面向低成本微納衛(wèi)星的快速試驗(yàn)體系研究

楊曉寧，楊 勇，王 晶，劉守文，樊世超

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2. 機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

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面向低成本微納衛(wèi)星的快速試驗(yàn)體系研究

楊曉寧1, 2，楊 勇1, 2，王 晶1, 2，劉守文1, 2，樊世超1, 2

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所；2. 機(jī)電產(chǎn)品環(huán)境可靠性試驗(yàn)技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：北京 100094）

摘要：文章結(jié)合微納衛(wèi)星典型特點(diǎn)，分析了由此帶來(lái)的試驗(yàn)新需求；對(duì)比傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和即將發(fā)布的國(guó)外微納衛(wèi)星試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案，提出在充分繼承傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)技術(shù)成果基礎(chǔ)上，針對(duì)國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀，兼顧靈活性和COTS（commercial off-the-shelf）產(chǎn)品可靠性保證需求，構(gòu)建國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系的總體思路。

關(guān)鍵詞：微納衛(wèi)星；低成本；快速交付；試驗(yàn)體系；COTS產(chǎn)品

0 引言

微納衛(wèi)星是近年來(lái)快速發(fā)展的新一代衛(wèi)星，通常是指以支持各類新技術(shù)驗(yàn)證與應(yīng)用為主要任務(wù)目標(biāo)，采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范、創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念以及新的技術(shù)，同時(shí)還大量應(yīng)用COTS產(chǎn)品、工業(yè)技術(shù)和微小型化產(chǎn)品等的一類衛(wèi)星。微納衛(wèi)星是航天器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，在對(duì)地觀測(cè)、通信、新技術(shù)驗(yàn)證、科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，已顯示出良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。對(duì)微納衛(wèi)星的分類主要采用英國(guó)薩瑞衛(wèi)星技術(shù)公司（SSTL）提出的方法（見(jiàn)表1）[1]，包括10～100kg的微小衛(wèi)星和1～10kg的納衛(wèi)星。

微納衛(wèi)星具有功能密度高、智能化、成本低廉、研制周期短、可批量化生產(chǎn)測(cè)試等特點(diǎn)，具備機(jī)動(dòng)靈活發(fā)射、星群自主運(yùn)行、大規(guī)模裝備、星群協(xié)同應(yīng)用、能靈活重構(gòu)和系統(tǒng)健壯性較強(qiáng)等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但與傳統(tǒng)衛(wèi)星一樣，微納衛(wèi)星在全壽命周期內(nèi)將面臨復(fù)雜環(huán)境及效應(yīng)的考驗(yàn)，因此亦需要結(jié)合任務(wù)特點(diǎn)和衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)，有針對(duì)性地開(kāi)展有效的試驗(yàn)。

表1　衛(wèi)星分類表Table 1 Classification of satellites by size and scale

對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星的研制而言，為了確保衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命和高可靠的要求，需要投入大量的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間，其中包括不菲的試驗(yàn)開(kāi)銷[2]。

微納衛(wèi)星具有低成本、快速交付和一體化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，仍采用傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)體系開(kāi)展試驗(yàn)工作將與任務(wù)目標(biāo)不匹配，需要開(kāi)展專門適用的試驗(yàn)體系研究，但這種研究并不意味著對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星試驗(yàn)體系進(jìn)行簡(jiǎn)單刪減以滿足要求即可。因此，在國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星發(fā)展初期，需要同步系統(tǒng)地開(kāi)展面向低成本微納衛(wèi)星的高效試驗(yàn)體系研究，以指導(dǎo)后續(xù)試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)突破。這不僅可有效避免先發(fā)展產(chǎn)品技術(shù)后補(bǔ)試驗(yàn)的被動(dòng)局面，而且可為微納衛(wèi)星快速、可靠形成實(shí)際應(yīng)用能力提供支撐。

1 微納衛(wèi)星特點(diǎn)及發(fā)展動(dòng)態(tài)

1.1英國(guó)薩瑞公司（SSTL）系列衛(wèi)星

創(chuàng)建于1978年的英國(guó)薩瑞公司是著名的微納衛(wèi)星研制機(jī)構(gòu)，其發(fā)展軌跡和經(jīng)驗(yàn)對(duì)于分析微納衛(wèi)星特點(diǎn)、構(gòu)建面向工程應(yīng)用的微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系具有借鑒價(jià)值。薩瑞公司重視建立“完整的內(nèi)部能力”，為此建立了獨(dú)立的設(shè)備研制體系和試驗(yàn)設(shè)施，其中包括振動(dòng)和熱真空試驗(yàn)室。公司創(chuàng)始人馬克·斯維廷最初想到的低成本化手段就是基于COTS產(chǎn)品的衛(wèi)星研制技術(shù)。一方面，薩瑞公司通過(guò)初期幾顆微納衛(wèi)星持續(xù)開(kāi)展空間軌道環(huán)境測(cè)量工作；另一方面，逐步將經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)驗(yàn)證的先進(jìn)設(shè)備投入在軌飛行試驗(yàn)。

通過(guò)持續(xù)技術(shù)積累，薩瑞公司逐步掌握了基于COTS的微納衛(wèi)星研制技術(shù)，通過(guò)合理分析和試驗(yàn)，確保衛(wèi)星產(chǎn)品可以滿足航天應(yīng)用要求，不僅實(shí)現(xiàn)了低成本、短研制周期目標(biāo)，還保證了衛(wèi)星可靠性。該公司在微納衛(wèi)星的研制歷程中并非一帆風(fēng)順，盡管基于COTS技術(shù)研制的第一顆微納衛(wèi)星UoSAT-1（見(jiàn)圖1）獲得了巨大成功，但之后的發(fā)展卻出現(xiàn)了一些事故：1990年1月22日發(fā)射數(shù)天后的UoSAT-4（見(jiàn)圖2）與地面失去聯(lián)系，究其原因是由于低氣壓放電導(dǎo)致下行鏈路轉(zhuǎn)發(fā)器失效；后續(xù)又有幾顆衛(wèi)星由于總劑量效應(yīng)導(dǎo)致器件失效而被迫退役，例如S80/T衛(wèi)星（見(jiàn)圖3）。

圖1　UoSAT-1 衛(wèi)星Fig. 1 UoSAT-1 satellite

圖2　UoSAT-4 衛(wèi)星Fig. 2 UoSAT-4 satellite

圖3　S80/T 衛(wèi)星Fig. 3 S80/T satellite

總的來(lái)看，薩瑞公司的微納衛(wèi)星的研制歷程，對(duì)于構(gòu)建微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系具有以下啟示[3]：

1）初期持續(xù)開(kāi)展軌道空間環(huán)境測(cè)量工作，以獲取第一手環(huán)境數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)設(shè)計(jì)，避免過(guò)于保守的空間輻射防護(hù)指標(biāo)影響器件和材料選擇的靈活性。

2）地面試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌飛行試驗(yàn)緊密結(jié)合，針對(duì)經(jīng)過(guò)地面應(yīng)用驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，逐步開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3）以商業(yè)技術(shù)的高性能換取衛(wèi)星的高可靠，不斷嘗試商業(yè)技術(shù)的航天應(yīng)用。積極開(kāi)展豐富的商業(yè)技術(shù)空間化的地面驗(yàn)證，并擇機(jī)開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)，從而保證微納衛(wèi)星技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。

4）質(zhì)量控制除了依靠合理設(shè)計(jì)和制造過(guò)程控制以外，還需要高效的試驗(yàn)、檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。應(yīng)建造專門用于衛(wèi)星部組件研制及元器件質(zhì)量控制的設(shè)施，配備專門試驗(yàn)設(shè)備。

1.2試驗(yàn)微納衛(wèi)星系列

試驗(yàn)微納衛(wèi)星系列（XSS）是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）、空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心、海軍研究實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展的一個(gè)研究項(xiàng)目。1999年10月到2000年11月，波音公司負(fù)責(zé)制造XSS-10微納衛(wèi)星，并進(jìn)行了性能與功能測(cè)試。XSS-10是一個(gè)半自主航天器，采用三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制方式，其為圓柱形，直徑38.1cm，長(zhǎng)81.28cm，凈重26.98kg，發(fā)射質(zhì)量約為30.26kg，具體外形如圖4所示。

圖4　XSS-10微納衛(wèi)星示意圖Fig. 4 XSS-10 micro/nano satellite

XSS-10衛(wèi)星由AFRL航天工程部進(jìn)行飛行前的綜合測(cè)試和試驗(yàn)。其主要測(cè)試和試驗(yàn)項(xiàng)目包括相機(jī)功能/性能試驗(yàn)、EMC試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)、熱真空和熱循環(huán)試驗(yàn)、質(zhì)心測(cè)試、慣量矩測(cè)試、衛(wèi)星與“德?tīng)査?”火箭的集成測(cè)試等，其中集成測(cè)試包括多項(xiàng)功能測(cè)試、射頻兼容性測(cè)試、燃料添加和耐壓測(cè)試、充液狀態(tài)下衛(wèi)星重心和慣量矩測(cè)試等。

1.3微納衛(wèi)星應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)Space Works公司每年定期發(fā)布《微納衛(wèi)星市場(chǎng)預(yù)測(cè)》報(bào)告。2013年的報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，有超過(guò)一半以上的微納衛(wèi)星是由大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)研制，60%的微納衛(wèi)星用于技術(shù)驗(yàn)證，這是由微納衛(wèi)星成本低、短周期的特點(diǎn)所決定的[4]。隨著技術(shù)成熟和微納衛(wèi)星性能不斷提升，技術(shù)驗(yàn)證的比例將會(huì)逐漸降低，取而代之地將更多地向裝備化、業(yè)務(wù)化方向發(fā)展，在科學(xué)、對(duì)地觀測(cè)和偵察任務(wù)中取得廣泛應(yīng)用，這展現(xiàn)了微納衛(wèi)星應(yīng)用的良好前景。

在2014年報(bào)告中，根據(jù)微納衛(wèi)星的任務(wù)目標(biāo)將其分為技術(shù)試驗(yàn)、通信、對(duì)地觀測(cè)/遙感、科學(xué)和偵察5類。數(shù)據(jù)顯示，2014年—2016年間微納衛(wèi)星主要用于執(zhí)行特定任務(wù)，其中對(duì)地觀測(cè)和遙感占市場(chǎng)總額一半以上；2014年—2020年，全球?qū)l(fā)射2000～2750顆微納衛(wèi)星（1～50kg）[5]。根據(jù)Space Works的2015年最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年全球已經(jīng)發(fā)射了158顆微納衛(wèi)星（1～50 kg）[6]，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖5和圖6。

圖5　微納衛(wèi)星（1～50 kg）發(fā)射歷史數(shù)量和預(yù)測(cè)數(shù)量Fig. 5 Micro/nano satellite launch history and future programs

圖6　微納衛(wèi)星的任務(wù)目標(biāo)統(tǒng)計(jì)Fig. 6 Mission goals proposed for micro/nano satellites

由于空間輻射環(huán)境影響，傳統(tǒng)的星載處理系統(tǒng)采用特殊抗輻射加固處理的宇航級(jí)處理器。與COTS器件相比，這些抗輻射加固處理器件普遍存在性能上的落后。一般地，宇航級(jí)器件性能落后于COTS器件1～2代。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)展了COTS器件空間應(yīng)用技術(shù)的深入研究，包括器件的篩選、機(jī)電熱設(shè)計(jì)、抗輻射設(shè)計(jì)、測(cè)試驗(yàn)證等，隨著COTS器件性能的進(jìn)一步提升和在空間應(yīng)用的發(fā)展，其在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用將更加廣泛。

2 微納衛(wèi)星試驗(yàn)需求分析

2.1新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)的試驗(yàn)需求

微納衛(wèi)星采用一體化設(shè)計(jì)、多功能結(jié)構(gòu)（MFS）、模塊化等技術(shù)，打破了傳統(tǒng)機(jī)、電、熱界限，實(shí)現(xiàn)互相融合、高度集成。多功能結(jié)構(gòu)不僅具備承載的功能，同時(shí)還兼有傳輸電能、信息、熱控制等功能，是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、降低成本的重要技術(shù)手段。美國(guó)“戰(zhàn)術(shù)成像納衛(wèi)星彈性低成本、持續(xù)地球覆蓋”項(xiàng)目（TINYSCOPE）中的微納衛(wèi)星以及XSS-10衛(wèi)星充分體現(xiàn)了有效載荷與整星一體化設(shè)計(jì)思想[7-8]，見(jiàn)圖7和圖8。

圖7　TINYSCOPE單星結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Configurations of TINYSCOPE

圖8　XSS-10衛(wèi)星Fig. 8 XSS-10 micro satellite

結(jié)構(gòu)本身承受載荷的能力要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。安裝在結(jié)構(gòu)上的設(shè)備在發(fā)射段所經(jīng)歷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境直接與結(jié)構(gòu)有關(guān)，也關(guān)系到設(shè)備試驗(yàn)條件的制定。微納衛(wèi)星新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)必然帶來(lái)新的試驗(yàn)需求：傳統(tǒng)按裝配層級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)劃分的思路需要進(jìn)行調(diào)整，中間裝配層級(jí)的試驗(yàn)向兩端（系統(tǒng)級(jí)、部件級(jí)）轉(zhuǎn)移，部件級(jí)試驗(yàn)應(yīng)加強(qiáng)；多環(huán)境應(yīng)力綜合（力、熱、電等）試驗(yàn)可極大提高效率、節(jié)省成本。

2.2新發(fā)射方式對(duì)試驗(yàn)的需求

傳統(tǒng)衛(wèi)星在制定力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目和條件時(shí)，主要考慮衛(wèi)星所經(jīng)歷的發(fā)射段嚴(yán)酷動(dòng)力學(xué)環(huán)境。而微納衛(wèi)星發(fā)射主要通過(guò)一箭多星、搭載等方式發(fā)射，新的發(fā)射模式必然對(duì)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證提出新的要求[9]。

在微納衛(wèi)星中90%的立方體衛(wèi)星采用P-POD （Poly-Picosatellite orbital deployer）發(fā)射部署，見(jiàn)圖9。衛(wèi)星在P-POD保護(hù)下被安全發(fā)射，為其內(nèi)所攜帶的衛(wèi)星和其外的運(yùn)載及主載荷提供隔離，保護(hù)衛(wèi)星安全經(jīng)歷苛刻的發(fā)射段環(huán)境。衛(wèi)星設(shè)計(jì)者只需要遵循P-POD設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行納星設(shè)計(jì)即可滿足安全發(fā)射需求，無(wú)須考慮運(yùn)載器具體型號(hào)的多樣性。運(yùn)載器研制方可將P-POD集成封裝的多個(gè)衛(wèi)星視為一個(gè)整體載荷，無(wú)須逐一考慮其適配性。

圖9　P-POD外觀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig. 9 P-POD configurations

一箭多星、在軌釋放等發(fā)射方式使微納衛(wèi)星面臨的發(fā)射段動(dòng)力學(xué)環(huán)境與傳統(tǒng)衛(wèi)星不同，因此力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)須有差別。此外，在多星發(fā)射模式下，需要多星同步開(kāi)展研制，使得多星組批試驗(yàn)需求凸顯出來(lái)，這將涉及用于多星組批試驗(yàn)的通用輔助力學(xué)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及試驗(yàn)方法的研究。

2.3星座部署模式對(duì)試驗(yàn)的需求

微納衛(wèi)星單星體積小、功能單一、成本低，但多星組成星座后可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)衛(wèi)星無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能，在實(shí)際應(yīng)用中微納衛(wèi)星也多以星座形式部署使用。圖10和圖11給出了EDSN星座示意圖和SkySat星座概念圖。星座部署模式需要批量化研制，更強(qiáng)調(diào)短周期、低成本，多星并行試驗(yàn)、測(cè)試成為必然選擇。微納衛(wèi)星數(shù)量上的突破使得差異化試驗(yàn)策略具備實(shí)施條件：首顆試驗(yàn)星可開(kāi)展全面研制試驗(yàn)，后續(xù)星選擇性開(kāi)展環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)，縮減環(huán)境適應(yīng)性確認(rèn)試驗(yàn)或者抽樣進(jìn)行試驗(yàn)也成為可能[10]。

此外，通過(guò)快速補(bǔ)充發(fā)射新衛(wèi)星替換失效衛(wèi)星保證星座正常運(yùn)行，克服了傳統(tǒng)大衛(wèi)星發(fā)射后無(wú)法迅速修復(fù)的短板，客觀上降低了對(duì)單星的復(fù)雜性、可靠性和壽命要求。對(duì)試驗(yàn)而言，即意味著可以20%的付出滿足80%的試驗(yàn)需求，在試驗(yàn)項(xiàng)目選擇、試驗(yàn)條件制定上具備更大的靈活度。

圖10　EDSN星座示意圖Fig. 10 Conceptual drawing of EDSN

圖11　SkySat星座概念圖Fig. 11 Conceptual drawing of SkySat

微納衛(wèi)星數(shù)量的急劇增加和成本的優(yōu)勢(shì)使得發(fā)射專門的新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星成為可能，為新技術(shù)、新產(chǎn)品提供在軌飛行試驗(yàn)機(jī)會(huì)變得更具成本優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)形成慣例，每年發(fā)射一批甚至幾批新技術(shù)試驗(yàn)微納衛(wèi)星。通過(guò)在軌飛行試驗(yàn)，可以大大減少地面模擬試驗(yàn)，而且獲得比地面試驗(yàn)更真實(shí)有效的結(jié)果。

2.4COTS產(chǎn)品應(yīng)用帶來(lái)的試驗(yàn)需求

COTS產(chǎn)品主要是相對(duì)于航天技術(shù)產(chǎn)品而言，由于地面應(yīng)用時(shí)不需要考慮苛刻的環(huán)境適應(yīng)性與抗輻射防護(hù)，其在性能、體積、重量、價(jià)格上具有很大優(yōu)勢(shì)。微納衛(wèi)星通過(guò)大量采用COTS產(chǎn)品，使衛(wèi)星研制周期大幅度縮短、研制成本降低。美國(guó)國(guó)防部的微納衛(wèi)星理念是：在確保可靠性的前提下最大限度地使用COTS產(chǎn)品和成熟經(jīng)驗(yàn)及工藝。

要使COTS產(chǎn)品成功應(yīng)用到空間任務(wù)，必須解決空間環(huán)境適應(yīng)性和可靠性問(wèn)題，因?yàn)檫@些問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星可靠性和壽命。相對(duì)于軍用宇航級(jí)器件，COTS 器件通常工作溫度范圍很窄，大多是塑料封裝（PEM），而且其設(shè)計(jì)、材料、芯片、生產(chǎn)過(guò)程控制的可追溯性很差，故在航天領(lǐng)域應(yīng)用時(shí)應(yīng)側(cè)重于對(duì)其進(jìn)行熱和空間輻射環(huán)境的試驗(yàn)驗(yàn)證。圖12給出截至2009年5月全球發(fā)射的94顆皮納衛(wèi)星發(fā)射成功率統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果[11]。從中可以看出，即使排除運(yùn)載火箭發(fā)射失敗的因素，完全成功的比例也僅為48%，這與衛(wèi)星大量采用商用器件和新技術(shù)有關(guān)。

圖12　皮納衛(wèi)星任務(wù)成功率統(tǒng)計(jì)Fig. 12 Mission success rate of pico/nano satellites

若干統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，微納衛(wèi)星與傳統(tǒng)大型/中型衛(wèi)星相比在入軌初期有較高的失效率[12]。衛(wèi)星的設(shè)計(jì)或制造缺陷在發(fā)射前的試驗(yàn)過(guò)程中將表現(xiàn)為早期失效。因此，有必要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品固有缺陷，從而采取措施預(yù)防早期失效，提高衛(wèi)星在軌長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的概率。部分微納衛(wèi)星實(shí)例證明，盡管衛(wèi)星大量使用了COTS產(chǎn)品，但這些衛(wèi)星能夠在軌運(yùn)行5年或更長(zhǎng)時(shí)間。

2.5對(duì)仿真分析、虛擬試驗(yàn)的需求

在傳統(tǒng)衛(wèi)星50多年的發(fā)展過(guò)程中，仿真分析、虛擬試驗(yàn)技術(shù)得到極大發(fā)展，在一定程度上部分替代了物理試驗(yàn)。與物理試驗(yàn)相比，仿真分析、虛擬試驗(yàn)等手段具有成本低、狀態(tài)易控制、重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，這符合微納衛(wèi)星低成本、快速交付的需求。

當(dāng)然，采用仿真分析、虛擬試驗(yàn)手段代替物理試驗(yàn)有一定的前提條件。首先，用于仿真分析、虛擬試驗(yàn)的軟件工具須功能強(qiáng)大，試驗(yàn)流程清晰；其次，微納衛(wèi)星本身須結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，誤差源少，傳遞路徑短，使得仿真分析更容易實(shí)施；最后，已有大量設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、仿真分析和物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累，為仿真分析模型修正提供了很好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。用仿真分析和虛擬試驗(yàn)替代物理試驗(yàn)，可以采取的策略包括：1）直接替代部分物理試驗(yàn)，對(duì)有先驗(yàn)知識(shí)作支撐、能開(kāi)展仿真分析的可不進(jìn)行物理試驗(yàn)；2）屬于首次設(shè)計(jì)的技術(shù)狀態(tài)既要進(jìn)行仿真分析，也要進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證，但可以適當(dāng)簡(jiǎn)化物理試驗(yàn)。

3 不同類型衛(wèi)星試驗(yàn)體系比較

微納衛(wèi)星的研制模式，包括試驗(yàn)驗(yàn)證模式，相比傳統(tǒng)衛(wèi)星而言發(fā)生了革命性變化。通過(guò)分析傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和正在編制過(guò)程中的體現(xiàn)微納衛(wèi)星低成本、快速交付思想的ISO標(biāo)準(zhǔn)草案，對(duì)于制定國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系具有較高的借鑒價(jià)值。

3.1GJB 1027A—2005概況

GJB 1027A—2005《運(yùn)載器上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》是指導(dǎo)當(dāng)前傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)工作的頂層標(biāo)準(zhǔn)，基本上構(gòu)建了我國(guó)傳統(tǒng)航天器試驗(yàn)體系的框架。當(dāng)初制定該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，大量參考或借鑒了國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)領(lǐng)域的研究成果[13]。

GJB 1027A—2005為運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器制定一項(xiàng)貫穿于整個(gè)研制過(guò)程的、經(jīng)濟(jì)有效的試驗(yàn)計(jì)劃提供了依據(jù)和指導(dǎo)，目的是通過(guò)該試驗(yàn)計(jì)劃規(guī)定的鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)使它們的設(shè)計(jì)和制造質(zhì)量得到有效的驗(yàn)證，從而保證成功完成預(yù)定飛行任務(wù)的高概率，滿足合同規(guī)定的性能和壽命要求。整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大致梗概如下：

1）試驗(yàn)范疇：涵蓋了功能/性能試驗(yàn)、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、環(huán)境效應(yīng)模擬試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)等。

2）試驗(yàn)階段：涵蓋了方案論證階段、初樣階段和正樣階段的試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)類別：包括研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)、出廠前合格認(rèn)證試驗(yàn)、發(fā)射前合格認(rèn)證試驗(yàn)。

4）試驗(yàn)對(duì)象裝配層級(jí)：包括組件級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。

在MIL-STD-1540、ECSS-E-10-03等國(guó)外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中將環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)視為統(tǒng)一的試驗(yàn)，GJB 1027A—2005也反映了同樣的思想[13]：解決衛(wèi)星可靠性問(wèn)題，主要通過(guò)研制試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)。從試驗(yàn)?zāi)康膩?lái)看，方案和初樣階段的研制試驗(yàn)主要是驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)，解決產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性，提高產(chǎn)品固有可靠性。正樣階段的驗(yàn)收試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)產(chǎn)品適飛能力，驗(yàn)證產(chǎn)品的系統(tǒng)匹配性，提高產(chǎn)品使用可靠性。

3.2微納衛(wèi)星ISO試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)草案

日本NETS（Nanosatellite Environment Test Standardization）于2012年3月，組織籌劃編寫(xiě)微納衛(wèi)星試驗(yàn)ISO標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)質(zhì)量小于50kg、外形尺寸小于50cm的微納衛(wèi)星，體現(xiàn)微納衛(wèi)星低成本、快速交付的特點(diǎn)，強(qiáng)調(diào)通過(guò)試驗(yàn)手段提高衛(wèi)星可靠性。

在尚未公開(kāi)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)草案中，編制組介紹了制定該標(biāo)準(zhǔn)的思路和目標(biāo)。總的目標(biāo)是制定適用于微納衛(wèi)星的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，既要保證試驗(yàn)費(fèi)用可接受，又能保證衛(wèi)星具有足夠的可靠性。具體目標(biāo)是通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行，改進(jìn)試驗(yàn)要求和方法，提高產(chǎn)品可靠性，暴露潛在缺陷，排除早期失效，提高在軌工作的可靠性，與此同時(shí)還不能阻礙新技術(shù)在微納衛(wèi)星上的應(yīng)用。以上同樣也是構(gòu)建國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系的目標(biāo)。

標(biāo)準(zhǔn)草案中提出了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的2個(gè)途徑。一個(gè)是對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理的剪裁。在50多年的航天工程實(shí)踐過(guò)程中已經(jīng)建立了較完備的傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，這種體系的顯著特點(diǎn)是高可靠和高成本，而高成本顯然不符合微納衛(wèi)星的試驗(yàn)需求。另一個(gè)途徑是通過(guò)創(chuàng)新，建立符合微納衛(wèi)星需求的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是繼承還是創(chuàng)新，都離不開(kāi)對(duì)微納衛(wèi)星及其部組件產(chǎn)品開(kāi)展基礎(chǔ)性研究工作。

通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)衛(wèi)星與微納衛(wèi)星ISO標(biāo)準(zhǔn)草案中鑒定試驗(yàn)、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)基線，可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)基線中的試驗(yàn)項(xiàng)目以R（要求的）為主，較多為強(qiáng)制性；微納衛(wèi)星以ER（經(jīng)評(píng)價(jià)要求的）為主，偏向?yàn)榭蛇x擇性，使得標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用過(guò)程中具有較大的靈活性，見(jiàn)圖13和圖14。在ISO標(biāo)準(zhǔn)提案中也說(shuō)明了具體微納衛(wèi)星試驗(yàn)的選擇有賴于開(kāi)發(fā)者的經(jīng)驗(yàn)。

圖13　傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)基線統(tǒng)計(jì)Fig. 13 Test baseline of traditional satellites

圖14　微納衛(wèi)星試驗(yàn)基線統(tǒng)計(jì)Fig. 14 Test baseline of mico/nano satellites

4 國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系建設(shè)思路

在建立面向低成本微納衛(wèi)星高效試驗(yàn)體系時(shí)，應(yīng)充分考慮國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)。與國(guó)內(nèi)相比，國(guó)外微納衛(wèi)星發(fā)展時(shí)間較長(zhǎng)，大量工業(yè)部門參與微納衛(wèi)星研制，具有較好的工業(yè)基礎(chǔ)，已經(jīng)建立較完備的工作流程。國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星研制單位技術(shù)實(shí)力差別較大，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件管理、工藝管理、質(zhì)量過(guò)程控制等有待完善，試驗(yàn)仍然是很重要的質(zhì)量把關(guān)手段之一。因此，在發(fā)展之初有必要建立統(tǒng)一、全面的試驗(yàn)要求，確保微納衛(wèi)星快速試驗(yàn)體系適用于微型衛(wèi)星（10～100kg）、納衛(wèi)星（1～10kg），涵蓋部件、組件、整星級(jí)產(chǎn)品，包括方案論證、初樣研制和正樣研制階段的研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)。

1）要充分借鑒國(guó)內(nèi)外微納衛(wèi)星、傳統(tǒng)衛(wèi)星試驗(yàn)成果

通過(guò)對(duì)比分析表明，ISO標(biāo)準(zhǔn)整體架構(gòu)與國(guó)內(nèi)衛(wèi)星研制程序、試驗(yàn)管理模式一致，同時(shí)具有一定的先進(jìn)性，具有很好的借鑒意義。國(guó)內(nèi)在衛(wèi)星試驗(yàn)體系所涉及的定量環(huán)境預(yù)示、環(huán)境試驗(yàn)條件制定、試驗(yàn)剪裁、試驗(yàn)管理等方面開(kāi)展了大量工作，特別是在“十一五”、“十二五”期間，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星研制任務(wù)急劇增加，在衛(wèi)星試驗(yàn)領(lǐng)域積累了大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這為建立微納衛(wèi)星試驗(yàn)體系奠定了很好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2）制定合理的試驗(yàn)剪裁策略，以保證試驗(yàn)體系更具有實(shí)用性

針對(duì)具體型號(hào)的試驗(yàn)剪裁是在有限的經(jīng)費(fèi)和周期條件下保證產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要手段。不同型號(hào)的使用要求、技術(shù)繼承性和風(fēng)險(xiǎn)等差別相當(dāng)大，因此，通用的試驗(yàn)要求必須經(jīng)過(guò)剪裁才能應(yīng)用于具體型號(hào)，試驗(yàn)剪裁的內(nèi)容包括試驗(yàn)項(xiàng)目取舍、試驗(yàn)條件和試驗(yàn)要求的確定等。制定出合理的試驗(yàn)剪裁原則，有利于減少實(shí)際試驗(yàn)的盲目性。

3）應(yīng)加強(qiáng)COTS技術(shù)應(yīng)用時(shí)的可靠性保證

大量使用COTS技術(shù)和產(chǎn)品是微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)前制約COTS技術(shù)更廣泛應(yīng)用的主要瓶頸是可靠性保證，特別是COTS器件對(duì)空間輻射環(huán)境適應(yīng)能力的試驗(yàn)驗(yàn)證和防護(hù)設(shè)計(jì)。探索以COTS產(chǎn)品為主的微納衛(wèi)星研制技術(shù)途徑，制定明晰的使用和試驗(yàn)驗(yàn)證策略，對(duì)保證任務(wù)可靠性尤為重要。

4）應(yīng)在微納衛(wèi)星領(lǐng)域強(qiáng)化研制試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)和在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

在國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星試驗(yàn)要求（例如MIL-STD 1540C、MIL-HDBK-340A、GJB1027A—2005等）中，環(huán)境試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)是統(tǒng)一的。對(duì)微納衛(wèi)星而言，解決可靠性問(wèn)題主要依賴于2類試驗(yàn)。一類是研制試驗(yàn)，采用試驗(yàn)—分析—改進(jìn)（TAAF）方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性增長(zhǎng)。另一類是驗(yàn)收試驗(yàn)，通過(guò)不同裝配級(jí)的環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)消除初始缺陷。在傳統(tǒng)衛(wèi)星領(lǐng)域，研制試驗(yàn)是整個(gè)試驗(yàn)體系中的薄弱環(huán)節(jié)，在微納衛(wèi)星中要盡量避免這種情況的發(fā)生。在軌飛行試驗(yàn)是檢驗(yàn)產(chǎn)品和技術(shù)可用性的最直接途徑，真實(shí)環(huán)境下的試驗(yàn)效果是任何地面模擬試驗(yàn)都無(wú)法比擬的，微納衛(wèi)星本身具有的低成本優(yōu)勢(shì)為開(kāi)展在軌飛行試驗(yàn)提供了更便利的條件，這有利于快速提升產(chǎn)品和技術(shù)的成熟度，加速其應(yīng)用進(jìn)程。

5 結(jié)束語(yǔ)

微納衛(wèi)星具有鮮明的技術(shù)特點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)在微納衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展早期同步開(kāi)展微納衛(wèi)星試驗(yàn)體系建設(shè)是一項(xiàng)前瞻性工作，有利于促進(jìn)微納衛(wèi)星技術(shù)快速形成應(yīng)用能力。借鑒國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，聯(lián)合國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星研制單位的優(yōu)勢(shì)共同開(kāi)展微納衛(wèi)星試驗(yàn)體系研究，取得最大范圍共識(shí)，有利于保證微納衛(wèi)星試驗(yàn)體系既有技術(shù)先進(jìn)性，又具有工程實(shí)用性。

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（編輯：閆德葵）

Study on fast test system for low cost micro/nano satellites

Yang Xiaoning1,2, Yang Yong1,2, Wang Jing1,2, Liu Shouwen1,2, Fan Shichao1,2
(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China;
2. Beijing Key Laboratory of Environment & Reliability Test Technology for Aerospace Mechanical & Electrical Products, Beijing 100094, China)

Abstract:The paper analyzes some new test requirements for micro/nano satellites according to their typical characteristics, as compared to the traditional test standard and ISO draft standard for micro/nano satellites, and then puts forward a general framework of a fast test system for micro/nano satellites. The idea is based on the traditional satellite test technologies and achievements, combined with the current development of micro/nano satellite in China; the flexibility and reliability requirements of COTS (commercial off -the-shelf) products are also taken into account.

Key words:micro/nano satellites; low cost; fast delivery; test system; COTS products

作者簡(jiǎn)介：楊曉寧（1972—），男，博士學(xué)位，研究員，主要從事航天產(chǎn)品工程管理及衛(wèi)星環(huán)境工程研究工作。E-mail: yxn4032@sina.com。

基金項(xiàng)目：武器裝備預(yù)先研究項(xiàng)目（編號(hào)：J1301010202）

收稿日期：2015-10-26；修回日期：2016-01-13

DOI:10.3969/j.issn.1673-1379.2016.01.003

中圖分類號(hào)：V474.2+92; V416.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-1379(2016)01-0013-08