大型載人航天器試驗覆蓋性分析方法

劉 敏，楊 宏

（中國空間技術研究院 北京空間飛行器總體設計部，北京100094）

0 引言

試驗覆蓋性，即研制合同、研制總要求、航天器設計和建造規(guī)范以及設計報告明確規(guī)定的技術指標及產(chǎn)品設計確定需試驗的項目在各級試驗過程中所達到的覆蓋程度。試驗項目，即研制合同、研制總要求、航天器設計和建造規(guī)范以及設計報告明確規(guī)定的技術指標及產(chǎn)品設計確定需測試的參數(shù)在本級項目中能直接獲取數(shù)據(jù)的項目，包括力學、熱學或者電性能有關參數(shù)的試驗項目。

為確保航天器飛行任務的成功，通常要求航天器的全部功能、性能均要在地面得到充分有效的試驗驗證，對于無法通過物理試驗驗證的項目，則需通過分析或仿真的手段證明其設計滿足各項指標要求。對于大型載人航天器而言，地面試驗項目的規(guī)劃來源于對各項技術要求的分析結果，如何確保試驗規(guī)劃的全面性和有效性，對試驗覆蓋性分析方法提出了極高要求[1-2]。

隨著工程規(guī)模擴大及研制難度的大幅提高，工程總體對大型載人航天器系統(tǒng)的功能要求和指標要求也更為復雜及多樣化。為確保工程總體各項功能要求的準確實現(xiàn)，必須開展技術要求→設計→試驗的覆蓋性分析，即鑒于大型載人航天器系統(tǒng)的設計必須通過與地面物理試驗或數(shù)字仿真相結合的方式進行驗證，覆蓋性分析結果將從源頭確保驗證的全面性和符合性。

本文提出的試驗覆蓋性分析方法主要針對大型載人航天器方案設計、初樣設計及正樣設計階段的地面驗證工作；其他航天器亦可根據(jù)其設計特點，在試驗覆蓋性分析及試驗規(guī)劃制定時加以借鑒。

1 試驗覆蓋性分析的目的和一般要求

1.1 試驗覆蓋性分析的目的

1）確定航天器各研制階段的試驗項目規(guī)劃；

2）確保航天器的所有設計方案均有相應的試驗項目覆蓋；

3）確保航天器試驗項目的充分性、合理性和可行性；

4）通過確認的試驗項目驗證，為改進設計提供依據(jù)。

1.2 多維度多層次試驗覆蓋性分析的一般要求

1）在航天器方案設計、初樣設計和正樣設計各階段分別對航天器技術要求和設計結果等逐項進行驗證需求分析，確定地面驗證試驗項目，提出各階段試驗項目規(guī)劃[2]；

2）驗證試驗項目一般采用的手段和方法有全物理試驗、半物理試驗和數(shù)學仿真分析，AIT階段的檢測檢查也可以驗證部分性能指標；

3）關鍵技術指標、關鍵功能性能等驗證需求須制定專項驗證試驗，以保證驗證結果的有效性；

4）驗證試驗項目應能充分驗證或考核航天器的功能、性能、技術指標等全部驗證需求；

5）相互關聯(lián)的驗證需求應盡量采用系統(tǒng)綜合手段進行系統(tǒng)性的驗證；

6）每一項要求應規(guī)劃至少2種試驗項目來相互印證試驗的正確性和有效性，確保驗證充分。

2 試驗覆蓋性分析方法對比

2.1 傳統(tǒng)和多維度多層次試驗覆蓋性分析方法的差異性

傳統(tǒng)的系統(tǒng)級試驗覆蓋性分析方法（基本流程如圖1所示）通常是針對技術要求、功能要求的某一具體條目進行分析，得出對應的試驗項目，適用于執(zhí)行較短飛行任務的單一飛行器，但無法滿足多構型多系統(tǒng)的復雜大型載人航天器系統(tǒng)；且傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法的分析顆粒度過于粗放，不能確保每條技術要求都被分解落實到位，也無法避免因為覆蓋性分析不全面而帶來的研制風險。

圖1 傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法基本流程Fig.1 Basic flow chart of traditional test coverage analysis

針對傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法的不足，本文提出一種多維度多層次的試驗覆蓋性分析方法，重點進行了以下改進：

1）對各項要求對應的條目逐級分解至最小單元，即分解至單一的功能要求和指標要求；

2）針對每項設計至少規(guī)劃2項驗證項目，確保試驗項目數(shù)據(jù)可相互印證。

為提高覆蓋性分析工作的效率，采用軟件手段實現(xiàn)要求、設計和試驗的一一關聯(lián)，以確保分析工作全面、不漏項。改進后的試驗覆蓋性分析方法基本流程如圖2所示，其具體分析步驟包括：

圖2 改進后的試驗覆蓋性分析方法基本流程Fig.2 Basic flow chart of improved test coverage analysis method

1）對各項要求對應的條目逐級分解至最小單元；

2）確認針對每項具體要求已開展詳細設計，并摘錄設計要點；

3）針對設計要點規(guī)劃驗證試驗項目，且確保針對每項設計規(guī)劃的驗證項目不少于2項，以保證試驗項目數(shù)據(jù)可相互印證；

4）明確規(guī)劃試驗項目可驗證的指標或者功能等；

5）利用軟件分析工具，形成要求→設計→試驗間的關聯(lián)關系；

6）形成試驗覆蓋性分析表格；

7）輸出試驗規(guī)劃。

每個方面的試驗項目確定后，均對其進行匯總形成表格。試驗項目匯總表以試驗項目為序，對項目的基本方案、主要地面設備、主要參試設備狀態(tài)以及所驗證的功能、指標進行概括。

系統(tǒng)級試驗項目確定后要嚴格進行狀態(tài)控制，對系統(tǒng)、分系統(tǒng)提出需要取消的試驗項目，必須完成影響性分析報告并提交研究室審查或評審，審查通過后再提請項目辦進行審查，全部審查通過后才能確認取消。

2.2 具體示例

針對2.1節(jié)所述的差異性，以“導航制導與控制要求”中的“飛行模式要求”為例，說明傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法和多維度多層次試驗覆蓋性分析方法的差異性。

傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法流程如圖3所示：從飛行模式的總要求出發(fā)，開展方案設計，策劃GNC分系統(tǒng)級的桌面聯(lián)合試驗，對“飛行模式要求”的各項具體要求進行驗證。

圖3 傳統(tǒng)試驗覆蓋性分析方法流程Fig.3 Flow of traditional test coverage analysis method

多維度多層次試驗覆蓋性分析方法流程如圖4所示：首先對“飛行模式要求”進行細分，將總要求拆分為若干條分項要求；然后針對每項具體要求開展詳細設計，并摘錄設計要點；再針對設計要點，結合可靠性要求等特性要求、任務階段的驗證需求，得出相應的試驗項目。

圖4 多維度多層次試驗覆蓋性分析方法流程Fig.4 Flow chart of multi-dimensional and multi-level test coverage analysismethod

對比圖3和圖4可以看出，采用多維度多層次試驗覆蓋性分析方法，對技術要求的分解顆粒度更細，開展的方案設計更具有針對性，并且可以針對每項設計要點規(guī)劃2個以上試驗項目，確保對技術要求的全面覆蓋；且由于規(guī)劃的試驗項目兼顧了可靠性、安全性等特性驗證要求或者動態(tài)飛行過程的驗證要求，規(guī)劃的試驗項目可相互驗證，可確保試驗結果的有效性。

此外，地面驗證試驗不僅應覆蓋系統(tǒng)級→分系統(tǒng)級→單機級的縱向層級，還應考慮從分系統(tǒng)SA到分系統(tǒng)SB的橫向關聯(lián)，因為當試驗覆蓋性分析不全面時，隸屬于分系統(tǒng)SA的某臺設備故障將會導致系統(tǒng)功能的失效。以配電分系統(tǒng)的某臺設備DA故障為例，若航天器發(fā)射階段由于設備DA無法適應上升段的力學環(huán)境而出現(xiàn)故障，將導致設備DA無法給熱控分系統(tǒng)的外回路設備DB供電，使得外回路功能喪失，進而造成載人航天器主動流體回路控溫功能喪失；而依靠主動流體回路進行主動控溫的設備DC（供電分系統(tǒng)）和DD（推進分系統(tǒng)）則會由于熱控故障出現(xiàn)功能失效或性能下降，進而影響系統(tǒng)任務的成敗。因此，在進行地面試驗驗證覆蓋性分析時，必須通過多維度多層次的試驗覆蓋性分析方法識別出不同分系統(tǒng)間的橫向關聯(lián)，并開展充分的試驗驗證，以避免此類失效模式發(fā)生。

3 試驗覆蓋性分析的范圍

3.1 方案設計階段

方案設計階段一般對航天器設計方案可行性進行驗證，驗證需求主要包括決定型號任務成敗的關鍵單機、關鍵技術及所用新技術、新設計等[3]。該階段的分析維度、層級以及相互間關聯(lián)關系如圖5所示：開展系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級及單機級的試驗覆蓋性分析工作，技術要求自上而下提出，試驗覆蓋性分析亦自上而下開展，再通過關鍵單機指標滿足情況來考查分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級指標的滿足情況。

圖5 方案設計階段試驗覆蓋性分析范圍Fig.5 Scope of test coverage analysis in the preliminary design phase

方案設計階段通常開展關鍵技術或新技術攻關，并投產(chǎn)原理樣機或工程樣機對關鍵產(chǎn)品功能進行驗證，經(jīng)過覆蓋性分析可得出方案設計階段的試驗規(guī)劃項目，此階段通常通過仿真分析初步驗證各級設計方案。

方案設計階段系統(tǒng)級的試驗驗證需求主要包括：

1）航天器整體、局部的強度和剛度以及結構設計裕度；

2）各密封環(huán)節(jié)漏率指標分配合理性；

3）控制精度、測量精度、推進劑消耗量測算；

4）航天器主動和被動控溫設計，飛行全階段的溫度場和流場分布；

5）控制系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)方案設計；

6）復雜和重要指令、遙測和通信接口匹配性；

7）具備返回功能航天器的氣動、防熱、返回控制設計方案；

8）具備地外天體表面著陸功能航天器的控制、巡視、熱控、返回設計方案；

9）重要的醫(yī)學指標和復雜操作的工效學設計；

10）應用載荷復雜的機、電、熱接口設計；

11）運載系統(tǒng)的動/靜態(tài)包絡、力學環(huán)境、入軌精度；

12）測控通信系統(tǒng)的測定軌精度、測控覆蓋率。

3.2 初樣設計階段

初樣設計階段需對航天器的技術要求和設計結果進行全方位驗證，驗證需求包括對各級技術要求、大系統(tǒng)間接口要求、建造規(guī)范明確規(guī)定的任務要求、技術指標等以及各項功能性能、故障模式與對策、可靠性、安全性、測試性、維修性等[3-4]。該階段的分析維度、層級及相互間關聯(lián)關系如圖6所示：任務需求的分析層級可參見方案設計階段，通過系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和單機級3個層次分別開展覆蓋性分析工作；任務需求和特性分析為對航天器靜態(tài)功能的分析；工作模式和任務階段則從任務的動態(tài)過程開展分析工作，而針對任務動態(tài)過程的分析工作又和靜態(tài)功能分析工作相輔相成，即針對任務階段中的每個動態(tài)事件都有對應的靜態(tài)功能要求（指標）的驗證需求。

圖6 初樣設計階段試驗覆蓋性分析范圍Fig.6 Scope of test coverage analysis in the critical design phase

3.2.1任務要求（系統(tǒng)技術要求）

分析任務研制總要求中所有的任務要求、技術指標和技術要求，對每個分項要求均進行深入的驗證需求分析。

3.2.2 航天器整艙（器）功能要求

分析航天器系統(tǒng)、分系統(tǒng)和關鍵單機、重要單機的功能性能要求和初樣詳細設計結果，對每項設計結果均進行深入的驗證需求分析，驗證的主要內(nèi)容包括：

1）構型和布局；

2）姿態(tài)和軌道控制；

3）熱管理；

4）返回與著陸（涉及返回式航天器，如載人飛船）；

5）能源管理；

6）信息管理；

7）載人環(huán)境控制；

8）應用載荷保障。

3.2.3 大系統(tǒng)間接口要求

分析航天器與各大系統(tǒng)之間的所有機械、電、磁、測控鏈路和實施協(xié)調接口，對每個接口項目均進行深入的驗證需求分析，驗證的主要內(nèi)容包括：

1）與航天員系統(tǒng)接口；

2）與應用系統(tǒng)接口；

3）與運載火箭系統(tǒng)接口；

4）與發(fā)射場系統(tǒng)接口；

5）與測控通信系統(tǒng)接口；

6）與回收場系統(tǒng)接口；

7）與地面應用系統(tǒng)接口；

8）與其他飛行器系統(tǒng)接口。

3.2.4故障模式與對策

根據(jù)航天器失效模式與影響分析結果，對每個故障設計及處理預案的測試平臺、整器或產(chǎn)品狀態(tài)、測試方法進行驗證需求分析。

3.2.5 其他

1）環(huán)境適應性[5]

根據(jù)航天器所在的空間環(huán)境，對每項影響因素均進行驗證需求分析，驗證的主要內(nèi)容一般包括：

①真空、原子氧、空間粒子、太陽輻射、微流星體與空間碎片、地球磁場、地球引力場等近地空間環(huán)境；

②運載火箭的加速度、沖擊、噪聲、脈動等力學環(huán)境；

③地外天體引力、大氣、著陸地形地貌、塵土、高低溫等深空環(huán)境。

2）可靠性

根據(jù)航天器分配的可靠性指標，在考慮產(chǎn)品繼承性的基礎上，對分系統(tǒng)和關鍵單機的可靠性預計、評估結果進行分析，針對薄弱環(huán)節(jié)、壽命敏感等部分進行可靠性驗證需求分析。

3）安全性

根據(jù)航天器風險分析結果，針對風險項目和相應風險源進行安全性驗證需求分析。

4）維修性

根據(jù)航天器制定的在軌維修方案，對維修程序和方法的可實施性進行驗證需求分析。

5）測試性

根據(jù)航天器制定的地面和在軌測試監(jiān)控方案，針對其故障確定和隔離的過程、方法，對其準確性、及時性和有效性進行驗證需求分析。

3.3 正樣設計階段

正樣設計階需對航天器的功能性能實現(xiàn)結果進行符合性和確認性驗證，驗證需求主要包括對航天器重要設計指標、關鍵參數(shù)和項目的滿足情況，以及初樣技術狀態(tài)更改在正樣設計階段落實后的驗證情況[1,3]。因此正樣設計階段不同于初樣設計階段規(guī)劃的研制類試驗，以單機產(chǎn)品的研制周期為線開展正樣設計階段的試驗規(guī)劃。如圖7所示，正樣設計階段系統(tǒng)級的驗證需求主要包括技術狀態(tài)更改、大型試驗過程和綜合測試過程3個方面。

圖7 正樣設計階段試驗覆蓋性分析范圍Fig.7 Scope of test coverage analysis in the final design phase

3.3.1技術狀態(tài)更改

對于正樣階段航天器，分析飛行任務、飛行試驗載荷等方面導致的II類和III類技術狀態(tài)更改項目，針對更改帶來的和可能影響的技術指標、功能性能、飛行程序、技術流程等項目進行驗證需求分析。

3.3.2 大型試驗過程

根據(jù)航天器環(huán)境試驗要求，針對航天器空間環(huán)境設計相關的重要設計指標和參數(shù)進行試驗驗證需求分析，驗證的主要內(nèi)容包括：

1）通過整器振動（含微振）試驗驗證航天器結構設計方案和工藝方案的合理性與協(xié)調性，暴露材料、元器件和工藝等方面的缺陷，檢驗整器經(jīng)受驗收級振動環(huán)境的能力；

2）通過整器真空熱試驗考核在航天器在軌飛行期間熱控系統(tǒng)將器上溫度保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力，暴露設計、材料和工藝等方面的缺陷，排除設備早期故障失效；

3）通過整器電磁兼容性試驗驗證航天器自身各個分系統(tǒng)之間、與其他外部系統(tǒng)之間的電磁兼容性；

4）通過整器磁試驗驗證航天器磁特性指標滿足系統(tǒng)的要求。

3.3.3 綜合測試過程

根據(jù)航天器綜合測試技術要求，針對地面測試系統(tǒng)指令發(fā)送、遙測處理和數(shù)據(jù)判斷要求以及航天器電性能相關測試指標進行驗證需求分析，驗證的主要內(nèi)容包括：

1）航天器總裝后供配電實施結果的正確性；

2）航天器各系統(tǒng)之間、與外部系統(tǒng)之間電接口的匹配性；

3）航天器電性能相關的供配電、信息、測控、控制、測量、顯示、冗余等功能性能的設計研制正確性；

4）航天器正常和故障工作模式、正常和故障應急飛行程序的正確性；

5）航天器模飛測試可驗證的故障模式與對策有效性。

4 結束語

本文通過闡述試驗覆蓋性分析的目的、范圍和具體步驟，提出了一種多維度多層次的大型載人航天器試驗覆蓋性分析方法，其不僅可以實現(xiàn)試驗驗證項目對大型載人航天器設計的全面覆蓋，也可以對現(xiàn)階段設計工作的全面性進行復核復查。該方法適用于大型載人航天器開展試驗覆蓋性分析，也可比照用于各類不同功能和復雜程度的航天器。