美國軍用標準航天器試驗基線與量級調整研究

李西園，賈瑞金，孫雪吟，尚永紅，孫玉瑋，裴一飛，王晶,3

美國軍用標準航天器試驗基線與量級調整研究

李西園1,2，賈瑞金1，孫雪吟1，尚永紅1，孫玉瑋1，裴一飛1，王晶1,3

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.北京航空航天大學，北京 100191；3.可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094）

對美國航天器試驗的軍用標準的發展進行了調研，系統地整理了MIL-STD-1540標準到SMC-S-016A標準的發展脈絡，針對系統級、組件級試驗基線的修訂進行了整理、分析。以熱試驗為典型研究對象，整理了不同標準對于系統級、組件級熱試驗在試驗溫度范圍、循環數、剪裁方法上的修改，對比了試驗基線、試驗量級的變遷，結合美國航天器型號與驗證理念的發展，分析了其修訂的依據，為我國相應標準的制定、修訂提供了參考。

美國軍用標準；航天器試驗；MIL-STD-1540；SMC-S-016；基線；量級；剪裁

由于航天器具有不可維修的特點，為了在地面達到航天器的功能性能驗證、模型修正、早期故障篩除等目的，航天器及其組件通常需要在地面進行一系列復雜的試驗。各個宇航機構均結合自有的航天技術水平，發展了相應的地面試驗方法，形成了相應的試驗標準。如美國國防部（DoD）編制并多次修訂了MIL-STD-1540系列標準[1-3]，美國空軍空間和導彈系統中心（SMC）在此基礎上發展了SMC- S-016系列標準[4-6]，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）發展了JERG-2-130系列試驗標準[7]，歐洲空間標準化組織（ECSS）發展了ECSS-E-ST-10- 03C標準[8]，NASA戈達德中心（GSFC）發展了GSFC-STD-7000A系列標準[9]，我國亦發展了自有的運載器、上面級和航天器試驗標準[10]。除了適用于絕大多數航天器的通用航天器試驗標準外，為了對特殊航天器的驗證提供支撐，NASA還發展了航天飛機驗證標準JST-SP-ST-023、國際空間站的鑒定和驗收試驗標準SSP 41172及針對星座計劃的試驗標準CxP 70036等[11]。

目前，美國空軍空間和導彈系統中心的SMC-S- 016A 《Test Requirements for Launch, Upper-Stage, and Space Vehicle》是業內主要參考的標準之一。相較于原1540系列標準，SMC中心的標準在試驗基線、試驗量級、試驗方法、試驗剪裁等規定上均有修改，體現了近20年間美國在航天器驗證、試驗上的新思路、新方法。文中系統地整理了MIL-STD-1540標準到SMC-S-016A標準的發展脈絡，針對系統級、組件級試驗基線的修訂進行了整理、分析；以熱試驗為典型研究對象，整理了不同標準對于系統級、組件級熱試驗在試驗溫度范圍、循環數、剪裁方法上的修改。分析結果顯示，在試驗基線上，隨著航天器的多樣化，軍用標準逐漸走向靈活化，更傾向于提供更多的可選項；在試驗量級上，隨著航天器材料、工藝的逐漸成熟，試驗量級呈現了逐漸降低的趨勢，為我國相應標準的制定和修訂提供了參考。

1 美國航天器試驗軍用標準的發展

早期美國航天器軍用試驗標準由美國國防部負責制訂、維護。1974年4月，DoD編制了了首個航天器試驗方面的軍用標準MIL-STD-1540 《Test Requi-re-m-ents for Space Vehicle》，其僅作為內部評估用，并未公開發布。隨后在1974年5月，1982年10月，分別發布了該標準A、B版本，對其內容進行了完善。1985年7月，DoD發布了MIL-HDBK-340《Application Guidelines for 1540B》手冊，作為對標準的補充。隨后，MIL-STD-1540B標準經歷了三版更新后，DoD于1994年發布了MIL-STD-1540C 《Test Requirements for Launch, Upper-Stage, and Space Vehicle》，在之前標準基礎上擴展了運載器、上面級試驗內容。同時，在具體試驗內容上，1540C標準還作出了強化鑒定試驗作用、加大鑒定試驗量級、增加研制試驗、對熱不確定余量作出詳細規定等修改[12]。在1994年，美國國防部通過文件《規范和標準——工作的新思路》，建議盡量使用民用規范和標準，只有在確切沒有切實可用的民用規范情況下，才可以制定軍用標準。1994—1997三年間，共廢止了軍用標準近5000篇[13]。1540在此影響下修訂為1540D，即《Product Verification- Requirements For Launch, Upper Stage, And Space Vehicles》，僅闡明和規定如何在航天產品研制過程中對它進行設計和制造質量的驗證，并未對任何具體內容進行規定，所有試驗中的具體要求轉移至軍用手冊MIL-HDBK-340A VOL.1。

2002年，作為空間與導彈系統中心（SMC）系統工程更新計劃的一部分，MIL-STD-1540E（草案）出現，其名稱回到了1540C的《Test Requirements For Launch, Upper Stage, And Space Vehicle》，內容也回到了1540C的結構（部分具體數據選用1540B內容）[14-15]。至2006年，共陸續編制了三份1540E草案（TOR2003 (8583)-1、TOR2004(8583)-1、TOR2004(8583)-1A，其中前兩份為內部評估用）。2008年，SMC中心發布了《Test Requirements For Launch, Upper Stage, And Space Vehicle》正式版，編號為SMC-S-016。隨后，NASA對SMC-S-016進行了評估，認為其已經完全覆蓋了1540E（草案）的范圍，在以后任務的執行中，將直接引用SMC-S-016標準[16]。2014年，SMC中心對標準進行了小幅修訂，形成了SMC-S-016A。美國航天器試驗軍用標準的發展歷程如圖1所示。

圖1 美國航天器試驗軍用標準的發展

2 基線調整對比研究

2.1 MIL-STD-1540C與MIL-HDBK-340A基線

在技術狀態管理中，經過批準的規范往往被稱為技術狀態基線，試驗基線屬于技術狀態基線中的試驗驗證部分。試驗要求類標準往往將分散的型號試驗基線匯總，形成一個通用的試驗基線，其形式通常為多個試驗矩陣[17]。試驗矩陣中包含了系統、組件在鑒定、驗收階段的試驗項目，一般包括必須進行（R）、經評估進行（ER或O）和不需要進行（—）。在型號試驗中，根據風險等級、壽命周期剖面等具體情況需要對通用試驗基線進行一定的剪裁，但標準的試驗基線仍可以反映不同時期航天器一般選取的試驗。根據統計，MIL-STD-1540C與MIL-STD-HDBK-340A具有相同試驗矩陣。MIL-STD-1540CMIL-STD-HDBK- 340A中的組件鑒定、驗收試驗基線見表1和表2，1—11分別表示電工電子組件、天線、機械活動組件、太陽電池陣、蓄電池、閥門或推進組件、壓力容器、推力器、熱學組件、光學組件和結構組件。其中，組件級鑒定、驗收試驗中，必須進行、經評估進行、不需要進行項目統計如圖2所示。

表1 1540C/340A組件鑒定試驗基線

Tab.1 Baseline of 1540C/340A component qualification test

表2 1540C/340A組件驗收試驗基線

Tab.2 Baseline of 1540C/340A components acceptance test

圖2 1540C/340A基線統計

MIL-STD-1540CMIL-HDBK-340A中的系統鑒定、驗收試驗基線見表3和表4，其中L、U、S分別為運載器、上面級和航天器。

表3 1540C/340A系統鑒定試驗基線

Tab.3 1540C/340A system qualification test baseline

表4 1540C/340A系統驗收試驗基線

Tab.4 1540C/340A system acceptance test baseline

2.2 MIL-STD-1540E草案與SMC-S-016基線

MIL-STD-1540E草案僅有TOR 2004(8583)-1A/ SMC-TR-6-11為公開出版，根據統計，其試驗矩陣與SMC-S-016完全相同。文中選取該試驗矩陣與MIL-HDBK-340A進行對比，其中組件級鑒定、驗收試驗基線對比分別見表5和表6，其中加粗項為相對變化項，其中↑表示提高了要求（如—調整為ER），↓表示降低了要求（如ER調整為—），↑↑表示大幅提高了要求（—調整為R），↓↓表示大幅降低了要求（R調整為—）。

表5 MIL-STD-1540E草案與SMC-S-016組件鑒定試驗基線

Tab.5 MIL-STD-1540E draft and SMC-S-016 component qualification test baseline

表6 MIL-STD-1540E草案與SMC-S-016組件驗收試驗基線

Tab.6 MIL-STD-1540E draft and SMC-S-016 component acceptance test baseline

由表5和表6可知，在試驗矩陣的項目上，MIL-STD-1540E草案合并了振動和噪聲試驗項目，并在鑒定級增加了靜載荷項目，功能試驗名稱由Functional Test修改為Specification Performance Test，但測試內容并無明顯變化。在SMC-S-016A中進一步修改為Performance Test，但內容均為驗證電、光、機械性能是否達到設計要求。在試驗項目的要求上，統計如圖3所示。

由圖3可見，在組件級試驗基線上，“調整為ER”占據了修訂的絕大多數。在鑒定級試驗中，—調整為ER占據了總矩陣的13%，R調整為ER占據了3.2%；而在驗收試驗中，—調整為ER占據了總矩陣的高達24%，R調整為ER占據了0.8%。隨著航天型號的復雜化，在地面驗證階段的需求逐漸呈現了多樣化，標準傾向于在驗收階段提供更大的可選擇性。MIL- STD-1540E草案中的系統級鑒定、驗收試驗基線見表7和表8。可以看出，在系統級試驗矩陣上，除了刪除了貯存試驗、熱循環試驗（移至10.1節，作為熱真空試驗的替代方法）外，標準亦將部分試驗調整為經評估進行，提供了更大的可選擇性。

圖3 1540E組件鑒定、驗收試驗基線調整

2.3 SMC-S-016A基線

2014年發布的SMC-S-016A作為SMC-S-016的小幅修訂版，其試驗基線亦存在一些變化。其鑒定、驗收試驗基線見表9和表10，其中加粗項為相對于SMC-S-016的修改部分。

表7 MIL-STD-1540E草案系統級鑒定試驗基線

Tab.7 System level qualification test baseline of MIL-STD-1540E draft

表8 MIL-STD-1540E草案系統級驗收試驗基線

Tab.8 System level acceptance test baseline of MIL-STD-1540E draft

表9 SMC-S-016A組件鑒定試驗基線

Tab.9 Baseline of SMC-S-016A component qualification test

表10 SMC-S-016A組件驗收試驗基線

Tab.10 Baseline of SMC-S-016A component acceptance test

由表9、10可見，在試驗矩陣的項目上，SMC-S-016A并未增加、刪除試驗項目。在試驗項目的要求上，統計如圖4所示。由圖4可知，在鑒定級試驗中，所有調整均為“必須進行”調整至“經評估進行”。在驗收試驗中，調整為“經評估進行”的選項占據總調整選項的55%，剩余45%則是由“經評估進行”調整為“不需要進行”，即SMC-S-016A在上一版標準的基礎上，進一步放寬了試驗要求，為型號驗證提供了更大的可選擇性。

圖4 SMC-S-016A組件鑒定、驗收試驗基線調整

SMC-S-016A的系統級驗收試驗基線（鑒定試驗基線與SMC-S-016完全相同）見表11。可以看出，系統級驗收試驗中，航天器的檢漏試驗、上面級的熱真空試驗均由“必須進行”調整至“經評估進行”，與組件級試驗調整呈現了同樣的趨勢。

表11 SMC-S-016A系統級驗收試驗基線

Tab.11 Baseline of SMC-S-016A system level acceptance test

3 試驗量級的調整對比研究

試驗量級是標準中規定的試驗環境條件之一[18]，為了對不同標準試驗量級進行對比，以典型電工電子組件熱試驗為對象，其一般可選擇進行熱真空試驗或熱真空+熱循環試驗，遵循總循環數相等的原則。對MIL-STD-1540B至SMC-S-016A的溫度范圍和最少循環數要求進行了統計，見表12，其中1540B要求進行鑒定試驗前必須進行驗收試驗以篩除早期缺陷，故鑒定試驗溫度循環數=標準要求鑒定試驗循環數+驗收試驗循環數；后續標準要求鑒定試驗前可以進行驗收試驗，故鑒定試驗循環數不再附加驗收試驗循環。其中Δ為最小溫度范圍，為最少溫度循環數。

為了對溫度范圍、循環數進行直觀的比較，可以采取低周疲勞等效方式數對試件的總環境應力篩選作用進行等效。目前在標準中，往往采取式（1）進行等效，或對試驗條件進行裁剪。

表12 不同試驗標準對組件級熱試驗最低溫度范圍、循環數的規定

Tab.12 Provisions of different test standards for minimum temperature range and cycle number of component level thermal test

×Δ1.4=(1)

式中：為循環數；Δ為溫度范圍，℃；為常數。通過對每個標準中的常數項進行統計，可以直觀顯示試驗的環境應力篩選強度。不同標準中鑒定、準鑒定、驗收試驗的量級對比如圖5所示。

由圖5可知，由于MIL-STD-1540C和MIL-HD--BK-340A對于鑒定試驗的要求過于苛刻，在后續標準中調整了試驗量級和持續時間，顯著降低了試驗的環境應力篩選水平。在此基礎上，SMC-S-016A進一步降低了準鑒定試驗的環境應力篩選水平。對于系統級試驗，美軍標均有通過系統級熱循環、熱真空試驗相結合進行早期故障篩除的規定。由于熱循環試驗具有更低的成本，更強的環境應力篩選能力，更豐富的測試手段，以及更方便的試驗中斷、試件維修方式，與熱真空試驗相結合往往可以在有效暴露系統故障的前提下縮短試驗時間，降低試驗成本[18]。不同標準對于系統級熱真空或熱真空+熱循環試驗的規定見表13。

圖5 試驗量級變化

表13 不同試驗標準對系統級熱循環試驗最低溫度范圍、循環數的規定

Tab.13 Regulations of different test standards on minimum temperature range and cycle number of system level thermal cycle test

由表13可見，對于系統級試驗，當選取僅進行熱真空試驗時，對于循環數的要求差異不大，尤其對于驗收級試驗，規定均為4次。當進行熱真空+熱循環的試驗方式時，則對于熱真空、熱循環試驗的循環數要求差異非常大。在MIL-STD-1540B中，系統級熱循環試驗的次數高達40~50次，盡管其可以在驗收級降低75%的熱真空循環數，但增加的40次熱循環對于飛行模型來說仍然過于嚴苛，不但帶來了試驗時間、經費升高，亦可能帶來過試驗的風險。在MIL-STD-1540C中，則將熱循環試驗循環數降低到了10%。在后續的試驗標準中，對循環數又進一步降低至鑒定級6次，準鑒定、驗收級3次。與此同時，標準中要求的熱真空試驗最小循環數均有上升，如準鑒定、驗收級試驗均從1次逐漸調整為2次。其主要原因在于隨著航天器的復雜化，由于內部溫度梯度的存在，通過系統級熱循環試驗不足以對其早期故障進行篩除，甚至可能帶來過試驗、欠試驗的風險，而與軌道狀態更為接近的熱真空試驗則不存在這種風險，故在標準的修訂中，美軍標更傾向于選擇環境要素與在軌更為接近的熱真空試驗。

4 結語

美國航天器試驗軍用標準是目前世界范圍內廣泛參考的標準之一，文中系統地整理了美國軍用標準的發展脈絡，對標準中的調整項進行了討論。在試驗基線的修訂上，隨著航天任務的多樣化，航天器對于試驗項目的需求也呈現了多樣化，航天器試驗標準逐漸走向靈活化，更傾向于為航天器及組件的驗證提供更多的選擇。在組件級試驗量級上，隨著航天器材料、工藝的逐漸成熟，標準所規定的試驗強度在逐漸降低，即在鑒定、驗收階段，通過更低強度的環境應力篩選已經可以暴露組件在設計、制造、材料上的缺陷。在系統級試驗上，隨著航天器的復雜化，工藝、材料的成熟化，系統級熱循環試驗在故障篩除、實施方便性等指標上與熱真空試驗相比優勢逐漸減弱，反而存在過試驗、欠試驗的風險。美軍標在發展中逐漸傾向于選擇與在軌狀態更為接近的熱真空試驗。文中對美軍標基線、量級修訂的整理與分析，可為我國航天器試驗相關標準的制定、修訂提供參考。

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[2] MIL-STD-1540C, Test Requirements for Launch, Upper-Stage, and Space Vehicle[S].

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Space Vehicle Test Baseline and Level Adjustment of US Military Standard

LI Xi-yuan1,2, JIA Rui-jin1, SUN Xue-yin1, SHANG Yong-hong1, SUN Yu-wei1, PEI Yi-fei1, WANG Jing1

(1. Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2. Beihang University, Beijing 100191, China; 3. Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory, Beijing 100094, China)

The development of military standards for spacecraft test in the United States was investigated. The development of MIL-STD-154 standard to SMC-S-016A standard was systematically sorted out. The revision of system level and component level test baseline was sorted out and analyzed. Taking the thermal test as a typical research object, the modification of different standards for the system level and component level thermal test in the test temperature range, cycle number and tailoring method were sorted out, the changes of test baseline and test level were compared, and the basis for revision was analyzed in combination with the development of spacecraft model and verification concept in the United States. It provides a reference for the formulation and revision of corresponding standards in China.

US military standard; space vehicle test; MIL-STD-1540; SMC-S-016; baseline; test level; tailor

2020-03-21；

2020-04-15

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.014

V416

A

1672-9242(2020)05-0087-08

2020-03-21；

2020-04-15

李西園（1985—），男，博士研究生，高級工程師，主要研究方向為航天器試驗、驗證技術。

LI Xi-yuan (1985—), Male, Ph. D. candidate, Senior engineer, Research focus: spacecraft test and verification technology.