淺談空間環境模擬設備研制標準

賈瑞金 丁文靜 龔潔 韓瀟 顧苗

（北京衛星環境工程研究所， 北京， 100094）

航天器在軌運行過程中， 長期處于高真空、冷黑和熱輻射環境中， 為了對航天器熱控系統的性能進行考核并驗證熱分析模型的正確性， 同時為了暴露航天器材料、 工藝、 制造質量方面的潛在缺陷， 驗證航天器產品在極限溫度下的工作能力， 需要在地面使用空間環境模擬設備對航天器進行熱平衡和熱真空試驗。

近年來， 隨著我國航天事業的發展， 提升航天器地面環境試驗能力成為航天型號產品研制過程關注的焦點之一， 空間環境模擬設備的需求量也迅猛增長。 雖然空間環境模擬設備研制呈現出市場前景廣、 綜合效益好、 產業帶動性強、 戰略地位突出等特點， 各研制單位也逐步制定了相關的企業標準和規范， 為空間環境模擬設備的研制提供支持， 但國家層面或行業層面的標準與規范依然缺乏。 本文對空間環境模擬設備研制現狀進行初步分析， 對國內外的空間環境模擬設備研制標準與規范的現狀進行了總結， 并據此給出了相關標準與規范的發展建議。

1 空間環境模擬設備

隨著空間環境模擬技術的不斷發展， 以及航天器熱平衡、 熱真空試驗標準的建立， 真空、 冷黑和熱輻射環境的模擬方法也趨于成熟。 目前已使用空間環境模擬設備在地面上實現真空、 冷黑、 空間外熱流等綜合環境的模擬。

1.1 空間環境模擬設備基本組成

空間環境模擬設備一般由真空容器、 熱系統、 真空系統、 熱流模擬系統、 試件支撐系統及測控系統等組成， 如圖1 所示。 其中熱流模擬系統需根據試驗方法的不同在太陽模擬器、 紅外模擬器、 調溫熱沉這3 種不同熱流模擬裝置中進行選擇配制。

1.2 空間環境模擬設備研制現狀

我國空間環境模擬設備的研制工作始于20 世紀60 年代， 當時為了滿足中國第一顆人造衛星“東方紅一號” 研制的需要， 航天五院511 所成功研制了KM1 和KM2 空間環境模擬試驗設備， 并先后完成了 “東方紅一號” 和 “實踐一號” 等衛星的熱平衡試驗。 KM1 和KM2 也被稱之為當時中國最大的高真空獲得系統[1]。

經過60 多年的發展， 航天五院 511 所、 510所等單位， 在空間環模設技術攻關和產品開發等方面做出了巨大貢獻， 形成了BZ 系列、 KM2 系列等小型空間環境模擬設備和 KM4、 KM6、KM5A、 KM3B、 KM7、 艙 外 航 天 服 試 驗 艙 、KM7A、 KM8 等中大型空間環境模擬設備， 部分設備如圖2 所示。 其中KM6 基本上能夠滿足現階段我國航天器從系統級、 分系統級到部組件級的熱真空與熱平衡試驗需求； KM8 攻克了超大空間 （6000m3） 高真空環境模擬技術等多項關鍵技術， 是目前亞洲最大、 世界排名第3 的立式航天器空間環境模擬設備， 未來將應用于大型通信衛星、 遙感衛星、 深空探測器等多項國家重大航天工程， 完全能夠滿足我國載人空間站和大型衛星的研制需求。

除國內市場外， 航天五院511 所還成功為俄羅斯研制了GVU—600 大型空間環境模擬設備，實現了我國向航天大國出口大型系統產品的突破。 KM8 的成功研制更是引起了德國 IABG 集團、 歐空局 ESTEC 公司、 俄羅斯、 巴基斯坦、沙特等國家航天機構或宇航公司的強烈關注， 均表示出了強烈的合作意向。

2 空間環境模擬設備研制標準現狀

空間環境模擬設備是航天大型試驗基礎設施的重要組成部分， 近年來其研制業務也成為航天領域的新熱點。 空間環境模擬設備研制隨著技術發展積累了豐富的經驗， 研制的可靠性、 穩定性日趨成熟。 但是目前國內外所應用的相關標準很少， 且缺乏系統性， 這在一定程度上又制約了空間環境模擬技術的發展和空間環境模擬設備的規模化、 產品化應用。

2.1 國際和國外標準

目前， 國際上還沒有專門的空間環境模擬設備研制標準來規范空間環境模擬設備研制， 其研制主要依據機械、 真空、 低溫和測控技術的相關標準以及航天器熱真空、 熱平衡試驗的相關標準。如ISO 15864 《空間系統—航天器子系統和裝置的一般試驗方法》、 ISO 14644 《潔凈室及相關受控環境 第1 部分 空氣潔凈度等級劃分》、 ISO 3529-1 《真空技術 詞匯 第1 部分 一般術語》、 ISO 3529-2 《真空技術 詞匯 第 2 部分真空泵及相關術語》、 ISO 1609 《真空技術—法蘭尺寸》、 ISO 2861 《真空技術—快卸連接器尺寸》、ISO 3669 《真空技術—可烘烤法蘭尺寸》 和ASTM E491 《航天飛機熱平衡試驗用太陽模擬的標準實驗規程》 等。 在空間環境模擬設備研制中只能局部參考或使用這些標準的規定和要求， 但是對于其總體設計工作指導性不強。 在空間環境模擬設備的制造和試驗工作中基本沒有相關的工藝和試驗標準規范可依。

2020 年 9 月由航天 511 所主導編制的 ISO/AWI TR 6832 《熱真空試驗設備研制技術指南》正式立項， 該報告可對空間環境模擬設備的研制起到指導作用。

2.2 國內標準

隨著航天器對高可靠、 高精度、 長壽命的要求越來越高， 在地面進行組件級、 系統和分系統級的驗證越來越重要， 進而空間環境模擬設備的需求也逐年增長。 伴隨著技術攻關和改進提高，空間環境模擬設備的設計水平和性能明顯改善。但是空間環境模擬設備由于是非標研制， 個體差異較大， 目前對空間環境模擬設備具有廣泛指導意義的頂層標準依然缺失。 比如術語、 符號、 基本分類、 基本原則等標準， 各研制單位還未統一， 現有標準還不足以滿足研制的需要。 此外部分設計和研制過程中的經驗并沒有得到及時的固化， 給產品的設計、 生產、 使用和維護帶來了諸多不便。 在設計和研制中， 傳統依托師徒相帶、同事相幫的方式和 “以經驗代替標準” 現象依然盛行[2]。

雖然， 各企業單位也逐漸發現了標準的重要性， 也開始制定相關的企業標準， 并逐步制定上級標準。 比如GB/T 32221 《真空技術 航天器用真空熱環境模擬試驗設備 通用技術條件》 規定了航天器用工作壓力1×10-2Pa～1×10-4Pa 真空熱環境模擬試驗設備技術要求、 檢驗規則、 標識、貯存、 包裝和運輸。 國家軍用標準 《太陽模擬器光學參數測量方法》 規定了太陽模擬器輻照不穩定度、 輻照不均勻度、 均勻輻照面積和均勻輻照體積、 輻照度、 光譜輻照度、 光束準直角和吸收紅外輻射熱流密度測量的條件和方法。 航天行業《空間環境模擬器研制要求》 系列標準分別規定了空間環境模擬設備真空系統、 低溫系統、 外熱流模擬系統、 太陽模擬器、 控制與監測等系統的組成、 性能要求、 設計要求、 工藝要求、 安裝要求、 調試要求、 驗收交付要求等， 以及空間環境模擬設備系統聯試的目標、 工作時機、 主要內容、 準備工作、 流程、 合格判據和調試總結等要求。 航天行業標準 《空間模擬器基本參數檢定方法》 規定了空間環境模擬器基本參數的檢定項目、 檢定周期和檢定方法。 但是在研制過程中，大多還是需要采用機械、 真空、 低溫和測控等各專業相應的國家標準、 航天行業標準和機械行業標準作為設計的標準依據。 比如GB/T 6070 《真空技術 法蘭尺寸》、 GB 150 《鋼制壓力容器》、GB 3163 《真空技術術語》、 航天行業標準 《氟橡膠密封超高真空法蘭規范》、 JB 81052 《金屬密封真空規管接頭》 等。

目前除了 《空間環境模擬器研制要求》 系列標準外， 跟空間環境模擬設備研制相關的標準大多是孤立地存在， 標準內容之間的協調性、 一致性比較差。 比如真空容器的設計與研制， 除了遵循相關的真空和機械行業標準外， 還要考慮系統級及組件級真空容器的設計和法蘭、 大門及側門的設計以及容器的加工等標準和規范； 測控系統的設計與研制要考慮空間環境模擬設備自身設備的測控、 試驗用的測控、 攝像和照明等其他輔助測控設計等標準和規范； 試驗支撐機構要考慮航天器支撐平臺、 水平調節機構和輔助操作平臺的設計和加工等標準和規范。

另外， 在空間環境模擬設備研制相關的現有標準中， 有部分技術指標要求規定的并不具體。比如有些只規定了產品設計和驗證的指標， 卻沒有檢驗方法； 有些雖然有檢驗方法， 但缺乏具體的檢驗指標。 這就導致標準不能真正落地， 給標準的實施帶來困難， 無法真正達到提高產品質量、 提升研制效率的目的。 此外， 還存在大量的先進技術成果沒有及時納入標準， 或者產品已應用了先進技術成果， 但對應的標準沒有及時修訂的情況。

3 未來展望

隨著航天器型號研制任務的不斷增加， 空間環境模擬設備的需求量也迅猛增長， 對空間環境模擬設備的性能和質量也提出了更高的要求。 建立完善的標準體系可以顯著提高空間環境模擬設備研制的效率與品質， 并能促進空間環境模擬設備的產業化應用， 適應當前及未來的市場競爭。從空間環境模擬設備研制標準現狀可以看出， 我國目前與空間環境模擬設備直接相關的標準數量并不是很多， 覆蓋范圍不全面。 而在我國重要的標準體系中， 也沒有建立空間環境模擬設備研制標準的分支。

3.1 建設空間環境模擬設備研制標準體系

根據標準體系的內在聯系特征和空間環境模擬設備研制的具體特點， 空間環境模擬設備研制標準體系可以采用由專業領域、 體系層次和標準類型構成的三維框架結構， 如圖3 所示。 空間環境模擬設備結構復雜， 涉及多個領域的專業知識， 按照系統組成劃分專業領域。 按照標準類型， 又可以將標準劃分為規范、 規程、 規定； 通則、 導則、 細則； 條件、 方法； 技術要求、 管理要求等。

按照標準體系層次的分類原則， 將空間環境模擬設備研制標準分為基礎、 通用和專用標準3個層次。 其中第一層次為基礎標準， 作為其他標準的基礎并普遍使用， 包括具有廣泛指導意義的術語、 符號、 計量單位、 圖形、 基本分類、 基本原則等的標準。 第二層次為通用標準， 根據不同的職能將標準體系分解為技術領域通用標準和管理領域通用標準。 技術領域按照不同的專業門類進行進一步的劃分， 管理領域則劃分為設備維護及保養、 現場安裝及調試、 質量安全要求等， 通用標準可以作為制定專用標準的依據。 第三層次為專用標準， 是針對某一具體標準化對象或作為通用標準的補充、 延伸制定的專項標準。

3.2 建設技術成熟和急用先行標準

按照空間環境模擬設備標準體系， 可以看出目前標準有很多缺失。 可以采用集中立項、 成批編制的模式， 利用一段時間、 集中編制一批技術成熟的標準和急用先行的標準。 比如界定空間環境模擬器的術語和圖形符號， 以便于科研、 工程技術文件、 出版物中航天器空間環境模擬試驗設備的術語表達和圖形符號的表示； 為確保空間環境模擬器的可靠性， 延長設備使用壽命， 保證試驗順利進行， 減少試驗過程的故障率， 對設備的容器系統、 熱沉、 真空系統、 低溫系統、 測量與控制系統、 輔助系統等進行定期維護保養， 需進行規范并提出要求。 同時形成技術研究與標準預先研究的良性互動， 在后續新技術和新設備研制時同步開展真空測量技術、 太陽模擬技術和深冷技術等相關標準預先研究。

4 結束語

空間環境模擬設備的特殊性決定了我國目前的空間環境模擬設備研制多為用戶驅動的模式。研制方一般需要根據用戶提出的指標要求來進行設計， 沒有統一的設計規范。 由于不同設計人員的設計理念不同， 導致每臺設備的設計形式不盡相同， 給設備的生產、 使用和維護帶來了諸多不便。 標準作為設計、 生產和服務等社會活動中有關各方共同遵守的準則， 是促進空間環境模擬設備技術進步和保證產品質量的重要元素。

為了進一步滿足載人航天后續任務等眾多型號任務試驗需求， 同時提高空間環境模擬設備標準化、 產品化水平， 增強我國空間環境模擬設備在國際上的話語權， 急需研究總結空間環境模擬設備研制的成熟經驗， 依據技術發展、 應用現狀以及國外相關標準的體系特點， 梳理空間環境模擬設備研制關鍵技術， 分析空間環境模擬設備研制可形成的標準， 建立空間環境模擬設備研制標準化體系， 從技術要求、 總體設計、 分系統設計到安裝調試、 驗收， 規范空間環境模擬設備研制流程和關鍵項目， 提升空間環境模擬設備研制的標準化程度， 提高效率、 降低成本， 更好地服務于型號研制試驗任務。