运载火箭总体设计单位产品化工作方法研究与实践_何巍.pdf

2022年第12期16Exploration of Productization Management Mode产品化管理模式探索航天工业管理“十三五”以来，顺应国家高质量发展部署及建设航天强国的战略，适应世界航天商业竞争态势，中国航天发展进入新常态，高速增长已逐渐向高质量、高效益、低成本、可持续发展转变。上级用户对航天运输系统项目研发的支持形式和手段正在发生变化，逐步回归到发射服务的本质需求上，由传统的任务牵引型号立项和技术研发，向购买服务和引入竞争的形式转变，对运载火箭快速形成解决方案、快速批产和履约的能力提出新的挑战。为紧扣当前航天事业的发展阶段和宇运载火箭总体设计单位产品化工作方法研究与实践摘 要：当前中国航天处于高质量和新常态发展阶段，面对内部发展需求及外部环境变化，运载火箭领域各型号间横向和纵向协调统筹不平衡的问题突显。笔者给出运载火箭产品和型号双驱动的产品化思路,提出运载火箭产品的“平台+定制”研制体系，阐明了架构、平台、型谱概念和各级产品的实际联系。按照“理需求、论架构、建平台”的核心逻辑，介绍了总体设计部总体、分系统、单机级产品开展产品化工作的案例模式，同时提炼了构建文件体系、专业细化分工等改变工作模式的做法，为航天科研生产模式优化升级和管控模式深化改革提供了思考。关键词：运载火箭；产品化；平台架构；工作方法航企业主责主业的生存之本，应该坚持高质量保证成功、高效率完成任务、高效益推动航天强国建设的“三高”发展路线1。运载火箭总体设计单位通过推进产品化工程，构建产品与型号双驱动的科研生产模式，作为实现“三高”发展的重要途径。一、与“三高”发展的差距当前型号数量激增、宇航领域任务大幅增加，何巍、沈丹、潘忠文、王婧超、胡勇/中国运载火箭技术研究院2022年第12期17Exploration of Productization Management Mode产品化管理模式探索航天工业管理但技术、人力、经费、物资等核心资源互补不充分。宏观上讲，产业化发展尚处于起步阶段2，规模和水平不高，差距和不足主要体现在以下几个方面。1产品数量多、研发速度慢、研制成本高运运载火箭型号产品种类多，型号之间存在信息孤岛。新研型号充分利用已有型号产品技术和配套关系的效率不高，存在从头开始、重复做功的现象，导致研制周期长、研制成本高，未能形成通用产品研发基础框架（产品平台），难以支撑快速研发。2产品状态多、长期停留在试样阶段，成熟度不高运载火箭型号产品长期处于试样状态，不进行试验鉴定，更未开展设计定型和生产定型。产品状态多、状态变化多，导致个体产品成熟度不高，质量仍然存在隐患。同时，产品的众多状态给全链条管理带来极大的人力、物力成本，给工厂制造生产带来困难，距离大规模、高产能制造差距很大，生产效率不高。3专业能力归核化不够，技术推动产品升级的动力不足专业建设受型号影响明显，在设计方法和工具手段上还存在型号间不一致的现象。专业人员长期专注于一个型号、设计经验局限于一个型号，对外界信息掌握不够全面，对复杂的专业问题欠缺历练，不利于提高业务水平。专业提出的新方法在实施和验证环节需要大量资源，但得不到型号间的统筹，导致研制进展缓慢。二、产品化工作框架为为解决运载火箭“三高”发展面临的问题和挑战，通过产品和型号双驱动的产品化工程，解决既往研制模式不适应新时期、新形势要求的矛盾。在高质量维度，不局限于确保发射任务成功，而是保证产品研发全过程、全要素、全数据质量管理从精细向精益最终到卓越，实现理念的升级；在高效率维度，通过对科研生产管理模式的变革，激发承研承制单位的主体活力，实现技术更先进、整体更协同、管理更科学；在高效益维度，通过产品体系规划和核心技术升级，改变过去传统的要素驱动、单一目标价值导向，寻找企业长远发展和整体效益最优是实现高效益的基本规律。随着宇航市场逐渐出现竞争态势、军民不同客户的需求细分，型号产品功能日益复杂，需求定制化和产业规模化、快速研发和质量控制之间形成矛盾，归根结底是系统工程“风险成本性能”之间的相互制约。近年来，社会上一些技术先进的行业，例如汽车、计算机制造业，已经广泛且成功地实施了大批量定制（Mass Customization）战略3。通过模块化、产品平台等技术，使企业以大批量生产的成本和速度为客户提供个性化的产品和服务，以获得新的利润增长点。近年来，在武器装备领域也试点推行了面向基本型平台的武器装备系统型谱架构4，因此新时期的产品工程模式应首先推广“平台+定制”解决方案。继承“三化”（通用化、系列化、模块化）的产品开发理念,以型号对接任务需求，满足定制部分的实现，依靠厂所开发通用的平台，稳定、批量、快速地形成解决方案。总体设计部提出了火箭各层级产品“平台+定制”模式的基本概念和逻辑，如图 1 所示。产品的集成过程分为平台和定制 2 个部分，产品平台由专业技术、架构技术和通用模块组成，低层级产品的平台将成为高层级产品的通用模块，逐层集成。在此基础上，注入型号的研制指标要求和任务的特殊需求，形成定制部分，最终交付客户。1.专业技术产品工程的基石专业技术指按学科专业划分，通过特性计算、仿真分析和评估等开展产品功能性能设计的技术。强调“一代技术支撑一代产品、构建一代型谱和平台。一代型谱和平台选用一代技术，牵引一代产品”的代际化发展理念。通过收敛分支，集中力量突破核心技术，支撑由大到强发展。依靠技术换代实现产品和型谱升级，牵引潜在用户需求，提高竞争力。2.集成架构技术逐层牵引架构，推动集成创新架构是一种描述对象的科学方法，是通过设计系统的功能划2022年第12期18Exploration of Productization Management Mode产品化管理模式探索航天工业管理分与接口，跨学科、跨专业将各分系统或模块集成到统一协调的系统中的技术。集成架构技术通过对产品架构的规划，面向核心技术的发展与领域需求的发展，对下游产品集成规则和生态提前布局。总体对分系统、分系统对单机的发展牵引均由架构一以贯之。系统集成本质是技术行为，同时也是一种管理行为、甚至是商业行为。3.产品平台和通用模块强大平台是产品化转型的重要抓手平台是一种采用架构描述对象的结果，是一个具体的解决方案，能够形象地展示方案功能和性能，具有兼容性、扩展性、先进性和成熟性；产品平台是产品集约、高效发展的抓手。各层级均可形成平台，分为总体平台、分系统平台、单机平台多个层级，如图 2 所示。强调平台的意义是实现固化状态，平台具有一定的稳定性和长期性，有利于维护一个时期内的技术状态，提高规模化水平和效益，同时聚焦重点发展方向；实现快速响应，基于平台可以对用户需求快速响应，形成“平台+定制部分”的工程解决方案，赢得竞标和快速交付；实现异步开发，由于有了相对固定的架构，可以通过固化接口实现异步开发，集中精力优化模块内部功能；实现更新换代，随着模块不断更新，产品平台成为产品系列更新换代的载体。4.型谱建设产品型谱是用最少数目的不同规格产品，构成能够满足可预见的全部使用要求的产品系列。型谱规划了产品的发展和应用方向，各层级产品均应建立型谱。型谱建设的现实意义是实现能力专业技术集成架构技术通用模块定制产品产品集成交付总体（系统）飞行力学、空气动力学专业等+全弹/箭总体架构+若干分系统平台+根据战标研总要求（含发射任务需求）形成通用平台+定制开发的解决方案，从上至下完成定制CZ-3B Y79分系统分系统共性专业技术+分系统设计架构+若干单机平台+某控制系统平台在型号中的选用单机单机共性专业技术+复杂单机架构+通用部组件通用单机型谱维集成维专业驱动产品平台定制产品及集成交付层级维图1 运载火箭产品的“平台+定制”研制体系通用部组件（单机的模块）单机平台（分系统的模块）分系统平台（总体的模块）总体平台专业技术+集成架构+专业技术+集成架构+专业技术+集成架构+新一代载人火箭（货送状态）新一代载人火箭（载人状态）新一代近地载人火箭图2 各层级平台和通用模块2022年第12期19Exploration of Productization Management Mode产品化管理模式探索航天工业管理覆盖，对标客户需求、国内外先进水平，通过合理的跨度实现关键能力的全面覆盖；实现集约发展，对产品实施集约管理，优化合并现有产品规格，利于资源集中和产业规模扩大；实现引领未来，明确技术发展趋势，规范有应用需求前景的产品，确保后续可持续发展5。三、产品化工作实践总体设计部针对总体、分系统、单机等不同层级产品开展架构论证和平台建设实践，在实践过程中提炼出产品化工作应遵循理需求、论架构、建平台、调流程、促发展的内在逻辑和流程，如图3 所示。其中，前 3 个环节属于技术层面的工作，是部/厂/所发挥主体作用的核心。笔者重点对总体设计部各层级产品理需求、论架构、建平台的实践展开说明。1.总体级产品和专业以通用氢氧末级为例。先进的通用氢氧末级用于适配各型运载火箭基础级，提高火箭型谱整体性能，通用氢氧末级的研发是遵循“三化”思想研制模式的典型实例。设计之初开展“理需求”工作，外部需求接受不同型号技术要求和任务书，兼顾现有型号拓展能力的需求，以全系列适配、综合效益最优为原则，开展总体方案论证及设计；内部需求从通用性、先进性、可靠性、使用维护性等方面实现火箭性能的提升，提升产品的生产效率，降低火箭生产成本。通用氢氧末级的架构与运载火箭总体架构一致（见图 4），通过总体集成优化技术获得全箭的基本构型参数和特性参数，包括TGNC（弹道、制导、导航、姿控）设计结果，提出飞行载荷和环境条件，这部分工作由“参数设计类”专业完成；全箭由广义上的动力、结构、电气架构和软件信息流架构支撑，分别负责气液、机械、电气、信息接口的统筹抓总，继而形成整个末级方案，这部分工作由“系统集成类”专业完成。（1）“参数设计类”专业。输出包括回路设计中的弹道质量参数、气动参数、外形参数、飞行动力学参数、环境参数及相应偏差。“参数设计类”专业的“平台”是其设计/仿真工具或软件，通过强大而统一的工具或软件，使仿真和计算等过程规范、快速、结果横向一致，起到平台的作用。产品化工作模式的关键在于建立面向型号应用的通用工具，完成型号设计分析工作，确保型号方案正确，以下以总体设计协同平台的建设为例进行说明。由运载火箭总体设计单位开发的总体设计协同平台可快速完成火箭原始数据计算和可视化、实现气动/弹道/姿控/载荷/增压/估重等专业工具集成、实施运载火箭回路协同设计流程驱动。以数据 BOM 模型对流程全过程数据进行管理，旨在实现统一数据源、追溯数据变更过程。支持构型物理维度、专业维度、过程维度等多维度组织数据，对总体各参数专业接口数据形成规范，目前已完成 12 大类、1547个数据标准接口详细定义。其 中，以 弹 道 软 件 为 例，技术方面管理方面理需求 梳理型号需求、分析调研技术发展趋势、历史发展规律，加深对产品本质认知论架构 根据本质认知用科学的逻辑建立产品的表达规范，形成统一产品描述方法建平台 用统一产品描述方法，建立产品功能划分、接口定义并形成文件、技术和产品体系调流程 按照统一平台、调整产品研制流程、优化分工，提升设计工作专业性促发展 持续提升工作专业性，实现个人专业化发展、型号“三高”发展和组织长远发展图3 产品化工作底层逻辑流程2022年第12期20Exploration of Productization Management Mode产品化管理模式探索航天工业管理统筹各领域运载火箭弹道设计与仿真模型、方法和步骤，提炼弹道设计与优化模块框架，形成“五统一”，即统一发射点、数值积分配置、大气、地球环境等通用模型；统一有效载荷组件、抛物体组件、结构级组件、控制器组件、气动特性组件等组件模型；统一时序配置、质量特性参数、控制特性配置等配置模型；统一仿真算法基本数学类库，提供弹道、轨道设计中常用的数学函数计算方法；统一运载火箭弹道常用程序角设计库，提炼主要设计参数进行标准化模型的封装，从而满足不同火箭型号弹道计算和仿真工作，使得型号间计算弹道的方