航天器環境試驗基線與剪裁技術：第二部分 試驗基線要素

吳永亮，張小達，李 曄，向樹紅，李春楊

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航天器環境試驗基線與剪裁技術：第二部分 試驗基線要素

吳永亮1，張小達1，李 曄2，向樹紅2，李春楊2

（1. 中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071；2. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

此篇為系列文章的第二篇，介紹了航天器環境試驗要求標準的內容，即試驗基線要素，詳細論述了試驗原則、試驗類型、試驗目的、試驗裝配級、試驗產品/試驗件/試驗模型、試驗項目、環境條件、試驗矩陣（狹義試驗基線）、替代試驗、準鑒定試驗/替代策略等內容。

關于試驗基線剪裁將在下一篇文章中討論。

航天器；環境試驗要求；試驗基線要素

0 引言

代表試驗基線文件的試驗要求標準包含以下要素：試驗原則，試驗類型，試驗目的，試驗裝配級，試驗產品/試驗件/試驗模型，試驗項目，環境條件，試驗矩陣（狹義試驗基線），替代試驗（用一個試驗代替另一個試驗），準鑒定試驗/替代策略，試驗基線剪裁。本文論述除試驗基線剪裁之外的內容。

1 試驗原則

試驗是用來確保航天器符合有關設計、性能和產品保證要求的工程實踐活動。若產品已經完成了研制階段的試驗驗證，即技術成熟度已經達到飛行要求，則進入鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗階段。若硬件的技術成熟度未達到飛行要求，應考慮研制試驗驗證。不同階段和技術成熟度的試驗內容不同。

1）研制試驗

研制試驗是探索性的，通常用于探索設計方法和解決方案，確定接口兼容性，建立有效的分析方法和假設，發現意想不到的響應特性，并演示鑒定和驗收的試驗方法。由于研制試驗的目標廣泛，有必要規定研制試驗的范圍。因此，一般不要求制定研制試驗文件。

2）鑒定/驗收試驗

對于首飛的航天器，至少需要按飛行要求生產

2個試驗件，其中1個做鑒定試驗不上天，另1個做驗收試驗并上天。對于后續的航天器，只需要按飛行要求生產1個試驗件，做驗收試驗并上天，見圖1[1]。

該試驗原則包括硬件的鑒定級試驗，用于驗證設計；隨后的驗收試驗用于篩選工藝缺陷。

圖1 鑒定/驗收試驗策略

3）準鑒定試驗[2]

對于首飛的航天器，只需要按飛行要求生產1個試驗件，做準鑒定試驗并上天。對于后續的航天器，只需要按飛行要求生產1個試驗件，做驗收試驗并上天。準鑒定/原型鑒定試驗原則（即替代鑒定/驗收試驗策略）如圖2[1]所示。

圖2 原型鑒定試驗原則

該原則包括用于驗證的首飛硬件原型鑒定級試驗和用于篩選工藝缺陷的后續飛行硬件驗收級試驗。飛行前應完成所有驗收試驗。少數飛行產品需要進行準鑒定試驗。

準鑒定策略一般在以下情況下使用：對于飛行器級產品，首發產品通常使用準鑒定試驗策略；如果該型號的后續產品技術狀態沒有變化，則只需進行驗收試驗；如果有變化，也應考慮使用準鑒定級試驗策略。該策略適用于投產數量只有1個或幾個的飛行器。對于組件級產品，雖然在某一個型號已進行了鑒定試驗，但若該組件用在另一型號上時，則應根據更改的程度考慮使用準鑒定試驗策略。

2 試驗類型

按階段劃分航天器試驗類型如下。

1）研制試驗

在方案階段和初樣階段用工程試驗模型完成的試驗，驗證產品的設計方案是否滿足設計要求，以便在開始鑒定試驗之前采取必要的修改措施，不斷地提高產品的固有可靠性，提高技術成熟度。

2）鑒定試驗

在批準制造之前，產品需進行鑒定試驗，即在規定的鑒定試驗余量以及相關環境條件下進行試驗，以證明正樣產品的性能滿足設計要求并有規定的設計余量的試驗。

3）驗收試驗

在完成所有鑒定試驗之后或者在完成生產與集成之后進行驗收試驗，即在規定的驗收試驗余量以及相關環境下進行試驗，以檢驗交付的正樣產品滿足飛行要求，證明飛行硬件無工藝缺陷，滿足規定的性能要求并且是可以接受交付的。

4）準鑒定試驗

在正樣研制階段，對飛行產品按照鑒定與驗收的組合條件進行試驗，這種組合條件應符合替代鑒定試驗的策略。準鑒定試驗分為以下4種情況：適飛試驗——加嚴的驗收試驗；原型鑒定試驗——“修改的”鑒定試驗；原型飛行試驗——合并的鑒定和驗收試驗；以上試驗的組合。

5）組合試驗

根據具體型號的考慮以及研制的風險度已經被認為是可接受的，則可以考慮采用不同的試驗組合。

6）出廠前和發射前的合格認證

出廠前和發射前的合格認證包括：出廠前和發射前的合格認證試驗——正樣飛行器在出廠前和發射前進行飛行器級的綜合試驗（含發射系統）；發射前的確認試驗——在發射基地進行，以確保硬件、軟件、人員程序和支持發射的任務接口與項目任務的準備。

7）在軌兼容性校驗試驗

發射后的校驗確認試驗——在軌進行的試驗，以驗證規范的性能、接口兼容性、校準滿足任務要求的能力。

3 試驗目的

限于篇幅，給出各研制階段的試驗對象、試驗類型與試驗目的簡要關系表，見表1。

表1 研制階段、試驗類型與試驗目的關系表

4 試驗裝配級

試驗裝配級選擇如下：

1）組件級、分系統級、飛行器級。

2）組件級、飛行器級：通常，其他試驗裝配級以型號專用文件的形式規定，而不是以通用標準的形式規定。

3）部件級產品、元器件/零件級產品、材料級產品。

5 試驗產品/試驗件/試驗模型

在試驗要求標準中，用于試驗考核的產品，在工程研制的早期，常被稱為試驗模型；在工程研制的后期，常被稱為試驗產品；在試驗方的角度，常被稱為試驗件。

6 試驗項目

1）研制試驗項目

試驗項目主要包括：元器件、材料及工藝的研制試驗；部件研制試驗；組件研制試驗（如功能試驗、壽命試驗）；分系統研制試驗（如模態觀測研制試驗、熱平衡研制試驗）；飛行器研制試驗（如機械匹配與性能、功能研制試驗，聲和沖擊研制試驗）。

2）鑒定和驗收試驗項目

試驗項目包括：一般試驗項目（如功能試驗、性能試驗、濕度試驗、壽命試驗）；力學試驗（如物理特性測量、加速度試驗、沖擊試驗、噪聲試驗、隨機振動試驗）；熱試驗（如熱真空、熱循環、熱平衡試驗、熱真空+熱循環）；電/RF試驗（如EMC試驗、磁試驗、靜電放電試驗、微放電試驗）；專項任務試驗（如空氣熱力學試驗）；乘員任務專項試驗（如人因工程試驗）。

3）準鑒定試驗項目

試驗項目包括：檢查、規范性能，檢驗壓力/泄漏（檢漏），沖擊、振動或聲、加速度，熱循環，熱平衡，熱真空，氣候等。

7 環境條件

1）環境條件定義

QJ 3135—2001《導彈武器系統、運載火箭和航天器環境工程大綱》對“環境條件”定義如下：施加于產品，并對其設計、使用壽命或工作能力產生影響的環境應力。

2）環境條件的發展過程

環境條件演化過程見圖3。

圖3 環境條件演化過程

3）環境條件要素[1-6]

環境條件要素如下：

a. 使用環境條件要素包括：已有實測數據，環境預示計算分析以及標準推薦數據。

b. 設計環境條件要素包括：設計余量，不確定余量，安全余量。

c. 試驗環境條件要素包括：試驗余量，研制試驗余量，鑒定試驗余量（P99/90），驗收試驗余量（P95/50），準鑒定試驗余量。如：動力學的極限預示環境（鑒定試驗余量），動力學的最高預示環境（驗收試驗余量）。

d. 可靠性與置信度（鑒定/驗收試驗的風險）。

e. 鑒定試驗P99/90值的風險，意味著用90%置信度預估時，飛行次數中的99%不會被超過的環境參數值。

f. 驗收試驗P95/50值的風險，意味著用50%置信度估計時，至少在飛行次數中的95%不會被超過的環境參數值。

g. 準鑒定試驗的風險包括鑒定余量未知，適飛試驗策略的風險，原型飛行試驗策略的風險，組合試驗策略的風險等。

h. 振動、噪聲和沖擊環境的統計估計與標準偏差。

i. 預示環境和余量。

j. 環境設計余量包括環境統計估計、鑒定試驗條件、驗收試驗條件。

k. 熱學預示環境包括極限溫度、最高和最低預示溫度、熱不確定余量（熱環境設計余量）。

l. 實驗室正常環境條件：國內對溫度要求為15～35℃，國外為23℃±10℃（13～33℃）；大氣壓為78～103 kPa；相對濕度為20%～80%。

m. 試驗條件允許偏差和測量精度應由試驗設備性能確定。

n. 余量包括設計余量和試驗余量，其中設計余量是產品的功能性能余量，即設計環境條件=使用環境（如實測/已有數據、分析數據）+設計余量（如不確定余量、安全余量）；試驗余量是考核產品功能性能所加的量。試驗余量分為研制試驗余量、鑒定試驗余量、驗收試驗余量、準鑒定試驗余量。

o. 試驗量級和持續時間是由基于產品暴露于環境情況而確定，同時還應考慮設計要求。鑒定試驗量級是在驗收試驗量級及試驗持續時間上再加上典型鑒定余量。準鑒定試驗量級一般應低于鑒定級而高于驗收級，試驗時間與驗收試驗相同。

8 試驗矩陣

在標準中，試驗矩陣有時稱為試驗基線。試驗矩陣主要有鑒定試驗矩陣、驗收試驗矩陣和準鑒定試驗矩陣。

試驗矩陣包含以下要素：

1）試驗產品裝配級——需要試驗考核的產品，分為系統級、分系統級、組件級，有時還包括部件級、元器件級、零件和材料級。

2）試驗類型——分為研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗、準鑒定試驗、發射前合格認證試驗和

其他。

3）試驗項目——分為功能試驗、動力學環境試驗、靜力學環境試驗、氣候環境試驗、空間環境試驗。

4）試驗項目的要求——試驗基線所規定要進行試驗的一些要求。

5）試驗順序——多項試驗的安排順序。

6）試驗產品名稱——具體被試產品的名稱。

7）試驗的選項——確定試驗屬于必做試驗（R）、選做試驗（ER）還是不做（—）的試驗。

8）其他說明——未盡的事項在此欄進行說明。

9 替代試驗

替代試驗指在一定的允許情況下用一個試驗代替另一個試驗。力學替代試驗：模態觀測縮比模

型，隨機振動試驗代替聲試驗。熱替代試驗：如果確定了組件對真空不敏感，則用常壓熱循環試驗代替熱真空試驗。推進裝置替代試驗：若發動機上組件不適合單獨試驗，則應與發動機一起進行試驗。

10 準鑒定試驗/替代策略

替代策略是用準鑒定試驗代替鑒定試驗和驗收試驗的策略。

1）替代策略原則

由于鑒定試驗的試驗量級高、試驗時間長，從疲勞和磨損的觀點來看，經過鑒定試驗的產品剩余的疲勞壽命可能變得很短，一般不再適于飛行；且對于成本日益高昂的航天器，生產2顆星浪費1顆，也過于奢侈。基于這2點，用準鑒定試驗代替鑒定試驗：只需要按飛行要求生產1個試驗件，只做1次準鑒定試驗，就代替了鑒定試驗和驗收試驗2個試驗。

按照替代策略進行試驗后，用于飛行的產品一般來說比按照標準的驗收試驗產品風險高，因為它們沒有通過對專用鑒定試驗件的試驗來證明該產品有多少安全余量，但這些替代策略的較高風險可部分地靠加強研制試驗及增大安全系數等措施來降低。

2）準鑒定試驗基線

ECSS-E-ST-10-03C專門制定了通用的準鑒定試驗基線。

盡管GJB 1027A、MIL-HDBK-340A、MIL- STD-1540C、SMC-S-016沒有制定專門的準鑒定試驗基線，但通過修改鑒定試驗基線或驗收試驗基線可得到準鑒定試驗條件。

11 結束語

試驗基線是經過批準的試驗文件，規定了型號應做的試驗以及基本要求。本文詳細論述了試驗基線主要要素，包括試驗原則、試驗類型、試驗目的、試驗裝配級、試驗產品/試驗件/試驗模型、試驗項目、環境條件、試驗矩陣（狹義試驗基線）、替代試驗、準鑒定試驗/替代策略等。

試驗基線剪裁將在下篇文章中討論。

（未完待續）

（References）

[1]ECSS-E-ST-10-03C Space engineering: Testing[S], 2008

[2] MIL-STD-1540C Test requirements for launch, upper- stage, and space vehicles[S], 1994

[3] MIL-HDBK-340A Test requirements for launch, upper- stage, and space vehicles VolⅠ: Baselines[S], 1999

[4] MIL-HDBK-340A Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicles VolⅡ: Applications guidelines[S], 1999

[5] SMC-Standard SMC-S-016 Test requirements for launch, upper-stage, and space vehicles[S], 2008

[6] GJB 1027A—2005 運載器、上面級和航天器試驗要求[S], 2005

（編輯：肖福根）

Spacecraft environmental test baseline and tailoring technology:Part II Elements of test baseline

Wu Yongliang1, Zhang Xiaoda1, Li Ye2, Xiang Shuhong2, Li Chunyang2

(1. China Academy of Aerospace Standardization and Product Assurance, Beijing 100071, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

The spacecraft environment test requirement standard is discussed in this paper, which concerns the test baseline elements, including the test principle, the test types, the test objectives, the hardware level of assembly, the test product/articles/model, the test items, the environmental conditions, the test matrix, the replacement test, the protoqulification test/replacing strategy. The tailoring of test baseline will be covered in the next issue.

spacecrafts; environmental test requirements; elements of test baseline

V416；N65

A

1673-1379(2016)03-0235-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.03.002

吳永亮（1987—），男，碩士學位，從事航天總體與試驗技術標準化工作。E-mail: andyloveti@163.com。

2016-02-18；

2016-03-17

國家國防科工局技術基礎科研課題“航天器環境試驗基線與剪裁技術”（編號：JSJC2013203B002）

http://www.bisee.ac.cn E-mail: htqhjgc@126.com Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544