連接科學團隊與工程技術團隊，載荷PI制能否助力空間科學重大突破？

空間科學任務有哪些特點？有效載荷在其中扮演了怎樣的角色？如何推進空間科學任務的工程質量管理？兼具科學知識和工程技術經驗的載荷科學家（principal investigator，PI）能否起到科學家與工程技術人員之間的橋梁紐帶作用？李超和韋飛對中國空間科學任務有效載荷的管理進行了初步的分析和探討。

2011年1月，空間科學戰略性先導科技專項（簡稱「空間科學先導專項」）正式立項實施，總體目標是：在最具優勢和最具重大科學發現潛力的科學熱點領域，通過實施自主和國際合作科學衛星計劃，實現科學上的重大創新突破，帶動相關高技術的跨越式發展，發揮空間科學在國家發展中的重要戰略作用。

空間科學任務具有很強的科學探索性，核心特點是科學驅動，在實現科學目標的同時，需要在探測原理、方法和技術上有重大的創新和突破。

有效載荷是指太空飛行器上裝載的為直接實現太空飛行器在軌運行要完成的特定任務的儀器、設備、人員、試驗生物及試件等。有效載荷管理工作是空間科學任務管理的重中之重，一方面要保證載荷的先進性；另一方面要保證載荷的工程化和科學產出的最大化。

科學任務及有效載荷的特殊性

空間科學任務具有很強的探索性

空間科學任務是用具有確定性能的儀器探知未知世界，具有很強的探索性，其核心特點是科學驅動。

有些空間科學任務探索的是諾貝爾獎級別的科學問題，例如暗物質衛星的重大發現，顯示中國科學家已經從自然科學前沿重大發現和理論的學習者、繼承者、圍觀者，逐漸走到了舞臺中央。

暗物質衛星「悟空」號（來源: 科技日報）

空間科學實驗與探索「只有第一、沒有第二」，每項任務都肩負著新的科學使命，或提出新的科學概念，或面對新的空間環境，或突破新的載荷技術，或滿足新的工程要求，這些「新」，是空間科學先導專項必須正面的問題，也是衛星工程必須重點關注和管理的質量要素和風險。

科學任務有效載荷的重要性和特殊性

有效載荷是科學衛星獲取科學數據和實現科學目標的「尖兵」，是科學衛星工程中最關鍵的組成部分，其配置、設計、研製是確保實現科學目標的關鍵。

科學任務有效載荷的特殊使命決定了其具有很強的探索性和開創性，主要特點包括：1）科學目標和探測對象的探索性強；2）指標的前沿性強；3）技術難度極大，設計極端複雜；4）精度要求極高；5）需緊密圍繞探測目標的系統優化設計；6）工作環境的不確定性大。

載荷研製單位及隊伍的現狀

由於中國空間科學衛星任務起步晚，現階段，提出、參與空間科學任務的單位和人員許多是第一次參與航天工程項目。

這意味著加入空間科學任務實施過程的力量中包括了大量具有豐富科學思想、極高科學素養但航天工程經驗不足的人員。

而研製過程中不確定因素多，技術狀態變化多，必然會遇到難以預計的困難和問題，對風險管控要求高。

有效載荷管理實踐

空間科學衛星工程採用「首席科學家+工程兩總」的管理體制，在落實以科學目標為牽引、確保工程任務順利實施方面積累了寶貴經驗。空間科學先導專項二期實施過程中，採取了一系列創新措施。

建立載荷科學家制管理模式，促進科學與技術的有機融合

（1）採用載荷科學家制管理模式，激勵科學創新

通過借鑑國外經驗，空間科學任務科學載荷採用了科學家（principal investigator，PI）制管理模式。

載荷PI是既懂科學又有一定工程技術經驗的科學家，其角色相當於項目首席科學家助理，起到科學家與工程技術人員之間的橋梁紐帶作用，在有效載荷設計方面實現科學家的思想，並協調載荷團隊開展產品研製。

載荷PI人選一般在工程立項論證階段由擬任首席科學家指定，每臺有效載荷可設置一名載荷PI。採用載荷PI制管理模式可激勵科學創新，提高有效載荷研製效率，促進科學與技術的融合。

（2）載荷PI 深度參與載荷設計和研製，確保科學與工程的有機融合

載荷PI與載荷研製單位共同開展有效載荷系統頂層設計，深度參與載荷研製、測試及在軌運行過程。其職責重點在方案設計階段和在軌運行階段。

（3）建立科學家團隊與工程技術團隊的溝通機制，促進科學與技術的有機融合

科學家總有新創意，工程技術人員卻追求穩定和低風險。為了相互理解對方的語言，及時、準確地識別和化解風險，空間科學先導專項搭建了科學團隊與工程技術團隊溝通交流的平臺。

通過科學家與工程技術人員之間的反覆溝通迭代，確保需求的準確性，以及設計、試驗、生產和標定的正確性，將科學目標快速滲透到研製的各個層面和環節，實現科學與技術的有機融合。

高度重視載荷關鍵技術攻關，降低技術風險

習近平總書記強調「關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的。只有把關鍵核心技術掌握在自己手中，才能從根本上保障國家經濟安全、國防安全和其他安全」。

從預先研究、背景型號研究、立項綜合論證至方案設計階段，關鍵技術攻關始終是空間科學衛星工程研製中的重要任務；工程研製階段仍需注意通過充分的地面試驗來降低關鍵技術風險。

高度重視載荷標定和試驗驗證，確保結果可靠

空間科學任務高度重視有效載荷的標定工作，並充分做好各項地面試驗驗證。

例如，建成了國內首個達到國際水準的X射線標定束線的HXMT衛星，在發射前開展了長達4~6個月的標定試驗，取得了載荷能量響應函數、探測效率、溫度響應等核心技術數據，與衛星在軌實測數據進行比對分析，檢測確定產品的基本狀態，確保瞭望遠鏡觀測結果的正確性、有效性和適用性。

HXMT衛星發射現場圖片（來源：Insight-HXMT）

以單位載荷研製為抓手，全面推進工程質量管理

通過推動質量管理體系建設，堅持常態化培訓，開展專項質量檢查和重大風險獨立評估等，確保全過程質量可控，提升全員質量意識，確保不帶問題轉階段，有效降低研製風險。

（1）推動質量管理體系建設，確保全過程質量可控

空間科學先導專項探索並形成了獨具特色的質量管理模式，制定了《空間科學衛星工程質量管理總要求》等系列頂層管理文件，建立了專項的質量管理體系和產品保證體系。通過有效的制度建立、體系管理和持續改進，確保了研製全過程質量可控。

（2）開展常態化培訓，提升全員質量意識

在工程各階段，專項總體邀請國內外航天領域專家就工程研製工作重點、風險點及應重點關注的事項等進行培訓，為保證隊伍技能提升和知識儲備提供必要的保障。另外，各級任務承擔單位也開展了形式多樣的分層分類的培訓措施。通過工程實戰與培訓提高相結合，努力打造一支「嚴慎細實」敢打硬仗的航天隊伍。

（3）開展專項質量檢查和重大風險獨立評估，降低研製風險

在各衛星工程重要裡程碑節點前，專項總體充分調研，組織國內外相關領域專家開展專項質量檢查，確保有效載荷和衛星不帶問題轉階段和出廠、不帶疑點上天。同時，專項總體策劃組織了重大風險項目獨立評估工作，組織質量與可靠性、軟體工程化等相關領域專家對量子衛星和暗物質衛星初樣研製階段重大風險項目開展獨立評估。

提升管理等級，工程、衛星和有效載荷三級總體共保載荷質量、進度和成本

（1）設立有效載荷總體，統籌管理載荷分系統

選擇航天經驗相對豐富的科學院所作為有效載荷總體，負責有效載荷分系統的質量、進度和成本的管理工作。載荷總體在載荷層面貫徹航天產品研製質量要求和技術規範，按照產品研製技術流程協調管理和資源統籌。

（2）工程、衛星和有效載荷三級總體共保質量和進度

工程總體協同衛星系統總體，制定有效載荷分系統年度考核節點，推行對有效載荷分系統的項目管理準則；加大對有效載荷分系統各階段研製工作的管理力度，實時掌握研製進展。進入正樣研製階段，要求對質量和進度管理細化到周報、「短線」日報，及時比對每天的工作完成情況。

關於載荷PI制及數據PI制的思考

鑑於載荷PI在工程各階段發揮了重要作用，可考慮在後續衛星任務中全面推廣，並進一步規範載荷PI制。目前的做法是在工程立項論證階段由擬任首席科學家指定，在工程立項後由首席科學家所在單位任命。是否需要上升到工程總體統一任命，尚無定論，需要在衛星任務實踐中探索。

空間科學先導專項二期ASO-S衛星任務對有效載荷級數據PI制管理模式進行了有益嘗試。但數據PI職責如何定位才能更有益於發揮作用、更有益於成果產出最大化，與載荷PI的責權如何劃分，是否具有推廣應用的普適性等，仍需在實踐中探索。

先進天基太陽天文臺（ASO-S）模擬圖（來源：國家空間科學中心）

致謝：在撰寫過程中得到了暗物質衛星工程總師助理、中國科學院國家空間科學中心陳曉敏研究員的指導。本文主要觀點在空間科學任務中經過空間科學先導專項參研參試和管理人員的實踐，已得到有效應用。

本文作者：李超，韋飛

作者簡介：李超，中國科學院國家空間科學中心，副研究員，研究方向為空間科學戰略性先導科技專項及科學衛星工程總體管理。

論文全文發表於《科技導報》第15期

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