航天器环境试验基线与剪裁技术：第三部分 试验基线剪裁

向树红，张小达，李 晔，吴永亮，冯铁惠

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京100094；2. 中国航天标准化与产品保证研究院，北京100071）

航天器环境试验基线与剪裁技术：第三部分 试验基线剪裁

向树红1，张小达2，李 晔1，吴永亮2，冯铁惠2

（1. 北京卫星环境工程研究所，北京100094；2. 中国航天标准化与产品保证研究院，北京100071）

文章介绍了航天器环境试验基线剪裁的原理、剪裁要求和剪裁流程，分析了航天器风险特点、试验基线剪裁的依据和对象，研究了剪裁总要求、对通用试验要求标准和对具体型号试验要求文件的剪裁、以及剪裁的风险，讨论了国外试验基线剪裁示例。

航天器； 环境试验要求；试验基线；试验基线剪裁

0 引言

每个型号的专用试验基线都可以是对通用试验基线标准的剪裁，但剪裁是有风险的。若一项必做的试验被剪裁掉了或试验条件放松了，则会使在轨运行风险增加；若可以裁剪的而没有被裁剪，则会增加不必要的试验成本，延长研制进度。航天器的研制试验多做或少做，试验条件加严或放松，都与研制成本、技术成熟度、可靠性以及研制进度紧密相关。因此，航天器环境试验剪裁是一项规范化的工作。

1 试验基线剪裁原理［1-6］

根据GJB 1027A—2005的规定，剪裁是指针对具体型号，对试验基线要求进行修改、删减和补充。航天器试验基线的剪裁需要考虑航天器的特点，并依据这些特点来进行：要考虑哪些特点是航天器环境试验剪裁的核心特点，可以作为剪裁的依据；还要考虑哪些试验基线要素需要被修改、删减和补充，即剪裁的具体内容。

1.1根据航天器的特点进行剪裁

1）按风险级别对航天器试验基线进行剪裁NASA的航天器有效载荷按可承担的风险进行分类如下：

A类（最低风险/成本极高）：由于任务成本极高且极为重要，需要任务风险最低的有效载荷。

B类（最低风险/成本折中）：任务很重要，但是失效后成本可以接受。

C类（经济且可重复飞行）：低成本并计划可重复实施的，例如：针对航天飞机，只有在确保其安全性和兼容性以及有效载荷功能试验之后，才可以有限地进行环境试验和最终产品筛选。

D类（最低单个成本）：有效载荷对于任务目标尽管重要，但是仅仅是为了一次单个的低成本飞行。对于其安全性和兼容性目的，需要制定试验要求。

2）按应考虑因素进行剪裁

剪裁时需考虑的一般因素包括合同要求、风险要求、寿命长短、任务要求、成本要求及进度要求。由于风险因素是剪裁的基础和依据，首先将其单独列出。

剪裁时要考虑的型号因素包括：设计复杂性，设计余量，技术薄弱点，技术发展水平，研制进度的控制，任务的重要性，寿命周期的成本，相关飞行器的数量，以前的使用情况及可接受的风险。

1.2剪裁的依据

对装备总的要求通常包括3个方面：质量（指标）要求、进度要求和成本要求——它们均可以通过风险控制的方法进行管理。因此，试验基线的剪裁依据之一是基于风险的剪裁。试验基线的剪裁实质就是基于风险的剪裁。

1.3试验基线剪裁的对象

试验基线有2个概念：一个是通用的试验要求标准中的试验基线；另一个是根据通用的试验要求标准制定的具体型号试验要求中的试验基线。试验基线剪裁的对象如下：

1）试验产品装配级

剪裁时需要考虑或确定试验考核的是哪个层级的产品，即：系统级产品，分系统级产品，组件级产品，部件级产品，元器件、零件和材料级产品。

2）试验类型

剪裁时需考虑或确定试验考核属于哪个研制阶段，其目的是什么，如：研制试验，鉴定试验，验收试验，准鉴定试验，发射前合格认证试验等。

3）试验条件

剪裁时需确定各项具体试验条件，如：鉴定验收的可靠性与置信度，准鉴定试验风险，预示环境和余量，试验量级等。

4）试验项目的选择

剪裁时需考虑或确定应进行或不进行哪些试验项目并加以说明，如：功能、性能试验，动力学环境试验，静力学环境试验，气候环境试验，空间环境试验，电磁与射频试验等。

5）试验项目的要求

剪裁时需确定试验项目的具体要求，如：试验顺序，试验产品清单［主要包括：初样产品（鉴定产品），正样产品（飞行产品），原型飞行产品（鉴定并上天产品），鉴定用飞行产品（鉴定并备份上天产品）等］。

2 剪裁要求［1-6］

2.1剪裁总要求

剪裁总要求如下：

1）基于产品风险类型和模型（试验件）体系等的试验基线剪裁；

2）自上而下的试验基线剪裁；

3）经剪裁的要求所达到的试验量级应等同于型号所选用试验要求标准中的基线要求；

4）对于每个要求所进行的剪裁应阐明其原理；

5）如果合同要求不能对相关标准的基线或鉴定要求进行剪裁，则不应进行剪裁；

6）剪裁是一个贯穿项目寿命周期试验要求并实施的持续过程。

2.2对通用试验要求标准进行剪裁

当采用通用的试验要求标准时：

1）试验要求标准为航天器确定了通用的基线试验要求。具体的型号产品使用通用的试验要求标准时应进行剪裁，以使一个普遍适用的试验要求满足特定型号的需求。

2）剪裁是针对具体型号产品的任务要求，按照它的工作寿命期间任务剖面对标准中每一项要求进行分析、评估和权衡的过程，必要时对标准进行修改、删减和补充。剪裁后，确定适用于该产品的最低试验要求，并能保证任务的成功完成。

3）为保证试验计划的经济有效性，试验剪裁的过程应考虑型号产品的质量要求、计划进度、试验经费和技术风险来选择合适的试验项目、试验余量、试验要求、试验顺序等，既要避免进行多余和无效的试验，又不要漏掉能够检测出产品设计缺陷和质量缺陷的必要试验。

4）剪裁时，应对考虑剪裁的每项要求进行评价。评价的内容不仅包括有利于减少直接成本，还应包括风险的要求，以及无法明确提出要求的潜在成本。如果不能进行广泛的剪裁，用户应该提出一个适用的总结性的剪裁。标准中给出了适用的试验矩阵要求，用户应对改变的试验矩阵要求进行阐述，并根据情况编写剪裁文件。

5）对于A类（最低风险/成本极高）航天器，采用通用标准时，风险偏高，使用时应适度加严；对于 D类（最低单个成本）航天器，采用通用标准时，风险偏低，使用时应适度放松。

6）MIL-HDBK-340《MIL-STD-l540应用指南》是MIL-STD-l540B的配套文件，提供了帮助剪裁的信息。

2.3对具体型号试验要求文件剪裁

当指定并采用具体型号试验要求文件时：

1）若不进行调整，则风险被认为是“中等”的，因为此时与项目执行的风险基础是一致的。

2）对于通用设备的剪裁内容应少一些。

3）对于型号专用设备的设计、运行及其使用条件，可能需要进行额外的环境试验或调整使用条件。

2.4根据合同要求进行剪裁

为了满足合同中的每一项技术要求而进行的剪裁。如果合同要求不能剪裁标准中的要求，则不应编写剪裁文件。

2.5剪裁的风险

当研制人员对试验基线进行“优化或调整”时，这个“优化或调整”的过程就被称为对试验基线的“剪裁”。任何“剪裁”均有潜在的风险：首先应寻求改善试验发现问题的能力；其次应避免进行不适当的试验，因为不适当的试验可能引起更大的风险，而不是降低风险。

3 基于标准剪裁流程和结果的案例

每个型号采用或制定试验基线标准或文件，其剪裁的过程都是不一样的，应将每项试验要求剪裁成型号具体的要求。下面给出了3个剪裁流程案例和结果：

剪裁流程 1——MIL-STD-1540C标准中的剪裁流程；

剪裁流程 2——ECSS-E-ST-10-03C标准中的剪裁流程；

剪裁结果——“星座计划”的剪裁结果：CxP 70036。

3.1剪裁流程1［5］

型号按照MIL-STD-1540C《运载器、上面级和航天器试验要求》（1994年）进行剪裁的流程如下。

3.1.1剪裁内容

剪裁是希望通过对所引用规范中或合同中的试验要求进行措辞陈述，加以实施。剪裁不仅仅是对试验基线的剪裁，也是对试验要求标准的剪裁。剪裁内容包括：试验类型，产品类型，必做的/其他（选做的）/不做的试验类型，权重因子，替代试验策略。

3.1.2对合同中试验矩阵的剪裁建议

对合同里工作说明书（SOW）中的试验矩阵提出剪裁建议。

1）剪裁概要

为了使合同的要求更具体明确，并有助于剪裁过程，用户可提出剪裁试验要求的概要。为做到这一点，用户应按照标准中给出的“要求适用性矩阵表”范例编制试验矩阵表。关于工作说明书的措辞建议如下：“本文件是某型号对引用标准（如：MIL-STD-1540C）或文件剪裁得到的文件。对引用标准（如：MIL-STD-1540C）的初步剪裁在附加的要求应用矩阵中进行了规定。研制方应评审这些剪裁要求和提供的附加建议剪裁以及支撑原理，供合同甲方批准”。

2）试验计划

根据具体的寿命周期阶段，用户可能难以识别哪些“必做的”或“其他”试验对特定的分系统或试验件是最有效的。这时，用户可要求研制方评审“必做的”及“其他”试验并提出有效的试验计划，提交给采购方批准。

3.1.3试验评价团队

作为一种成本约束和质量保证的措施，强烈建议组建一个联合承包商与采办机构的试验评价团队，对每个主要的系统级试验进行评价，特别是模态鉴定试验、热平衡鉴定试验、分系统级结构静载荷鉴定试验，以及主要的分离鉴定试验。

3.2剪裁流程2［6］

型号按照 ECSS-E-ST-10-03C《航天工程：试验》（2008年）进行剪裁的流程如下。

3.2.1剪裁的逻辑过程

该标准描述了不同类型产品（如：空间段系统和各种空间段设备）和模型（例如QM、FM、PFM）供用户选择。标记为“X” 的是表中选项。因此，对标准剪裁是无法避免的。

图1给出了用户剪裁逻辑图，并以验证矩阵形式回答研制方。

图1　用户剪裁与研制方提出CM和VM的逻辑关系Fig. 1 Logic for customer tailoring and supplier answer through compliance and verification matrices

3.2.2剪裁的3个步骤

第1步：基于产品类型和模型原理选择的剪裁，它包含如图1所示有关条款的选择，并从试验基线表中选择所需的内容。

第2步：对所选试验基线表的内容进行剪裁。试验基线表包括：设备鉴定试验基线表，设备验收试验基线表，原型飞行器设备试验基线表，航天器级鉴定试验基线表，航天器验收试验基线表和原型航天器级试验基线表。

第3步：在第2步的基础上，完成各表中条款和表内容的调用，并进行适当的合并与剪裁。

在这3步结束后，应制定针对具体型号的试验（要求）标准剪裁文件。研制方应对符合该文档的矩阵提出意见。

3.2.3剪裁之3个步骤的注意点

在执行剪裁的3个步骤时，应注意以下几点：

1）审查术语和定义，确保其在剪裁过程中的正确性，如有需要，要求应与产品类型（如：设备级与系统级）相一致。

2）对于设备，要求应与产品类型或组合产品类型（“一般要求”或“验收试验要求：设备验收试验量级与持续时间”或“设备试验项目实施要求”）相一致。

3）每一项分解试验项目应与具体设备相一致。

4）编制设备级产品的试验矩阵和试验流程，是根据设备级试验顺序图和设备级鉴定试验基线表、设备级验收试验基线表或设备级原型飞行试验基线表；系统级产品是根据系统级鉴定试验基线表、系统级验收试验基线表或系统级原型飞行试验基线表。

5）剪裁相应的试验量级和持续时间，根据相应的设备鉴定试验基线表和设备鉴定试验量级与持续时间表，或设备验收试验量级与持续时间表，或设备原型飞行试验量级与持续时间表，以及系统鉴定试验量级与持续时间表、系统验收试验量级与持续时间表或系统原型飞行试验量级与持续时间表。

6）“设备试验项目实施要求”和“系统试验项目实施要求”的内容也应进行剪裁，包括再试验、独立的系统级PFM或FM发射前试验等内容。

3.3“星座计划”的剪裁结果［7］

CxP 70036《“星座计划”环境鉴定与验收试验要求》是“星座计划”根据通用标准进行剪裁的结果。

3.3.1影响剪裁的因素

影响裁剪结果的主要有3个因素：基于风险的评估，剪裁相关文件，批准剪裁的级别。

3.3.2试验基线与剪裁过程

CxP 70036《“星座计划”环境鉴定与验收试验要求》中给出了“星座计划”试验基线与剪裁过程示意图。调整、剪裁试验基线，必须按照图2试验要求基线和剪裁过程进行记录和批准。

图2　试验要求基线和剪裁过程Fig. 2 The test requirement baseline and flow chart of test tailoring

3.3.3基于风险的评估

每一个型号项目均应制定相应的《风险管理计划》。在剪裁时，应按照《风险管理计划》进行基于风险的评估，风险技术理论风险分类按5×5矩阵进行。风险评估相关的人员包括：研制人员，项目管理办公室的负责人员，工程技术部门负责人员，环境试验专业的专家，安全、可靠性和质量保证代表。如果未能达成共识，需要站在建议修改试验基线的高度，由图2中最高层级进行独立风险评估。3.3.4 剪裁相关文件

1）《试验验证矩阵》。每个装配级硬件研制人员应提供其“试验验证矩阵”（TVR）数据用于验证试验。TVR的内容见案例CxP 70008《“星座计划”集成与验证总计划》。

2）《试验要求评估报告》。硬件研制人员根据风险评估的结果和《试验要求评估报告》中的其他工程考虑，进行必要的剪裁。

3）其他相关文件，如：《“星座计划”偏差》、《试验验证矩阵》、《“星座计划”系统工程管理计划》。对于要求做的试验（R），进行试验要求剪裁时，应编制《“星座计划”偏差》文件，由硬件开发人员批准。偏差内容见CxP 70073-01。偏差处理和数据维护见硬件的《试验验证矩阵》文件。对于除了“R”以外的其他试验，进行试验要求剪裁时，“决策包”（DP）应从各个方面阐述如何进行剪裁。DP内容见CxP 70013《“星座计划”系统工程管理计划》；DP处理和数据维护见硬件的《试验验证要求》文件。

3.4批准剪裁的级别

1）风险评估判断为高风险（红色）和大尺寸试验评估判断为中风险（黄色）需经“系统工程控制委员会”（SECB）批准。

2）风险评估判断为中风险（黄色）和大尺寸试验评估判断为低风险（绿色）需经三级项目经理批准或授权批准。

3）风险评估判断为低风险（绿色）需经硬件工程技术中心批准。

4 结束语

所有型号都要求对通用试验基线进行剪裁以形成本型号专用的试验基线。剪裁应考虑合同要求、风险要求、任务要求、成本要求、进度要求等因素。剪裁内容包含全部试验基线要素。剪裁的主要方法是基于风险且自上而下的剪裁，并贯穿项目寿命周期。通用试验要求的试验基线风险属于中等风险。

（References）

［1］ Test requirements for launch， upper-stage， and space vehicles VolⅠ:Baselines:MIL-HDBK-340A［S］， 1999

［2］ Test requirements for launch，upper-stage， and space vehicles VolⅡ:Applications Guidelines:MIL-HDBK-340A［S］， 1999

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

［4］ 运载器、上面级和航天器试验要求:GJB 1027A—2005［S］

［5］ Test requirements for launch，upper-stage， and space vehicles:MIL-STD-1540C［S］， 1994

［6］ Space engineering:Testing: ECSS-E-ST-10-03C［S］，2008

［7］ Constellation program environmental qualification and acceptance testing requirements:NASA CxP 70036［S］，2009

（编辑：肖福根）

Spacecraft environmental test baseline and tailoring technology:Part III The tailoring of test baselines

XIANG Shuhong1， ZHANG Xiaoda2， LI Ye1， WU Yongliang2， FENG Tiehui2
（1. Beijing Institute of Spacecraft Enviroment Engineering， Beijing 100094， China；2. China Acamemy of Aerospace Standardization and Product Assurance， Beijing 100071， China）

The principle， the requirement and the flowchart of the test baseline tailoring for spacecraft environmental test are discussed in this paper. The basis and the object of the test baseline tailoring are analyzed. The general requirements and the risk of the test baseline tailoring are investigated. The tailoring of the general test requirement standards and documents are discussed. Some examples of the test baseline tailoring in the US and Europe are given.

spacecraft； environment test requirements； test baseline； test baseline tailoring

V416； N65

A

1673-1379（2016）04-0354-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.04.003

2016-02-18；

2016-07-13

向树红（1963—），男，博士学位，研究员，博士生导师，北京卫星环境工程研究所科技委主任，中国振动工程学会振动与噪声控制专业委员会副理事长，长期从事航天器可靠性与环境工程技术研究。E-mail:xshxsh638@sohu.com。