航天器环境模拟试验的计量保障

张书锋，季启政，张少楠

（北京东方计量测试研究所，北京 100029）

0 引言

计量保障是为保证装备性能参数的量值准确一致，实现测量溯源性和检测过程受控，确保装备始终处于良好的技术状态，具备随时准确执行预定任务的能力而进行的一系列管理和技术活动[1]。计量保障的质量和效率直接影响到测试设备和装备的质量和使用效率。

空间环境模拟试验是航天器研制工作中的重要程序，目前型号试验主要包括真空热试验、力学试验、磁试验、温湿度试验等。计量保障工作关系到试验测试设备的溯源性和测试数据的准确性，对保证型号试验顺利有效进行，从而促进航天器的研制、生产和经营发挥着重要作用。随着航天器向长寿命、多功能、高可靠方向的发展，对环境模拟试验的计量保障也提出了更高、更严格的要求。

1 航天器环模试验的计量保障现状

1.1 中国空间技术研究院有关情况

1）环境试验中的通用测量设备仪器基本都按期进行计量校准。但专用测试设备尚有部分未经计量校准。有部分具有计量特性的仪器设备未进行检定校准。

2）力学试验（振动和冲击）设备基本都按期进行计量校准。

3）热真空试验设备没有相应的校准规范，没有统一的工作依据。

4）专用测试设备的校准规范质量不高，无法保障整个测试设备的溯源性。

5）各厂、所的小型真空试验设备、热真空试验设备、温湿度试验箱等有相当一部分经过了计量机构的验收测试和周期计量校准，但是还有很多未经计量机构进行验收测试和周期计量校准。

6）真空计需要定期计量校准。真空计易受环境污染，稳定性较差，不合格的概率较高，经过校准的真空计过一段时间后其测量值可能和刚校准时差1～2个数量级。因此真空计应定期进行计量校准，保证其测量数据的准确性。

7）大型环境试验的现场计量保障工作不到位，特别是现场原位计量。比如大型热真空设备中的数量庞大的热电偶、铂电阻和各类压力表、压力传感器等常年处于计量校准不到位的状态，溯源性和测量准确性无法保障。

1.2 北京东方计量测试研究所的计量保障能力

北京东方计量测试研究所的传统强项是电学计量、无线电计量、长度计量等。2007年中国空间技术研究院计量资源整合后，将北京卫星环境工程研究所的计量室合并入北京东方计量测试研究所，使后者在振动、冲击、真空、压力、温湿度等力学和热学计量参数的能力实现零的突破，航天器环模试验的计量保障能力大大提高。

1）真空计量实验室是华北地区唯一一家国防工业真空计量实验室，承担着航天两大集团、航空、中电集团、中国科学院以及部队下属多家单位的真空量值传递。实验室具有两套真空比对校准系统和真空计电参数测试系统，可校准/检测的真空范围为105～10-4Pa，可对真空计电参数、各类真空计、各类真空规管（电离真空计、压阻真空计、电容薄膜真空计、热偶真空计、电阻真空计、复合真空计等）进行计量校准。

2）压力实验室具有标准活塞压力计和数字标准压力计等，能校准各类压力表、压力传感器和压力变送器。

3）温湿度实验室配有铂电阻温度计标准装置、一等水银温度计标准装置、精密露点仪检定装置、恒温低温槽、湿度发生器、温湿度标准箱、温湿度采集系统等，用于温湿度环境试验设备、恒温槽、各类温度计（铂电阻、各种型号的热电偶、机械式温湿度计、热敏电阻等）、温度传感器、露点仪、湿度计、数字温度显示和调节仪表的检定校准。

4）振动冲击实验室配有高、中、低频全自动加速度计校准系统和数据采集分析系统等仪器设备，可对冲击、加速度计、电荷放大器、振动台、信号适调仪等进行检定校准。

5）可以进行热真空试验设备的验收测试，可检项目包括极限真空、工作真空度、抽速、温度上下限值、温度场不均匀度、温度场稳定度、升降温速率等，已经为有关单位多次开展验收测试和周期测试业务。

2 航天器环模试验的计量保障工作建议

2.1 真空环境下的温度校准技术尚需进一步研究

为验证卫星热设计的正确性，保证卫星在空间轨道的可靠运行，在卫星研制过程中必须进行。地面模拟空间热环境试验在热真空试验中，相关部位的温度是需要准确测量的核心参数之一，按温度测点所在位置可分为航天器温度和试验设备温度两部分。目前这些部位的温度测量主要采用T型铜-康铜热电偶系统，以铂电阻和热敏电阻进行比对。欧洲的ESTEC、INTESPACE、IABG以及日本、印度、巴西也主要采用T型热电偶系统，INTESPACE还选用了K型热电偶，ESTEC、IABG等试验中心还使用了铂电阻、热敏电阻。

为确保温度测量的准确性和溯源性，需要定期对温度测量设备进行检定校准。目前，温度校准主要是在常压下进行。国外计量机构如德国PTB、美国NIST等及国内的中国计量科学研究院、北京长城计量测试技术研究所、北京航天计量测试技术研究所等都在常压下的温度校准方面作了大量工作，取得较多成果，形成了成熟的温度校准方法。但在真空下的温度测量与校准方面，国外的计量机构已开展了相关的工作，国内在这方面的研究还处在空白。真空环境对温度传感器的影响与大气中不同，传感器材料长期处于真空中，由于气体脱附及挥发物质的损失，材料的电热特性将会发生改变。

目前，国内在空间热环境模拟试验中，主要采用热电偶、铂电阻和热敏电阻作为传感器进行温度测量，其校准、溯源均在常压下实现。但在真空环境下，温度传感器材料特性及传热过程都发生变化，热真空试验的温场分布十分复杂。因此为保证温度测量的准确性，空间温度测量及校准技术有待进一步研究。中国空间技术研究院在卫星热真空试验工作中遇到诸多温度测量相关问题急需解决，比如发现多支温度传感器在常压环境下测量结果接近，但在真空环境下的测量结果相差较大，严重影响对卫星热控分系统工作有效性的正确评价。为了更深层次地分析真空环境下的传热机理，解决真空环境下温度测量的量值溯源问题，确保真空下温度测量的准确性，有必要建立一套热真空环境下的温度校准系统，深入研究真空环境下的温度校准技术和方法。

2.2 做好测量设备的检定／校准是计量保障工作之根本

测量设备的检定／校准是计量保证工作的基础，只有检定／校准做好了，才能保证用于产品研制、生产、试验、使用时量值的准确可靠。为了做好测量设备的管理，对计量工作应提出8个100 %的控制目标[4]：配备测量设备100 %合理；所有的测量设备要100 %建账；所用的测量设备要100 %检定／校准；所用的测量设备100 %合格；所用的测量设备100 %有有效标识；计量确认活动100 %执行程序；执行程序100 %有记录；测量结果要100 %准确、可靠。以上8个100 %做到了，测量设备也就受控了。

对有计量特性的专用测试设备应编制校准规范。校准规范的编制应当以该设备的技术条件和测试方法（调试细则）为依据，参照GJB 5348—2004《国防科技工业校准规范编写规则》进行编写。校准规范所使用的方法应当把专用测试设备的量值能溯源到国防最高计量标准或国家计量基准、标准中。当专用测试设备的量值无法向国防最高计量标准或国家计量基准、标准溯源时，可采用文献[4]中提到的5种校准方法。

2.3 建立型号计量师系统是开展计量保障工作的关键

传统的计量工作主要是由计量人员完成计量器具的量值传递，这使得计量工作远离型号，型号产品质量得不到有效控制，无法保证量值的统一和数据的准确可靠，无法确保产品的高质量、高水平和高效率[2-4]。计量保障工作源于传统计量，又高于传统计量，它突破了传统计量工作中单一的、静止的量值传递，是一个完整的动态的全系统概念，是传统计量的继承和发展。要做好型号试验计量保障工作，必须将计量工作贯穿于型号试验的全过程，要对全过程的量值、数据进行控制，随型号工程的实施而开始，随型号工程的发展而发展。为了在型号工程中有效地开展计量保障工作，应在型号工程中建立型号计量师系统，实行型号计量师制度，把计量资源作为型号研制资源，使其成为技术支持和质量保证的组成部分，通过计量与型号的结合，确保型号工程的研制质量。

2.4 进一步加强计量机构的计量能力建设

为了给型号环模试验提供更好的计量保障，北京东方计量测试研究所作为航天专业计量测试研究所，在现有的计量参数和能力的基础上，将进一步增扩建一批如声学参数、扭矩、扭矩扳手、力值、质量、转速、流量、漏孔、非接触式测温、高温和低温等计量校准能力，以提高计量校准的工作效率。

3 结束语

本文分析了航天器环境模拟试验的计量保障现状以及存在的问题，并探讨了计量保障的发展趋势，提出了加强真空环境下的温度校准技术研究、做好测量设备的检定/校准、建立型号计量师系统、加强计量机构的计量能力建设等建议。

（References）

[1]GJB 5109—2004, 装备计量保障通用要求——检测和校准[S]

[2]邢馨婷, 宋涛, 龙祖洪, 等.计量保障在型号工程中的作用[J].计测技术，2008, 28(5): 60-62 Xing Xinting, Song Tao, Long Zuhong.et al.The effect of metrology guarantee in the model project[J].Metrology & Measurement Technology, 2008, 28(5):60-62

[3]赵瑞贤, 孟晓风, 王国华.计量保障现状及发展趋势[J].测控技术2006, 25(4): 1-4 Zhao Ruixian, Meng Xiaofeng, Wang Guohua.Status and tendency of metrology support[J].Measurement &Control Technology, 2006, 25(4): 1-4

[4]郑锦秀.做好型号计量保障工作的探讨[J].计测技术,2009, 29(3): 45Zheng Jinxiu.Discussion on model metrology support[J].Metrology & Control Technology, 2009,29(3): 45