东语良言
来源:微言航天发布日期:2018-02-12

SpaceX颠覆了中国航天系统工程的理论和方法




编者按:

   系统工程方法曾经是航天工程的制胜宝典,但对于像SpaceX这样的创新型企业来说,系统工程严格的程序控制也许已经很难适应技术快速发展以及需求快速变化对灵活性的要求。


对SpaceX来说,系统工程已经过时了吗?

——浅谈SpaceX公司的系统工程文化观

作者:新流浪猫

   系统工程是为了最好地实现系统的目的,对系统的组成要素、组织结构、信息流、控制机构等进行分析研究的科学方法。对于企业而言,系统工程通过提前预测和解决“集成问题”来保护开发大规模复杂系统所需的巨大投资。系统工程思想在航天这一复杂巨系统中得到普遍应用。但在SpaceX公司看来,人类很难预见到所有潜在的“集成问题”,特别是针对新系统。

在传统航天领域,研发企业非常重视技术状态的控制,一旦定型,尤其是得到飞行考验的设计,很少会再改动。而SpaceX公司却对此特别不在乎,看看Falcon9目前已经改到第几个Block版本就知道了。

那么,这家商业公司究竟有何高招呢?

SpaceX公司的系统工程观

   SpaceX公司的理念是“责任至上”。他们认为,要想正确有效的做事,任何现有的工程过程都无法代替这一理念。(No engineering process in existence can replace this for getting things done right,efficiently——小编感觉怎么这么像广告宣传呢......)

   经典的系统工程有“规划——设计——建造——测试”这四个步骤。并且强调要将工作前移,尤其概念设计阶段要进行大量的方案对比、仿真分析,并选出最优的方案,避免频繁的改动;因为越到后期,系统改动带来的经费、进度的开销均很难承受,所以前期一定要充分论证。SpaceX的专家给这种传统做法取了个十分通俗的名字:Heavy Front SE,即在系统工程的前期投入了大量的工作。

但SpaceX认为,与其在前期论了又论,考虑到各种可能性,而且还不能保证结论一定正确,不如捋起袖子先干!在实践中发现问题,及时改进,然后设计、生产、验证再改进。这就需要快速的决策、快速的原型开发和高效的验证,以减少这种做法的风险。他们将这种工作称为多周期的迭代过程,如图1所示:

图1 多周期的开发迭代过程

   SpaceX公司将其成功实现这一点的原因归结于组织机构的敏捷性、低的迭代成本和交易低层次需求的能力。

   什么叫交易低层次需求的能力?通俗地讲,与用户交易,劝说用户那些不重要的需求就放弃吧;与转包者交易,希望对方既快且经济地交出产品。

   为了增强说服力,SpaceX公司秀出了几款产品的对比,如发动机控制器(Engine controller)最初的设计和最新的设计,看上去完全像不同设计理念的产品:

图2 发动机控制器最早与最新版本对比

   以及发动机产品:

图3 发动机设计状态前后对比

SpaceX的开发模型

   传统的系统工程采用瀑布型的开发模型,设计自上而下逐步细化,测试自下而上逐步集成。SpaceX公司似乎等不及这种层层分解的工作,而是喜欢“螺旋型”的开发模型,如下图所示:

图4 SpaceX公司螺旋型的开发模式

   “螺旋型”开发模式的核心,就是不断地设计迭代,持续地继承和发展已有的设计成果,这与前文多周期的开发迭代过程是一致的。这也被证明是敏捷开发模式的一种,在这过程中需求可以经常变更,因为连系统工程的专家也认识到,“在设计周期中过早地编写详细的规范要求,可能会过度限制设计并排除更安全、更负担得起的解决方案。因此需求的确定也需要反复迭代”。既然如此,就不要期望需求从一开始就提得十分准确和完整,边做边看吧!现在甚至连NASA的载人飞行项目也已开始考虑敏捷开发过程了。

   在瀑布型开发模型中,系统工程的流程是“V”型,如下左图所示,是分层次开发的,逐层对需求和设计进行细化。而SpaceX公司的做法是下右图,仅关注关键的设计要素。抓住主要环节,通过调整这些参数来优化性能,以满足顶层的需求。通过建模和分析、建造原型产品进行测试等,来对参数的调整进行验证;并将这些单元放置在通过预计或实际测量出的环境内进行鉴定,随后直接进入系统集成验证阶段。

图5 传统“V”型流程与SpaceX公司的对比

像飞行一样测试

   像飞行一样测试(Test Like you fly),是航天界非常重要的一条经验,我们也经常强调减少天地测试状态的差异性。但spaceX公司可算是做得最彻底的了:不仅像飞行一样测试,而且所有飞行的功能均要测试(Test what you fly)。为了逼真,甚至将大量的系统级测试直接安排在发射场进行,尤其在发射服务前也开展。这样的示例包括:

  • 在Ironbirdsat Hawthorne的软硬件集成测试
  • 在McGregor的发动机测试–发动机和电子系统集成在真实的动态环境中进行测试
  • 在McGregor的整个火箭级段的测试–贮箱、管路、电子系统、推进系统全部集成在真实的动态环境中进行测试
  • 在发射场的硬件在回路的仿真-软硬件与所有系统组成单元集成在一起进行仿真测试
  • 在发射场加注状态下的测试(Launch Wet Dress Rehearsal, WDR)和静态点火(Pad Static Firing)试验—全系统集成测试

   SpaceX公司Falcon火箭的测试流程如图6所示,被测系统分为四大领域:电子系统、推进系统、发动机和结构,其中红色部分表示在发射场的测试。左上角是开发过程的试验(Falcon 9 -Development and Qualification Testing),开发一旦完成,这样的工作不用每次发射均开展;下部是每次飞行均要开展的测试工作(Flight ArticlesFalcon9 -Flight)。

图6 Falcon9的测试流程

   各项测试的主要目的:

  • 开发性的测试主要用来判断产品性能超出用户需求的能力,并发现薄弱环节(在更宽的温度范围和极限的应力条件下);
  • 鉴定性试验验证产品性能极限(在最坏的飞行条件下再乘以安全余量因子)。每一个设计/环境组合都进行鉴定测试;
  • 验收性测试验证工艺和功能。采用全样验收的措施。
  • 硬件在回路的测试–验证软硬件的集成。每一个软硬件的变化均要开展这项测试。

   除此以外,SpaceX公司还认为,需要关注工具而不是规则,太多的规则、过程和组织机构,能够轻而易举地破坏团队的创造性和产品的性能。同时,该公司将系统级任务分配给各个部门,使各个部门都能够关注于系统层面的思考;采用现代的信息系统工具代替传统的控制板作为讨论和集成的论坛,其模式类似于社交网络。

不过该公司也同时认为,建立有创造性的高性能的系统工程文化是十分困难的。事实上,这也是让他们感到非常自豪的地方,因为他们自认为已经在创新与传统系统工程之间实现了良好的平衡,从而达到了敏捷开发且费用可承受的目的。


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