排布方式，通過新型構(gòu)型和排布方式，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在整流罩內(nèi)的高密度疊放，有效降低了單顆衛(wèi)星的運(yùn)載發(fā)射成本。1.制造環(huán)節(jié)1.識(shí)別產(chǎn)品關(guān)鍵特性，進(jìn)行有效質(zhì)量管控。辨識(shí)和把握產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，將成本和質(zhì)量進(jìn)行精細(xì)化過程控制，從而達(dá)到質(zhì)量管控和成本控制的統(tǒng)一。產(chǎn)品投產(chǎn)狀態(tài)整合。通過用部分投產(chǎn)代替全面投產(chǎn)的方式減少產(chǎn)品投產(chǎn)數(shù)量和狀態(tài)［3］，降低成本。3.元器件精準(zhǔn)篩選、單機(jī)可靠性試驗(yàn)剪裁。結(jié)合具體任務(wù)的空間環(huán)境條件進(jìn)行精確分析，用仿真分析、相似性驗(yàn)證等方式代替實(shí)物驗(yàn)證。⑶對(duì)于生產(chǎn)工藝成熟穩(wěn)定的元件，可取消二次篩選。［門4.適當(dāng)降低試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和剪裁試驗(yàn)。如在衛(wèi)星研制初期可降低試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，考慮采用準(zhǔn)鑒定飛行策略，在衛(wèi)星組網(wǎng)階段考慮采用抽樣方式，裁剪系統(tǒng)對(duì)接次數(shù)與內(nèi)容，取消整星級(jí)試驗(yàn)，僅開展功能和性能測(cè)試。⑶5.利用數(shù)字化手段仿真驗(yàn)證。如SpaceX公司在火箭測(cè)試方面充分利用已發(fā)射的大量測(cè)試數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)處理方式從不同維度檢測(cè)飛行器的安全性，形成實(shí)用完善的測(cè)試程序，降低實(shí)測(cè)成本。6.優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程。在SpaceX公司構(gòu)建衛(wèi)星產(chǎn)線的過程中，充分借鑒并利用了特斯拉汽車制造產(chǎn)線來實(shí)現(xiàn)并改進(jìn)衛(wèi)星產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，有效提升了衛(wèi)星產(chǎn)線的產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。1.市場(chǎng)環(huán)節(jié)1.拓展低成本航天供應(yīng)鏈。現(xiàn)有供應(yīng)鏈主要為傳統(tǒng)航天配套，價(jià)格昂貴，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，面向低成本航天供應(yīng)鏈體系尚未完備，需篩選優(yōu)質(zhì)供應(yīng)廠商，逐步培育新的低成本供應(yīng)鏈。拓展產(chǎn)品體系，納入商用貨架產(chǎn)品（COTS）。目前工業(yè)電子技術(shù)發(fā)展迅猛，很多產(chǎn)品已可適應(yīng)短周期航天任務(wù)需求，如獵鷹-9火箭和龍飛船主控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，SpaceX公司采用價(jià)格低廉的商用現(xiàn)貨Intel雙核的x86處理器，操作系統(tǒng)選用開源的Linux操作系統(tǒng)。又如開拓-1衛(wèi)星使用了工業(yè)級(jí)太陽電池片、18650工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)單體成組的鋰離子電池、工業(yè)級(jí)板卡、工業(yè)相機(jī)及光纖陀螺等國(guó)產(chǎn)非宇航級(jí)產(chǎn)品，并已實(shí)現(xiàn)在軌運(yùn)行穩(wěn)定。⑻3.批量采購(gòu)。通過批量采購(gòu)/聯(lián)合集采等方式整體降低產(chǎn)品采購(gòu)成本。4.選擇合適的航天器發(fā)射方式。選擇合適發(fā)射方式可直接降低發(fā)射成本。1.組織環(huán)節(jié)1.企業(yè)組織架構(gòu)扁平化。如SpaceX公司內(nèi)部沒有通常意義上的部門劃分，員工可參與技術(shù)研討、設(shè)計(jì)、開發(fā)等工作。⑵扁平化的管理模式，不僅能簡(jiǎn)化決策制定和傳遞的流程，還能有效降低人員費(fèi)用成本。2.創(chuàng)新經(jīng)營(yíng)模式。航天器從早期的單件少量生產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榕可a(chǎn)，企業(yè)需根據(jù)生產(chǎn)模式變化，創(chuàng)新自己的經(jīng)營(yíng)模式和管理模式，促進(jìn)自身業(yè)務(wù)良性發(fā)展。同時(shí)可通過共同經(jīng)營(yíng)，聯(lián)合開發(fā)方式，分別發(fā)揮總體和分系統(tǒng)、產(chǎn)品研制方的優(yōu)勢(shì)，共同研制符合低成本航天器要求的產(chǎn)品。⑶3.簡(jiǎn)化管理環(huán)節(jié)，優(yōu)化工作流程。簡(jiǎn)化工作流程，保證各崗位人員高效工作，及時(shí)進(jìn)行信息共享，技術(shù)共享，人員協(xié)同。4.合理配置優(yōu)秀人才。如SpaceX公司一方面充分吸納美國(guó)航空航天工業(yè)中的優(yōu)秀人才，另一方面通過打造高配比技術(shù)人員的小型精英團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。三發(fā)展啟示1.科學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，提升競(jìng)爭(zhēng)力將低成本貫穿系統(tǒng)設(shè)計(jì)全流程，尊重科學(xué)客觀規(guī)律，創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，精準(zhǔn)把握需求，以簡(jiǎn)潔、先進(jìn)、通用、實(shí)用為應(yīng)用目標(biāo)，實(shí)施適度設(shè)計(jì)和一體化設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確把控系統(tǒng)設(shè)計(jì)路線，切實(shí)高效提升系統(tǒng)性價(jià)比。1.改善制造方式方法，有效降低費(fèi)用以高效、簡(jiǎn)化方法實(shí)施產(chǎn)品制造，重點(diǎn)把控關(guān)鍵產(chǎn)品特性和技術(shù)途徑，以精準(zhǔn)需求分析為基礎(chǔ)，合理實(shí)施產(chǎn)品狀態(tài)整合、試驗(yàn)裁剪和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)降低，并利用數(shù)字化仿真手段，有效降低制造費(fèi)用。1.拓寬采購(gòu)思路，完善供應(yīng)體系以成本為約束，創(chuàng)新產(chǎn)品采購(gòu)思路，拓寬采購(gòu)路徑，充分吸收和利用商業(yè)航天和先進(jìn)工業(yè)電子技術(shù)成果，完善產(chǎn)品采購(gòu)發(fā)射供應(yīng)體系。1.優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新經(jīng)營(yíng)管理模式合理創(chuàng)新企業(yè)、項(xiàng)目經(jīng)營(yíng)管理模式，探索聯(lián)合經(jīng)營(yíng)、一體化垂直管理等新形式，通過簡(jiǎn)化審批程序、縮短管理鏈條等方式優(yōu)化管理流程，同時(shí)配備小型精英人才隊(duì)伍，全方位保證系統(tǒng)工作高效運(yùn)行，降低生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本，打造低成本航天組織管理發(fā)展新模式。參考文獻(xiàn)蔡瑞林，陳萬明，陳圻.低成本創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)制造業(yè)高端化的路徑研究[J].科學(xué)學(xué)研究,2014,32(3)單文杰.SpaceX公司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