國外航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)綜述

尹玉梅 郭晉媛 王維鑫

（北京空間科技信息研究所， 北京， 100094）

1 概述

航天器是指在地球大氣以及外宇宙空間 （太空） 執(zhí)行探索、 開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的特定任務(wù)的飛行器， 又稱空間飛行器。 航天器按照是否載人， 可分為無人航天器和載人航天器； 無人航天器包括人造地球衛(wèi)星和空間探測器； 載人航天器包括載人飛船、 空間站等[1]。航天器結(jié)構(gòu)主要功能包括以下內(nèi)容。

a）承受和傳遞器上的所有載荷， 包括地面、發(fā)射、 空間軌道、 再入大氣層和著陸沖擊的各種載荷。

b）為器上有效載荷和其他分系統(tǒng)提供所需的安裝空間、 安裝位置和安裝方式， 把器上所有有效載荷和各分系統(tǒng)連接成一個整體； 所提供的安裝可滿足相應(yīng)有效載荷和各分系統(tǒng)的工作要求， 并且便于整器和相關(guān)零部件在地面的裝卸、操作和維護。

c）為器上有效載荷和其他分系統(tǒng)提供有效的環(huán)境保護， 包括在地面、 發(fā)射、 空間軌道、 和再入大氣層等工作環(huán)境下的環(huán)境保護。

d）為器上某些特殊的有效載荷或其他分系統(tǒng)提供所需的剛性支撐條件， 例如： 保證天線組件、光學(xué)部件和傳感器所需的位置精度或尺寸精度。

e）為器上某些特殊的有效載荷或其他分系統(tǒng)提供所需的物理性能， 例如： 導(dǎo)熱或絕熱性能、 導(dǎo)電或絕緣性能等[1]。

航天器結(jié)構(gòu)對整個航天器至關(guān)重要， 通過標(biāo)準(zhǔn)途徑對航天器結(jié)構(gòu)從設(shè)計、 分析、 仿真、 試驗等各個階段進行規(guī)范， 進一步確保航天器結(jié)構(gòu)發(fā)揮其作用， 保證器上設(shè)備和人員安全（針對載人航天器）。

2 國外航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)情況

航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)國外標(biāo)準(zhǔn)中比較典型且具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)， 主要是ECSS （歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織） 標(biāo)準(zhǔn)和NASA （美國宇航局） 標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 ECSS 標(biāo)準(zhǔn)

ECSS 是歐洲空間局 （ESA）、 歐洲各國航天局和歐洲工業(yè)協(xié)會的標(biāo)準(zhǔn)化合作組織， 其主要任務(wù)就是建立起一套用戶滿意的、 固有的、 單一的、能滿足ECSS 各成員國意圖的標(biāo)準(zhǔn)體系， 以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化手段消除合作障礙， 提高歐洲空間項目的競爭力。 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)主要分布在ECSS 標(biāo)準(zhǔn)中的空間工程子體系 （ECSS-E） 中， 包括系統(tǒng)工程、光電工程、 機械工程、 軟件工程、 通信工程、 控制工程、 地面系統(tǒng)和操作等7 個專業(yè)領(lǐng)域。

在空間工程 （ECSS-E） 子體系中的機械工程 （E-30） 分支中， 包括熱控、 結(jié)構(gòu)、 機構(gòu)、環(huán)境控制與生命保障、 推進等5 個方面， 目前共有7 項結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)， 詳見表1。

表1 ECSS 中結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 NASA 標(biāo)準(zhǔn)

NASA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按照領(lǐng)域劃分為11 個不同系列， 與航天結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要分布在5000 系列中和7000 系列中， 共計9 項。 NASA 的各個中心也根據(jù)自己的專業(yè)及特點制定了一套與NASA文件相對應(yīng)的文件。 NASA 現(xiàn)行中心標(biāo)準(zhǔn)主要來自戈達(dá)德航天中心 （GSFC）、 約翰遜航天中心（JSC）、 肯尼迪航天中心 （KSC）、 蘭利研究中心（LaRC）、 馬歇爾航天飛行中心 （MSFC）、 斯坦尼斯航天中心 （SSC）， 現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)231 項， 其中， 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)6 項[2]。 在航天結(jié)構(gòu)方面， NASA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及中心標(biāo)準(zhǔn)共有15 項， 詳見表2。

表2 NASA 標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

3 國外航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)典型標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

3.1 頂層要求標(biāo)準(zhǔn)

針對航天器結(jié)構(gòu)頂層通用要求標(biāo)準(zhǔn)共計2 項。

a）ECSS－E－ST－32C Rev.1 《結(jié)構(gòu)通用要求》規(guī)定了航天器的結(jié)構(gòu)通用要求， 包括任務(wù)、 功能、 接口、 設(shè)計、 驗證、 產(chǎn)品與組裝等方面。

b）NASA-STD-5002A 《航天器及有效載荷的載荷分析》 給出了航天器及有效載荷設(shè)計所用載荷界定的通用要求。 在項目與程序?qū)蛹壗⒘酥敢?以便于規(guī)范相關(guān)工程及技術(shù)要求， 包括工藝、過程、 實踐、 方法以及零件選用及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。該標(biāo)準(zhǔn)描述了開展航天器與有效載荷中載荷分析的一般實踐及要求， 對載荷狀況 （load regimes）進行了界定， 對建立加力函數(shù) （forcing functions）及數(shù)學(xué)模型、 開展分析及模型的測試驗證等明確了要求， 對主要的分析方法、 時間及過程進行了界定。 該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于航天器有效載荷硬件分析，而飛行器發(fā)射裝置 （LV）、 探空火箭發(fā)射的有效載荷、 航空器及氣球、 地面支持設(shè)備 （GSE） 等不包含在內(nèi)。 標(biāo)準(zhǔn)主要適用于NPR 8705.4《NASA 有效載荷的風(fēng)險分類》 中規(guī)定的A、 B、 C這3 類有效載荷， 對D、 I-E 類有效載荷僅作為指導(dǎo)性文件 （可使用該標(biāo)準(zhǔn)1.3 的剪裁原則）。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析標(biāo)準(zhǔn)共計6 項。

a）KSC-STD-Z-0004G 《結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》 為肯尼迪航天中心 （KSC） 的結(jié)構(gòu)設(shè)計建立適用的定義和一般設(shè)計要求。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于常規(guī)和非常規(guī)結(jié)構(gòu)、 地面支持設(shè)備 （GSE） 以及臨時結(jié)構(gòu)和外殼的框架。

b）ECSS－E－ST－32－02C Rev.1 《承壓硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證》 規(guī)定了金屬和非金屬加壓硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計驗證， 包括壓力容器、 加壓結(jié)構(gòu)、 壓力部件 （如閥門、 泵、 管線、 配件和軟管） 和特殊加壓設(shè)備 （如電池、 熱管、 低溫恒溫器、 密封容器、 危險流體容器）， 但加壓硬件的外部支架和結(jié)構(gòu)接口及固體推進劑發(fā)動機殼體。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有航天產(chǎn)品， 尤其是運載火箭、 運載工具、再入飛行器、 航天器、 空間站、 著陸探測器和探測器、 探空火箭、 有效載荷和儀器。

c）ECSS-E-ST-32-10C Rev.2 Corr.1 《空間飛行硬件結(jié)構(gòu)安全性因素》 規(guī)定了航天器硬件的結(jié)構(gòu)安全性要素， 以及鑒定與驗收試驗要求。 該標(biāo)準(zhǔn)需要與ECSS-E-ST-32 《結(jié)構(gòu)通用要求》、ECSS-E-ST-32-02 《承壓硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證》和ECSS-E-ST-33-01 《機構(gòu)》 結(jié)合使用。

d）NASA-STD-5001B 《航天硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗安全因素》 給出了航天器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全試驗因子， 以及用于航天硬件研制和驗證的使用壽命因素。 該標(biāo)準(zhǔn)主要目標(biāo)是確定安全可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計因素， 其次是通過加強NASA 飛行項目、 中心及其承包商之間硬件設(shè)計使用的通用性來降低空間項目成本和進度。 該標(biāo)準(zhǔn)中提出的要求將被視為最低可接受值。

e）JSC 65828B 《航天硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計要求和安全系數(shù)》 規(guī)定了載人航天硬件的結(jié)構(gòu)要求， 包括運載火箭、 航天器和有效載荷。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于政府提供的設(shè)備活動以及所有相關(guān)承包商、 分包商和商業(yè)活動； 不適用于除載人航天器以外的系統(tǒng)， 如地面測試物品， 但可針對謹(jǐn)慎使用的特定情況進行定制。 該標(biāo)準(zhǔn)中提出的要求側(cè)重于設(shè)計， 而非驗證。 將在結(jié)構(gòu)驗證計劃 （SVP） 中規(guī)定需求的實施過程， SVP 針對需求， 規(guī)定了每個結(jié)構(gòu)項目的驗證方法。

f）JSC 29353B 《航天器應(yīng)用中的可燃性結(jié)構(gòu)分析》 描述并解釋了控制易燃材料 （和潛在易燃材料） 的配置及解決方案， 以便有效載荷客戶和其他組織可以在設(shè)計安全且經(jīng)濟高效的飛行硬件時使用它們。 該標(biāo)準(zhǔn)將為位于國際空間站任何隔間或其他計劃載人飛行器和棲息地的硬件提供可接受的可燃性配置。 航天器防火控制的基礎(chǔ)是最大限度地減少潛在的火源， 消除可能傳播火災(zāi)的材料。 “消除可能傳播火災(zāi)的材料” 并不意味著僅使用不可燃材料設(shè)計和建造航天器， 這樣的成本非常高， 而且沒有必要。 這意味著需控制不可燃材料的數(shù)量和配置， 以消除潛在的火災(zāi)傳播路徑， 從而確保任何火災(zāi)都是小型的、 局部的和隔離的， 并且會在不傷害航天員的情況下自行熄滅。 多年來， NASA 已經(jīng)開發(fā)出許多控制易燃材料 （和潛在易燃材料） 的配置及解決方案， 以便在載人航天器中空氣和富氧環(huán)境中安全使用。

3.3 結(jié)構(gòu)斷裂控制及無損評估標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)斷裂控制及無損評估共計7 項。

a）ECSS－E－ST－32－01C Rev.1 《斷裂控制》規(guī)定了斷裂控制程序、 易損部件的識別與評估、斷裂力學(xué)分析、 材料的選擇、 質(zhì)量保證和無損檢測、 減少斷裂控制方案等內(nèi)容。 空間系統(tǒng)的空間段及其相關(guān)地面支持設(shè)備的結(jié)構(gòu)失效可能導(dǎo)致災(zāi)難性危險系統(tǒng)或有效載荷。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對空間系統(tǒng)的空間段及其相關(guān)GSE （地面支持設(shè)備） 施加的斷裂控制要求。 該標(biāo)準(zhǔn)中包含的要求也適用于NASA 和國際空間站硬件的斷裂控制。

b）NASA-STD-5019A 《航天硬件斷裂控制要求》 確定了所有人類航天系統(tǒng)的斷裂控制要求，包括有效載荷、 推進系統(tǒng)、 軌道支持設(shè)備等。

c）NASA-HDBK-5010 《有效載荷， 實驗和類似硬件的斷裂控制實施手冊》 提供適用于各種硬件設(shè)計和實驗的斷裂控制實施。

d）JSC 25863B 《JSC 航天硬件斷裂控制計劃》， 該斷裂控制計劃 （FCP） 介紹了約翰遜航天中心 （JSC） 的實施方法， 用以滿足所有NASA 人類太空飛行項目以及接近或?？縉ASA航天器 （如國際空間站 （ISS） 或獵戶座） 的載人或非載人飛行器的斷裂控制要求。

e）MSFC-RQMT-3479 《復(fù)合材料和粘結(jié)運載器及有效載荷結(jié)構(gòu)斷裂控制要求》 提供了用于制造MSFC 載人飛行器和有效載荷硬件的復(fù)合材料、 粘結(jié)結(jié)構(gòu)的斷裂控制要求， 包括載人發(fā)射、回收、 轉(zhuǎn)移和著陸器以及在載人飛行的任何階段發(fā)射、 回收、 儲存或操作的有效載荷或太空飛行實驗任務(wù)。 纖維增強聚合物基復(fù)合材料、 夾層結(jié)構(gòu) （粘結(jié)金屬和非金屬） 以及金屬或復(fù)合零件之間的粘結(jié)屬于該標(biāo)準(zhǔn)的范圍。 金屬和陶瓷基體結(jié)構(gòu)、 泡沫、 柔性充氣結(jié)構(gòu)、 液體燃料火箭發(fā)動機和固體推進劑除外。 此外， 該標(biāo)準(zhǔn)未具體涵蓋金屬零件/結(jié)構(gòu)的斷裂控制， 但如果金屬與復(fù)合材料或粘合劑結(jié)合使用， 則應(yīng)滿足該標(biāo)準(zhǔn)的所有規(guī)定。 該標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供用于設(shè)計和評估復(fù)合材料和粘結(jié)結(jié)構(gòu)的最低斷裂控制要求。

f）NASA-STD-5009B 《斷裂臨界金屬元件的無損評估要求》 規(guī)定了對于飛行或地面系統(tǒng)及組件在需要進行斷裂控制時的無損評估 （NDE） 要求。 主要內(nèi)容包括對NDE 過程、 標(biāo)準(zhǔn)及方法的一般要求， 如裂縫、 材料審查委員會、 NDE 過程文件控制等； 標(biāo)準(zhǔn)化的NDE 方法及特殊NDE的應(yīng)用； NDE 的文件記錄等方面。

g）JSC 67203 《無損評估程序鑒定指南》 演示了NDE 程序認(rèn)證方法， 為滿足特定條件的NDE 程序提供了最低要求。 該文件旨在符合NASA-STD-5009B。 此外， 它還提供了NASASTD-5009B 未涵蓋的NDE 程序認(rèn)證方法指南，但在使用該指南中的方法之前需要經(jīng)過批準(zhǔn)。 該指南不涵蓋NDE 程序。

3.4 結(jié)構(gòu)建模仿真標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)建模仿真標(biāo)準(zhǔn)共計3 項。

a）ECSS－E－ST－32－03C 《結(jié)構(gòu)有限元模型》規(guī)定了航天器結(jié)構(gòu)分析中用到的有限元模型要求。

b）NASA-STD-7009A 《模型和仿真標(biāo)準(zhǔn)》提供了一套經(jīng)批準(zhǔn)的要求、 建議和準(zhǔn)則， 可用于模型和仿真的開發(fā)， 并支持NASA 活動。

c）NASA-HDBK-7009 《NASA 建模和仿真手冊： NASA-STD-7009 實施指南》 主要針對如何在工作過程中使用NASA-STD-7009 進行說明。 NASA-HDBK-7009 針對建模的整個工作流程， 對每個階段的工作要求進行了詳細(xì)說明， 并給出大量示例。

4 結(jié)論與建議

綜上所述， ECSS 和NASA 在航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域建立了較為完整的標(biāo)準(zhǔn)， 近幾年在重點修訂標(biāo)準(zhǔn)， 無新增標(biāo)準(zhǔn)。 在結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)方面： 共有22 項標(biāo)準(zhǔn)， 覆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、 分析、 建模、 試驗驗證等多個階段。 近年來， 主要是修訂標(biāo)準(zhǔn)， 無新增標(biāo)準(zhǔn)， 這說明航天器結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)較為完整， 只需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展和工作需要， 對已有標(biāo)準(zhǔn)進行修訂， 即可滿足標(biāo)準(zhǔn)使用需求。 另一方面， 從2018年至今， ECSS 和NASA 從結(jié)構(gòu)安全性出發(fā)，對于長壽命 （國際空間站、 深空探測器等） 或重復(fù)使用的航天器， 重點開展了結(jié)構(gòu)斷裂控制相關(guān)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作， 更重視結(jié)構(gòu)安全性。根據(jù)我國航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展， 結(jié)合我國標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)現(xiàn)狀， 應(yīng)重點考慮針對長壽命航天器（空間站、 深空探測器）、 可重復(fù)使用航天器（如新飛船） 等， 開展結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估、 結(jié)構(gòu)損傷評估以及斷裂控制等標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。