航天器試驗裝配級與試驗策略探討*

吳永亮　張小達

（航天標準化研究所，北京，100071）

航天器試驗裝配級與試驗策略探討*

吳永亮張小達

（航天標準化研究所，北京，100071）

文摘：簡述航天器試驗裝配級的基本內容以及基于裝配級的試驗策略，解析國外標準中對航天器裝配級和硬件類型的劃分，探討航天器裝配級、硬件分類與對應試驗之間的關系和試驗策略。

航天器；試驗策略；裝配級；硬件類型。

航天器是一個極為復雜的系統，如果對整個系統進行試驗是不現實的，因為不僅在技術上存在很大的困難，而且在成本和計劃進度上也存在很大的風險。對于航天器這種復雜系統，主要采用基于裝配級的倒金字塔型分級試驗策略，即從組成系統的低裝配級就開始試驗，再逐步進行較高層次的裝配級試驗，最后進行系統的驗證。這種試驗策略的最大優點是可以將問題在較低層次上盡早暴露，從而有效地降低成本和計劃進度上的風險。同時，這種試驗方法在技術和資源上也更容易實現。此外，航天器開展的這些試驗的類型又與其硬件類型相對應。

1　基于裝配級的試驗策略

一方面，航天器從最初的部組件級產品就開始了試驗驗證工作，隨著產品的裝配級別的逐漸提升，逐步開展各級別的試驗驗證，直到系統級產品的試驗驗證。另一方面，從最初的產品概念設計階段開始，一直到系統驗證階段，產品要求的各項功能、性能指標是從系統級產品開始，逐步定義并分解到分系統級、組件級的產品上，這些功能、性能指標最后就成為了各裝配級產品進行試驗驗證的依據，如圖1所示。

圖1　基于產品裝配級的試驗策略

通常，低裝配級的驗證不能完全代替高裝配級的驗證，但利用低裝配級的驗證結果可以有效地降低高裝配級的驗證過程在技術、成本和進度等方面的風險。

在許多情況下，高裝配級 （如系統級或分系統級）的試驗驗證受到試驗技術、資源和成本等諸多方面的限制，如試驗設備的尺寸限制、試驗代表性的限制、昂貴的試驗成本的限制等。因此，高裝配級借助于低裝配級的試驗結果，或者采用替代試驗的策略，可以使高裝配級的試驗過程避免這些試驗的困難。例如，對于非常大的航天器，試驗設備限制了在系統級進行聲試驗。在這種情況下，應該在可行的最高裝配級下進行聲試驗。對于非常大的組件，當無法進行隨機振動試驗時，由聲試驗替代。

此外，從成本和進度的角度考慮，應當避免在不同裝配級上進行重復的驗證工作。為了最大限度地保證項目的可行性和合理性，對于項目中指定產品的所有物理和功能要求，宜在產品特定的高裝配級上進行試驗。

2　航天器 （飛行系統）裝配級的分類

美國國家航空航天局 （NASA）的戈達德飛行中心標準GEVS-STD-7000《環境驗證》中規定了裝配級分類及對應的各類產品，見表1。

表1　飛行系統硬件裝配級

表1所列的裝配級劃分是美國空軍、NASA總部、GSFC以及JPL等部門的協同一致的結果，可以代表美國對航天器裝配級的分類。

MIL-STD-1540C《運載器、上面級和航天器試驗要求》、NASA-HDBK-7005《動力學環境準則》以及我國GJB 1027A-2005《運載器、上面級和航天器試驗要求》對于不同航天器裝配級的定義如下。

a）零件：在設計應用中不能再進行拆分的連接件，被拆分后其設計用途一般就會被破壞或受到損害。例如集成電路或滾珠軸承、繼電器等。

b）部件：由兩個或多個零件組成，可以進行拆卸或零件替換。例如印制電路板或齒輪傳動鏈。

c）組件：組件是具有某種功能的產品，從制造、維修或記錄的目的來看可視為一個完整及獨立的整體。例如液壓作動筒、閥門、蓄電池、電纜束和發射機。

d）分系統：兩個或多個功能相關聯的裝置，包括之間的連接部件 （如電纜、管理以及支撐結構）。例如測試設備系統或推進系統。

e）飛行器：能夠完成一次空間任務的某些階段性使命的飛行系統。例如運載火箭、航天器等。

從試驗的角度，可將航天器各裝配級主要劃分為三大層次：系統級、分系統級和組件級，各層次中又包括劃分更細的各裝配級航天器硬件。這也符合國內外航天器試驗的相關標準。經過統計，在國外各標準中，針對不同裝配級產品的試驗對象，試驗分為3個試驗類別，見表2。其中，組件級主要針對裝配級為部件、組件級別的產品；分系統級主要針對分系統裝配級產品；系統級主要針對飛行器級產品。

表2　國外標準對不同裝配級產品的試驗歸類

3　航天器硬件的分類及定義

NASA將航天器硬件分為原型硬件和飛行硬件。

a）原型硬件（Prototype Hardware）是指在研制試驗中或者接口設計中使用的最終設計硬件組裝的仿制件。這種仿制件可以具有實際功能，也可以不具有實際功能。原型硬件的試驗條件一般超過預示壽命期間最大極限條件。原型試驗使用的是原型硬件，這種硬件是專門的試驗件，不能用于飛行。

b）飛行硬件 （Flight Hardware）是指設計和試驗的硬件，經過試驗后硬件也用于飛行。飛行試驗 （首飛試驗）使用的是飛行硬件，原型飛行試驗的飛行硬件 （即試驗件）完成試驗后，可成為飛行件，在飛行任務中使用。因此，除非項目負責人同意，否則禁止試驗破壞飛行硬件。

飛行硬件對應4類正樣產品：首飛硬件、后續硬件、備用件和重復飛行硬件。

●首飛硬件 （Protoflight Hardware）——新設計的飛行硬件，以鑒定和驗收試驗項目為條件，其試驗件可以用于飛行。

●后續硬件 （Follow-on Hardware）——經過原型硬件試驗 （對應準鑒定試驗）或者首飛硬件試驗項目驗證過的飛行硬件，以飛行驗收試驗項目為試驗條件。

●備用件 （Spare Hardware）——經過設計驗證的飛行硬件，以飛行驗收試驗項目為條件，一般用于替代無法飛行的飛行硬件。

●重復飛行硬件 （Reflight Hardware）——在空間中使用過并且以相同的方式再次使用的飛行硬件，試驗項目以其過去的性能、現在的狀態和將要執行的任務為條件。

4　基于硬件的試驗分類與策略

NASA對航天器試驗類型按用途分為：原型試驗和原型飛行試驗 （首飛試驗）。

4.1定義

NASA-STD-7001《有效載荷聲振試驗準則》中明確規定了原型試驗、原型飛行試驗的目的，并對試驗分類給出了定義。

a）原型試驗（鑒定試驗）是在專用的試驗件上完成的，其目的是驗證供預期飛行任務使用的硬件具有足夠的設計余量。試驗件的圖樣、材料、工具、制造方法、檢驗方法和工作人員的技術水平與制造飛行件完全相同。原型試驗 （鑒定試驗）的試驗件為原型硬件，此類試驗件不可上天飛行。

b）原型飛行試驗 （首飛試驗）是在飛行硬件和備用硬件上完成，不再有專供原型試驗的硬件。原型飛行試驗兼有鑒定和飛行驗收試驗的雙重目的，即利用試驗評價硬件的設計裕度、驗證飛行硬件在相應環境下的滿意程度、暴露工藝和材料的缺陷。原型飛行試驗的試驗件為原型飛行硬件，此類試驗件可上天飛行。

針對不同的硬件類型，航天器可進行原型試驗或原型飛行試驗。而根據不同的試驗目的，又分為鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗。此外，還有研制試驗、發射前的確認和在軌確認，本文暫不討論。鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗與上述原型試驗、原型飛行試驗的關系如圖2所示。

圖2　航天器試驗策略

●鑒定試驗目的是驗證產品的設計方案、工藝方案是否滿足要求并具有規定的鑒定余量，還要驗證用于產品驗收試驗的試驗方法、試驗程序、試驗設備、試驗軟件、測試儀器的可行性和正確性。

●驗收試驗目的是通過對產品施加電應力和環境應力暴露產品由于元器件、材料和制造工藝的潛在缺陷，排除產品的早期失效。對每一件飛行產品進行驗收試驗，證明產品的性能和質量符合飛行要求。

●準鑒定試驗是組合了鑒定試驗和驗收試驗目的而進行的試驗。在一定條件下經過準鑒定試驗的產品仍然可以執行飛行任務，此時鑒定與驗收試驗合二為一，且試驗條件低于鑒定級。ECSS-E-ST-10-03C規定準鑒定試驗是在第一個飛行模型上進行，驗證空間段飛行器 （航天器）或設備在規定環境中符合規范規定的鑒定余量并確認其可以交付和后續使用，且無工藝缺陷和材料缺陷。如果需要進行破壞性試驗 （例如爆破試驗），應使用有代表性模型硬件代替原型飛行硬件進行試驗。

進行準鑒定試驗的試驗件只有1件，既要進行試驗又要上天飛行。而經過鑒定試驗的試驗件不可以上天，但經過驗收試驗的試驗件可上天飛行。

4.2航天器試驗策略

航天器硬件種類與對應的試驗關系如圖2所示。

航天器研制過程是從系統工程的角度考慮，按照裝配級從頂層向底層逐步分解，而航天器試驗主要是采用基于裝配級的試驗策略，將航天器從底層向頂層逐步進行試驗驗證。當進行航天器試驗時，根據產品的裝配級別分類，形成了3個層次的試驗，分別是組件級、分系統級和系統級試驗。根據航天器硬件用途的不同，分為原型硬件 （首件）和原型飛行硬件 （后續件），對應的開展鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗。理清航天器裝配級、硬件分類以及對應試驗之間的關系是研究航天器試驗策略前提和基礎。

吳永亮（1987年—）男，碩士，工程師，現主要從事航天總體、航天試驗技術標準化工作。

張小達（1960年—）男，研究員，現主要從事航天器環境及空間環境標準化工作。

*本文源于基金項目：質檢公益性行業科研專項經費資助 （編號：201510207《航天等高端裝備技術17項國際標準研制》）。