[科普中國]-航天系統(tǒng)工程

簡介

20世紀40年代初，在電子系統(tǒng)的研制中，開始采用系統(tǒng)工程概念并取得了良好效果。50年代中期，在航天系統(tǒng)和軍事系統(tǒng)的研制中出現(xiàn)了大系統(tǒng)的新型設計法，為現(xiàn)代系統(tǒng)工程奠定了基礎。60年代初期，系統(tǒng)工程在阿波羅工程中的成功運用，標志著系統(tǒng)工程作為一門科學的組織管理技術開始被人們普遍接受和推廣應用。

技術過程/總體設計原則航天系統(tǒng)工程的技術過程必須遵循的原則主要有：

(1)多方案比較、整體優(yōu)化、科學集成；

(2)分階段實施，逐步改進；

(3)技術關鍵要先行，要充分驗證，以求盡早暴露問題；

(4)各種技術接口要盡可能標準化、簡單化；

(5)要充分運用并行工程的方法等。1

主要方法技術過程的主要方法有：

(1)需求工程；

(2)機、電、熱、力、磁、信息流設計與分析；

(3)可靠性、安全性設計；

(4)軟件工程；

(5)人因工程等。

組成航天系統(tǒng)是由航天器、航天運輸系統(tǒng)、航天器發(fā)射設施、航天測控系統(tǒng)、用戶設備(系統(tǒng))以及其他保障設備組成的完成特定航天任務的工程系統(tǒng)。航天系統(tǒng)的特點是規(guī)模龐大、技術復雜、質(zhì)量可靠性要求高、耗資大、研制周期長、社會和經(jīng)濟效益顯著。一些典型的航天系統(tǒng),如“人造地球衛(wèi)星”1號工程、阿波羅工程、美國航天飛機工程等都是現(xiàn)代典型的大工程系統(tǒng)。

內(nèi)涵加強總體設計部建設，搞好總體方案設計、技術抓總與技術協(xié)調(diào)

分解一集成是系統(tǒng)理論的核心思想，也是系統(tǒng)工程的基礎。航天型號的總體設計部就是在型號總指揮與總設計師的領導下，根據(jù)型號研制任務書的要求，用系統(tǒng)分析的方法進行總體方案的論證與總體方案的設計，進行分系統(tǒng)功能、性能指標及結構的分解；在分系統(tǒng)論證與必要的試驗驗證基礎上再次進行系統(tǒng)的綜合集成，經(jīng)多次迭代，求得型號整體性能的優(yōu)化。與此同時，根據(jù)研制技術途徑，進行經(jīng)費、進度、保障條件的分解與集成，經(jīng)過不同層面多次迭代，形成在一定約束條件下優(yōu)化的研制流程與實施方案。

充分發(fā)揮型號兩條指揮線的作用是航天型號工程順利實施的重要保障

航天系統(tǒng)工程的組織體系是型號指揮系統(tǒng)和型號設計師系統(tǒng)。單位的行政正職是型號研制的第一責任人，并由其選定型號直接責任人。型號總指揮是本型號的總負責人，由上級部門任命，對第一責任人和直接責任人負責。型號指揮系統(tǒng)，除各級指揮外，還包含了計劃組織指揮調(diào)度系統(tǒng)及相應保障職能部門的有關人員，它不受行政建制的限制，可跨建制、跨部門實施組織、協(xié)調(diào)、指揮調(diào)度。同時采用先進的計劃、調(diào)度、配置、評價與評審等技術和手段，實施動態(tài)管理，以保證全系統(tǒng)協(xié)調(diào)、高效運行及管理系統(tǒng)的優(yōu)化。

強化以型號總體研究院為基礎的型號科研生產(chǎn)組織體系

航天多年來形成了以型號總體研究院為基礎，按型號配套的各專業(yè)院、所、廠，地方所、廠構成的型號科研生產(chǎn)配套的組織體系。一般的科研生產(chǎn)活動大多在院一級組織實施。1988年航空、航天兩部合并時，國務院領導充分肯定了航天型號總體研究院的地位與作用，1999年組建集團公司時，對此再次作了肯定。在新時期配套方式不斷調(diào)整變化，以及任務量大增的情況下，完善與加強這個配套體系對保持協(xié)作配套的相對穩(wěn)定、保證質(zhì)量與研制工作的順利進行具有重要的作用。

嚴格按科研程序辦事，嚴格控制各階段的技術狀態(tài)，避免出現(xiàn)重大反復

科研程序是航天科研生產(chǎn)歷史經(jīng)驗的總結與升華，是我們對型號研制規(guī)律認識程度的反映。航天依據(jù)不同的型號，如導彈、火箭、衛(wèi)星、飛船等等，將其研制過程劃分為不同的階段，大到發(fā)展戰(zhàn)略目標與規(guī)劃的制定以及探索一代、預研一代、研制一代、生產(chǎn)一代的四步走，具體到型號研制的不同階段，每個階段都有明確的定義、任務與完成的標準，轉階段也必須有嚴格的評估與評審，評審要按行業(yè)標準執(zhí)行。不按程序辦事，往往欲速則不達，所造成的教訓也是十分深刻的。嚴格執(zhí)行研制程序就是為了防止趕進度、圖省錢，而不把該做的事做好、該解決的問題徹底解決，防止出現(xiàn)重大反復。嚴格控制各階段的技術狀態(tài)也是如此，防止小改出大錯，防止不必要的錦上添花以及追求局部的先進而影響全局。

始終堅持質(zhì)量第一的方針是實現(xiàn)航天系統(tǒng)工程目標的必然要求

航天系統(tǒng)工程始終將可靠性、安全性放在重要位置，始終堅持質(zhì)量第一的方針。一系列強有力的質(zhì)量管理措施，保證了航天產(chǎn)品與工作質(zhì)量不斷提高，以及飛行試驗成功率的上升。由于歸零標準要求機理清楚，克服了解決問題有時“知其然而不知其所以然”的沒有吃透技術的現(xiàn)象，有利于技術水平的提高。2

工程實例“人造地球衛(wèi)星”1號工程蘇聯(lián)于50年代中期組織實施的第一顆人造地球衛(wèi)星工程。主要包括:研制“衛(wèi)星”號運載火箭,改建拜科努爾發(fā)射場,研制衛(wèi)星本體和衛(wèi)星攜帶的科學探測儀器，建立地面觀測網(wǎng)。蘇聯(lián)在1957年10月 4日成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星──“人造地球衛(wèi)星”1號，開創(chuàng)了人類航天的新紀元。

阿波羅工程美國于60年代至70年代組織實施的載人登月航天工程，或稱阿波羅計劃。這一工程的目的是實現(xiàn)載人登月飛行和人對月球的實地考察，為載人行星飛行和探測進行技術準備。除二次世界大戰(zhàn)中的V－2工程和曼哈頓計劃（它們的規(guī)模要小得多），阿波羅工程是人類科學技術史上少有的大型工程系統(tǒng)，它的完成是世界航天史上具有劃時代意義的一項成就。

美國航天飛機工程美國于70年代初至80年代初組織實施的可重復使用的大型載人航天器工程。主要包括：研制航天飛機系統(tǒng)，建設發(fā)射場和著陸場，確定固體火箭助推器的回收方案，建設助推器的修復設施，改造和擴建測控系統(tǒng)。航天飛機是把運載火箭、載人飛船和飛機的技術結合起來的一種新型航天運輸工具，它充分利用了現(xiàn)代航天和航空領域內(nèi)的各種成熟的先進技術，以及現(xiàn)代科學技術的眾多領域的新成就。整個工程是由政府機構、工業(yè)企業(yè)和高等院校的龐大隊伍合作，運用系統(tǒng)工程的方法組織實施的。工程歷時約12年，于1982年結束,耗資約150多億美元。這一工程的完成為人類提供了全新的航天運輸工具，成為世界航天史上的一個重要里程碑。

特點適應航天系統(tǒng)的特點形成了現(xiàn)代航天系統(tǒng)工程方法，它具有以下主要特點：

① 建立總設計師制度和總體設計機構對航天系統(tǒng)進行系統(tǒng)設計和管理。航天系統(tǒng)和組成它的各大系統(tǒng)通常都設有總設計師和總體設計機構──總體設計部?？傮w設計部是按航天系統(tǒng)總體要求組織起來的科學家、工程師的常設集體，是工程系統(tǒng)的總體論證和設計機構。航天系統(tǒng)的總體設計部是在50年代中期導彈系統(tǒng)的總體設計部基礎上發(fā)展起來的，它成為航天系統(tǒng)工程的計劃領導人對整個航天計劃實施科學領導所必不可少的參謀機構。總體設計部在航天系統(tǒng)研制和管理中的重要作用，使人們確認總體設計機構的概念在現(xiàn)代大系統(tǒng)管理中的地位。

② 利用管理信息系統(tǒng)對航天系統(tǒng)進行科學的系統(tǒng)管理。航天管理信息系統(tǒng)是在50年代軍事信息系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，由電子計算機管理的高度自動化的航天工程指揮控制系統(tǒng)在60年代達到了相當完善的程度，成為一種整體化管理信息系統(tǒng)，同時指揮著上萬人甚至幾十萬人的活動。

③ 采用系統(tǒng)仿真技術對航天系統(tǒng)進行系統(tǒng)分析和評價。從航天系統(tǒng)的初始概念設計到系統(tǒng)研制和使用，不同型式的仿真得到了廣泛應用，以實現(xiàn)事前的工程分析、可靠性分析和技術經(jīng)濟綜合評價等。例如，在阿波羅工程中應用電子計算機進行各種仿真，確保了各項試驗研究準確地按期完成,終于在1969年7月16日通過“阿波羅”11號飛船把 3名宇航員送到月球并安全返回地面。

在航天系統(tǒng)工程的實踐中，還進一步完善和發(fā)展了計劃協(xié)調(diào)技術(PERT)、質(zhì)量控制技術等。3

中國航天系統(tǒng)工程方法中國航天系統(tǒng)產(chǎn)品主要是指運載火箭、人造衛(wèi)星、載人飛船和導彈武器系統(tǒng)，也稱為航天型號。系統(tǒng)工程方法的作用是把需求演化成為現(xiàn)實的航天系統(tǒng)產(chǎn)品。一個航天型號的研究、設計、開發(fā)、生產(chǎn)是一個復雜的組織管理過程，必須考慮到從概念研究到部署使用全壽命周期活動的要求；必須綜合集成多種學科和專業(yè)技術，包括一些必須事先攻莢的前沿技術；必須組織成千上萬科技人員和管理人員在十幾年的研制過程中協(xié)同工作；同時，必須保持在整個研制過程中技術、經(jīng)費和進度的協(xié)調(diào)進展。系統(tǒng)工程方法是組織管理這些航天型號系統(tǒng)研制工作的唯一選擇。4

50年來，在航天事業(yè)的實踐中，形成與發(fā)展了我國航天系統(tǒng)工程的理念、體系與方法，保障了我國航天事業(yè)健康、持續(xù)地發(fā)展，同時也為我國管理科學積累了新鮮經(jīng)驗。

20世紀40年代，國際上提出并開展了一般系統(tǒng)理論與研究，二戰(zhàn)以后一系列重大的國防與航天計劃有力地推動了系統(tǒng)工程理論與方法的研究和應用，阿波羅登月工程是其典范。50年前，我國在航天事業(yè)創(chuàng)建之初就十分關注系統(tǒng)工程理論的研究，在實踐中形成與發(fā)展了具有中國特色的航天系統(tǒng)工程的體系與方法。錢學森先生在國防部第五研究院建院后不久，就組建了型號總體設計部，這就是我國航天系統(tǒng)工程的開端。70年代，他又花了很多精力從事系統(tǒng)工程的推廣應用和系統(tǒng)學的理論研究。錢老曾指出，系統(tǒng)工程是組織管理“系統(tǒng)”的規(guī)劃、研究、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有“系統(tǒng)”都具有普遍意義的科學方法。而這種方法是通過規(guī)章制度、組織體系，將相關的資源有效地集成起來，在一定的約束條件下來實現(xiàn)系統(tǒng)預定的目標。在我國航天事業(yè)發(fā)展50年的歷程中，無論是預先研究、型號研制，還是各項管理工作，都始終貫穿著系統(tǒng)工程的理念、體系與方法。

早在老五院建院初期，根據(jù)聶總的指示，在《關于自然科學研究機構當前工作的十四條意見(草案)》(“科研十四條”)的基礎上，著手研究制定了《國防部第五研究院暫行工作條例(草案)》，之后用了一年的時間試行并廣泛地征求意見。特別是在1962年3月我國自行研制的第一枚近程導彈飛行試驗失敗后，認真總結了經(jīng)驗與教訓，加深了對型號研制規(guī)律的認識，在此基礎上進一步修訂了《暫行工作條例》，并于1962年11月8日正式頒布實行。按這個條例的規(guī)定，型號總體設計部、型號兩條指揮線的體制已基本形成，研制程序也已基本確定。這個條例體現(xiàn)了航天系統(tǒng)工程的基本理念、體系與科學方法，奠定了航天系統(tǒng)工程的基礎構架，對航天事業(yè)初期的建設與發(fā)展起到了重大作用。

我國航天系統(tǒng)工程在實踐中形成并不斷發(fā)展，國內(nèi)外系統(tǒng)工程的研究與實踐也不斷取得新的進展，因此我們?nèi)孕鑼W習與總結，不斷創(chuàng)新與發(fā)展。當前，任務繁重，在市場經(jīng)濟條件下如何加強經(jīng)濟管理、風險管理，多型號并舉要求新的管理理論與方法，將會創(chuàng)造出更豐富的新的經(jīng)驗。同時，要努力推進項目管理，系統(tǒng)工程與項目管理有共同的源頭，兩者互動發(fā)展。在“72條”中就曾提出要積極推進項目管理的試點，在“80條”中又指出，有條件的型號實行項目管理，幾年來已有很大的進展，并取得了一定的經(jīng)驗，應不斷總結、完善、提高。

我國航天系統(tǒng)工程在錢老的倡導下，50年來，經(jīng)過幾代航天人的實踐、創(chuàng)新、積累，形成了比較清晰的理念、比較完善的體系和比較科學的方法，保證與促進了中國航天事業(yè)的健康發(fā)展，這是我們寶貴的財富。時代在前進，技術在進步，我們應不斷總結，不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)航天系統(tǒng)工程新的跨越，為新世紀航天事業(yè)的健康發(fā)展提供有力的保障。2