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  应用科技  2017, Vol. 44 Issue (5): 52-56  DOI: 10.11991/yykj.201707001
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引用本文  

封宝华, 李西园. 新型航天器环境试验标准基线与剪裁研究[J]. 应用科技, 2017, 44(5), 52-56. DOI: 10.11991/yykj.201707001.
FENG Baohua, LI Xiyuan. Research on baseline and tailoring of new spacecraft environmental test standard[J]. Applied Science and Technology, 2017, 44(5), 52-56. DOI: 10.11991/yykj.201707001.

通信作者

封宝华, E-mail:fbhth@163.com

作者简介

封宝华(1984-), 男, 工程师

文章历史

收稿日期:2017-07-03
网络出版日期:2017-10-21
新型航天器环境试验标准基线与剪裁研究
封宝华, 李西园    
北京卫星环境工程研究所, 北京 100094
摘要:随着航天任务的多样化和复杂化,以深空探测着陆器、巡视器为代表的新型航天器的运行环境剖面复杂,与传统航天器面临的轨道环境存在很大差别,这也导致了深空探测器的任务成功率要远远低于一般航天器。在地面对新型航天器的功能、性能进行充分、有效的验证,筛除早期缺陷对航天器的地面试验提出了新的挑战。文中系统地整理了NASA《星座计划环境试验鉴定与验收要求》中新型航天器的试验方法,归纳了对于不同装配层级硬件的试验基线,并与通用航天器试验标准SMC-S-016《运载器上面级和航天器试验要求》开展了对标工作,对标准中的基线调整,新型试验手段和试验剪裁技术进行了归纳与分析,提出了对未来我国新型航天器试验方法的建议。
关键词航天器环境试验    标准    星座计划    基线    剪裁    
Research on baseline and tailoring of new spacecraft environmental test standard
FENG Baohua, LI Xiyuan    
Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China
Abstract: With the diversification and complication of the space missions, the operating environment of the new spacecraft represented by the lander and the rover for deep space exploration is complex. The orbit environment is very different from the traditional spacecraft, which leads to that the success rate of the deep space detector is much lower than the general spacecraft. It is a new challenge for the ground test to verify the function and performance sufficiently and effectively, as well as screen out the early defects. The new spacecraft test method in NASA Constellation Program Environmental Qualification and Acceptance Testing Requirements was systematically sorted, and the test baseline for different assembly levels of hardware was summarized in this paper. The benchmarking with SMC-S-016 Test Requirements for Launch, Upper-stage, and Space Vehicles was carried out. The baseline adjustment, new test method and the test tailoring technologies in the standard were summarized and analyzed, and the test method for our new spacecraft in future was suggested.
Key words: spacecraft environmental test    standard    constellation Program    baseline    tailoring    

为了在地面对新型航天器的功能、性能进行充分、有效的验证,航天器通常需要在地面进行一系列复杂的试验,许多机构均结合自有航天技术水平发展了相应的地面试验方法,形成了相应的试验标准,各个航天器试验标准中均体现了对其试验对象的充分、有效的验证方法。

美国国防部在1974年开始发展了MIL-STD-1540系列标准[1],SMC中心在其基础上发展了SMC-S-016系列标准[2],欧洲、日本、中国等宇航机构均发展了相应的自有试验标准[3-5],均为通用的航天器试验标准,适用于绝大多数航天器的地面试验。此外,为了应对新任务、新工艺等特殊需求,许多宇航机构还发展了针对特殊航天器、特殊试验类型的试验标准,如针对航天飞机的验证标准JST-SP-ST-023[6],针对国际空间站的鉴定和验收试验标准SSP 41172[7],针对星座计划的试验标准CxP 70036[8]等标准,这种试验标准一般面向对象更窄,基线等与通用试验标准存在差异[9]

“星座计划”是美国2004年提出的载人登陆月球、火星的计划,任务包含猎户座飞船(Orion)、战神-1运载火箭(Ares-Ⅰ)、战神-5运载火箭(Ares-Ⅴ)、上面级(earth departure stage,EDS)、牵牛星登陆器(Altair)等为代表的一系列新型运载器、上面级和航天器,具有一系列高新技术应用。针对星座计划的特殊性,为了在地面对新型的运载器、上面级和航天器进行有效地验证,2009年美国NASA制定了试验标准——CxP 70036《Constellation Program Environmental Qualification and Acceptance Testing Requirements》[9](简称CEQATR),即《星座计划环境鉴定和验收试验要求》。相对于NASA现在任务中主要参考的标准MIL-STD-1540/SMC-S-016,该标准存在很大区别。尽管星座计划已经于2010年被终止研究,但研究涉及的运载器、上面级和航天器均已接近工程模型,尤其对于猎户座飞船已经初步具备正样飞行件的研制能力,同时NASA也计划应用于后续型号研究中。CxP 70036《星座计划环境试验鉴定与验收要求》对于未来我国新型航天器的地面验证试验具有较高的参考价值。文中主要针对CEQATR标准中对航天器鉴定、验收试验的基线、剪裁方法进行了系统地讨论和分析,并归纳了标准中出现的新型试验类型,提出了我国未来特殊航天器的研制试验的技术路径。

1 试验基线

文中将CEQATR标准的试验基线与通用航天器的试验标准SMC-S-016标准进行了对比。SMC-S-016标准发布于2008年,由MIL-STD-1540E(草案TR-2004(8583)-1 REV A)[11]修订,并由SMC中心采纳为自有标准,在NASA诸多工程中已经代替MIL-STD-1540系列标准成为试验主要参考标准[12]

与现有标准中常见的系统级、分系统级、组件级划分不同,CxP 70036《星座计划环境鉴定和验收试验要求》将组装级别划分为组件与主要组合体。其中组件定义与SMC-S-016标准相同,均指可独立完成一定功能的产品;主要组合体指具有一定功能,可完成系统级任务要求的物理实体,可以指一个飞船乘员舱、猎户座飞船整体、飞船火箭组合体及任何可完成一定任务复杂硬件设备[13]

CxP 70036标准分为通用试验要求和方针、组件试验基线、主要组合体试验基线、再试验要求和方针等部分。以鉴定级试验为例,表 1为星座计划组件鉴定试验基线。其中,R为需要进行的试验项目,ER为需要根据预算或具有中重大技术风险的复杂主要组合体试验进行评估,ER为需要进行评估,“-”表示一般不需要进行的试验。

表 1 星座计划组件鉴定试验基线

表中↓指试验的要求降低(如R至ER,或ER至-),↑指试验的要求提升(如ER至R,或-至ER),↑↑指试验要求大幅提升(-至R),↓↓指试验要求大幅降低(R至-),*为试验项目的归类发生变化,**为新增加的试验项目。相比SMC-S-016标准,CEQATR具有如下的新特点:1)试验项目存在较大变化,删除了SMC-S-016中的爆炸压力试验和静力载荷试验,由CxP 70135《Constellation Program Structural Design and Verification Requirements.》标准单独规定;2)在SMC-S-016中“振动或噪声试验”算作一类试验,而CEQATR将随机振动、正弦振动、噪声试验分别制定基线,与MIL-STD-1540C接近;3)增加了热梯度试验和泄复压试验,为了验证产品在正常设计温度内存在温度梯度的工作情况,主要针对对接机械设备具有较低容差的高精密组件或光学组件,通过热梯度试验模拟系统在极端温度梯度下的工作能力验证工作性能;泄复压试验与SMC-S-016中的压力试验目标不同,主要针对载人航天器工作中的多次泄压和复压过程,验证组件在多次压力循环中的工作性能。

同理,对于验收级试验,CEQATR中的试验基线如表 2所示。

表 2 星座计划组件验收试验基线

表 2所示CEQATR基线增加了引燃易燃气体试验和耐氧试验,其中耐氧试验作为空间站常用试验项目,在SSP41172也有提及。同时,验收试验基线亦包括了热梯度试验和泄复压试验。

图 1分别为组件鉴定、验收级试验中基线变化项的统计。

图 1 试验基线调整统计(鉴定/验收)

图 1中可见,在组件级试验基线中,30%~50%的基线变化项均为新增加的试验类型,说明了随着航天器需求与设计的发展亦带来了对试验需求的牵引,需要新型试验技术对航天器进行有效的验证;同时,随着技术发展部分试验类型对新的组件已经不具有故障筛除作用,或部分试验恶意实现对新型组件的筛查作用,也导致了基线的小幅度调整。

对于系统级鉴定与验收试验基线,如表 3所示。

表 3 星座计划组件验收试验基线

相对于SMC-S-016标准,CEQATR标准的主要特点包括:1)对应试验对象由SMC-S-016的运载器、上面级、航天器变为地球运载器组合体、月球/火星表面组合体、空间组合体,其中上面级(主要为星座计划EDS上面级)由于需要在轨工作时间较长也归入空间组合体;同时,由于月球/火星组合体与通常航天器所处轨道环境有较大区别,故需要单独列出;2)标准中无模态、EMC等试验(由CxP 70135及CxP 70080/CxP 70141规定),同时增了耐氧、气候试验、高量级振动试验,其中高量级振动接近于正弦振动试验,在鉴定试验中,主要用于考验系统在经受典型的低频瞬态、稳态正弦环境中及经受相应环境后,功能、性能是否满足需求的能力;在验收级试验中,主要起到环境应力筛选的作用,用于暴露声试验所不能暴露的早期缺陷;3)相对于SMC-S-016标准基线,CEQATR的验收试验基线较为宽松,以空间组合体为例(包括航天器等)的验收级试验中仅有功能/性能测试、检漏试验为必须进行(R),如热真空试验、振动试验等均为ER*,即需要根据预算或具有重大技术风险的复杂主要组合体试验进行评估,即标准的灵活性较大。

2 试验剪裁

在各个标准中,试验基线是基于“适中风险”的分析结果,然而硬件开发者往往需要对试验的具体实施做出优化或调整,此类对基线的优化或调整即是“剪裁”。典型的试验剪裁包括对热试验循环数调整[14-15]、以常压试验替代热真空试验[16]等,任何剪裁均会带来潜在的技术风险。与SMC-S-016等标准不同,CEQATR标准对试验剪裁过程进行了详细的定义与规范。标准认为进行试验基线的剪裁前应当尝试通过改进试验能力的方法来解决问题,其次是规避不适当的试验,不适当的试验可能对试件产生过多的风险。剪裁包括3个要素:风险评估、文档、签署级别。

风险评估  星座计划中的风险评估主要使用5×5矩阵进行,其中横竖轴分别表示评估的风险可能性及风险发生的危害程度,其应该由5个团队独立进行:硬件开发者、NASA对口项目办(The responsible NASA project engineering office)、相关中心工程技术权威分系统(The responsible center engineering technical authority subsystem manager)、环境试验学科专家组(An expert practitioner of the environmental test discipline)、安全、可靠性、产品保证代表(A safety, reliability, and quality assurance (SR&QA) representative)。当各方无法达到意见一致时,应将被讨论修改的试验基线上升等级,如图 2,直到在独立评定中达成一致为止。

图 2 航天器试验剪裁流程

文档  硬件开发者需要为各级别硬件试验验证提供“试验验证需求”(test verification requirement,TVR,由CxP 70008规定)。当需要进行试验剪裁时,硬件开发者应该将风险评定结果和其他工程上的考虑因素形成试验需求评估报告(test requirement evaluation report,TRER),报告中至少应包括:1)设备对环境的物理响应情况(响应可分类为由于环境而暴露的材料性质变化或性能变化);2)设备全寿命周期中可能暴露的最严酷环境;3)包含了环境及硬件历史数据的建模模型准确程度;4)设备的重要程度;5)及时识别和应对任何环境引起的故障的能力;6)降低设备失效风险的手段,如冗余、备份等;7)评估冗余设备是否失效;8)在轨维护或更换能力及相关风险的审查;9)发现其他环境验收试验中不能暴露的早期失效的能力;10)开展试验所带来的经费及进度影响。

对于R类型(必须进行的试验项目)的裁剪,将需要硬件开发者签订“CxP程序偏离单”(CxP Program Deviation,在CxP 70073-1中规定),偏离的实施及相应数据应当包括在硬件TVR文档中;对于非R项目的剪裁,需要准备包括所有剪裁方面的决策数据包(decision package,DP,CxP 70013“星座计划系统工程管理计划”中规定),偏离的实施及相应数据应当包括在硬件TVR文档中。

签署级别  风险评估为高风险(红色)及评估大型试验为中度风险(黄色)的由系统工程控制管委会(Systems Engineering Control Board)批准;风险评估为中风险(黄色)及评估大型试验为低度风险(绿色)的由工程主管或权威代表(Level Ⅲ Project Manager or delegated authority)批准;风险评估为低风险(绿色)的由硬件工程技术中心(Center engineering technical authority for the hardware category)批准。

此外,在CEQATR中提出了航天器研制验证的替代流程,引入了高加速寿命试验(HALT)与高加速应力筛选(HASS)试验,并提到“对于电工电子器件、组件、部件应该评估是否进行(即ER)进行高加速试验(HALT),并可以通过高加速环境应力筛选(HASS)在不损坏试件的基础上对试件进行检验,HALT/HASS对于暴露试件的潜在缺陷具有更优的环境应力筛选能力”。当使用高加速试验时,应具有如下能力:1)具有可在当前环境运行的HALT设备(室内或室外实验室环境);2)六轴振动台具有35 Grms能力;3)常压热循环设备应该具有-80~170 ℃,温升速度不小于45 ℃/min;4)需要具有足够手段在高加速试验中监测试件状态参数;5)需要设备能监视设备的功能测试数据;6)具有能对试件供电、监视的能力;7)快速故障树分析和设计团队,可快速对故障进行鉴别。但标准中并未对试验参数进行具体规定。

3 结束语

从CEQATR标准可以看出,其已经与美国通用试验标准SMC-S-016存在很大的区别,具有更强的针对性,对我国未来航天器试验标准的发展具有重要的参考价值。

1) 参照国外标准发展,形成通用标准+专用标准相结合的航天器试验标准体系。随着航天技术的发展,我国航天器也出现了分化的趋势,各种完全不同的航天器存在截然不同的特性。例如试验中我国飞船等系统级试验的参数选取与我国常用标准存在区别,诸如此类目前尚无其他专用标准作为试验支撑的情况,应当参照国外标准发展制定相应航天器试验标准体系。

2) 开展试验基线与试验剪裁技术研究。目前我国主要的试验标准中基线基本来源于美国MIL-STD-1540B/C,然而随着20年的发展,试验基线已经产生了很大的变化;同时,随着航天型号的发展,也出现了诸多很难直接进行试验模拟的产品,凸显了试验剪裁技术的重要性。

3) 开展新型试验技术研究,诸如热梯度试验、高量级振动、HALT/HASS等新型试验技术,其对于未来我国新型航天器的地面验证过程具有较高的参考价值。

参考文献
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