專欄】Ariane 6火箭的創新之道

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編者按：

「不要更辛苦地工作，而是要更聰明地工作」（Don』t work harder, work smarter），這是關於Ariane6的產業政策中所倡導的工作方式之一。正如這一理念所言，Ariane6 火箭的推出，也充分飽含了歐洲希望能夠更加「Smart」地應對全球航天發射競爭之意。那麼，Ariane6能否滿足歐洲佔據航天發射市場優勢的野心？又有那些創新之處呢？今天的「貓」眼看天專欄，大咖與您談談歐洲新型火箭——Ariane6！

Ariane 6火箭的創新之道

作者：新流浪貓

在2014年12月的歐洲航天局部長級會議上，Ariane6項目被正式啟動。為推動其研發與生產，兩個主要的歐洲運載火箭製造企業即空客（Airbus）和賽峰（Safran）決定聯手打造一個新的產業結構更合理、更利於精益化管理的合資公司，將運載火箭和推進系統的業務整合其中。新公司被稱為空客賽峰火箭公司（Airbus Safran Launchers，簡稱ASL）。2015年8月，包括歐洲航天局（ESA）及法宇航（CNES）在內的多家機構和ASL簽署了一項公私合作夥伴關係的合同，這份合同將一直持續到Ariane6具有全部業務能力之際（2023年）。ESA給予了該公司更大授權，並派駐了一個小組，以促進成員之間的溝通和工作透明度。2016年底，ASL成為ArianeSpace的大股東；2017年7月1日，ASL更名為ArianeGroup。ArianeGroup和ArianeSpace公司將集中所有能力用於設計、採購、集成、運營Ariane6運載火箭並實現商業化發射。

Ariane6火箭簡介

Ariane6火箭的構型與運載能力如圖1所示：

圖1 Ariane6火箭的構型簡介

Ariane6有捆綁兩個助推器和四個助推器兩種構型。根據ESA的預期，Ariane6的可靠性需要與Ariane5一樣出色，但價格要有競爭力。按照設計，Ariane6利用末級發動機的再次啟動能力，可以將有效載荷部署在不同軌道平面的軌道上，即具有不同的升交點經度。同事，具備分離數十個有效載荷的能力。

火箭創新點

歐洲航天工業對Arian6火箭報以厚望，其創新之道主要體現在圖2的柱狀圖中，分為四個方面：面向開發的設計、標準化、產業政策和擴展型企業。

圖2 Ariane6的創新之道

2.1面向開發的設計（Design for Exploitation， DFE）

DFE是Ariane6創造的新名詞，它沒有明確的定義，包括面向功能的設計、端對端優化、面向成本的設計、面向製造、裝配、集成和測試（MAIT）的設計等。其目標是一次就把產品生產好（Right-1st-Time production）。

面向功能的設計（Function-oriented design ）

DFE的基礎是面向功能的設計，其目的是確保在全箭層面上工作分解結構（WBS）和組織分解結構（OBS）方面的一致性。。Ariane6要在全箭層面上構建一個唯一的系統設計辦公室（a unique system design office at LauncherSystem level），能夠管理從頂層一直到初級產品所有層面的工作，確保各層級之間的一致性，及早發現不一致性並消除。特別是通過與合作夥伴的聯合研發，覆蓋從設計到生產流程的全過程。

Ariane6的組織結構如圖3所示：

圖3 Ariane6的組織結構圖

Ariane6團隊主要有：四個產品設計組、一個集成與操作組組、一個系統組和一個發射服務組。四個產品設計組分別是：火箭平台（Launcher Platform）組，電子產品、火工品和飛行控制（Avionics, Pyros & FlightControl）組，固體推進系統（Solid Propulsion System ）組，以及液體推進系統（Liquid Propulsion Systems）組。這四個組將產品提供給集成與操作組（Launcher Integration and Operations）來負責火箭的組裝。系統組（Launcher System）確保總體設計的一致性，發射服務組（Launch Service）主要處理與發射服務相關的業務，而發射服務一般由Arianespace公司提供。

端對端的優化（End-to-end optimization ）

DFE從一開始就考慮運載器的完整生命周期，從原材料貯備、到火箭集成、一直到豎立在發射台上進行測試，提前預見並解決問題，並設計各種對策用於質量控制和提升生產能力。

端對端優化同樣需要將運載器和地面系統聯合設計，並在早期就本著」考慮需求而不是解決方案」（thinkneeds rather than solutions）的精神進行面向成本的設計（Design to cost）。

面向成本的設計（Design to cost）

設計人員可以從Ariane5中獲取經驗教訓，了解主要成本因素，重新評估實際需要，並且可以從總體設計、資格條款等方面改變現有的解決方案以滿足新的需求。可以允許提出或採用一些新技術或創新，例如從標準化的目錄中調整商用貨架器件的選用準則。

面向製造、裝配、集成和測試（MAIT）的設計

同樣是借鑒Ariane5的經驗，從生產和使用者的角度，對一些項目進行裁剪，減少生產導致的廢棄物，使得生產過程簡單、魯棒、符合人體工程學。

2.2標準化（standardization at launcher level）

第二個支柱是實現設計、製造方法、手段和工具的標準化（作者註：不單純是產品的標準化）。

Ariane6提出，充分借用成熟的模塊，新技術只有在能夠降低一些主要部件的成本時才允許使用。這些新技術包括新的電子系統、攪拌摩擦焊、Vulcain發動機夾層噴管延伸段設計、新一代地面連接器、氣氧增壓，等，並且這些技術應已成熟。另外在組件級也要考慮標準化，如採用通用零部件的標準目錄，特別是螺栓、螺母和墊圈，即使是工業合作夥伴設計的產品也要採用這些標準件。

另一個主要的改進方向是在整個生命周期中加強數字化技術的推廣，並確保連貫性，將集成過程和工具構成連貫的數據管理系統。製造執行系統（Manufacturing Executing System）將為生產製造人員提供數字支持，包括過程描述、測量值、增強現實、零件位置和記錄等。

Ariane6的研發將為歐洲航天工業提供一次促進火箭生產製造自動化的機會，特別是借鑒空客和賽峰集團在飛機和直升機項目中的經驗。

2.3產業政策（Industrial policy）

卓越的工業集群（Industrial Excellence Clusters ）

調整產業結構，從而將Ariane 6以儘可能高的性能、儘可能負擔得起的費用並儘可能快速地推向市場。通過Arianegroup的創建，建立起工業部門和Arianespace之間的密切關係，工業部門也將直面市場風險，採用敏捷的方式應對顧客，並將發射現場的工作大幅精簡。

——最大化地利用已有的投資（Maximizethe use of industrial assets）

充分利用歐洲航天工業已有能力，火箭生產製造的工業化流程如圖4所示：

圖4 Ariane6工業化生產製造流程

——穩定的配置（Stabilized Configuration）

要確保生產線儘快達到穩定工作狀態，避免外界干擾，這樣生產線將達到最高效率，這需要通過在開發階段的設計來實現。通過並行工程實現產品設計和工藝設計的一致性。一旦設計完成，各種規格說明、產品設計和工藝設計的狀態將被凍結。

穩定的製造過程是實現「第一次就生產好」的有效手段，這也是在各級實施精益原則和持續改進的體現。

實施精益化的思想、方法和工具（Implementing Lean Mindset, Methods and Tools）

使用一些工具，如價值流圖，對可能造成的浪費進行量化：等待（正在進行中的工作）、返工、機器故障……並測量過程的精益指數（增值時間和總交貨時間）。一種稱作「多功能價值流映射」的方法已經在Ariane5得到應用，這種方法也將被繼承，用於結構性的改進計劃。各級操作人員專註於「價值」，管理層授於他們通過改進去提高價值的許可權，這項改進可以在工作準備、配套、同步物流等環節落實開展。

另一個「精益製造」的主要目標是減少訂貨至交貨的時間。相對Ariane5，Ariane6將減少50%的時間，主要通過減少非增值任務來實現。例如，Ariane6認為各個模塊的水平集成是「精益推動者」。水平集成允許有平坦、簡單和多功能的建築物，以及更多的技術支持和工作坊。

Ariane6在發射場的組裝流程如圖5所示，組裝工作在一個專用的建築（BAL，發射器裝配大樓）內完成。所有的操作優化和執行是都是在水平狀態下完成的，包括各種機械集成和流體測試等工作內容。如果需要，火箭模塊可儲存在發射場。

圖5 Ariane6發射場組裝流程

流程準則（The discipline of flow）

滿足交貨時間和優化生產流程是Ariane6未來成功開發的主要因素。事實上，近年來，市場需要敏捷性反應來滿足快速發展的客戶需求。為此，儘管Ariane6的生產製造涉及多個成員國，但將按照單一流程和單一設施來組織生產。同時不再採用傳統V型開發模型，而是採用生產牽引（production-pull）的模式，允許客戶牽引生產，製造流程與客戶的節拍時間同步。同時為了解決對市場需求做出反應與儘可能保持生產穩定的矛盾，生產需求將通過滾動預測來確定和更新。

圖6 生產牽引的開發流程

這被視作產業政策的一個重要的發展，相比「生產推動」（production-push）的過程，經濟效率和整體靈活性得到了提升。

2.4 擴展型企業(extended enterprise)

所謂擴展型企業（extended enterprise），是個製造業務運作概念，它考慮一個產品製造中的所有參加者。其核心是：從合作的角度出發，基於契約的方式，以供應鏈為核心，由核心企業發起而建立的企業聯合體。其目標是一次就把產品生產好（Right-1st-Time development, or Take the time to do Right First Time）

基於集合的並行工程方法(Set-based Concurrent Engineering)

並行活動是通過一個收斂過程來組織的，稱作基於集合的並行工程方法。所有的利益相關者應考慮和選擇進行全局優化而不是順序模式（flow-down）來解決主要技術問題，以避免因為返工導致的非經常性成本和耗時。通過並行工程全面地探討可選方案。此外，通過聯合地逐步細化系統規範、產品設計和製造過程/操作概念，可以識別主要的成本動因，即「痛點」所在，從而優化完整的價值流。

這個收斂的過程用於固化最新生產需求所要求的產品規格/設計/過程等要素，儘可能並行地探索幾個選項；最終的選擇將是安全穩健的方案，並確保開發一次成功。

擴展型企業（Extended Enterprise）

並行工程的原理要從一開始就擴展到主要的工業合作夥伴，以建立一個「擴展型企業」，優化完整的價值流。

內建質量（Built-in Quality）

內建質量的目標是拉大飛行成功與失敗之間的差距，同時減少驗證性飛行的需求。第一次飛行的產品將被作為一個完全合格的工業化產品，而不是試驗品。在思維方式上，項目團隊應該確保人們開發或製造產品時考慮它將如何被使用，以及它將如何對系統性能做出貢獻。

內建質量還意味著通過流程的工業化來實現強大的可製造性和可操作性。「關鍵參數」的識別應當使得功能性需求涵蓋製造公差以證實生產中的裕量（The identification of 「Criticalparameters」 shall lead to have functional needs lower than manufacturingtolerances to demonstrate margins in production）。

小結

歐洲希望藉助於Ariane6重塑航天工業，其競爭力不僅僅體現在火箭的性能上，更多地體現在管理方面。它一方面強調統一的設計團隊，但生產製造等還是分散在多個成員國，又充分利用了已有的資源；另外，它強調以單一流程和單一設施的觀念來組織生產，並且按照客戶的需求來安排生產，這對生產調度等提出了很大的挑戰。Ariane6強調端對端的優化、全局優化、並行工程，是要徹底改變過去傳統序貫式、拋強式的開發模式，縮短開發和管理鏈條。所有配套的企業，按照統一標準和流程式控制制需求形成"擴展企業」。為了實現各個環節的精益化，採用量化的手段來分析價值與浪費，鼓勵員工提升價值。

Ariane6希望通過優化流程來提高效率，但各個部件的生產還是分散在各成員國，在這種情況下是否最終能達到預期的效果，我們將拭目以待。要構成一個步調一致的「擴展型企業」，不僅要有相似的各種管理要求和企業文化，還要充分調動每個企業和員工的積極性。

「你能為這個價格做些什麼？」（What can you do for this price?）。

「我們該如何支持你？」（How can we support you?）。

這兩個問題，似乎也是中國航天企業所應該認真思考的。

最後，通過動畫一起領略下Ariane6的風采吧。