周劍波，叢彥超，趙鵬飛，洪東跑

(1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京210016)

0　引言

近三十年來，尤其是20世紀(jì)冷戰(zhàn)結(jié)束以來，成本問題已經(jīng)越來越成為制約航天器發(fā)展的主要因素，如何降低成本成為航天器設(shè)計(jì)中需要首先考慮的問題。

以目前的技術(shù)水平和應(yīng)用狀況來看，采用商業(yè)元器件是降低航天器成本的直接途徑[1-2]。雖然商業(yè)元器件不是專為航天設(shè)計(jì)，在可靠性要求苛刻的航天領(lǐng)域采用商業(yè)元器件必然存在很多問題，實(shí)際上關(guān)于此的爭論也一直沒有停息，但是隨著研究和應(yīng)用的深入，商業(yè)元器件的采用逐漸被接受?，F(xiàn)在，通常的民用航天領(lǐng)域特別是小衛(wèi)星領(lǐng)域使用商業(yè)元器件已經(jīng)比較普遍，軍用航天中商業(yè)元器件的應(yīng)用也得到越來越多的認(rèn)可，典型的航天電子設(shè)備供應(yīng)商如Rockwell、Honeywell、Fairchild等都投入大量精力進(jìn)行商業(yè)元器件的軍用研究[3-6]。

導(dǎo)彈采用商業(yè)元器件也逐漸成為趨勢，例如美國新一代戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈與以往相比最主要的特點(diǎn)之一就是成本低廉，每枚戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斧導(dǎo)彈造價(jià)只有56.9萬美元，比戰(zhàn)斧I(xiàn)II的140萬美元大為降低。戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)斧的廉價(jià)化除了在一開始就采取了面向成本的策略外，最主要的就是大量采用了商業(yè)元器件。

與國外相比，國內(nèi)對(duì)商業(yè)元器件在航天上的應(yīng)用研究較少，特別是商業(yè)元器件的主要應(yīng)用領(lǐng)域小衛(wèi)星中，國內(nèi)還沒有如同國外一樣出于成本的要求而大范圍開展商業(yè)元器件的應(yīng)用研究。但是由于國內(nèi)電子工業(yè)的落后現(xiàn)狀和國外的出口限制，實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)開始使用了一些商業(yè)元器件。

本文在分析采用商業(yè)元器件原因的基礎(chǔ)上，首先分析采用商業(yè)元器件的可行性，然后對(duì)采用商業(yè)元器件所產(chǎn)生的問題進(jìn)行了討論，并從技術(shù)與工程應(yīng)用角度對(duì)這些問題進(jìn)行了分類概括，最后針對(duì)這些問題研究了相應(yīng)的對(duì)策。

1　采用商業(yè)元器件的原因

商業(yè)元器件(Commercial-of-the-shelf，COTS)國內(nèi)也直譯為商業(yè)貨架產(chǎn)品，是指那些可以直接從市場上買到的軟件和硬件產(chǎn)品，本文主要討論硬件，包括通常(不嚴(yán)格的)所稱民用級(jí)(commercial)元器件、工業(yè)級(jí)(industrial)元器件。

總的來說，采用商業(yè)元器件最主要的原因是其價(jià)格優(yōu)勢和技術(shù)優(yōu)勢。

1.1　歷史原因

電子技術(shù)是20世紀(jì)發(fā)展最快的技術(shù)之一。在電子技術(shù)發(fā)展的早期，軍事需要無疑是絕對(duì)的推進(jìn)力量，然而自20世紀(jì)六七十年代以來，電子市場中商用的份額逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，軍用市場對(duì)電子技術(shù)發(fā)展的影響越來越小，冷戰(zhàn)以后軍用電子需求的萎縮使得這種趨勢更加明顯。美國洛克希德·馬丁公司統(tǒng)計(jì)，1975年美國軍方在半導(dǎo)體集成電路上花費(fèi)7億美元，占美國半導(dǎo)體總市額的1/6，到1995年，美國軍方在半導(dǎo)體芯片上付出了11億美元，但是美國的總市額卻已經(jīng)高達(dá)1 500億美元，也就是說軍用所占市場份額不足1%。激烈的市場競爭、有限的利潤以及軍用標(biāo)準(zhǔn)的苛刻要求必定使絕大部分電子制造商把精力投往其他領(lǐng)域，很多著名的電子制造商，例如摩托羅拉、英特爾、飛利浦都已經(jīng)關(guān)閉了他們的軍用電子元器件生產(chǎn)線[7-8]。

與此同時(shí)，微電子產(chǎn)業(yè)需要的投資卻越來越大，開發(fā)時(shí)間越來越長，例如微電子的熱點(diǎn)技術(shù)片上系統(tǒng)(System on a Chip，SoC)，根據(jù)日本有關(guān)方面估計(jì)，工廠的投資需要3 500億日元以上，開發(fā)時(shí)間在1年以上，開發(fā)費(fèi)用達(dá)數(shù)億日元[9]。

在歐洲和美國，由于冷戰(zhàn)后防務(wù)經(jīng)費(fèi)的大幅度減少，不可能在需要的技術(shù)上進(jìn)行冷戰(zhàn)時(shí)期那種近乎無限的投資。在這種情況下，為了能以可承受的成本利用最新的(sate-of-the-art)電子技術(shù)，歐美開展了商業(yè)電子在軍事和航天上的應(yīng)用研究，美國將其稱之為獲取改革(Acquisition Reform)[10]。美國在下一代戰(zhàn)略導(dǎo)彈的前期研究中通過分析對(duì)比，專門提出采用一些商業(yè)元器件是提高導(dǎo)彈性能、降低成本的有效途徑[11]。

1.2　減少研制費(fèi)用

研制費(fèi)用一般是按照一定方式分配到元器件的售價(jià)中，由于專用器件采購量較小，研制費(fèi)用在整個(gè)元器件成本中占了很大比例。同時(shí)，專用器件的通用性也很差，針對(duì)某個(gè)任務(wù)設(shè)計(jì)的器件很難直接用在其他任務(wù)上，即使可以用往往還要再付出很高的改裝費(fèi)用。商業(yè)元器件通常是標(biāo)準(zhǔn)化系列化產(chǎn)品，通用性強(qiáng)，生產(chǎn)量大，售價(jià)低廉。

在小衛(wèi)星的研究中，按照成本估算關(guān)系式(CER公式)反復(fù)計(jì)算，結(jié)果表明，采用商業(yè)元器件成本僅是采用航天專用元器件成本的1/10[2]。

1.3　商業(yè)元器件的技術(shù)優(yōu)勢

專用元器件(軍用級(jí)、宇航級(jí))針對(duì)具體任務(wù)或特殊要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制時(shí)間長，往往還未研制出來就已經(jīng)在技術(shù)上落后。相比之下，商業(yè)元器件受市場的推動(dòng)作用，以異乎尋常的速度向前發(fā)展，更新?lián)Q代非常快。

單就技術(shù)性能而言，絕大多數(shù)的商業(yè)元器件要比軍用級(jí)、宇航級(jí)元器件先進(jìn)得多，例如現(xiàn)在使用的星載計(jì)算機(jī)，一般其計(jì)算速度只相當(dāng)于商業(yè)計(jì)算機(jī)10年前的速度。表1比較了一些不同標(biāo)準(zhǔn)元器件，可以看出商業(yè)元器件在性能方面的優(yōu)勢。

表1　一些不同標(biāo)準(zhǔn)元器件的比較[12]

此外，采用商業(yè)元器件可以做到總體設(shè)計(jì)不受分系統(tǒng)進(jìn)展落后的影響，同時(shí)可以不斷利用最新出現(xiàn)的商業(yè)元器件對(duì)航天器加以改進(jìn)，特別是采用模塊化技術(shù)后，這種改進(jìn)更加方便。

1.4　商用元器件的標(biāo)準(zhǔn)

商業(yè)元器件大多是按通用標(biāo)準(zhǔn)(例如ISO、IEC、IEEE制訂的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行生產(chǎn)的，質(zhì)量水平較高，在航天上的應(yīng)用逐漸成熟。

首先，商業(yè)元器件有標(biāo)準(zhǔn)的件號(hào)和描述其機(jī)械、電氣和環(huán)境與極限的技術(shù)規(guī)范，雖然出于保守商業(yè)秘密的考慮，不可能獲得商業(yè)元器件生產(chǎn)過程和生產(chǎn)工藝的全部細(xì)節(jié)，但也不是什么都不可獲知。一般而言，供應(yīng)商愿意提供足夠的信息。

其次，出于降低成本的考慮，各國進(jìn)行了大量商業(yè)元器件在航天上的應(yīng)用研究。歐美和日本已經(jīng)成立專門的研究機(jī)構(gòu)研究商業(yè)元器件在航天上的應(yīng)用問題，很多檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品不僅在小衛(wèi)星上而且在大衛(wèi)星上得到應(yīng)用。隨著眾多廣泛采用商業(yè)元器件的大小衛(wèi)星的研制成功，商業(yè)元器件在航天應(yīng)用上的經(jīng)驗(yàn)得以積累，相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展，使用商業(yè)元器件的風(fēng)險(xiǎn)降低。

1.5　商業(yè)元器件的軟件支持

軟件的研制和維護(hù)需要投入大量的人力、財(cái)力，無數(shù)實(shí)例說明，許多軟件投入大量人力財(cái)力后仍然失敗了，很多軟件即使開發(fā)出來也是漏洞百出不堪使用。通常商業(yè)元器件擁有與之配套的軟件，并且有專門的機(jī)構(gòu)來維護(hù)、升級(jí)和提供技術(shù)支持，因此使用商業(yè)元器件可以具有很高的效率，節(jié)約大量的開發(fā)時(shí)間，從而減少開發(fā)費(fèi)用。

2　可行性分析

一般認(rèn)為，雖然采用商業(yè)元器件可以降低成本，但航天器將無法實(shí)現(xiàn)采用專用元器件所能具有的全部效能，例如可靠性、工作年限等。那么，采用商業(yè)元器件的航天器究竟需要實(shí)現(xiàn)普通航天器效能的多少，才能達(dá)到希望的總成本降低比例？下面以導(dǎo)彈為例進(jìn)行分析。

下文公式中各參數(shù)的含義如下：P：要求的摧毀概率；Pm：普通導(dǎo)彈的單發(fā)摧毀概率；Cm：普通導(dǎo)彈的單發(fā)成本；Nm：達(dá)到要求的摧毀概率需要的普通導(dǎo)彈數(shù)量(枚)；Pc：采用商業(yè)元器件導(dǎo)彈的單發(fā)摧毀概率；Cc：采用商業(yè)元器件導(dǎo)彈的單發(fā)成本；Nc：達(dá)到要求的摧毀概率需要采用商業(yè)元器件的導(dǎo)彈數(shù)量(枚)；Cc/Cm：成本比，表示采用商業(yè)元器件的設(shè)計(jì)余地，其值越大則越容易實(shí)現(xiàn)；Pc/Pm：效能比，表示技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，其值越大則越難實(shí)現(xiàn)，反之越容易實(shí)現(xiàn)。

假設(shè)只要有一枚導(dǎo)彈命中即可摧毀目標(biāo)，那么為了以P的概率摧毀目標(biāo)，需要的普通導(dǎo)彈數(shù)量Nm根據(jù)n中取1的概率模型，由式

P=1-(1-Pm)Nm

(1)

可得：

(2)

導(dǎo)彈總成本Cnormal為：

(3)

同理可得采用商業(yè)元器件的導(dǎo)彈以P的概率摧毀目標(biāo)需要的數(shù)量Nc和總成本CCOTS為：

(4)

(5)

若總成本相等，即CCOTS=Cnormal，可以求出Cc/Cm隨Pc/Pm變化的關(guān)系式：

(6)

由式(6)計(jì)算可得，當(dāng)Pm=0.9，Pc/Pm=0.9時(shí)，Cc/Cm需要達(dá)到0.72才能實(shí)現(xiàn)與普通導(dǎo)彈相同的摧毀概率，從商用元器件的售價(jià)和改裝費(fèi)用考慮，這是完全可以實(shí)現(xiàn)的(遠(yuǎn)大于參考文獻(xiàn)[2]介紹的0.1的比例)。而且，如圖1所示，隨著敵方采取防導(dǎo)等措施使得Pm減小，Pc/Pm保持不變時(shí)，Cc/Cm還可以進(jìn)一步增大，這就意味著設(shè)計(jì)余地增大。

圖1　Cc/Cm隨Pc/Pm的變化關(guān)系

上述分析也說明只要實(shí)際的Cc/Cm值低于計(jì)算出的Cc/Cm，就能減小總成本。假設(shè)實(shí)際的Cc/Cm為0.5，由式(3)和式(5)可得以要求的概率P摧毀目標(biāo)時(shí)所需采用商業(yè)元器件的導(dǎo)彈總成本與采用普通導(dǎo)彈總成本之比CCOTS/Cnormal隨Pc/Pm變化的關(guān)系，如圖2所示。

圖2　CCOTS/Cnormal隨Pc/Pm的變化關(guān)系

圖2表明，Pc/Pm必須達(dá)到一定程度后總成本才有可能減小，并且隨著Pm的減小，使總成本減小的Pc/Pm也隨之減小。Pc/Pm減小意味著技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)，而目前反導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展使得Pm減小，因此采用商業(yè)元器件是對(duì)抗反導(dǎo)的有效措施。

3　必須面對(duì)的技術(shù)問題

商業(yè)元器件畢竟不是針對(duì)航天任務(wù)設(shè)計(jì)的，很多方面商業(yè)元器件需要滿足的要求比航天相關(guān)方面的要求低，需要根據(jù)可靠性要求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，才能既滿足要求，又不喪失價(jià)格優(yōu)勢。航天器采用商業(yè)元器件需要解決的主要技術(shù)難題如表2所列[13]。

表2　采用商業(yè)元器件必須面對(duì)的典型技術(shù)問題

4　必須面對(duì)的非技術(shù)因素

除了上述技術(shù)問題，采用商業(yè)元器件還受一些非技術(shù)因素的制約，常常是這些非技術(shù)因素限制了商業(yè)元器件的應(yīng)用。這些因素包括以下方面。

4.1　后勤保障要求

必須考慮所采用的商業(yè)元器件是否有可靠的供貨來源，能不能在特定時(shí)期獲取足夠數(shù)量需要的器件，是否有替換品。

考慮到目前國內(nèi)的技術(shù)水平，很多商業(yè)元器件特別是電子產(chǎn)品需要進(jìn)口，國內(nèi)沒有生產(chǎn)廠家或根本不具備相應(yīng)技術(shù)能力，采用這種商業(yè)元器件在戰(zhàn)時(shí)就會(huì)大受限制。

4.2　產(chǎn)品過時(shí)-長期供應(yīng)問題

如圖3所示[4]，商業(yè)元器件更新?lián)Q代比軍用器件快，好處是可以不斷獲取采用最新技術(shù)的元器件，同時(shí)也帶來一個(gè)嚴(yán)重問題，即若干年后需要進(jìn)行維修或再生產(chǎn)時(shí)，原始設(shè)計(jì)所采用的商業(yè)元器件早已過時(shí)報(bào)廢，沒有廠家再生產(chǎn)這種產(chǎn)品了。此時(shí)修改設(shè)計(jì)或要求廠家重新生產(chǎn)，必定要付出極大的代價(jià)。

圖3　商業(yè)元器件的使用周期

4.3　作為買方的劣勢

作為商業(yè)元器件的買方不能對(duì)生產(chǎn)者提出過多要求或者根本就無法提出要求，否則就違背了使用商業(yè)元器件的初衷——降低成本。大批量標(biāo)準(zhǔn)化、系列化生產(chǎn)是商業(yè)元器件售價(jià)低廉的根本原因，除非需求量足夠大，對(duì)生產(chǎn)者提出專門要求在成本上是劃不來的。

商業(yè)元器件的生產(chǎn)者通常擁有對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行修改的自由，很多時(shí)候買方對(duì)這種修改是無能為力的，并且還經(jīng)常不能得到關(guān)于修改的信息。

4.4　信息安全問題

對(duì)大量商業(yè)元器件，尤其是含有軟件的商業(yè)元器件(如片上系統(tǒng)內(nèi)嵌軟件)，由于其生產(chǎn)廠家較難進(jìn)行控制，還需考慮元器件的信息安全問題，對(duì)后門、病毒等進(jìn)行考慮[14]。

5　對(duì)策

對(duì)于上述技術(shù)和非技術(shù)問題，需要從系統(tǒng)工程的角度出發(fā)，以成本為主要目標(biāo)，只要能降低成本，就可以進(jìn)行嘗試。下面給出應(yīng)對(duì)措施。

5.1　從系統(tǒng)工程的角度考慮可靠性

電子設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，元器件單項(xiàng)可靠性能高并不代表整體可靠性高，元器件單項(xiàng)可靠性較差也并不意味著整體可靠性差，“可靠性在很大程度上是設(shè)計(jì)出來的”已經(jīng)成為共識(shí)。

從系統(tǒng)的角度考慮，即使采用了商業(yè)元器件，但是進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)，也可以設(shè)計(jì)出足夠的系統(tǒng)可靠性。例如對(duì)于元器件抗空間輻射要求，雖然商業(yè)元器件未經(jīng)抗輻射加固，但是必須注意到商業(yè)元器件集成度高、體積小，因此暴露面積也小，受輻射失效的概率也相應(yīng)減小，如果在設(shè)計(jì)保護(hù)電路和在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行整體防護(hù)，完全可以滿足抗輻射要求[15]。

5.2　商業(yè)元器件的選用

對(duì)商業(yè)元器件進(jìn)行篩選和試驗(yàn)，選用可靠性較高的器件。商業(yè)元器件生產(chǎn)廠家眾多，很多生產(chǎn)軍品級(jí)、宇航級(jí)元器件的廠家也在生產(chǎn)商業(yè)器件，各個(gè)廠家各個(gè)批次的產(chǎn)品都會(huì)有所不同，通過大量的試驗(yàn)對(duì)比，通常都可以得到滿足要求或與要求接近的產(chǎn)品。在建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫后，效率會(huì)得到大幅提高。

從成本和效率兩方面考慮，元器件的選用可以由專門的技術(shù)中間實(shí)體來進(jìn)行，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了一批這樣的技術(shù)實(shí)體。

5.3　風(fēng)險(xiǎn)管理

進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，從總體的角度進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)。對(duì)于對(duì)總可靠性影響巨大的部件，采用宇航級(jí)器件，對(duì)于數(shù)量巨大、可以容忍一定數(shù)量失效的部件，例如存儲(chǔ)器單元，盡量采用商業(yè)元器件，最終目的是在全系統(tǒng)級(jí)別達(dá)到要求的可靠性。

風(fēng)險(xiǎn)管理的關(guān)鍵在于危害性分析，必須確定哪些元器件只能使用通常的宇航級(jí)元器件，而哪些元器件的要求可以適當(dāng)放寬。

5.4　容錯(cuò)設(shè)計(jì)

容錯(cuò)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思想是既然不能避免錯(cuò)誤發(fā)生或避免代價(jià)太大，那么就在分系統(tǒng)(部件)級(jí)別進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)以達(dá)到在系統(tǒng)級(jí)別避免錯(cuò)誤發(fā)生的目的。冗余設(shè)計(jì)就是一種典型的容錯(cuò)設(shè)計(jì)。容錯(cuò)設(shè)計(jì)是實(shí)際中應(yīng)用最為廣泛的確?？煽啃缘姆椒ㄖ?，在目前電子技術(shù)高度發(fā)達(dá)的情況下，能以較小的代價(jià)(成本、重量等)大大提高系統(tǒng)可靠性。

5.5　后勤保障和長期供應(yīng)

針對(duì)后勤保障要求，可以采取一次性購買。由于商業(yè)元器件在成本上的優(yōu)勢，而且如戰(zhàn)略導(dǎo)彈之類的航天器裝備數(shù)量很小，需要的元器件總量有限，為航天器的整個(gè)壽命周期購買足夠的備份元器件值得考慮。特別是對(duì)于進(jìn)口元器件，在若干年內(nèi)儲(chǔ)存一定數(shù)量的元器件是必需的。

購買服務(wù)是解決長期供應(yīng)的可行方法。購買服務(wù)是指直接與元器件生產(chǎn)商或中間供應(yīng)商簽訂服務(wù)購買合同，保證在航天器全壽命周期內(nèi)持續(xù)提供這種元器件或可以接受的替代品。如果在設(shè)計(jì)階段就進(jìn)行模塊化標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，提供標(biāo)準(zhǔn)化接口，尋找替代元器件就會(huì)容易得多[16]。

購買服務(wù)或者購買技術(shù)支持是近年來比較流行的方式，能有效避免買方不熟悉市場、對(duì)元器件的歷史情況和質(zhì)量現(xiàn)狀不了解等情況。眾多技術(shù)中間商的出現(xiàn)為購買服務(wù)提供了便利，與普通的中間商相比，這些技術(shù)中間商擁有完善的監(jiān)測手段、龐大的數(shù)據(jù)庫和遍及全球(全國)的供貨渠道，如圖4所示。

圖4　新型采購模式

5.6　從新審視設(shè)計(jì)策略，適當(dāng)減少航天器使用年限

適當(dāng)減少航天器使用年限，特別是導(dǎo)彈之類的武器系統(tǒng)?？紤]到微電子技術(shù)的發(fā)展速度，想要設(shè)計(jì)在非常長的時(shí)期內(nèi)，比如30年，始終保持技術(shù)先進(jìn)性的航天器基本不可能，也沒有必要，反之可以在設(shè)計(jì)之初就考慮不斷升級(jí)的問題，設(shè)計(jì)一種在較長時(shí)期內(nèi)具有改進(jìn)潛力的航天器更為可行。

6　結(jié)論

采用商業(yè)元器件勢在必行，而目前討論最多的問題不是用不用而是如何用。以小衛(wèi)星為代表的工程實(shí)踐已經(jīng)證明采用商業(yè)元器件不但可以大幅度降低成本，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)足夠的可靠性，而其關(guān)鍵在于進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。隨著國內(nèi)航天的商業(yè)化進(jìn)程，商業(yè)元器件的使用會(huì)成為普遍行為。

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