航天材料應用驗證技術一體化構建思路研究

王志強等＊ /北京跟蹤與通信技術研究所

一體化試驗鑒定的概念最早由美軍提出，最初源于美軍武器系統(tǒng)裝備采辦發(fā)展需求，目的是減少冗余、便于管理。一體化試驗鑒定要求裝備采辦全流程鏈條上的所有相關機構共同參與合作，包括生產廠家、外協(xié)承包商以及官方組織機構，對研制鑒定各階段的試驗鑒定進行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一實施、數(shù)據(jù)共享。隨著生產技術開發(fā)和升級，用戶單位對生產要素的參與滲透逐漸加強，一體化試驗鑒定的作用已經(jīng)不僅限于減少重復試驗，更能夠及早深入前期研制階段，將選用與保證雙雙前移，減小試錯。同時，一體化試驗鑒定拓寬了試驗邊界，充分暴露出問題與缺陷，這是單項試驗結果絕無可能疊加出來的效果。

為保障在軌安全穩(wěn)定運行，航天器產品均需通過試驗鑒定。對于航天材料而言，由于其具有功能性要求高、應用環(huán)境嚴苛、在軌不可維修的三大特點，為了保證材料在技術高度復雜、可靠性要求高的航天系統(tǒng)中成功應用，航天材料在裝機發(fā)射前的試驗鑒定工作至關重要。應用驗證作為航天材料試驗鑒定的全新形式，能夠系統(tǒng)性回答材料“可用”“易用”“好用”的問題，搭建材料“研—產—驗—用”橋梁，實現(xiàn)新材料快速應用轉化。

我國航天材料應用驗證領域在充分借鑒宇航元器件應用驗證研究成果的基礎上，必須先搭建“一體化”的結構式思維，將材料性能與構件工藝緊密結合，構件工藝與組件功能緊密結合，結合組件構造和性能優(yōu)化構件設計及構件設計優(yōu)化材料工藝，在“一體化”統(tǒng)籌、避免冗余試驗的同時，節(jié)約成本，提高效率，實現(xiàn)指標體系和工作流程的雙優(yōu)化。研究一體化試驗鑒定對航天材料應用驗證的啟示，將航天器產品（聯(lián)合環(huán)境）與組件材料（聯(lián)合工況）通盤考慮，提出航天材料應用驗證的一體化構建思路，從材料設計出發(fā)，以優(yōu)化構件工藝、實現(xiàn)組件功能為目標，逐級識別驗證需求并串聯(lián)，構建一體化驗證指標，設計一體化驗證試驗內容，建立“研制單位—生產廠家—驗證實施機構—用戶”協(xié)同聯(lián)動的機制，協(xié)作開展一體化應用驗證。

一、一體化試驗鑒定對航天材料應用驗證的啟示

為保障在軌安全穩(wěn)定運行，航天器產品均需通過試驗鑒定。對于航天材料而言，由于其具有功能性要求高、應用環(huán)境嚴苛、在軌不可維修的三大特點，為了保證材料在技術高度復雜、可靠性要求高的航天系統(tǒng)中成功應用，航天材料在裝機發(fā)射前的試驗鑒定工作至關重要。應用驗證作為航天材料試驗鑒定的全新形式，能夠系統(tǒng)性回答材料“可用”“易用”“好用”的問題，搭建材料“研—產—驗—用”橋梁，實現(xiàn)新材料快速應用轉化。

通過一體化試驗鑒定，實現(xiàn)從基于節(jié)點的試驗模式向基于過程的試驗模式轉變，能夠對航天器產品的應用功能與性能做出更為有效的評價，避免重復試驗?；谲娛卵b備一體化試驗鑒定的理念和制度體系，可以推廣至我國航天材料應用驗證領域，研究航天型號裝備的材料—構件—組件（單機—分系統(tǒng)—飛行驗證）一體化應用驗證新思路。

將材料級應用驗證延伸至構件—組件—單機—分系統(tǒng)，將材料性能和航天器產品功能有機結合，最大化驗證試驗指標和參數(shù)的覆蓋性，盡早發(fā)現(xiàn)問題并解決問題，這樣既能夠實現(xiàn)早期問題暴露、診斷、改進、提升，又可以避免重復驗證試驗，節(jié)約試驗資源和時間成本。同時，規(guī)避了常規(guī)質量保證中“一試定輸贏”“一驗定終身”的局限（常規(guī)質保適用于針對成熟材料的質量篩選，應用驗證適用于針對新研材料的應用評估），將“可用性”“適用性”代替“符合性”作為應用驗證的第一目標，以材料為核心推廣至組件乃至單機（包含新研產品）的使用性能驗證，一次性回答“能否用”“如何用”的問題，提高驗證結果的決策價值。

同時，將用戶納入應用驗證體系，真正實現(xiàn)從提供技術開發(fā)支持的研制單位到批量化生產供貨的生產廠家、驗證實施機構、用戶單位的“一體化”式的“研”“驗”協(xié)同、數(shù)據(jù)共享、需求分析、指標設計、試驗驗證、綜合分析（綜合評價）。

二、航天材料應用驗證一體化設計建設思路

1.組織層面的一體化“研”“驗”協(xié)同

應用驗證一體化是研制單位（高校/研究所提供先進技術支持）—生產廠家（優(yōu)化工藝、調試生產線，實現(xiàn)批量化生產）—驗證實施機構（完善試驗能力建設，提供應用驗證服務）—用戶（作為驗證機構是不可分割的有機整體，提出可量化的應用需求）共同參與的協(xié)同行為，必須從組織層面進行頂層設計，配合研制進展（研發(fā)—試制—鑒定—驗收），同時從航天器研制任務分解、分系統(tǒng)單機及組件研制設計、材料選用需求、航天器各研制階段驗證需求、材料應用驗證等方面統(tǒng)一規(guī)劃部署。

（1）設置專門的管理組織機構，從設計研制到生產驗收全程組織協(xié)調所有航天產品的鑒定和驗證工作。

（2）將試驗階段向前延伸，在研制階段開展基礎級應用驗證，實現(xiàn)驗證試驗與鑒定試驗有機融合，充分采信或借鑒材料研制階段鑒定過程中由具備檢驗資質的第三方出具的信息完整的測試數(shù)據(jù)。在攻關生產工藝、提升材料性能的同時關注批次質量，以實現(xiàn)生產要素的迭代升級。若在應用驗證各環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障問題或發(fā)現(xiàn)質量問題，應及時將信息上報管理組織機構，并反饋生產廠家，以促進生產單位盡快完成材料或工藝的改進。由驗證實施機構將故障問題或質量問題記錄在案，在應用驗證試驗全部結束后經(jīng)分析形成材料使用風險及控制要求，編入應用指南，由管理組織機構向參與研發(fā)的科研單位、實現(xiàn)批產的生產單位和提出需求的用戶單位同時分發(fā)宣貫，實現(xiàn)一體化質量控制和提升，促進材料技術升級和應用升級。

（3）將驗證需求分析向前延伸，針對無研制基礎或成熟度較低的材料，在材料研發(fā)、試制階段就與航天產品應用需求緊密結合，注重材料的應用功能性。

（4）為確保驗證數(shù)據(jù)對所有的產品研制及試驗人員而言均有用且可信，管理組織機構應組建應用驗證一體化試驗小組，包含單機（組件）設計、組件構件裝配工藝、材料驗證試驗、生產廠家技術以及項目管理等所有相關人員，通力協(xié)作開展包括需求分析、指標設計、試驗驗證、綜合分析在內的一體化試驗工作。

2.機構層面的一體化數(shù)據(jù)共享

航天材料應用驗證一體化的核心是數(shù)據(jù)，各階段多源數(shù)據(jù)的融合是一體化試驗的重要任務。在信息化時代，應高度重視分布式、網(wǎng)絡化試驗數(shù)據(jù)的共享能力，利用網(wǎng)絡平臺加速實現(xiàn)材料應用驗證在空間、資源和能力上的試驗整合（內部）和數(shù)據(jù)共享（外部），實現(xiàn)一體化應用驗證的信息互聯(lián)。

同時，為了適應新研裝備型號發(fā)展對應用驗證的要求，充分利用小樣本、縮比件試驗以及建模與仿真技術方法，充分發(fā)揮信息采集和數(shù)據(jù)挖掘的能力，在應用驗證中充分采信研制機構研發(fā)過程中配方優(yōu)化的試驗數(shù)據(jù)、生產單位工藝優(yōu)化和鑒定檢驗中的試驗數(shù)據(jù)，裝備型號研制單位充分采信材料鑒定階段的試驗數(shù)據(jù)，單機、分系統(tǒng)、整機鑒定試驗中充分采信前期材料—組件應用驗證環(huán)節(jié)的試驗數(shù)據(jù)，通過多源數(shù)據(jù)融合采信，利用各階段、各種類的試驗信息最大化利用試驗資源，獲取數(shù)據(jù)信息支持?；诖?，構建一體化應用驗證體系，以期實現(xiàn)全階段、全方位綜合評價。

航天材料應用驗證數(shù)據(jù)應保證有用、能用且可信，必須通過科學合理的數(shù)據(jù)整合、分析、存儲、轉化，提升試驗數(shù)據(jù)結果對航天器研制任務中關鍵決策的價值。其中，對于試驗數(shù)據(jù)（實測值）、手冊數(shù)據(jù)（典型值）等結構化數(shù)據(jù)，應盡量通過處理分析實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。同時，應重視文檔、圖形圖像等非結構化數(shù)據(jù)的處理和優(yōu)化，特別是非結構化數(shù)據(jù)的結構化存儲與轉換，在應用驗證任務的歸檔和統(tǒng)計中發(fā)揮重要的作用。

3.產品層面的一體化需求分析

（1）一體化需求分析的必要性

需求分析一體化是應用驗證一體化的基礎，只有將單機產品、組件和材料的工作環(huán)境和功能需求相結合進行一體化分析，才能貫通并覆蓋材料和組件的驗證需求，基于此開展一體化試驗設計。在航天材料應用驗證工作中，需求分析是識別驗證指標、設計驗證內容、明確試驗參數(shù)的最重要輸入依據(jù)。

伴隨著材料設計制造一體化概念的提出，無論從材料的物理狀態(tài)還是應用狀態(tài)，均從標準化、單一化向異型化、復雜化發(fā)展；而結構創(chuàng)新帶來根本的核心創(chuàng)新，一體化結構組元性能評價測試將逐漸替代結構材料本征性能的評價測試，在催生新測試技術的同時也向材料應用驗證提出了更高的要求。

基于當前航天領域的輕量化、多功能要求，航天材料從材料、結構、功能的分離式設計向設計制造一體化發(fā)展，輕量化多功能復合材料結構是當前也是未來航天器的設計選材趨勢。由于材料級試驗無法代替結構評價，而且因長期的設計與制造分離造成了結構內部檢測和可靠性評價方法缺失的局面，因此亟需打破“材料—結構”的傳統(tǒng)認知局限，借由結構組元設計、結構智能集成一體化設計等結構創(chuàng)新，以結構整體性能替代材料個體性能，以構件級/組件級驗證豐富材料級驗證，擴充驗證需求就是拓展應用邊界。

（2）一體化需求分析的思路

需求分析是驗證的首要前提。在一體化需求分析中，應以航天裝備應用要求（含潛在應用需求）為背景，以產品最終狀態(tài)為導向，基于材料技術攻關需求、組件和材料應用需求，以及組件功能、設計工藝和材料性能特點，分析從材料到組件應用驗證需求的交叉覆蓋性，并重點識別組件試驗無法暴露的材料問題，以及材料試驗無法驗證的組件應用健壯性問題。

需求分析的具體內容包括：

一是航天工程應用背景分析。充分提煉航天器分系統(tǒng)單機對組件的功能需求、組件對材料的使用需求，包括潛在應用需求，特別是材料的哪些先進性能直接關系到組件的功能實現(xiàn)性，哪些是可能影響組件工作甚至導致產品故障的關鍵指標。

二是組件工況環(huán)境分析。充分識別產品應用的工藝工況條件，綜合考慮航天器在軌環(huán)境最惡劣、最長壽命服役要求，充分分析產品在軌工作界面和環(huán)境界面。

三是材料技術攻關需求分析?；诤诵墓δ苄枨螅浞终{研國內相關材料的研制生產現(xiàn)狀，包括材料規(guī)格、性能指標、產量產能等，特別是整套生產線及工藝技術水平。開展核心性能指標和生產要素的橫向對比分析，總結目前已突破的關鍵技術，提煉亟待攻關的技術難點。特別是通過差異性分析，識別應重點驗證的材料性能以及受此影響的工藝性能和環(huán)境適應性等。

四是組件及材料設計工藝特點分析。分析組件及材料的設計、工藝、特點，充分調研并分析材料生產工藝過程、構件加工工藝過程、組件裝配工藝過程及其中影響材料性能和組件功能的關鍵技術點；功能及工藝性驗證需求分析，基于設計工藝分析，識別材料應用功能性、質量一致性等批次穩(wěn)定性驗證需求，識別材料構件的工藝適用性驗證需求；充分識別材料及組件在地面及在軌工作中的環(huán)境效應，包括真空環(huán)境、極限溫度環(huán)境、交變溫度環(huán)境、輻射環(huán)境等，結合組件使用工況，分析環(huán)境因素引發(fā)材料性能及組件功能演變的退化機制；使用工況及環(huán)境效應驗證需求分析，基于環(huán)境效應分析，識別材料的濕熱環(huán)境適應性、極溫環(huán)境適應性、交變溫度場環(huán)境適應性、耐輻射性能等應用可靠性驗證需求，識別組件的力學環(huán)境適應性、熱環(huán)境適應性等組件健壯性驗證需求；安全問題驗證需求分析，識別材料或構件在地面和在軌環(huán)境可能帶來的真空出氣污染、多余物等次生安全問題。

五是工程實踐故障案例分析。全面調研以往應用、試驗過程中出現(xiàn)的故障或失效案例，對故障或失效模式進行充分分析，有效識別故障來源和失效隱患，分析影響組件功能實現(xiàn)的關鍵性能和關鍵技術指標。

4.驗證層面的一體化指標設計

根據(jù)一體化指標分析，建立應用驗證技術指標體系，從覆蓋航天器任務需求、覆蓋產品設計、覆蓋生產要素3個方面出發(fā)，兼顧全面性與針對性原則，指標設計過程全面考慮材料生產工藝，構件加工等使用工藝，基礎性能一致性和應用功能的穩(wěn)定性，可靠性、適應性和安全性等服役任務剖面和服役壽命剖面各類要素，以及潛在的失效隱患和故障模式。

經(jīng)過對材料生產過程、加工工藝、功能特性、應用需求的充分調研，分層次構建指標體系，由定性到定量，在盡可能滿足獨立不相關、避免冗余的前提下，按可量化程度劃分為3個層級的指標體系。根據(jù)組件對材料的使用需求、材料以及組件驗證需求，分別從材料的批次穩(wěn)定性、工藝適用性、應用可靠性、服役安全性和組件的應用健壯性5個方面分析，并作為一級指標設計驗證指標。在此基礎上，基于材料本征性能對組件功能的影響特點、組件裝配及材料加工等過程中材料的工藝特點、產品工作界面和環(huán)境界面及其對材料性能的影響特點、次生安全問題、組件功能要求和界面環(huán)境要求設計二級驗證指標，并將二級指標展開后對應的核心關鍵性能指標設計為三級驗證指標。

（1）基于生產要素和功能性能的材料批次穩(wěn)定性指標設計與分析

基于驗證需求分析，通過分析材料基本性能對組件功能的影響特點，將性能穩(wěn)定性、應用功能性和質量一致性等設計為二級指標，將理化性能、力學性能、熱性能、電性能及批次間離散性設計為三級指標。

（2）基于應用適應性的材料工藝適用性指標設計與分析

基于驗證需求分析，通過分析組件裝配、材料加工等過程中材料的工藝特點，將材料加工工藝性、構件結構工藝性、介質相容性等設計為二級指標，將工藝匹配性、尺寸熱匹配性、三溫特性、典型結構件工藝制備性等設計為三級指標。

（3）基于可靠性的材料應用可靠性指標設計與分析

基于驗證需求分析，通過分析產品在軌工作界面和環(huán)境界面及其對材料性能的影響，將極溫環(huán)境適應性、濕熱環(huán)境適應性、交變溫度適應性、熱老化性、耐輻射性等設計為二級指標，將環(huán)境適應性試驗前后材料關鍵性能變化等設計為三級指標。

（4）基于可靠性的材料服役安全性指標設計與分析

基于驗證需求分析，通過分析材料或構件在地面和在軌環(huán)境可能帶來的真空出氣污染、多余物、腐蝕物等次生安全問題，將真空污染特性等設計為二級指標，將真空揮發(fā)性（總質損、可凝揮發(fā)物、水蒸氣回吸量）等設計為三級指標。

（5）基于應用適應性的組件應用健壯性指標設計與分析

基于驗證需求分析，通過分析組件功能要求和空間環(huán)境要求，將力學環(huán)境適應性、熱環(huán)境適應性等設計為二級指標，將組件功能特性等設計為三級指標。

5.實施層面的一體化試驗驗證

應用驗證一體化試驗驗證的實施應以盡早盡快、降本增效為原則。一方面，由于航天產品具有研制成本高、研制發(fā)射周期短、入軌使用周期短及在軌問題難定位、難修復的特點，必須將驗證前移，在研制初期、材料大批量采購使用前盡早盡快地暴露缺陷、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，并及時改進、持續(xù)跟進，有效落實風險管控；另一方面，由于造價高、周期短，材料應用驗證必須充分分析任務剖面、識別環(huán)境效應、提取試驗參數(shù)、拼接驗證需求、裁剪試驗項目、搭載試驗樣品，通過試驗驗證的一體化來壓縮成本、提高效率。同時，分析應用界面和環(huán)境界面應采取最大化原則，按照最嚴苛環(huán)境、最長服役壽命設置驗證試驗條件，爭取用一次性驗證解決后續(xù)所有相同材料的應用問題。

根據(jù)驗證需求分析，基于材料設計、工藝、特點，結合航天裝備應用要求，覆蓋驗證指標體系。針對批次穩(wěn)定性驗證、工藝適用性驗證、應用可靠性驗證、服役安全性驗證、組件健壯性驗證分別設計應用驗證內容，根據(jù)應用場景設置相匹配的試驗條件、參數(shù)，明確關鍵性能指標，確保驗證結果充分反映產品性能的應用邊界。

基于從材料到組件的應用驗證需求的交叉覆蓋性分析，以及組件試驗無法暴露的材料問題和材料試驗無法驗證的組件應用健壯性問題，設計針對性驗證項目，確保驗證內容全面覆蓋材料質量問題、工藝性問題、環(huán)境適應性問題、安全性問題以及組件應用健壯性問題，且無驗證需求重疊項，不做重復驗證試驗。

完成驗證內容設計后，編制應用驗證實施方案。實施方案基于總體技術路線設計、構件級及組件級樣品設計、試驗方法設計、試驗流程設計、判據(jù)設計、綜合分析思路設計，全面覆蓋驗證指標體系和驗證內容。

驗證實施應結合一體化試驗設計和測試標準樣品要求進行樣品的分配和管理。明確各牌號規(guī)格、各批次材料的批次抽樣要求，詳細規(guī)定各類材料、各項驗證試驗項目的取樣要求及制樣要求，并執(zhí)行相關測試技術標準中對于樣品的抽樣、制備、保管等相關規(guī)定，嚴控抽樣批次和樣品有效性，并詳細規(guī)定組件樣品的相關要求。在試驗實施中，明確各類材料及組件的各項驗證試驗執(zhí)行的標準規(guī)范或技術要求，詳細規(guī)定并嚴格執(zhí)行測試條件、測試要求等驗證方法，以及單項判據(jù)等驗證要求。

6.評估層面的一體化綜合分析

綜合評價必須以材料能否實現(xiàn)規(guī)?；瘧脼榈谝辉u價原則。材料應用驗證基于現(xiàn)有試驗能力，通過設計地面模擬試驗，驗證評價產品（材料構件—組件—單機—分系統(tǒng)）在實際航天任務中能否有效完成全壽命期內的服役目標，以驗證可用性或適用性為目的，而不是單一性地檢驗材料是否符合技術要求。因此，除非階段性評價中設置有關鍵性否決項單指標判據(jù)，否則均以最后的綜合評價來判斷材料的可用度、適用度。

在基于系統(tǒng)工程方法論的宇航元器件應用驗證綜合評價體系中，綜合評價模型構建作為系統(tǒng)評價的核心，是以指標體系及其賦權為輸入的，基于此建立判據(jù)體系，從而獲取評價結論并對之進行決策分析。航天材料應用驗證的綜合評價工作也遵循此原則，試驗測試可以獨立實施，但對于驗證結果需要綜合考核。驗證試驗數(shù)據(jù)既不是唯一的客觀依據(jù)，也不是唯一的判據(jù)。在客觀依據(jù)中，除了試驗數(shù)據(jù)之外，還包括材料成熟度、工藝成熟度、供貨穩(wěn)定性等生產要素評價。

航天材料應用驗證涉及生產要素評價、批次穩(wěn)定性驗證、工藝適用性驗證、應用可靠性驗證、服役安全性驗證、組件健壯性驗證。各階段驗證試驗內容彼此獨立且可并行開展，而驗證結果可相互印證對比。

綜合評價必須以材料能否實現(xiàn)規(guī)?；瘧脼榈谝辉u價原則。材料應用驗證基于現(xiàn)有試驗能力，通過設計地面模擬試驗，驗證評價產品（材料構件—組件—單機—分系統(tǒng)）在實際航天任務中能否有效完成全壽命期內的服役目標，以驗證可用性或適用性為目的，而不是單一性地檢驗材料是否符合技術要求。因此，除非階段性評價中設置有關鍵性否決項單指標判據(jù)，否則均以最后的綜合評價來判斷材料的可用度、適用度。

（1）基于驗證內容要素的橫向評價。批次穩(wěn)定性驗證中，在驗證工藝適用性或應用可靠性時，基礎理化性能（應用功能性）驗證的試驗結果需要與結合工藝或者環(huán)境條件測得的試驗結果進行比對，用以通過分析工藝方法參數(shù)對材料性能的影響來考核工藝方法參數(shù)的適用性，通過比對在地面和在軌環(huán)境下材料性能與常規(guī)條件性能的變化來評價材料的環(huán)境適應性。

（2）基于指標類型特點的聚類評價。包括針對某一指標的材料比對分析、基準值研究分析、應用邊界條件分析等。

（3）在此基礎上，可對材料的成熟度等級和應用風險等級進行研判。

材料可用性以及適用的應用邊界條件并非通過單一試驗結論能夠獲取，必須將一體化試驗中各階段的階段性評價與全部試驗結束后的綜合評價進行有機結合、交互比對，綜合解答航天材料的可用性及應用邊界問題。

基于一體化的結構式思維設計我國航天材料應用驗證一體化建設思路，將航天器產品（聯(lián)合環(huán)境）與組件材料（聯(lián)合工況）有機地結合在一起，從材料設計到構件工藝、組件功能，逐級識別驗證需求并串聯(lián)，構建一體化驗證指標，設計一體化驗證試驗內容，建立“研制單位—生產廠家—驗證實施機構—用戶單位”的協(xié)同聯(lián)動機制，實現(xiàn)航天材料應用驗證的“一體化”式的“研”“驗”協(xié)同、數(shù)據(jù)共享、需求分析、指標設計、試驗驗證和綜合分析評價，打破常規(guī)質量保證中“一試定輸贏”“一驗定終身”的局限思維，將“可用性”“適用性”代替“符合性”作為應用驗證的第一目標，以材料為核心推廣至組件乃至單機的使用性能驗證，一次性回答“能否用”“如何用”的問題，提高驗證結果的決策價值。