国外航天元器件发展现状与思考

国外航天元器件发展现状与思考
文
摘：以航天元器件供应与采购问题为中心，分析国外航天元器件发展现状和国外
宇航机构在航天元器件发展方面的主要做法与成功经验，并在借鉴吸收的基础上，结合我国的实际，对我国航天元器件的发展提出建议。

关键词：航天元器件；元器件供应；元器件采购；国外标准。

晋文亮
（中国航天标准化研究所，北京，100071）
元器件是航天型号研制与生产的重要通用基础产品，对航天产品的性能、寿命、研制周期、成本和发射风险都有着极其重要的作用和影响。

20世纪90年代以来，世界电子工业和信息技术的迅猛发展，对元器件的发展产生了巨大影响，元器件正进入以新型元器件为主体的新一代元器件时代。

对于航天元器件而言，特殊的应用场合对其提出了很多特殊要求：①航天工程涉及的技术和专业领域广，决定了其使用的各类元器件品种多；②宇航产品的小批量，决定了配套的元器件产品小批量和需求不连续；③航天型号发射后的不可维修性，决定了对元器件可靠性要求高；④航天型号研制和使用的周期较长，决定了航天元器件要具有长的生产和使用寿命以及稳定持续的供货能力；⑤航天型号工作环境复杂，决定了元器件要在辐照、真空、高低温交变等恶劣环境下保持其性能的稳定性等。

对比当今元器件市场呈现出的更新速度快、生产规模大、寿命周期短等特点，航天元器件在一些方面已经偏离了元器件市场发展的主流趋势，这使得航天元器件的发展必然会面临很多困难。

国外航天元器件在很多方面领先于我国，其发展历程中有很多值得我们学习和借鉴的地方。

1国外航天元器件的发展现状
1.1美国航天元器件发展现状
美国的元器件工业基础雄厚，技术先进。

尽
管国际元器件技术市场没有被美国公司垄断，但在几乎所有重要的元器件技术领域，美国公司都处于或接近技术的最前沿[1]。

在早期，美国元器件的技术进步几乎都是首先从军用项目的研发成功开始的，当时的军用元器件市场在整个元器件市场中占有较大的份额，并引领着整个元器件市场的发展。

但是，伴随着电子工业的飞速发展，消费类电子产品、个人通信产品和信息技术已经成为元器件的最大需求市场，军用和航天等高可靠性元器件市场日渐缩小，所占市场份额大幅下降。

过去，军用市场约占总市场的25%[2]，而现在，航天和军用元器件市场所占的份额还不到
1%，并有继续减少的趋势。

同时，航天型号研
制和使用的周期长决定了元器件产品更新慢，这会造成技术的落后。

即使高可靠元器件产品价格是同种商业产品的10倍，也无法弥补产品更新换代速度慢造成的技术落后和市场占有率的下降[3]。

军用和航天高可靠元器件市场已经逐渐丧失了对元器件市场的影响。

在这种背景下，美国的元器件供应商已经越
来越不愿意支持一个需要单独的生产线、复杂的检测试验程序、相当高的管理费用和较低的经济效益的市场，越来越多的传统高可靠元器件供应商逐步退出了利润较低的军用和航天市场，而转向批量较大、利润较高的消费市场。

从1992年开始，至少有12家大型元器件供应商，包括摩托罗拉、英特尔等，已经退出了军用市场。

这些大供应商的积极性降低甚至退出，使得航天元器件的发展面临困境。

但由于美国元器件工业的总体水平较高，资源丰富，在元器件的可获得性和质量方面不会出现较大问题，并且美国的军用和航天元器件市场比国际军用市场大一个数量级，能够维持生产线的批量连续生产和保持合理的价格。

尽管如此，美国仍然十分注重航天等高可靠元器件的发展，制定了航天和军用元器件的发展战略，其发展目标不仅仅是保证本国需求，而且要继续保持世界领先。

在这种政策的指引下，由作为政府机构的国家航空航天局（NASA）统一领导、策划航天元器件的发展。

伴随着美国军备采购中电子产品方面的费用大幅增加，美国的高可靠元器件技术仍将获得持续高速的发展。

1.2欧洲航天元器件发展现状
欧洲宇航工业走的是区域合作的道路，由欧空局（ESA）负责组织、管理、协调和统一各成员国航天产品研制、生产、发射活动，这就使得欧洲航天项目能够充分应用各成员国的航天元器件资源，在元器件采购方面具有更大的灵活性。

同时，作为基础的元器件工业，尽管没有美国先进，但仍具有较高的研发、制造和应用水平，有众多著名的元器件设计和供应商。

据此，欧洲航天元器件在可获得性和质量方面似乎不应存在问题。

但是，据一份统计报告显示，由于高可靠元器件的市场很小，而且鉴定时间长、成本高，ESA鉴定合格产品的数量在持续减少，供应商进行鉴定的意愿在下降，元器件供应商对航天市场的退出在持续。

ESA长期空间政策委员会甚至在1995年就认识到“很可能在20年内，抗空间环境的元器件将会消失”。

在这种背景下，10年间，欧洲空间项目中使用的欧洲元器件所占份额从60%减少到30%，而主要选用美国元器件，少数采用日本元器件。

由于禁运和国际武器贸易条例的限制，使得进口元器件在可获得性和质量方面同样面临着严峻的形势。

ESA为了解决航天元器件的供应问题，发起了欧洲元器件创新计划（ECI），邀请其他欧洲国家的航天局共同参加，其目标是保证欧洲关键元器件的可获得性。

为此，ESA通过一系列措施调动供应商的积极性，使供应商确信他们能从ECI 中获利，吸引有实力的元器件供应商进入高可靠元器件市场，增加有资格的供应商数量，并计划在两年之内完成评估和质量认证工作。

同时，ESA提出要建立统一的宇航元器件研发程序，统一的宇航元器件信息数据交换系统，统一的宇航元器件可靠性系统，统一的宇航元器件应用系统和统一的宇航元器件标准化文件系统，建成一个集统筹管理、产品体系、标准体系和信息系统为一体的宇航元器件大平台，保证长期稳定的供货能力，这些工作对于改善和优化欧洲航天元器件区域市场具有重要的作用。

1.3日本航天元器件发展现状
日本电子工业的迅猛发展在很大程度上依赖于其先进的元器件技术，甚至在许多领域已经可以和美国竞争。

日本航天型号中使用的无源元器件基本上能从国内获得，同时，印制电路板和表面组装工艺保证了其电子设计的灵活性。

但是，在核心电子元器件方面仍要依赖美国。

由于工业结构的调整，日本国内元器件制造业举步维艰，航天工业对元器件制造商失去了吸引力，元器件制造业的日益萎缩导致日本宇航局（JAXA）的元器件合格产品数量急剧降低，如图1所示[4]。

从而造成想要快速扩大国内供应系统变得困难，不可避免需要从国外进口航天元器件。

而核心元器件的采购受阻严重限制了航天型号的研制和发展；严格的国外出口法规限制了进口元器件技术信息的公开，妨碍了对元器件进行充分的失效分析和实施校正措施，使得进口元器件出现质量问题的情况时有发生，严重影响了航天型号的可靠性和其开发方案。

稳定的航天元器件供应成为JAXA首要关注的对象。

据统计，日本卫星上所用元器件中，在日本国内生产的核心元器件占总费用的10％，包括高性能微处理器、存储器、
图1
JAXA 鉴定合格产品数量变化情况
FPGA 等；无源元器件占总费用30%，也主要依
靠国内生产；其余的60％是半导体器件，目前主要依靠国外进口。

为了保障空间活动的自主灵活性，JAXA 确定了宇航元器件发展的总体目标是：保障空间系统用核心元器件能够在需要时，以合理的价格及时获得，以保持日本元器件在国际上的竞争力，形成能独立掌控的空间元器件技术和开发空间元器件的能力。

为此，日本十分重视具有战略意义的核心关键元器件的自主研发，JAXA 根据本国航天应用需求，结合国际元器件的整体发展水平，从2003年开始实施核心元器件的发展计划，不间断地致力于核心元器件项目的研发工作。

第一批涉及的核心元器件产品包括：DC/DC 转换器、功率MOS 管、32位脉冲SRAM 、64位MP U 、
SOI-ASIC 、SOI-FPGA 等。

同时，日本注重国际
合作，由于与欧洲在很多方面具有共同利益，因此日本积极参与CNES （法国航天局）-DLR （德国航天局）-ESA-JAXA 合作，实现合格元器件的相互使用和定期的信息交换，以减少对美国元器件的依赖。

2国外航天元器件发展中遇到的问题
从美国、欧洲、日本航天元器件的发展现状
可以看到，国外宇航机构在航天元器件供应方面面临着日益严峻的形势，在航天元器件的可获得性和质量方面遇到很多问题。

2.1可获得性方面
2.1.1航天元器件制造商的数量在减少
由于高可靠元器件占整个市场的份额很小，同时，航天元器件的特殊要求决定了元器件制造商
在许多情况下需要单独的生产线、专门的试验和相当高的管理费用，产品认证的时间长，代价大，这些工作如果投入到大批量生产线上会产生更高的回报率。

因此，越来越多的制造商不愿意维持这些高能耗的产品，逐渐退出了高可靠元器件市场，制造商的减少从根本上导致了货源短缺。

2.1.2进口元器件采购的及时性难以保证
由于国际武器贸易条例和阶段性禁运等的影响，使得进口元器件在交货周期方面很难保证。

同时，伴随着近年来美国政府采购的迅速扩大，美国高可靠元器件的获得更加不易，这些都严重
限制了进口高可靠元器件的有效性，有时会因为采购不到需要的元器件而严重影响航天型号的研制和生产进度，造成不能按时交货，带来巨大的经济损失。

2.1.3元器件的过时淘汰给元器件采购带来了很
大的困难
在电子技术高速发展的今天，元器件的生产寿命越来越短。

大多数半导体器件的设计使用寿命是3年~10年，先进的集成电路生产工艺每12月~18月就会发生变化。

商业元器件通常只生产
2年~4年，生产工艺也只有5年~6年。

对于开
发周期相对较长，使用寿命达数十年的军用和航天系统来说，在系统使用甚至开发阶段就会遇到元器件淘汰的问题。

由于元器件淘汰使系统和设备的元器件来源缺乏，系统和设备的维护复杂，重新进行设计将带来昂贵的费用，预先库存元器件又不经济。

这些都给元器件的采购带来了很大的困难。

2.2质量方面
2.2.1供应商的频繁更换使航天元器件的质量难
以保证
市场经济条件下，企业的合并、收购与倒闭频繁发生，同时大批元器件制造商退出高可靠元器件市场，新供货的制造商有些生产线是新启动的，生产工艺尚不成熟，制造的产品缺乏一致性，在质量控制方面，还没有形成成熟的管理机制，这些都使得元器件的质量难以保证。

2.2.2无法获取充分的信息使得进口元器件的质
量难以控制
在国际武器贸易条件下资讯难以开放，各国
都对出口的高可靠元器件产品有严格的控制以防止技术信息的泄露，这使得进口元器件的供应链条较长，采购的进口元器件由于在信息的可追溯性和技术资料的完整性方面存在太多的未知因素，使得质量控制更加困难。

同时，在高利润、高效益的驱动下，由于产品信息不完整，市场上出现了很多赝品。

即使是合格产品，由于技术信息的不充分，使得许多评估无法进行，在使用中也会发生很多错误，并且在错误发生后，不能对错误进行有效的分析和纠正。

这种情况最终会影响航天型号的可靠性和开发方案。

3国外宇航界的应对策略
3.1政府的引导和支持是航天元器件发展的坚强保证
在美国，体现政府职能的是NASA，它负责统一领导、策划、组织、管理航天元器件的供应保障。

NASA十分重视航天元器件发展战略的研究，通过对航天型号未来需求、元器件发展方向和竞争对手现状等方面的研究，制定航天元器件发展战略，支持高可靠航天元器件的研发和生产，推动美国企业在世界范围内保持领先。

在欧洲，政府职能的主要体现者是ESA，由它负责航天元器件发展战略的规划和实施，ESA 十分重视航天元器件供应问题，为了充分利用各成员国间的资源和技术，避免重复劳动，降低成本，ESA积极鼓励成员间、行业间互认，并投入资金支持高可靠元器件制造商的技术研发和生产，发起ECI计划，提高航天元器件的可获得性。

在日本，体现政府职能的是JAXA，由它统一领导、策划、组织和管理航天元器件的应用和保证工作。

JAXA十分注重宇航元器件发展的研究，从1988年开始，每年组织一次有关宇航元器件发展的国际年会，到2008年已经召开了21届，并制定了日本宇航元器件的发展目标、政策和重点，以保证满足日本航天活动的需求。

通过由政府支持国内元器件生产线，使这些生产线很好的运行，保证了在全球市场的竞争力。

同时，为了适应无铅化的发展趋势，政府对元器件供应商提供财政补助，积极引导供应商进行技术创新，并下大力气组织开展了核心器件的研发工作。

在资源有限的情况下，元器件的研发经费有增无减。

通过这些措施，改善航天元器件的供应状况，逐渐摆脱受制于人的局面。

3.2加大核心关键元器件的自主研发力度是解决航天元器件供应问题的关键
较进口元器件而言，由于本国生产的元器件在技术性能、可靠性信息、成本因素、稳定供货和技术的发展与继承方面都具有先天的优势，能够支持灵活的电路设计，最大程度地保障本国的太空活动。

因此，无论是美国、欧洲还是日本，都十分注重元器件技术的自主研发。

但由于元器件涉及的学科、技术和产业领域广，国家有限的资源必须集中在重点领域。

那些对航天活动灵活性和战略性起关键作用的元器件，特别是在购买上遭受阻碍和因为出口控制而信息受限的元器件，已成为各国关注的重点。

在美国，2005年元器件项目基金的14%用于改进FPGA（现场可编程门阵列），12%用于改进存储器，8%用于先进的混合信号电路。

在欧洲，由ESA发起的ECI项目致力于在欧洲范围内解决关键元器件的供应问题，并同STM、ATMEL等公司合作开发航天关键元器件。

在日本，从2003年开始实施的核心元器件发展计划，致力于保持日本元器件在国际上的竞争力，并形成能独立掌控的航天元器件关键技术和核心能力，逐渐实现核心元器件的国内自主设计和生产，避免受制于人。

3.3开展广泛的国内和国际合作是改善航天元器件供应状况的重要途径
在航天元器件供应系统中，政府、航天用户、元器件供应商和公共机构（包括研究单位、标准化机构、检测机构、认证机构等）都发挥着各自的作用，其中政府为航天用户构建具有强大支持力度的“平台”，为此，政府需要通过产品体系建设（包括鉴定、认证等工作）、标准体系建设和信息系统建设等引导航天元器件发展的正确方向；航天用户要向政府明示航天对元器件的要求，并开展元器件的保证工作；元器件供应商要根据用户的要求，按照政府的发展政策，为航天提供需要的元器件产品；而公共机构则为政府提供咨询服务和技术支撑，并为航天用户和元器
件供应商提供第三方的检测、认证和标准化等服务。

可以看出，开展国内或区域内的合作是十分必要的。

德国航天局每年至少举办一次用户会议，每两年至少举办一次供应商参与的会议，调查用户需求，讨论国内鉴定项目以及交换元器件问题的信息。

在日本，航天用户和元器件制造产业保持着良好的关系，频繁、开放的进行信息交换，并在政府、用户、元器件供应商、标准化机构和各行业间开展广泛合作，增进彼此了解，促进技术合作。

同时，随着经济的全球化，国际间的交流与合作变得越来越密切，一个国家不可能自主研发所有需要的航天元器件，国际采购不可避免。

即使是自主研发的元器件，有时也需要同其他国家开展技术合作，实现优势互补。

德国为了寻找备用来源，减少对美国的依赖，积极参与CNES-DLR-ESA-JAXA合作，实现合格元器件的互通使用和定期的信息交换，并同中国空间技术研究院进行合作，制定了一套采购规范，委托中国空间技术研究院采购元器件。

日本为了应对可能的禁运，促进互补发展，十分注重同欧洲的合作，除了在空间项目中鼓励使用欧洲元器件、采用ESCC标准提高质量保证外，日本还将考虑将ESA的元器件需求列入发展计划中，和欧洲合作开发元器件。

目前，由JAXA开发的DC/DC转换器样品已经通过了ESA的鉴定。

3.4标准化和信息化是解决航天元器件供应问题的有效手段
国外宇航界非常重视标准化的作用，积极开展标准体系建设，并致力于元器件的鉴定和认证，建立航天元器件鉴定合格清单（QPL、QML）和元器件优选目录（PPL），这些工作能够规范航天元器件产品体系，加强元器件的选用控制，引导使用标准产品，实现产品品种的优选压缩。

而标准产品的大量使用和品种的优选压缩，不仅使得元器件的供应源众多，采购更加容易，而且能够优化供应源，提高可获得性，有利于应对产品的过时淘汰等问题。

随着品种的减少，产品用量会增加，这会降低生产和采购成本，促进航天元器件产业的发展。

同时，在国际合作与采购中，标准化发挥着重要的作用。

标准作为共同的技术语言，是开展国际交流与合作的重要前提。

同时，国外宇航界在信息化建设方面投入很大，通过建立航天元器件数据库，共享元器件产品信息、实验数据和使用信息等，能够在政府、航天用户、供应商和公共机构间搭建一个沟通交流的平台，增进彼此了解，使得元器件供应商能够了解航天用户的需求，及时掌握使用中的问题，积极改进相关技术工艺；而航天用户也能够通过信息系统了解更多的产品信息，制定相应的评估和测试方案，并将问题及时进行反馈，促进航天元器件供应状况的持续改进。

美国由政府多个部门共同支持“政府与工业界信息交换网”（GIDEP），其中包括了丰富的元器件信息，是航天用户开展元器件保证工作的重要依据。

NASA 在此基础上建立了“EEE元器件信息管理系统”（EPIMS），它是GIDEP的补充。

欧洲建立了宇航元器件信息交换系统（ESCIES），对元器件应用过程中的问题进行反馈和汇总分析，包括标准化、产品规范、评价、鉴定、采购、应用等过程的信息，并通过网络平台引导企业和用户正确和有效的选用元器件。

日本也建立了宇航元器件数据库，将供应商产品信息、失效率、筛选、降额、辐射和标准等信息在航天用户和元器件供应商间共享，并鼓励采集、分析和共享进口元器件信息。

3.5加强基础应用技术研究是推动航天元器件发展的强劲动力
为了解决航天元器件的供应问题，谋求航天元器件产业的长远发展，国外宇航界十分重视基础研究工作。

通过研究开拓新的航天元器件资源，拓展航天元器件的供应渠道，并用研究成果来支撑政府在元器件研发、新技术应用等方面的科学决策，确定未来发展的重点领域和方向。

目前，美国正在开展EEE元器件与封装（NEPP）项目的研究工作，其任务是在微电子技术的选择和应用方面给予NASA指导，改善对在太空环境下使用微电子技术时相关风险的认识，保证NASA任务的需要，其关注的领域包括FPGA、存储器、按比例缩小的CMOS工艺、面阵列封装、无铅组装等；德国正在开展评估技术的研究
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工作，希望以此为基础鉴定和规范由一些研究机构生产的高性能小批量产品，并应用在航天型号中；日本致力于开展进口元器件评估程序、
COTS 元器件评估技术、抗辐射技术、安装技术
和MEMS 工艺的研究，从拓展航天元器件供应来源和指导航天元器件选用等方面引导未来航天元器件的技术发展。

4对我国航天元器件发展的建议
目前，我国国产元器件总体水平较低，航天
用关键元器件主要依赖进口，已使用的国产元器件经常出现质量问题。

同时，随着民用消费电子市场的不断扩大，军用和航天等高可靠市场所占的份额日益缩小，而在社会主义市场经济条件下，推动元器件工业发展的主导因素已经变成了利润最大化和占领市场。

由于航天用途的高可靠元器件需要维持专门的生产线，批量小，供需不连续，认证和鉴定周期长，耗费较多资源等原因，离开军工和航天高可靠元器件市场的供应商越来越多。

这些问题给航天元器件的研制、生产、采购与管理带来了相当大的困难，直接导致了航天元器件供应状况恶化，严重影响了我国航天型号的研制与生产。

如何发展才能解决好航天元器件的供应问题，保障航天型号的配套需要，这已成为目前型号发展急需解决的问题。

国外宇航机构一方面立足于自主创新，加大核心关键元
器件的研发力度，加强国内航天元器件的基础应用研究；另一方面广泛地开展国际和国内合作，致力于多途径解决航天元器件的供应问题。

航天元器件发展是一个涉及面广、影响深远、任务艰巨的大课题，必须站在国家的角度，进行全面策划，广泛协调，这就需要政府建立一个专门的组织机构进行统一领导。

美国、欧洲和日本在国家层面都有专门的机构负责统一领导、策划、组织和管理航天元器件的发展，为航天用户提供了具有强大政府支持力的产品平台。

我国也应在国家层面建立权责明确的组织机构，研究和分析各层次各方面的需求，开展航天元器件发展战略研究，制定正确的政策，积极引导航天元器件发展和选用的方向；加大对核心关键元器件的支持力度，建立独立自主、能稳定持续地研
发、生产和供应的航天元器件产品平台，提升自主研发和制造能力，从根本上解决我国航天元器件的供应问题；推动航天元器件标准体系的建立和运行，推行满足航天需求的产品鉴定和生产方认证，建立航天元器件准入机制；积极开展国际交流与合作，建立备用货源渠道，加大技术合作力度，实现优势互补。

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3647项。

此外，《NASA 标准化文件文摘》
第五、第六册也于8月出版，至此，六册文摘全部完成。

该系列文摘是专业技术人员对标准内容研读、翻译后整理而成的，可供各级工程技术和管理人员参考使用，欢迎咨询和购买。

联系人：中国航天标准化研究所标准化总体部高燕，电话：010-
88108093。

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