航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)：第二部分 試驗基線要素

吳永亮，張小達，李 曄，向樹紅，李春楊

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航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)：第二部分 試驗基線要素

吳永亮1，張小達1，李 曄2，向樹紅2，李春楊2

（1. 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

此篇為系列文章的第二篇，介紹了航天器環(huán)境試驗要求標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容，即試驗基線要素，詳細(xì)論述了試驗原則、試驗類型、試驗?zāi)康摹⒃囼炑b配級、試驗產(chǎn)品/試驗件/試驗?zāi)Ｐ汀⒃囼烅椖?、環(huán)境條件、試驗矩陣（狹義試驗基線）、替代試驗、準(zhǔn)鑒定試驗/替代策略等內(nèi)容。

關(guān)于試驗基線剪裁將在下一篇文章中討論。

航天器；環(huán)境試驗要求；試驗基線要素

0 引言

代表試驗基線文件的試驗要求標(biāo)準(zhǔn)包含以下要素：試驗原則，試驗類型，試驗?zāi)康?，試驗裝配級，試驗產(chǎn)品/試驗件/試驗?zāi)Ｐ?，試驗項目，環(huán)境條件，試驗矩陣（狹義試驗基線），替代試驗（用一個試驗代替另一個試驗），準(zhǔn)鑒定試驗/替代策略，試驗基線剪裁。本文論述除試驗基線剪裁之外的內(nèi)容。

1 試驗原則

試驗是用來確保航天器符合有關(guān)設(shè)計、性能和產(chǎn)品保證要求的工程實踐活動。若產(chǎn)品已經(jīng)完成了研制階段的試驗驗證，即技術(shù)成熟度已經(jīng)達到飛行要求，則進入鑒定試驗、驗收試驗和準(zhǔn)鑒定試驗階段。若硬件的技術(shù)成熟度未達到飛行要求，應(yīng)考慮研制試驗驗證。不同階段和技術(shù)成熟度的試驗內(nèi)容不同。

1）研制試驗

研制試驗是探索性的，通常用于探索設(shè)計方法和解決方案，確定接口兼容性，建立有效的分析方法和假設(shè)，發(fā)現(xiàn)意想不到的響應(yīng)特性，并演示鑒定和驗收的試驗方法。由于研制試驗的目標(biāo)廣泛，有必要規(guī)定研制試驗的范圍。因此，一般不要求制定研制試驗文件。

2）鑒定/驗收試驗

對于首飛的航天器，至少需要按飛行要求生產(chǎn)

2個試驗件，其中1個做鑒定試驗不上天，另1個做驗收試驗并上天。對于后續(xù)的航天器，只需要按飛行要求生產(chǎn)1個試驗件，做驗收試驗并上天，見圖1[1]。

該試驗原則包括硬件的鑒定級試驗，用于驗證設(shè)計；隨后的驗收試驗用于篩選工藝缺陷。

圖1 鑒定/驗收試驗策略

3）準(zhǔn)鑒定試驗[2]

對于首飛的航天器，只需要按飛行要求生產(chǎn)1個試驗件，做準(zhǔn)鑒定試驗并上天。對于后續(xù)的航天器，只需要按飛行要求生產(chǎn)1個試驗件，做驗收試驗并上天。準(zhǔn)鑒定/原型鑒定試驗原則（即替代鑒定/驗收試驗策略）如圖2[1]所示。

圖2 原型鑒定試驗原則

該原則包括用于驗證的首飛硬件原型鑒定級試驗和用于篩選工藝缺陷的后續(xù)飛行硬件驗收級試驗。飛行前應(yīng)完成所有驗收試驗。少數(shù)飛行產(chǎn)品需要進行準(zhǔn)鑒定試驗。

準(zhǔn)鑒定策略一般在以下情況下使用：對于飛行器級產(chǎn)品，首發(fā)產(chǎn)品通常使用準(zhǔn)鑒定試驗策略；如果該型號的后續(xù)產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)沒有變化，則只需進行驗收試驗；如果有變化，也應(yīng)考慮使用準(zhǔn)鑒定級試驗策略。該策略適用于投產(chǎn)數(shù)量只有1個或幾個的飛行器。對于組件級產(chǎn)品，雖然在某一個型號已進行了鑒定試驗，但若該組件用在另一型號上時，則應(yīng)根據(jù)更改的程度考慮使用準(zhǔn)鑒定試驗策略。

2 試驗類型

按階段劃分航天器試驗類型如下。

1）研制試驗

在方案階段和初樣階段用工程試驗?zāi)Ｐ屯瓿傻脑囼?，驗證產(chǎn)品的設(shè)計方案是否滿足設(shè)計要求，以便在開始鑒定試驗之前采取必要的修改措施，不斷地提高產(chǎn)品的固有可靠性，提高技術(shù)成熟度。

2）鑒定試驗

在批準(zhǔn)制造之前，產(chǎn)品需進行鑒定試驗，即在規(guī)定的鑒定試驗余量以及相關(guān)環(huán)境條件下進行試驗，以證明正樣產(chǎn)品的性能滿足設(shè)計要求并有規(guī)定的設(shè)計余量的試驗。

3）驗收試驗

在完成所有鑒定試驗之后或者在完成生產(chǎn)與集成之后進行驗收試驗，即在規(guī)定的驗收試驗余量以及相關(guān)環(huán)境下進行試驗，以檢驗交付的正樣產(chǎn)品滿足飛行要求，證明飛行硬件無工藝缺陷，滿足規(guī)定的性能要求并且是可以接受交付的。

4）準(zhǔn)鑒定試驗

在正樣研制階段，對飛行產(chǎn)品按照鑒定與驗收的組合條件進行試驗，這種組合條件應(yīng)符合替代鑒定試驗的策略。準(zhǔn)鑒定試驗分為以下4種情況：適飛試驗——加嚴(yán)的驗收試驗；原型鑒定試驗——“修改的”鑒定試驗；原型飛行試驗——合并的鑒定和驗收試驗；以上試驗的組合。

5）組合試驗

根據(jù)具體型號的考慮以及研制的風(fēng)險度已經(jīng)被認(rèn)為是可接受的，則可以考慮采用不同的試驗組合。

6）出廠前和發(fā)射前的合格認(rèn)證

出廠前和發(fā)射前的合格認(rèn)證包括：出廠前和發(fā)射前的合格認(rèn)證試驗——正樣飛行器在出廠前和發(fā)射前進行飛行器級的綜合試驗（含發(fā)射系統(tǒng)）；發(fā)射前的確認(rèn)試驗——在發(fā)射基地進行，以確保硬件、軟件、人員程序和支持發(fā)射的任務(wù)接口與項目任務(wù)的準(zhǔn)備。

7）在軌兼容性校驗試驗

發(fā)射后的校驗確認(rèn)試驗——在軌進行的試驗，以驗證規(guī)范的性能、接口兼容性、校準(zhǔn)滿足任務(wù)要求的能力。

3 試驗?zāi)康?/p>

限于篇幅，給出各研制階段的試驗對象、試驗類型與試驗?zāi)康暮喴P(guān)系表，見表1。

表1 研制階段、試驗類型與試驗?zāi)康年P(guān)系表

4 試驗裝配級

試驗裝配級選擇如下：

1）組件級、分系統(tǒng)級、飛行器級。

2）組件級、飛行器級：通常，其他試驗裝配級以型號專用文件的形式規(guī)定，而不是以通用標(biāo)準(zhǔn)的形式規(guī)定。

3）部件級產(chǎn)品、元器件/零件級產(chǎn)品、材料級產(chǎn)品。

5 試驗產(chǎn)品/試驗件/試驗?zāi)Ｐ?/p>

在試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中，用于試驗考核的產(chǎn)品，在工程研制的早期，常被稱為試驗?zāi)Ｐ?；在工程研制的后期，常被稱為試驗產(chǎn)品；在試驗方的角度，常被稱為試驗件。

6 試驗項目

1）研制試驗項目

試驗項目主要包括：元器件、材料及工藝的研制試驗；部件研制試驗；組件研制試驗（如功能試驗、壽命試驗）；分系統(tǒng)研制試驗（如模態(tài)觀測研制試驗、熱平衡研制試驗）；飛行器研制試驗（如機械匹配與性能、功能研制試驗，聲和沖擊研制試驗）。

2）鑒定和驗收試驗項目

試驗項目包括：一般試驗項目（如功能試驗、性能試驗、濕度試驗、壽命試驗）；力學(xué)試驗（如物理特性測量、加速度試驗、沖擊試驗、噪聲試驗、隨機振動試驗）；熱試驗（如熱真空、熱循環(huán)、熱平衡試驗、熱真空+熱循環(huán)）；電/RF試驗（如EMC試驗、磁試驗、靜電放電試驗、微放電試驗）；專項任務(wù)試驗（如空氣熱力學(xué)試驗）；乘員任務(wù)專項試驗（如人因工程試驗）。

3）準(zhǔn)鑒定試驗項目

試驗項目包括：檢查、規(guī)范性能，檢驗壓力/泄漏（檢漏），沖擊、振動或聲、加速度，熱循環(huán)，熱平衡，熱真空，氣候等。

7 環(huán)境條件

1）環(huán)境條件定義

QJ 3135—2001《導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、運載火箭和航天器環(huán)境工程大綱》對“環(huán)境條件”定義如下：施加于產(chǎn)品，并對其設(shè)計、使用壽命或工作能力產(chǎn)生影響的環(huán)境應(yīng)力。

2）環(huán)境條件的發(fā)展過程

環(huán)境條件演化過程見圖3。

圖3 環(huán)境條件演化過程

3）環(huán)境條件要素[1-6]

環(huán)境條件要素如下：

a. 使用環(huán)境條件要素包括：已有實測數(shù)據(jù)，環(huán)境預(yù)示計算分析以及標(biāo)準(zhǔn)推薦數(shù)據(jù)。

b. 設(shè)計環(huán)境條件要素包括：設(shè)計余量，不確定余量，安全余量。

c. 試驗環(huán)境條件要素包括：試驗余量，研制試驗余量，鑒定試驗余量（P99/90），驗收試驗余量（P95/50），準(zhǔn)鑒定試驗余量。如：動力學(xué)的極限預(yù)示環(huán)境（鑒定試驗余量），動力學(xué)的最高預(yù)示環(huán)境（驗收試驗余量）。

d. 可靠性與置信度（鑒定/驗收試驗的風(fēng)險）。

e. 鑒定試驗P99/90值的風(fēng)險，意味著用90%置信度預(yù)估時，飛行次數(shù)中的99%不會被超過的環(huán)境參數(shù)值。

f. 驗收試驗P95/50值的風(fēng)險，意味著用50%置信度估計時，至少在飛行次數(shù)中的95%不會被超過的環(huán)境參數(shù)值。

g. 準(zhǔn)鑒定試驗的風(fēng)險包括鑒定余量未知，適飛試驗策略的風(fēng)險，原型飛行試驗策略的風(fēng)險，組合試驗策略的風(fēng)險等。

h. 振動、噪聲和沖擊環(huán)境的統(tǒng)計估計與標(biāo)準(zhǔn)偏差。

i. 預(yù)示環(huán)境和余量。

j. 環(huán)境設(shè)計余量包括環(huán)境統(tǒng)計估計、鑒定試驗條件、驗收試驗條件。

k. 熱學(xué)預(yù)示環(huán)境包括極限溫度、最高和最低預(yù)示溫度、熱不確定余量（熱環(huán)境設(shè)計余量）。

l. 實驗室正常環(huán)境條件：國內(nèi)對溫度要求為15～35℃，國外為23℃±10℃（13～33℃）；大氣壓為78～103 kPa；相對濕度為20%～80%。

m. 試驗條件允許偏差和測量精度應(yīng)由試驗設(shè)備性能確定。

n. 余量包括設(shè)計余量和試驗余量，其中設(shè)計余量是產(chǎn)品的功能性能余量，即設(shè)計環(huán)境條件=使用環(huán)境（如實測/已有數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)）+設(shè)計余量（如不確定余量、安全余量）；試驗余量是考核產(chǎn)品功能性能所加的量。試驗余量分為研制試驗余量、鑒定試驗余量、驗收試驗余量、準(zhǔn)鑒定試驗余量。

o. 試驗量級和持續(xù)時間是由基于產(chǎn)品暴露于環(huán)境情況而確定，同時還應(yīng)考慮設(shè)計要求。鑒定試驗量級是在驗收試驗量級及試驗持續(xù)時間上再加上典型鑒定余量。準(zhǔn)鑒定試驗量級一般應(yīng)低于鑒定級而高于驗收級，試驗時間與驗收試驗相同。

8 試驗矩陣

在標(biāo)準(zhǔn)中，試驗矩陣有時稱為試驗基線。試驗矩陣主要有鑒定試驗矩陣、驗收試驗矩陣和準(zhǔn)鑒定試驗矩陣。

試驗矩陣包含以下要素：

1）試驗產(chǎn)品裝配級——需要試驗考核的產(chǎn)品，分為系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、組件級，有時還包括部件級、元器件級、零件和材料級。

2）試驗類型——分為研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗、準(zhǔn)鑒定試驗、發(fā)射前合格認(rèn)證試驗和

其他。

3）試驗項目——分為功能試驗、動力學(xué)環(huán)境試驗、靜力學(xué)環(huán)境試驗、氣候環(huán)境試驗、空間環(huán)境試驗。

4）試驗項目的要求——試驗基線所規(guī)定要進行試驗的一些要求。

5）試驗順序——多項試驗的安排順序。

6）試驗產(chǎn)品名稱——具體被試產(chǎn)品的名稱。

7）試驗的選項——確定試驗屬于必做試驗（R）、選做試驗（ER）還是不做（—）的試驗。

8）其他說明——未盡的事項在此欄進行說明。

9 替代試驗

替代試驗指在一定的允許情況下用一個試驗代替另一個試驗。力學(xué)替代試驗：模態(tài)觀測縮比模

型，隨機振動試驗代替聲試驗。熱替代試驗：如果確定了組件對真空不敏感，則用常壓熱循環(huán)試驗代替熱真空試驗。推進裝置替代試驗：若發(fā)動機上組件不適合單獨試驗，則應(yīng)與發(fā)動機一起進行試驗。

10 準(zhǔn)鑒定試驗/替代策略

替代策略是用準(zhǔn)鑒定試驗代替鑒定試驗和驗收試驗的策略。

1）替代策略原則

由于鑒定試驗的試驗量級高、試驗時間長，從疲勞和磨損的觀點來看，經(jīng)過鑒定試驗的產(chǎn)品剩余的疲勞壽命可能變得很短，一般不再適于飛行；且對于成本日益高昂的航天器，生產(chǎn)2顆星浪費1顆，也過于奢侈?；谶@2點，用準(zhǔn)鑒定試驗代替鑒定試驗：只需要按飛行要求生產(chǎn)1個試驗件，只做1次準(zhǔn)鑒定試驗，就代替了鑒定試驗和驗收試驗2個試驗。

按照替代策略進行試驗后，用于飛行的產(chǎn)品一般來說比按照標(biāo)準(zhǔn)的驗收試驗產(chǎn)品風(fēng)險高，因為它們沒有通過對專用鑒定試驗件的試驗來證明該產(chǎn)品有多少安全余量，但這些替代策略的較高風(fēng)險可部分地靠加強研制試驗及增大安全系數(shù)等措施來降低。

2）準(zhǔn)鑒定試驗基線

ECSS-E-ST-10-03C專門制定了通用的準(zhǔn)鑒定試驗基線。

盡管GJB 1027A、MIL-HDBK-340A、MIL- STD-1540C、SMC-S-016沒有制定專門的準(zhǔn)鑒定試驗基線，但通過修改鑒定試驗基線或驗收試驗基線可得到準(zhǔn)鑒定試驗條件。

11 結(jié)束語

試驗基線是經(jīng)過批準(zhǔn)的試驗文件，規(guī)定了型號應(yīng)做的試驗以及基本要求。本文詳細(xì)論述了試驗基線主要要素，包括試驗原則、試驗類型、試驗?zāi)康?、試驗裝配級、試驗產(chǎn)品/試驗件/試驗?zāi)Ｐ?、試驗項目、環(huán)境條件、試驗矩陣（狹義試驗基線）、替代試驗、準(zhǔn)鑒定試驗/替代策略等。

試驗基線剪裁將在下篇文章中討論。

（未完待續(xù)）

（References）

[1]ECSS-E-ST-10-03C Space engineering: Testing[S], 2008

[2] MIL-STD-1540C Test requirements for launch, upper- stage, and space vehicles[S], 1994

[3] MIL-HDBK-340A Test requirements for launch, upper- stage, and space vehicles VolⅠ: Baselines[S], 1999

[4] MIL-HDBK-340A Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicles VolⅡ: Applications guidelines[S], 1999

[5] SMC-Standard SMC-S-016 Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicles[S], 2008

[6] GJB 1027A—2005 運載器、上面級和航天器試驗要求[S], 2005

（編輯：肖福根）

Spacecraft environmental test baseline and tailoring technology:Part II Elements of test baseline

Wu Yongliang1, Zhang Xiaoda1, Li Ye2, Xiang Shuhong2, Li Chunyang2

(1. China Academy of Aerospace Standardization and Product Assurance, Beijing 100071, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The spacecraft environment test requirement standard is discussed in this paper, which concerns the test baseline elements, including the test principle, the test types, the test objectives, the hardware level of assembly, the test product/articles/model, the test items, the environmental conditions, the test matrix, the replacement test, the protoqulification test/replacing strategy. The tailoring of test baseline will be covered in the next issue.

spacecrafts; environmental test requirements; elements of test baseline

V416；N65

A

1673-1379(2016)03-0235-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.002

吳永亮（1987—），男，碩士學(xué)位，從事航天總體與試驗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。E-mail: andyloveti@163.com。

2016-02-18；

2016-03-17

國家國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研課題“航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)”（編號：JSJC2013203B002）

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544