航天任务的系统概念设计、评价及案例

我国要建设成为航天强国，会面临一系列的挑战，其中之一是型号的创新。型号创新的首要问题就是系统概念的创新。如何开发和评价、筛选新的系统概念就是一项挑战。历史上系统概念设计的两个典型例子是，我国的载人航天任务：飞船和航天飞机方案的选择；美国的阿波罗首次登月任务：轨道和运载火箭的选择。型号开发的最初阶段要开展的系统概念设计对整个型号的研发成本、工期乃至成败都起着关键性的作用。系统概念创新需要一套有效的系统概念的设计方法和评价、筛选方法予以保证。本书的写作意图就是为航天型号提供一套比较全面的、实用的系统概念设计方法和评价、筛选方法。

本书包括三部分内容。第1部分为第1章～第4章，主要介绍与本书内容相关的基本概念和方法；第2部分为第5章～第12章，分别介绍5种通用的用于航天型号系统概念评价的方法（AHP方法、QFD方法、KT方法、Pugh方法、TOPSIS方法），3种专门为航天型号研发的设计和评价方法（RMA方法、ROSETTA方法、MATE方法），每种方法都包括方法介绍、10个左右的航天应用案例和一种航天应用案例研究；第3部分为第13章～第15章，是对前述8种方法的综合评价和比较。

虽然第2部分的8种方法自成体系，可以单独阅读，但是建议读者首先浏览第1部分的内容，透彻理解基本概念，对这些方法的基本情况有一个初步了解。第3部分的内容可能会为读者选择这些方法提供一定的帮助。

本书作者在编著本书过程中努力体现以下几个特点：

第一，内容的针对性，即本书聚焦于航天的任务概念。

第二，方法的全面性，本书既包括传统的5种通用方法，也包括比较先进的3种航天专用的方法, 还介绍了将多种方法综合使用的两个案例。

第三，内容的实用性，每一种方法不仅介绍了若干个在航天领域的应用案例，而且配备了航天应用案例研究。

本书的读者对象主要是航天型号的型号总体、分系统总体的设计人员和其他方案选择人员，其次是其他领域大型复杂系统的系统概念设计人员和方案选择人员。本书的系统概念评价方法也可用于对技术的评价，所以本书对科技规划部门的管理人员也有参考价值。

作者衷心感谢中国航天系统科学与工程研究院的领导对编写本书的关心与支持，以及本书的责任编辑张丹丹与她的同事们的辛勤劳动。 

作者许胜

本书包括三部分内容。第1部分为第1章～第4章，主要介绍与本书内容相关的基本概念和方法；第2部分为第5章～第12章，分别介绍5种通用的用于航天型号系统概念评价的方法（AHP方法、QFD方法、K-T方法、Pugh方法、TOPSIS方法），3种专门为航天型号研发的设计和评价方法（RMA方法、ROSETTA方法、MATE方法），每种方法都包括方法介绍、10个左右的航天应用案例和一种航天应用案例研究；第3部分为第13章～第15章，是对前述8种方法的综合评价和比较。

 许胜，原710所副所长。曾获国家星火奖三等奖一项，七机部一等奖1项，二、三等奖3项，获国家人事部颁发的“有突出贡献中青年专家”称号，获航天工业总公司颁发的“航天系统有突出贡献专家”称号。

第1章航天任务的系统概念导论1

1.1系统概念1

1.2系统概念举例2

1.3系统概念与体系结构的关系3

参考文献4
第2章系统概念研究的重要性5

2.1概念设计对项目生命周期成本的重要性5

2.2增加研发前期阶段投入的重要性5

2.3增加系统概念预选方案数量的重要性6

2.4系统概念研究的先进方法可能给传统的设计带来明显的改进7

参考文献9
第3章概念设计与评价方法10

3.1概念设计与评价方法的选择原则10

3.2概念设计与评价方法一览表10

3.3概念设计与评价方法的应用范围11

3.4对各种方法主要应用领域的分析12

参考文献14
第4章系统概念生成的方法15

4.1形态矩阵法15

4.2文献调研法19

4.3权衡树法19

参考文献22
第5章AHP方法23

5.1AHP方法介绍23

5.2航天应用案例（14个）32

5.3航天应用案例研究：探月着陆和返回的推进系统权衡研究34

5.3.1权衡过程35

5.3.2对14个备选设计方案进行权衡分析39

参考文献40
第6章QFD方法41

6.1QFD方法介绍41

6.2航天应用案例（8个）44

6.3航天应用案例研究：行星水循环系统权衡研究46

参考文献51
第7章KT方法52

7.1KT方法介绍52

7.2航天应用案例（9个）54

7.3航天应用案例研究：NASA外行星探索计划中遮光板的技术成熟验证
方案研究56

参考文献60
第8章普氏矩阵法（Pugh方法）61

8.1普氏矩阵法介绍61

8.2航天应用案例（9个）65

8.3航天应用案例研究：月球提取推进剂的方案研究67

参考文献70
第9章TOPSIS方法71

9.1TOPSIS方法介绍71

9.2航天应用案例（10个）76

9.3航天应用案例研究：载人空间飞行任务仿真器方案的排序78

参考文献83
第10章RMA方法（NASA/JPL）84

10.1RMA方法介绍84

10.2RMA的应用情况简介（据称有超过200个应用）85

10.3RMA方法的实施过程85

10.4RMA方法的具体分析步骤和航天应用案例86

10.4.1案例简介——对海王星、海卫一和柯伊伯带（KBO）等3个天体的
联合探索任务86

10.4.2步骤1：确定任务的科学目标及对任务的技术需求87

10.4.3步骤2：形成体系结构选项88

10.4.4步骤3：确定体系结构选项的关键元素和参数90

10.4.5步骤4：估计体系结构选项的风险94

10.4.6步骤5：估计成本96

10.4.7步骤6：估计科学价值97

10.4.8步骤7：集成评价98

10.4.9对该应用案例研究结果的小结100

参考文献102
第11章ROSETTA方法（美国乔治亚理工学院）103

11.1ROSETTA方法介绍103

11.1.1方法分解的说明104

11.1.2ROSETTA方法小结110

11.2航天应用案例（7个）111

11.3航天应用案例研究：两级入轨可重用运载火箭114

11.4对ROSETTA方法的讨论120

参考文献122
第12章MATE方法（美国麻省理工学院）123

12.1MATE方法介绍123

12.2术语的解释125

12.3MATE方法的工作步骤128

12.3.1确定决策者、任务概念和用户要求129

12.3.2定义系统的属性129

12.3.3定义设计向量和形成预选的设计方案130

12.3.4获得单属性效用函数及多属性效用函数的方法132

12.3.5建立系统模型的方法135

12.3.6多属性权衡空间的探索138

12.4权衡空间探索的多方面的应用价值139

12.5MATE的权衡结果与航天任务实际设计结果的比较145

12.6航天应用案例（9个）147

12.7航天应用案例研究：XTOS对地观测卫星148

参考文献158
第13章多种方法的综合应用159

13.1AHP QFD Pugh应用于大推力发动机159

13.2AHP QFD Pugh TOPSIS应用于金星探索169

参考文献180
第14章关于概念评价方法选择的讨论181

14.1NASA的独立验证和确认机构（IVV）的看法181

14.2美国麻省理工学院的系统工程先进研究计划机构的看法182

14.3小结183

参考文献184
第15章航天任务的系统概念设计与评价方法在方法学方面的比较185

15.1概念评价方法在方法学方面比较的概要情况185

15.2AHP方法与QFD方法的比较186

15.3QFD方法、KT方法和普氏矩阵法的比较187

15.4TOPSIS方法与其他4种传统方法的比较188

15.5RMA方法、ROSETTA方法和MATE方法的比较188