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航天器设计如何降低成本

宋征宇
编者按降低成本已成为国际航天界越来越重视的挑战之一，来自私营宇航公司的成本竞争不容忽视。美国航天专家约翰·斯崔克兰曾指出，太空探索公司降低发射费用的主要技术手段有三个方面，1）降低制造成本；2)降低运行费用（具有时效性的操作设计和降低发射的人力成本）；3）实现高效性能的飞行。尽管太空探索公司来自美国，但美国航天界仍然孜孜不倦地探讨如何降低成本，以至于将一年一度的“重塑空间”会议201 5年的会议主题确定为“显著地降低空间任务的费用”，并且指出，在当前经济形势下，创造低成本、快速响应的系统，具备迅速、经济和可靠地进入空间的能力，显得比以往任何时刻都要重要。
火箭的成本包括哪些？
参考Wertz J R对可重复使用运载火箭和一次性运载火箭经济模型的分析，火箭的成本包括研发费用、产品费用、发射费用和保险费用，降低这些费用将从设计、制造、运行以及管理等方面着手，贯穿火箭全寿命周期。
一、设计
设计对降低成本的作用体现在以下方面：
1．设计高效性能的火箭
方案的好坏对成本影响巨大。例如，如果发动机制造难度大，推进剂成本高，研制周期长，种类多且不能在其他项目上重用，这就不可能是低成本的方案（当然，有些技术从无到有需要花费大量投入，这是商业发射的低成本与重大技术战略研究的差别，不要混淆。就像NASA有些技术交给私营公司，有些仍需要国家投资）。有专家提出，最适合快速发射和低成本的方案是：液氧／煤油推进剂、挤压式发动机（相对泵压式发动机）、三级火箭、全天候发射，且每级火箭的设计方案尽可能一致。尽管会有不同意见，但梳理出了影响火箭成本的主要因素：发动机（含推进剂）、火箭构型、适应性等。
2．采用重复使用运载器方案（或部分回收可重用）
3．发射方式的选择
4．冗余度的选择
5．产品化／可重用性设计
6．自主控制技术
自主控制技术包括自主测试、自主导航和自主控制，Chavez F等指出将快速的上升段轨迹规划和闭路制导技术作为快速发射、进而降低成本的有效手段，因为减少了射前准备工作，节约了时间和人力成本。
7．与火箭相适应的发射场优化设计
发射场的建设应与火箭匹配才能优化工作流程与发射准备时间，这将对后续运行的费用产生很大影响。
二、制造
从制造的角度降低成本，要关注以下方面：
1．可制造性设计，降低制造的难度
2．采用成熟的工艺
3．增材制造技术（又称3D打印）
4媒体现实技术
“媒体现实”技术指采用混合和增强现实技术，在生产制造中恰当的时刻和恰当的地点向岗位人员提供正确的信息。据欧洲空间局专家介绍，操作的精确性从75%提高到96%，任务完成的时间缩短30%，培训的时间减少30%。
三、运行
对火箭而言，运行指发射以及发射前的各种测试准备工作、发射后的数据收集与结果分析，以及用于发射的地面设备的维护等。一个快速响应的运载火箭需要快速响应的地面系统，涉及到各阶段的工作，包括：
1．测试工作。包括零部组件测试、总装厂测试、发射场测试；软硬件系统集成测试、系统在回路仿真测试、火箭／有效载荷／发射场设施联合测试。
2．产品的运输。不同的运输方式费用差距很大。
3．发射场的运行控制与操作
4．任务／飞行的规划
5有效载荷的集成与测试
6．发射设施的维护
7备件与库存的管理
8．交互式电子手册
9．便携式维护支持手段
管理
根据波音公司2002年的统计，在一个项目全寿命周期的费用中，工程费用占17%，技术人员的开支占19%，物流等费用占10%，计划与控制占4%，而包含质量保障等管理活动在内的开销占50%。尽管我国国情不同，但可以看出管理是相当耗费成本的，这部分工作包括：安全性及任务保障(8%)、信息服务、文档服务、保密管理、需求控制、配置管理、验证管理、商务管理等，这些均是有必要降低成本的领域。
任务保障的作用是控制风险，如果未能准确辨识风险，所有环节均不加区分地套用标准，将导致经费过度消耗且未带来与其匹配的收益提升。为此，国外航天机构的产品保障部门意识到了这种危机以及自身价值所在，美国航宇局、欧洲空间局、日本宇宙探索局三方质保部门联合召开了主题为“安全性和任务保障在考虑成本效率任务中的贡献”的研讨会，探讨如何结合实际情况简化流程，从而降低成本并将风险控制在可接受水平的成功经验。通俗地讲，产品保障要实现“精确打击”，将资源花在最需要、也最能产生效益的地方，而不是全面铺开。这就对产品保障部门提出了较高的要求，需要与研发团队协作，共同制定裁减准则，明确不能裁减的工作内容。
近年来，航天研制中关于“成熟度”的概念屡被提起，但有时我们混淆了“技术成熟度”(TRL)和“产品成熟度”(PRL)，二者不是一一对应，高度成熟的技术如果没有高度成熟的产品，同样满足不了需求。波音公司指出，在研发的早期就要开展面向制造的设计，当TRL达到3级时，需要考虑各个零部组件的设计与制造需求；当TRL达到4级时，需要考虑与之配套的工具的需求；达到5级时，需要考虑流程的需求；达到6级时，需要考虑对制造人员的需求；而达到8级时，就需要对PRL进行评估。
下面有重点地介绍几种典型的技术手段：
1．分类管理
根据NASA有效载荷风险分类的定义，风险等级由高到低分为A～D级，分级考虑的因素包括优先级（对战略计划的关键程度）、对国家的重要性、任务复杂性、生命周期、费用、发射约束条件、在轨可维护性、重新开展研究或飞行的机会等。对于不同级别的任务有不同的设计约束，这些设计约束包括：单点失效模式、工程模型／原型／飞行／备用硬件、认证／认可／原型飞行测试、元器件等级、审查活动以及各种可靠性安全性要求等。
对于A级任务，不允许存在单点失效模式，选用符合NPSL L1的器件；而D级任务则可以进行裁减，也是考虑降低成本的主要目标。在D级任务中，单点失效模式是可以接受的，允许使用商用货架器件COTS，安全性．和质量保证的各种活动可以大幅裁减甚至省略，例如NASA的旋风全球导航卫星系统。
例如，在任务需求中，给出了可接受的裁减指南、元器件质量控制要求的裁减、可靠性工作的裁减以及在安全性需求方面不能裁减的内容；在质量保障过程活动中，对投入的质量保障人员、开展的工作项目、集成测试的要求等，也从降低费用的角度进行了建议。其他还有在风险控制方面所做的简化等。
2元器件选用
元器件的选择总是成为降低成本的潜在手段。采用宇航级器件，意味着高的可靠性和更强的抗辐射性能，但也带来性能下降、更高价格和更长的交货时间。COTS器件有更高的性能、更短的交货时间，但是以牺牲可靠性和抗辐射能力为代价的。
NEPP是NASA主导下研究的“NASA电子元器件和封装项目”，它将对元器件的需求分为三类：对于商业性载人任务，关注“故障一安全”的体系架构；对于载人登陆火星这样的任务，注重可靠性和抗辐射性能；而对于小型的航天任务，需要考虑成本效率以及低功耗的电子系统等。NEPP重点研究了宇航级、军用级、汽车级、医用级、宽温商业级以及商业级等不同级别的器件，依据任务的关键性和环境／生命周期矩阵，提出了器件选用的建议，如下图所示。然而，如何做出合适的风险决策，即如何在由关键性和环境／生命周期组成的矩阵中找到本项目合适的位置，始终是个挑战。
在实际应用中使用COTS器件，应该选择具有良好声誉厂家的产品，并进行升级筛选，同时有选择性地采用冗余设计，以消除具有较高概率的单点失效模式；也可同时采用高等级和COTS器件，用高等级器件“管理”COTS器件。此外，由于商用器件越来越多地采用无铅焊接工艺，国外也十分重视由此而带来的焊接质量等工艺问题。
3．建模与仿真
通过仿真手段开展试验验证，以代替实物的试验，也可以大大节约成本。这项技术一般普遍应用在电子产品的设计中，然而目前也已推广到更加复杂的产品。
波音公司的发动机专家曾提出，发动机73%的费用消耗在“测试一失效一修复”的循环上，未来应“更少的测试，更多的建模”。日本正在研制新一代旗舰运载火箭H-X，其突出的特点之一是具有鲁棒性更强和极高可靠性的发动机，实现这一点的主要手段是建模与仿真分析。下图给出了日本H-X火箭对传统方法和目前自身使用方法的对比：
首先，基于经验知识和故障树／事件树分析结果，辨识出所有的故障模式。其次，采用基于模型的量化风险评估技术，将概率设计分析应用于组件级的试验结果分析和基于失效机理的解析模型分析，通过该概率以及故障树／事件树，计算系统的可靠性。最后，制定设计改进和零部组件级的试验计划。在此基础上，通过不确定性的量化分析对解析模型的有效性进行评估。这区别于以往依赖发动机点火试车的做法（这样做需要花费大量的经费），而将工作重点放在零部组件的试验，通过试验修正模型以用于仿真。最后做少量次数的全系统试车（即整个发动机的点火试验）。该方法已经用于LE-X发动机，是实现高性能、高可靠性和低成本的主要手段。
降低成本的手段还有许多，这篇小文已难以再展开介绍。但是前景虽美好，现实很无奈。一方面，降低成本并不意味着技术水平下降，如果没有掌握相应的技术，有些降低成本的手段根本无法实施，甚至为此的投入会更大；另一方面，对任何一个项目负责人而言，让其认可自己的项目等级为D而不是A，也是十分艰难的。再者，对用户而言，总是希望自己订购的火箭一定要可靠完成任务（虽然知道有风险，但总希望风险不要发生在自己身上），同时价格越低越好，二者难以兼顾。因此，成本的降低，需要有适合的航天工业生态环境：先进成熟的技术、理性客观的理念。
结束语
什么是可靠性？应该是在一定资源约束下保证任务完成的条件概率，这里的资源约束包括经费投入，不是无条件的。如果不惜一切代价确保成功，这样的项目就不适合谈论“经济性”这个概念。换句话说，谈论经济性，就要做好承受失败的心理准备；对某项任务而言，失败造成了100%的损失；但从公司整体运行上看仍有可能是获取了最大的利润。因此，降低成本，首先从改变观念做起！

-全文完-