航天器環(huán)境模擬試驗(yàn)的計(jì)量保障

張書(shū)鋒，季啟政，張少楠

（北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100029）

0 引言

計(jì)量保障是為保證裝備性能參數(shù)的量值準(zhǔn)確一致，實(shí)現(xiàn)測(cè)量溯源性和檢測(cè)過(guò)程受控，確保裝備始終處于良好的技術(shù)狀態(tài)，具備隨時(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的能力而進(jìn)行的一系列管理和技術(shù)活動(dòng)[1]。計(jì)量保障的質(zhì)量和效率直接影響到測(cè)試設(shè)備和裝備的質(zhì)量和使用效率。

空間環(huán)境模擬試驗(yàn)是航天器研制工作中的重要程序，目前型號(hào)試驗(yàn)主要包括真空熱試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)、磁試驗(yàn)、溫濕度試驗(yàn)等。計(jì)量保障工作關(guān)系到試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備的溯源性和測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)保證型號(hào)試驗(yàn)順利有效進(jìn)行，從而促進(jìn)航天器的研制、生產(chǎn)和經(jīng)營(yíng)發(fā)揮著重要作用。隨著航天器向長(zhǎng)壽命、多功能、高可靠方向的發(fā)展，對(duì)環(huán)境模擬試驗(yàn)的計(jì)量保障也提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

1 航天器環(huán)模試驗(yàn)的計(jì)量保障現(xiàn)狀

1.1 中國(guó)空間技術(shù)研究院有關(guān)情況

1）環(huán)境試驗(yàn)中的通用測(cè)量設(shè)備儀器基本都按期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。但專用測(cè)試設(shè)備尚有部分未經(jīng)計(jì)量校準(zhǔn)。有部分具有計(jì)量特性的儀器設(shè)備未進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

2）力學(xué)試驗(yàn)（振動(dòng)和沖擊）設(shè)備基本都按期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。

3）熱真空試驗(yàn)設(shè)備沒(méi)有相應(yīng)的校準(zhǔn)規(guī)范，沒(méi)有統(tǒng)一的工作依據(jù)。

4）專用測(cè)試設(shè)備的校準(zhǔn)規(guī)范質(zhì)量不高，無(wú)法保障整個(gè)測(cè)試設(shè)備的溯源性。

5）各廠、所的小型真空試驗(yàn)設(shè)備、熱真空試驗(yàn)設(shè)備、溫濕度試驗(yàn)箱等有相當(dāng)一部分經(jīng)過(guò)了計(jì)量機(jī)構(gòu)的驗(yàn)收測(cè)試和周期計(jì)量校準(zhǔn)，但是還有很多未經(jīng)計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試和周期計(jì)量校準(zhǔn)。

6）真空計(jì)需要定期計(jì)量校準(zhǔn)。真空計(jì)易受環(huán)境污染，穩(wěn)定性較差，不合格的概率較高，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的真空計(jì)過(guò)一段時(shí)間后其測(cè)量值可能和剛校準(zhǔn)時(shí)差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此真空計(jì)應(yīng)定期進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)，保證其測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

7）大型環(huán)境試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量保障工作不到位，特別是現(xiàn)場(chǎng)原位計(jì)量。比如大型熱真空設(shè)備中的數(shù)量龐大的熱電偶、鉑電阻和各類壓力表、壓力傳感器等常年處于計(jì)量校準(zhǔn)不到位的狀態(tài)，溯源性和測(cè)量準(zhǔn)確性無(wú)法保障。

1.2 北京東方計(jì)量測(cè)試研究所的計(jì)量保障能力

北京東方計(jì)量測(cè)試研究所的傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)是電學(xué)計(jì)量、無(wú)線電計(jì)量、長(zhǎng)度計(jì)量等。2007年中國(guó)空間技術(shù)研究院計(jì)量資源整合后，將北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的計(jì)量室合并入北京東方計(jì)量測(cè)試研究所，使后者在振動(dòng)、沖擊、真空、壓力、溫濕度等力學(xué)和熱學(xué)計(jì)量參數(shù)的能力實(shí)現(xiàn)零的突破，航天器環(huán)模試驗(yàn)的計(jì)量保障能力大大提高。

1）真空計(jì)量實(shí)驗(yàn)室是華北地區(qū)唯一一家國(guó)防工業(yè)真空計(jì)量實(shí)驗(yàn)室，承擔(dān)著航天兩大集團(tuán)、航空、中電集團(tuán)、中國(guó)科學(xué)院以及部隊(duì)下屬多家單位的真空量值傳遞。實(shí)驗(yàn)室具有兩套真空比對(duì)校準(zhǔn)系統(tǒng)和真空計(jì)電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，可校準(zhǔn)/檢測(cè)的真空范圍為105～10-4Pa，可對(duì)真空計(jì)電參數(shù)、各類真空計(jì)、各類真空規(guī)管（電離真空計(jì)、壓阻真空計(jì)、電容薄膜真空計(jì)、熱偶真空計(jì)、電阻真空計(jì)、復(fù)合真空計(jì)等）進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。

2）壓力實(shí)驗(yàn)室具有標(biāo)準(zhǔn)活塞壓力計(jì)和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)壓力計(jì)等，能校準(zhǔn)各類壓力表、壓力傳感器和壓力變送器。

3）溫濕度實(shí)驗(yàn)室配有鉑電阻溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置、一等水銀溫度計(jì)標(biāo)準(zhǔn)裝置、精密露點(diǎn)儀檢定裝置、恒溫低溫槽、濕度發(fā)生器、溫濕度標(biāo)準(zhǔn)箱、溫濕度采集系統(tǒng)等，用于溫濕度環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備、恒溫槽、各類溫度計(jì)（鉑電阻、各種型號(hào)的熱電偶、機(jī)械式溫濕度計(jì)、熱敏電阻等）、溫度傳感器、露點(diǎn)儀、濕度計(jì)、數(shù)字溫度顯示和調(diào)節(jié)儀表的檢定校準(zhǔn)。

4）振動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)室配有高、中、低頻全自動(dòng)加速度計(jì)校準(zhǔn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等儀器設(shè)備，可對(duì)沖擊、加速度計(jì)、電荷放大器、振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)適調(diào)儀等進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

5）可以進(jìn)行熱真空試驗(yàn)設(shè)備的驗(yàn)收測(cè)試，可檢項(xiàng)目包括極限真空、工作真空度、抽速、溫度上下限值、溫度場(chǎng)不均勻度、溫度場(chǎng)穩(wěn)定度、升降溫速率等，已經(jīng)為有關(guān)單位多次開(kāi)展驗(yàn)收測(cè)試和周期測(cè)試業(yè)務(wù)。

2 航天器環(huán)模試驗(yàn)的計(jì)量保障工作建議

2.1 真空環(huán)境下的溫度校準(zhǔn)技術(shù)尚需進(jìn)一步研究

為驗(yàn)證衛(wèi)星熱設(shè)計(jì)的正確性，保證衛(wèi)星在空間軌道的可靠運(yùn)行，在衛(wèi)星研制過(guò)程中必須進(jìn)行。地面模擬空間熱環(huán)境試驗(yàn)在熱真空試驗(yàn)中，相關(guān)部位的溫度是需要準(zhǔn)確測(cè)量的核心參數(shù)之一，按溫度測(cè)點(diǎn)所在位置可分為航天器溫度和試驗(yàn)設(shè)備溫度兩部分。目前這些部位的溫度測(cè)量主要采用T型銅-康銅熱電偶系統(tǒng)，以鉑電阻和熱敏電阻進(jìn)行比對(duì)。歐洲的ESTEC、INTESPACE、IABG以及日本、印度、巴西也主要采用T型熱電偶系統(tǒng)，INTESPACE還選用了K型熱電偶，ESTEC、IABG等試驗(yàn)中心還使用了鉑電阻、熱敏電阻。

為確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性和溯源性，需要定期對(duì)溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。目前，溫度校準(zhǔn)主要是在常壓下進(jìn)行。國(guó)外計(jì)量機(jī)構(gòu)如德國(guó)PTB、美國(guó)NIST等及國(guó)內(nèi)的中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、北京長(zhǎng)城計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所、北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所等都在常壓下的溫度校準(zhǔn)方面作了大量工作，取得較多成果，形成了成熟的溫度校準(zhǔn)方法。但在真空下的溫度測(cè)量與校準(zhǔn)方面，國(guó)外的計(jì)量機(jī)構(gòu)已開(kāi)展了相關(guān)的工作，國(guó)內(nèi)在這方面的研究還處在空白。真空環(huán)境對(duì)溫度傳感器的影響與大氣中不同，傳感器材料長(zhǎng)期處于真空中，由于氣體脫附及揮發(fā)物質(zhì)的損失，材料的電熱特性將會(huì)發(fā)生改變。

目前，國(guó)內(nèi)在空間熱環(huán)境模擬試驗(yàn)中，主要采用熱電偶、鉑電阻和熱敏電阻作為傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，其校準(zhǔn)、溯源均在常壓下實(shí)現(xiàn)。但在真空環(huán)境下，溫度傳感器材料特性及傳熱過(guò)程都發(fā)生變化，熱真空試驗(yàn)的溫場(chǎng)分布十分復(fù)雜。因此為保證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，空間溫度測(cè)量及校準(zhǔn)技術(shù)有待進(jìn)一步研究。中國(guó)空間技術(shù)研究院在衛(wèi)星熱真空試驗(yàn)工作中遇到諸多溫度測(cè)量相關(guān)問(wèn)題急需解決，比如發(fā)現(xiàn)多支溫度傳感器在常壓環(huán)境下測(cè)量結(jié)果接近，但在真空環(huán)境下的測(cè)量結(jié)果相差較大，嚴(yán)重影響對(duì)衛(wèi)星熱控分系統(tǒng)工作有效性的正確評(píng)價(jià)。為了更深層次地分析真空環(huán)境下的傳熱機(jī)理，解決真空環(huán)境下溫度測(cè)量的量值溯源問(wèn)題，確保真空下溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，有必要建立一套熱真空環(huán)境下的溫度校準(zhǔn)系統(tǒng)，深入研究真空環(huán)境下的溫度校準(zhǔn)技術(shù)和方法。

2.2 做好測(cè)量設(shè)備的檢定／校準(zhǔn)是計(jì)量保障工作之根本

測(cè)量設(shè)備的檢定／校準(zhǔn)是計(jì)量保證工作的基礎(chǔ)，只有檢定／校準(zhǔn)做好了，才能保證用于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)、使用時(shí)量值的準(zhǔn)確可靠。為了做好測(cè)量設(shè)備的管理，對(duì)計(jì)量工作應(yīng)提出8個(gè)100 %的控制目標(biāo)[4]：配備測(cè)量設(shè)備100 %合理；所有的測(cè)量設(shè)備要100 %建賬；所用的測(cè)量設(shè)備要100 %檢定／校準(zhǔn)；所用的測(cè)量設(shè)備100 %合格；所用的測(cè)量設(shè)備100 %有有效標(biāo)識(shí)；計(jì)量確認(rèn)活動(dòng)100 %執(zhí)行程序；執(zhí)行程序100 %有記錄；測(cè)量結(jié)果要100 %準(zhǔn)確、可靠。以上8個(gè)100 %做到了，測(cè)量設(shè)備也就受控了。

對(duì)有計(jì)量特性的專用測(cè)試設(shè)備應(yīng)編制校準(zhǔn)規(guī)范。校準(zhǔn)規(guī)范的編制應(yīng)當(dāng)以該設(shè)備的技術(shù)條件和測(cè)試方法（調(diào)試細(xì)則）為依據(jù)，參照GJB 5348—2004《國(guó)防科技工業(yè)校準(zhǔn)規(guī)范編寫(xiě)規(guī)則》進(jìn)行編寫(xiě)。校準(zhǔn)規(guī)范所使用的方法應(yīng)當(dāng)把專用測(cè)試設(shè)備的量值能溯源到國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)中。當(dāng)專用測(cè)試設(shè)備的量值無(wú)法向國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)溯源時(shí)，可采用文獻(xiàn)[4]中提到的5種校準(zhǔn)方法。

2.3 建立型號(hào)計(jì)量師系統(tǒng)是開(kāi)展計(jì)量保障工作的關(guān)鍵

傳統(tǒng)的計(jì)量工作主要是由計(jì)量人員完成計(jì)量器具的量值傳遞，這使得計(jì)量工作遠(yuǎn)離型號(hào)，型號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量得不到有效控制，無(wú)法保證量值的統(tǒng)一和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，無(wú)法確保產(chǎn)品的高質(zhì)量、高水平和高效率[2-4]。計(jì)量保障工作源于傳統(tǒng)計(jì)量，又高于傳統(tǒng)計(jì)量，它突破了傳統(tǒng)計(jì)量工作中單一的、靜止的量值傳遞，是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)的全系統(tǒng)概念，是傳統(tǒng)計(jì)量的繼承和發(fā)展。要做好型號(hào)試驗(yàn)計(jì)量保障工作，必須將計(jì)量工作貫穿于型號(hào)試驗(yàn)的全過(guò)程，要對(duì)全過(guò)程的量值、數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，隨型號(hào)工程的實(shí)施而開(kāi)始，隨型號(hào)工程的發(fā)展而發(fā)展。為了在型號(hào)工程中有效地開(kāi)展計(jì)量保障工作，應(yīng)在型號(hào)工程中建立型號(hào)計(jì)量師系統(tǒng)，實(shí)行型號(hào)計(jì)量師制度，把計(jì)量資源作為型號(hào)研制資源，使其成為技術(shù)支持和質(zhì)量保證的組成部分，通過(guò)計(jì)量與型號(hào)的結(jié)合，確保型號(hào)工程的研制質(zhì)量。

2.4 進(jìn)一步加強(qiáng)計(jì)量機(jī)構(gòu)的計(jì)量能力建設(shè)

為了給型號(hào)環(huán)模試驗(yàn)提供更好的計(jì)量保障，北京東方計(jì)量測(cè)試研究所作為航天專業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所，在現(xiàn)有的計(jì)量參數(shù)和能力的基礎(chǔ)上，將進(jìn)一步增擴(kuò)建一批如聲學(xué)參數(shù)、扭矩、扭矩扳手、力值、質(zhì)量、轉(zhuǎn)速、流量、漏孔、非接觸式測(cè)溫、高溫和低溫等計(jì)量校準(zhǔn)能力，以提高計(jì)量校準(zhǔn)的工作效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了航天器環(huán)境模擬試驗(yàn)的計(jì)量保障現(xiàn)狀以及存在的問(wèn)題，并探討了計(jì)量保障的發(fā)展趨勢(shì)，提出了加強(qiáng)真空環(huán)境下的溫度校準(zhǔn)技術(shù)研究、做好測(cè)量設(shè)備的檢定/校準(zhǔn)、建立型號(hào)計(jì)量師系統(tǒng)、加強(qiáng)計(jì)量機(jī)構(gòu)的計(jì)量能力建設(shè)等建議。

（References）

[1]GJB 5109—2004, 裝備計(jì)量保障通用要求——檢測(cè)和校準(zhǔn)[S]

[2]邢馨婷, 宋濤, 龍祖洪, 等.計(jì)量保障在型號(hào)工程中的作用[J].計(jì)測(cè)技術(shù)，2008, 28(5): 60-62 Xing Xinting, Song Tao, Long Zuhong.et al.The effect of metrology guarantee in the model project[J].Metrology & Measurement Technology, 2008, 28(5):60-62

[3]趙瑞賢, 孟曉風(fēng), 王國(guó)華.計(jì)量保障現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].測(cè)控技術(shù)2006, 25(4): 1-4 Zhao Ruixian, Meng Xiaofeng, Wang Guohua.Status and tendency of metrology support[J].Measurement &Control Technology, 2006, 25(4): 1-4

[4]鄭錦秀.做好型號(hào)計(jì)量保障工作的探討[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2009, 29(3): 45Zheng Jinxiu.Discussion on model metrology support[J].Metrology & Control Technology, 2009,29(3): 45