航天器环境试验基线与剪裁技术：第一部分 试验基线由来

张小达，李 晔，向树红，吴永亮，冯铁惠（. 中国航天标准化与产品保证研究院，北京 0007；. 北京卫星环境工程研究所，北京 00094）



航天器环境试验基线与剪裁技术：第一部分试验基线由来

张小达1，李 晔2，向树红2，吴永亮1，冯铁惠1
（1. 中国航天标准化与产品保证研究院，北京 100071；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

摘要：文章分析了试验验证在航天器研制寿命周期中的地位，阐述了型号试验基线及其文件的组成，讨论了航天器环境试验概念和试验要求标准的演化，给出了试验基线的定义和主要内容。

关键词：航天器；环境试验要求；试验基线；标准

http://www.bisee.ac.cnE-mail: htqhjgc@126.comTel:(010)68116407, 68116408, 68116544

0　引言

航天器具有技术创新多、产品批量小、考核过程复杂、样机上天等特点。这些特点反映在项目研发文件和项目的总结报告中，最终逐步体现在航天器的试验要求标准中。故此，形成了与其他国防装备不同的、独具特色的航天器试验要求标准。

由航天器试验要求标准中的试验策略、鉴定试验要求、验收试验要求以及准鉴定试验要求等内容构成环境试验基线。在航天器研制早期的试验中，如关键技术攻关阶段进行的研制试验，以及为确定技术方案而进行的研制试验，虽然不作为试验基线，但必须要考虑试验要求。在试验标准中，没有明确列出发射阶段和在轨阶段的试验基线。总的来说，在进行航天器功能、性能、约束条件以及接口条件的设计时，应全面考虑航天器各阶段、各装配级的试验要求。针对每一航天器型号的功能、性能、约束条件以及接口条件，需要对通用的航天器试验要求标准进行剪裁，使其满足本型号的试验要求。

本文分为三个部分，旨在全面研究和阐述（环境）试验基线的定义、要素和具体内容，针对具体型号的剪裁方法，以及构建特定型号的试验基线。此为第一部分。

1　系统工程理论在航天器研制中的应用

1.1系统工程的定义

系统工程是一种跨学科的方法和手段，目的是确保系统运行取得预期成效。系统工程活动是从用户需求出发，采用一系列工程研制策略，并通过专业技术活动和技术管理活动，在进度、成本和其他约束条件下，使系统满足用户的需求。

航天器研制工程亦属于一项系统工程。

1.2系统工程要素或活动

系统工程主要要素或活动大致包括：

1）系统寿命周期与阶段划分，这是系统工程的主线；2）工程目标与研制策略；3）系统工程技术过程（或流程）；4）系统工程技术管理过程；5）系统工程跨学科专业技术；6）系统工程过程文件。还有许多未提到的其他要素，它们也都起着不同作用。

系统工程最重要的问题是要将工程中考虑的各项要素按照系统寿命周期的顺序进行排列。每一项工程要素均应在工程寿命周期中找到它的位置，这样，对该要素或活动的目的、输入、内容、输出等要求就可以较容易地进行判断。系统工程主线和要素如图1所示[1]。

图1　系统工程主线和要素Fig. 1　The cardinal line and essential elements of systems engineering

1.3系统工程的技术过程

GB/T 22032—2008《系统工程 系统寿命周期过程》（等同采用ISO/IEC 15288-2002）规定，技术过程大致包括要求定义、要求分析、总体设计、产品实现、产品集成、产品验证、产品交付、产品确认、产品运行与使用、产品维护、产品退役与处置。

1.4技术过程中的验证过程

技术过程中的验证过程如图2所示。

图2　验证过程示意图Fig. 2　Schematic diagram of the verification process

1.5系统工程反复迭代过程

在MIL-STD-499C-2005（草案）以及早前各版《工程管理》中，把“系统工程过程”作为标准的主要内容。“系统工程过程”是美军提炼的系统工程通用的部分，即系统工程反复迭代过程。

2　试验活动在航天器研制系统工程中的位置

试验活动是航天器一系列技术活动的重要组成部分，贯穿于型号研制的各个阶段，包括论证阶段、方案阶段、初样阶段、正样阶段以及在轨运行阶段。各研制阶段的试验目的不同，试验项目和试验条件也不同。

航天器研制试验、鉴定试验、验收试验、准鉴定试验、在轨运行试验等在航天器研制寿命周期中的位置见图3。

图3　试验验证在航天器寿命周期中的位置示意图Fig. 3　The position of the test verification in the spacecraft life cycle

3　航天器试验概念与试验要求标准的演化

3.1有关试验要求的主要标准

美国军用标准有：MIL-STD-1540C-1994《运载器、上面级和航天器试验要求》；MIL-HDBK-340A-1999《运载器、上面级和航天器试验要求：卷1 基本要求；卷2 应用指南》；SMC-S-016-2008《运载器、上面级和航天器试验要求》。NASA标准有GSFC-STD-7000《GSFC飞行计划与项目通用环境验证标准》。ECSS标准有ECSS-E-ST-10-03《空间工程标准：试验》。

3.2航天器试验概念的演化[2]

航天器试验要求标准中试验概念的演化过程大致如下。

在“阿波罗”登月计划的初期，登月舱段（如返回舱、着陆舱）的试验概念和理念经历了3次重大演化发展，生成了3种试验概念，以确定最优的航天器硬件设计考核的试验验证方法；“阿波罗”登月计划之后，针对大量昂贵通信卫星的发射，提出了第4种试验概念。这些概念依次如下：

1）可靠性试验。由于“阿波罗”计划是一个载人的登月计划，航天器的验证试验按照可靠性统计的概念设计，即根据可靠性要求确定试验件数量：每一项试验均需要30～50个试验件，试验量级和持续时间均采用真实的估计预示。显然，从经费和进度上考虑，无法支撑这样的试验概念。因此很快提出第2个试验概念。

2）极限环境试验。由环境极限确定试验件数量，即不考虑环境条件的时间长度，只考虑设计极限环境条件，验证硬件承受最严酷环境的能力，增加了安全系数。这样解决了试验样本过大的问题。但是，该设想导致各种环境因素极限条件的累积，使得安全系数过大，试验同样无法开展下去。接着，提出第3个试验概念。

3）鉴定/验收试验。综合考虑试验项目和分析项目，每种硬件单元生产2个（鉴定/验收试验的两件试验件），其中一个硬件单元用于设计极限试验，第二个元用于任务寿命试验。到“阿波罗”登月计划的中、后期，该试验概念成为了主流的试验理念，也形成了鉴定/验收的试验原理。

“阿波罗”登月计划结束后不久，1974年一年之内，美军连续发布了标准《运载器、上面级和航天器试验要求》MIL-STD-1540版和MIL-STD-1540A版，采用了鉴定/验收试验概念。这就是最早的试验要求标准。

4）准鉴定试验（第4个试验概念）。在1994年发布的MIL-STD-1540C中，正式提出了鉴定与验收试验的替代策略——准鉴定（原型飞行）试验的概念，即采用一个试验件、一次准鉴定（原型飞行）试验代替鉴定和验收2次试验，试验后进行正式飞行。原文中有4种提法：原型飞行试验、原型鉴定试验、试飞试验、组合试验，但它们的含义略有不同。其中原型飞行试验相当于准鉴定试验。

GJB 1027A—2005也采用了准鉴定试验的提法。

3.3航天器试验要求标准的演化

从“阿波罗”计划早期考核产品可靠性的多样本试验思路，逐步转变到末期只生产2件飞行产品（试验的不上天、上天的不试验）的环境鉴定与验收试验思路，形成了航天器环境试验要求标准的雏形。目前已经发展到只生产一件产品（既要试验，又要上天）的环境准鉴定试验思路。要求标准的试验项目和试验条件不断完善和细化。

4　试验基线由来及主要内容

4.1技术状态基线

在技术状态管理中经过批准的产品规范被称为技术状态基线。按航天器研制阶段的发展进程，形成了3个基线，即功能基线、分配基线和产品基线[3]。

1）功能基线。在概念和技术研发/关键技术攻关阶段/方案设计阶段的后期，技术成熟以及方案确定时，应进行系统要求和系统规范评审，通过后的系统要求和系统规范形成了第1个基线——功能基线。《系统研制总要求》或《系统研制任务书》相当于功能基线的初稿，《系统规范》相当于功能基线文件。功能基线文件应通过系统要求评审（SRR）和/或系统功能评审（SFR）后正式确认。

2）分配基线。在概念和技术研发/关键技术攻关阶段/方案设计阶段结束前，或者是初样阶段/初步设计与技术方案阶段/工程与研制制造阶段的开始，应进行初步设计评审（PDR），通过后形成CI（系统级以下关键产品）基线文件，这些文件通常是经批准的型号CI规范（如：××分系统规范、××设备规范、××单机规范、××组件规范），由此形成了第2个基线——分配基线。

3）产品基线。在初样阶段/初步设计与技术方案阶段的中期，或者是工程与制造研制阶段的末期，应进行关键设计评审（CDR）/详细设计评审（DDR），通过后形成制造产品的图样、产品详细规范、材料规范、工艺规范、软件规范等（的初始稿），形成第3个基线——产品基线。产品基线的演化需要经历相当长的时间，按照用途需要经历以下3个成熟度的产品基线：①初始产品基线，用于生产样件、工程模型、首件产品等；②经过验证的初始产品基线，用于小批量生产；③最终产品基线，用于大批量生产。对于航天器只有前2个产品基线，即初始产品基线是指鉴定验收策略的“鉴定件”，以及准鉴定策略的“首件（准鉴定件）”；经过验证的初始产品基线是指鉴定验收策略的“验收件”，以及准鉴定策略的“后续件”。研制阶段与3个基线的关系见图4[4]。

图4　研制阶段与3条基线的关系Fig. 4　The relationship between life cycle phase and the three baselines

4.2试验基线的定义

试验基线是技术状态基线文件中的试验验证部分，或者说是经批准的试验验证活动文件。型号试验基线是批准的型号试验文件。具体型号试验基线是指经批准的（功能、分配和产品）基线文件中以试验来验证产品达到或符合功能特性、物理特性、约束条件和接口要求的内容，或者是经批准的试验要求标准，或者是为具体型号制定的《试验要求》类文件。试验要求标准是将分散的型号专用规范中的试验基线汇总起来，形成一个通用试验基线。按照该通用试验基线进行试验，风险评估为中等。后续型号制定试验基线时，应根据风险等级和寿命周期环境剖面对通用试验基线标准进行剪裁，形成本型号的专用试验基线，包括试验策略、试验件、增减试验项目、试验量级、持续时间等。

4.3在现有标准中，研制试验不作为试验基线

在试验基线标准中，研制试验不作为基线。这是因为基线是“经过批准的要求”。基线往往是用于考核产品某些功能、性能指标是否符合要求的试验要求，而研制试验大多数试验项目不太确定，往往达不到上述目的。研制试验通常用于技术摸底/成熟化、选择技术方案、降低风险等目的，试验项目种类繁多，而纳入标准中的项目不多。有些看起来具有代表性的项目，目前尚不能作为基线，但将来有可能变为基线。

在标准中，元器件级、部件级、组件级研制试验项目没有按照力学试验、空间环境试验进行分类，只按照产品层级分类。

4.4试验基线的主要内容

1）鉴定/验收试验基线

在所有试验要求标准中规定了系统级、分系统级和组件级的鉴定试验和验收试验的试验矩阵，也称鉴定/验收试验基线。

鉴定试验采用（P99/90值）的概念，即99%的概率，90%的置信度[5-10]。

验收试验采用（P95/50值）的概念[5-10]。

2）准鉴定试验基线

准鉴定试验基线只是在ECSS-E-ST-10-03C和GSFC-STD-7000中给出，而在其他标准（包括GJB 1027A—2005）中均未给出。

准鉴定试验没有明确的概率/置信度值，但是概率/置信度值在（P99/90值）与（P95/50值）之间，与所采用试验策略有关。

准鉴定试验基线分两种情况：1）一些试验要求标准中规定了系统级和组件级的准鉴定试验矩阵表，也称准鉴定试验基线表。如：ECSS-E-ST-10-03C和GSFC-STD-7000制定了通用的准鉴定基线。2）大多数标准中未规定准鉴定基线，而是规定了通过修改鉴定试验基线或验收试验基线，得到准鉴定试验基线的方法，如GJB 1027A—2005、MIL-HDBK-340A（MIL-STD-1540C）、SMC-S-016 （TR-2004(8583)-1 REV A）。

5　试验基线文件

5.1试验基线文件的类别

1）通用试验要求标准：GJB 1027A—2005《运载器、上面级、航天器试验要求》是通用的试验要求标准。广义上，“试验基线”如GJB 1027A—2005所说是指“试验要求标准”；狭义上，就是指试验矩阵。

2）型号专用试验要求文件：是指对“通用试验要求标准”进行剪裁，并根据型号要求制定文件。如：NASA的“星座”计划专门制定了CxP 70036《“星座”计划环境鉴定与验收试验要求（CEQATR）》。

3）其他型号专用文件：一些特殊产品的试验要求（试验基线）既不包含在通用试验要求标准中，也不包含在型号专用试验要求文件中，而是包含在其他型号专用文件中。如：空间环境（原子氧、中性大气、电离辐射，等等）试验，不包含在通用的SMC-S-016-2008《运载器、上面级和航天器试验要求》中，也不包含在专用的CxP 70036《“星座”计划环境鉴定与验收试验要求（CEQATR）》中，而是包含在型号专用文件CxP 70144《“星座”计划电离辐射控制计划》和CxP 70023《“星座”计划自然环境设计规范（DSNE）》中。

5.2试验矩阵

试验基线由一组“试验矩阵”构成。鉴定试验矩阵、验收试验矩阵和准鉴定试验矩阵均分为系统级、分系统级和组件级。具体框架将在文章的第二部分《试验基本要素》中予以说明。

6　小结

航天器环境试验是航天器研制系统工程中的重要技术活动，是航天器质量的重要验证保证过程。试验基线规定了型号应做的试验以及基本要求，包括航天器功能基线、分配基线和产品基线中的试验验证部分。试验要求标准GJB 1027A—2005对航天器试验基线进行了定义，提出了基准剪裁要求。型号的试验基线应按该试验要求标准进行剪裁而得。

文章的第二部分将专门剖析试验基线的要素。

（未完待续）

参考文献(References)

[1]张小达, 冯铁惠. 航天系统工程主线与技术要素简介[J].航天标准化, 2014(4): 33-35

[2]MIL-HDBK-61AMilitary handbook configuration management guidance[S], 2001

[3]Levine J H, McCarty B J. Apollo experience report -certification test program, NASA TN D-6857[R], 1972

[4]张小达, 冯铁惠, 吴永亮. 技术状态管理研究[J]. 航天标准化, 2013(4): 5-9

[5]MIL-STD-1540CTest requirements for launch, upperstage, and space vehicles[S], 1994

[6]MIL-HDBK-340ATest requirements for launch, upperstage, and space vehicles VolⅠ: Baselines[S], 1999

[7]MIL-HDBK-340ATest requirements for launch, upperstage, and space vehicles VolⅡ: Applications guidelines[S], 1999

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

[9]ECSS-E-ST-10-03CSpace engineering: Testing[S], 2008

[10]GJB 1027A—2005 运载器、上面级和航天器试验要求[S]

（编辑：肖福根）

Spacecraft environmental test baseline and and its tailoring technology: Part I The origin of test baseline

Zhang Xiaoda1, Li Ye2, Xiang Shuhong2, Wu Yongliang1, Feng Tiehui1
(1. China Acamemy of Aerospace Standardization and Product Assurance, Beijing 100071, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft Enviroment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:The position of the test verification in the spacecraft life cycle is discussed in this paper. The spacecraft test baseline and its related documents are reviewed. The environmental test conception and the corresponding standards of the test requirements are analyzed. The definition of the test baseline and its main contents are given.

Key words:spacecraft; environmental test requirements; test baseline; standards

作者简介：张小达（1960—），男，研究员，从事航天总体与环境标准化工作。E-mail: zxd79104@126.com。

基金项目：国家国防科工局技术基础科研课题“航天器环境试验基线与剪裁技术”（编号：JSJC2013203B002）

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-17

DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.002

中图分类号：V416; N65

文献标志码：A

文章编号：1673-1379(2016)-0121-06