航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

劉棟梁 泉浩芳 周玉霞 王維嘉 李國(guó)強(qiáng)

（1 中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所， 北京， 100071；2 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所， 北京， 100028）

1 概述

環(huán)境是裝備在任何時(shí)間或地點(diǎn)所存在的或遇到的自然和誘發(fā)的環(huán)境因素的綜合， 環(huán)境對(duì)航天系統(tǒng)產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)可在材料、 元器件、 組件、分系統(tǒng)、 系統(tǒng)的各種裝配級(jí)別上表現(xiàn)出來(lái)。 環(huán)境適應(yīng)性指的是裝備 （產(chǎn)品） 在其壽命期內(nèi)可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實(shí)現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和 （或） 不被破壞的能力， 是裝備 （產(chǎn)品）的重要質(zhì)量特性之一。 而環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是將裝備 （產(chǎn)品） 暴露于特定的環(huán)境中， 確定環(huán)境對(duì)其影響的過程。

環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)包括自然環(huán)境試驗(yàn)、 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)和使用環(huán)境試驗(yàn)， 如圖1 所示。 其中自然環(huán)境試驗(yàn)指的是將裝備 （產(chǎn)品） 長(zhǎng)期暴露于自然環(huán)境中， 確定自然環(huán)境對(duì)其影響的試驗(yàn)； 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)按規(guī)定的環(huán)境條件和負(fù)載條件進(jìn)行的試驗(yàn)， 按其目的可分為環(huán)境適應(yīng)性研制試驗(yàn)、 環(huán)境鑒定試驗(yàn)、 環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)和環(huán)境例行試驗(yàn)； 使用環(huán)境試驗(yàn)指的是在規(guī)定的實(shí)際使用環(huán)境條件下考核評(píng)定裝備 （產(chǎn)品） 環(huán)境適應(yīng)性水平的試驗(yàn)。

圖1 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)組成

環(huán)境鑒定試驗(yàn)是為考核裝備 （產(chǎn)品） 的環(huán)境適應(yīng)性是否滿足要求， 在規(guī)定的條件下， 對(duì)規(guī)定的環(huán)境項(xiàng)目按一定的順序進(jìn)行的一系列試驗(yàn)， 是裝備 （產(chǎn)品） 定型 （鑒定） 試驗(yàn)的組成部分， 試驗(yàn)結(jié)果作為產(chǎn)品定型的依據(jù)之一。 航天系統(tǒng)試驗(yàn)鑒定及作戰(zhàn)試驗(yàn)是環(huán)境試驗(yàn)性試驗(yàn)重要的組成部分， 具有試驗(yàn)子樣極少、 試驗(yàn)成本高昂、 試驗(yàn)環(huán)境限制性強(qiáng)等特點(diǎn)， 這對(duì)航天系統(tǒng)鑒定策略和方法的構(gòu)建提出了極大挑戰(zhàn)。

當(dāng)前， 國(guó)內(nèi)外航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)已經(jīng)逐漸形成了一整套的試驗(yàn)原理、 試驗(yàn)程序、 試驗(yàn)方法。 美國(guó)、 歐洲和我國(guó)各種環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺(tái)， 體現(xiàn)了航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)規(guī)范化的必然趨勢(shì)。

2 航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)制定的重要性

2.1 航天系統(tǒng)基本屬于 “一次性產(chǎn)品”， 上天后無(wú)法維修

航天系統(tǒng)的研制和使用耗資巨大， 一般都以千萬(wàn)元計(jì)， 有的甚至高達(dá)數(shù)億、 數(shù)十億元。 不同于地面裝備具有良好的維修便利條件， 航天系統(tǒng)采辦基本屬于 “一錘子買賣”， 一旦發(fā)射上天就幾乎不可維修。 而且航天系統(tǒng)是由多個(gè)系統(tǒng)、 上萬(wàn)個(gè)零件組成的極為復(fù)雜的產(chǎn)品， 其中一個(gè)零件的故障會(huì)造成整個(gè)航天系統(tǒng)的失效。

因此， 為避免航天裝備上天后發(fā)生在軌故障， 從而造成巨大損失或任務(wù)失敗， 需要進(jìn)行充分的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證， 以保障在軌任務(wù)的成功。 此外， 盡可能在早期發(fā)現(xiàn)故障還可節(jié)約大量的項(xiàng)目壽命期成本， 如圖2 所示。

圖2 發(fā)現(xiàn)故障的階段與修復(fù)成本的對(duì)比

2.2 環(huán)境對(duì)航天系統(tǒng)的影響巨大， 認(rèn)知和適應(yīng)環(huán)境是發(fā)揮裝備效能的關(guān)鍵性因素

地球軌道空間是航天系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行和服役的主要環(huán)境， 也是發(fā)揮作戰(zhàn)效能的主戰(zhàn)場(chǎng)。 地球空間的引力場(chǎng)、 磁場(chǎng)、 大氣分子、 原子氧、 電離層和其他區(qū)域的等離子體、 輻射帶及各種高能粒子等， 都是影響航天系統(tǒng)運(yùn)行和安全工作的重要環(huán)境因素。 各種環(huán)境因素以不同的機(jī)理對(duì)航天系統(tǒng)和航天活動(dòng)產(chǎn)生不同類型的影響， 一些嚴(yán)酷的環(huán)境甚至造成材料或器件的損壞， 威脅著航天裝備的正常工作。

了解航天系統(tǒng)工作環(huán)境， 掌握環(huán)境對(duì)航天系統(tǒng)和航天活動(dòng)的影響， 是進(jìn)行航天裝備研制的基礎(chǔ)。 進(jìn)行航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是航天系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行服役和航天活動(dòng)能夠順利進(jìn)行的重要前提。

2.3 航天系統(tǒng)的研制與作戰(zhàn)應(yīng)用， 需要更加匹配、 完善的航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)， 為我國(guó)航天裝備的研制工作提供必要的技術(shù)支撐

信息化社會(huì)的發(fā)展速度在不斷加速， 軍事變革和航天系統(tǒng)環(huán)境的變化也在加速。 結(jié)合裝備環(huán)境適應(yīng)性最新要求以及最新工程實(shí)踐， 嚴(yán)格設(shè)計(jì)并制定最接近真實(shí)環(huán)境、 更加精確的、 更具有針對(duì)性的航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)， 以及評(píng)價(jià)裝備作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵， 必須依賴于更加匹配、 完善的航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 國(guó)外航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

為提高作戰(zhàn)能力、 支撐一體化聯(lián)合作戰(zhàn)， 國(guó)際上各國(guó)都充分認(rèn)識(shí)到了航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的極端重要性。 國(guó)際與各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化組織開展了大量的航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究和標(biāo)準(zhǔn)體系制定工作， 發(fā)布了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

目前國(guó)內(nèi)外均非常重視航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及體系建設(shè)。 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （International Organization for Standardization， ISO）正在持續(xù)加強(qiáng)航天系統(tǒng)相關(guān)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。 美國(guó)也從國(guó)家航空航天局 （National Aeronautics and Space Administration， NASA) 的相關(guān)規(guī)范、 美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) （American Society for Testing Materials， ASTM） 系列標(biāo)準(zhǔn)以及美 國(guó) 軍 用 規(guī) 范 （ Military specification （ USA） ，MIL） 的軍標(biāo)建設(shè)來(lái)提升其航天系統(tǒng)的研制能力。歐洲通過歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化合作組織 （European Cooperation for Space Standardization， ECSS） 來(lái)系統(tǒng)完善航天系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，用來(lái)支持和支撐航天系統(tǒng)的研制。

3.1 試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 美軍的試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)

美軍航天裝備設(shè)計(jì)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系主要包含系統(tǒng)級(jí)、 組件級(jí)和零部件級(jí)等3 個(gè)層次的頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范， 共19 項(xiàng)。 包括美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)、 國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)、 AIAA 標(biāo)準(zhǔn)、 SMC 標(biāo)準(zhǔn)、 Aerospace 公司為SMC 開發(fā)的技術(shù)文件等， 這些標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)支撐開展了美國(guó)軍用航天系統(tǒng) （空間段） 研制過程試驗(yàn)的頂層要求制定。

美軍航天系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)是在作戰(zhàn)環(huán)境下對(duì)航天系統(tǒng)支撐和支援能力的考核， 考核指標(biāo)多指與大系統(tǒng)和與其他系統(tǒng)間的接口能力。 當(dāng)前未查到有美國(guó)軍用航天系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定的標(biāo)準(zhǔn)， 但有作戰(zhàn)指標(biāo)設(shè)定與要求傳遞相關(guān)的指令指示和手冊(cè)、 指南。 如美空軍 《作戰(zhàn)適用性試驗(yàn)與鑒定指南》[1]； 另外， 美軍近年針對(duì)航天系統(tǒng)開發(fā)了“Test Like You Fly （TLYF）” 的試驗(yàn)鑒定策略并逐步推進(jìn)應(yīng)用于航天系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定， 也形成了一些指導(dǎo)性的文件， 但尚未固化形成法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)[2]。

3.1.2 其他國(guó)家的試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)

英國(guó)國(guó)防部并沒有將武器裝備的試驗(yàn)鑒定分為研制試驗(yàn)、 作戰(zhàn)試驗(yàn)兩個(gè)部分， 而是實(shí)行 “一體化試驗(yàn)、 鑒定與驗(yàn)收” 策略。 英國(guó)國(guó)防部的試驗(yàn)鑒定戰(zhàn)略大體可以通過監(jiān)管決策層、 管理層和實(shí)施層3 個(gè)層面為武裝力量提供武器裝備。 所以英國(guó)試驗(yàn)鑒定的內(nèi)容既包括武器裝備技術(shù)相關(guān)試驗(yàn)鑒定的內(nèi)容， 也包括作戰(zhàn)應(yīng)用相關(guān)的試驗(yàn)鑒定內(nèi)容。

法國(guó)國(guó)防部負(fù)責(zé)為武裝力量提供武器裝備，但實(shí)行的是不同的試驗(yàn)鑒定策略和管理體制。 法國(guó)采用的是高度集中的武器裝備采辦和試驗(yàn)鑒定的管理體制， 其下屬試驗(yàn)鑒定局和試驗(yàn)鑒定中心負(fù)責(zé)其軍方武器裝備試驗(yàn)鑒定工作。 關(guān)于作戰(zhàn)試驗(yàn)， 法國(guó)試驗(yàn)鑒定工作并沒有具體指出其工作職能， 但其相關(guān)概念和工作經(jīng)常會(huì)應(yīng)用到軍事武器裝備作戰(zhàn)中。

俄羅斯負(fù)責(zé)武器試驗(yàn)鑒定等工作的研究機(jī)構(gòu)，主要包括國(guó)防部直屬的研究所和各軍兵種軍事院校所屬的研究所。 俄羅斯非常重視作戰(zhàn)試驗(yàn)， 不僅僅停留在部門職能上。 目前俄羅斯國(guó)防部直屬的一部分試驗(yàn)靶場(chǎng)位于烏克蘭、 哈薩克斯坦、 吉爾吉斯斯坦等國(guó)家境內(nèi)， 可以從作戰(zhàn)層面開展性能評(píng)估、 試驗(yàn)鑒定等工作。 俄羅斯擁有很多的實(shí)驗(yàn)和試驗(yàn)設(shè)施， 主要包括靶標(biāo)與干擾設(shè)施、 綜合測(cè)量設(shè)施、 計(jì)算機(jī)仿真設(shè)施等3 大類[3]。

3.2 試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際和國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中和航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要是環(huán)境試驗(yàn)、 空間碎片、 空間大氣等相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 主要發(fā)布了航天系統(tǒng)試驗(yàn)中心的相關(guān)要求、 力/磁/熱等環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試方法及要求、 空間碎片減緩設(shè)計(jì)與要求等相關(guān)內(nèi)容的標(biāo)準(zhǔn)文件， 例如ISO 14619 《 航天系統(tǒng)—空間實(shí)驗(yàn)—通用要求》 、 ISO 21494 《 航 天 系 統(tǒng)—磁 測(cè) 試》 、 ISO 23670 《航天系統(tǒng)—振動(dòng)測(cè)試》、 ISO N1519 《航天系統(tǒng)—航天器熱控制材料的環(huán)境測(cè)試》、 ISO 11227 《航天系統(tǒng)—通過超高速撞擊評(píng)估航天器材料噴出物測(cè)試程序》 等。

美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)主要發(fā)布了環(huán)境試驗(yàn)方法、 總體試驗(yàn)要求等上層標(biāo)準(zhǔn)文件。 例如MIL-STD-810E 《 環(huán)境試驗(yàn)方法及環(huán)境工程導(dǎo)則》、 MILSTD-810F 《環(huán)境工程考慮和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)》、 MILHDBK-340A 《運(yùn)載器、 上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》 等。

NASA 主要發(fā)布的航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、 手冊(cè)較多。 主要包括有效載荷試驗(yàn)要求與規(guī)范、 軌道碎片限制要求及過程、 力/熱等環(huán)境試驗(yàn)方法與程序、 飛行試驗(yàn)軟件開發(fā)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 例 如MPR 8730.1 《 檢 查 與 試 驗(yàn)》 、 MPR 8730.2 《 檢 查 與 試 驗(yàn) 狀 態(tài)》 、 NASA -STD -7002《有效載荷試驗(yàn)要求》、 NASA-STD-7003 《爆炸沖擊試驗(yàn)規(guī)范》、 NASA-STD-7005 《動(dòng)力學(xué)環(huán)境規(guī) 范》、 NASA-HDBK-7004 《 力 限 振 動(dòng) 試 驗(yàn)》、MSFC -SPEC -95M33953 《 空 間 處 理 應(yīng) 用 火 箭（SPAR） 有效載荷III 測(cè)試與檢驗(yàn)要求》 等。

AIAA 主要發(fā)布了風(fēng)洞測(cè)試標(biāo)定與應(yīng)用、 空間碎片減緩、 航天系統(tǒng)試驗(yàn)管理及相關(guān)要求等標(biāo)準(zhǔn)， AIAA S-117-2010 《航天系統(tǒng)驗(yàn)證計(jì)劃和管理過程》、 AIAA S-121-2009 《航天設(shè)備和系統(tǒng)的電磁兼容性要求》、 AIAA S-071-1999 《實(shí)驗(yàn)不確定度的評(píng)估及其在風(fēng)洞測(cè)試中的應(yīng)用》 等。

ECSS 主要發(fā)布了驗(yàn)證試驗(yàn)頂層標(biāo)準(zhǔn)、 空間材料的熱/輻射等環(huán)境測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)， 例如ECSS-EST-10-02C 《 驗(yàn) 證》、 ECSS-E-ST-10-03C 《 測(cè)試》、 ECSS-Q-ST-70-02C 《用于空間材料篩選的熱真空脫氣測(cè)試》、 ECSS-Q-ST-70-04C 《用于評(píng)估空間材料、 過程、 機(jī)械零件和組件的熱測(cè)試》、 ECSS-Q-ST-70-06C 《空間材料的粒子和紫外線輻射測(cè)試》 等。

除此之外， 其他的標(biāo)準(zhǔn)化組織也發(fā)布了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 例如國(guó)際空間站發(fā)布的SSP 41172 《國(guó)際空間站項(xiàng)目： 資格驗(yàn)收環(huán)境試驗(yàn)要求》、 美國(guó)空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心標(biāo)準(zhǔn)SMC-S-016A 《運(yùn)載器、 上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》、 美國(guó)探月CXP 70036 《星座計(jì)劃環(huán)境鑒定和驗(yàn)收測(cè)試》。

4 思考與啟示

在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)方面， 美軍航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系初步建成， 共19項(xiàng)包含了系統(tǒng)級(jí)、 組件級(jí)和零部件級(jí)等3 個(gè)層次的頂層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。 這些標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)支撐開展了美國(guó)軍用航天系統(tǒng) （空間段） 研制過程試驗(yàn)的頂層要求。 當(dāng)前未查到美國(guó)軍用航天系統(tǒng)作戰(zhàn)試驗(yàn)鑒定的標(biāo)準(zhǔn)， 只有作戰(zhàn)指標(biāo)設(shè)定與要求傳遞相關(guān)的指令指示、 手冊(cè)、 指南以及一些指導(dǎo)性文件， 但尚未固化形成法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)。 英國(guó)、 法國(guó)、 俄羅斯等其他國(guó)家制定了相關(guān)的試驗(yàn)鑒定策略， 并制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性文件。

在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面， 總體來(lái)說(shuō)， 國(guó)外發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化程度高， 但各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)各有重點(diǎn)， 難成體系。 比如NASA 發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)有很大一部分是有效載荷試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)、 空間材料試驗(yàn)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)， 細(xì)化程度很高， 標(biāo)準(zhǔn)制定十分具體細(xì)化， 但NASA 關(guān)于各個(gè)分系統(tǒng)、 系統(tǒng)、 組部件相關(guān)的試驗(yàn)卻很少。

在試驗(yàn)鑒定標(biāo)準(zhǔn)方面， 國(guó)外尤其是美國(guó)很早就關(guān)注航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究， 美軍的航天系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系已初步建成。 我國(guó)尚需重新規(guī)劃整理， 并重點(diǎn)關(guān)注在作戰(zhàn)試驗(yàn)、 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證等領(lǐng)域完善相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)方面， 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化組織機(jī)構(gòu)制定的標(biāo)準(zhǔn)各有側(cè)重， 細(xì)化程度不同， 我國(guó)應(yīng)借鑒相關(guān)經(jīng)驗(yàn)， 完善并不斷細(xì)化我國(guó)航天系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)體系， 使其結(jié)構(gòu)合理并協(xié)調(diào)一致。