航天器试验装配级与试验策略探讨*

2016-10-17吴永亮张小达

航天标准化 2016年3期

关键词：航天器原型组件

吴永亮　张小达

（航天标准化研究所，北京，100071）

航天器试验装配级与试验策略探讨*

吴永亮张小达

（航天标准化研究所，北京，100071）

文摘：简述航天器试验装配级的基本内容以及基于装配级的试验策略，解析国外标准中对航天器装配级和硬件类型的划分，探讨航天器装配级、硬件分类与对应试验之间的关系和试验策略。

航天器；试验策略；装配级；硬件类型。

航天器是一个极为复杂的系统，如果对整个系统进行试验是不现实的，因为不仅在技术上存在很大的困难，而且在成本和计划进度上也存在很大的风险。对于航天器这种复杂系统，主要采用基于装配级的倒金字塔型分级试验策略，即从组成系统的低装配级就开始试验，再逐步进行较高层次的装配级试验，最后进行系统的验证。这种试验策略的最大优点是可以将问题在较低层次上尽早暴露，从而有效地降低成本和计划进度上的风险。同时，这种试验方法在技术和资源上也更容易实现。此外，航天器开展的这些试验的类型又与其硬件类型相对应。

1　基于装配级的试验策略

一方面，航天器从最初的部组件级产品就开始了试验验证工作，随着产品的装配级别的逐渐提升，逐步开展各级别的试验验证，直到系统级产品的试验验证。另一方面，从最初的产品概念设计阶段开始，一直到系统验证阶段，产品要求的各项功能、性能指标是从系统级产品开始，逐步定义并分解到分系统级、组件级的产品上，这些功能、性能指标最后就成为了各装配级产品进行试验验证的依据，如图1所示。

图1　基于产品装配级的试验策略

通常，低装配级的验证不能完全代替高装配级的验证，但利用低装配级的验证结果可以有效地降低高装配级的验证过程在技术、成本和进度等方面的风险。

在许多情况下，高装配级（如系统级或分系统级）的试验验证受到试验技术、资源和成本等诸多方面的限制，如试验设备的尺寸限制、试验代表性的限制、昂贵的试验成本的限制等。因此，高装配级借助于低装配级的试验结果，或者采用替代试验的策略，可以使高装配级的试验过程避免这些试验的困难。例如，对于非常大的航天器，试验设备限制了在系统级进行声试验。在这种情况下，应该在可行的最高装配级下进行声试验。对于非常大的组件，当无法进行随机振动试验时，由声试验替代。

此外，从成本和进度的角度考虑，应当避免在不同装配级上进行重复的验证工作。为了最大限度地保证项目的可行性和合理性，对于项目中指定产品的所有物理和功能要求，宜在产品特定的高装配级上进行试验。

2　航天器（飞行系统）装配级的分类

美国国家航空航天局（NASA）的戈达德飞行中心标准GEVS-STD-7000《环境验证》中规定了装配级分类及对应的各类产品，见表1。

表1　飞行系统硬件装配级

表1所列的装配级划分是美国空军、NASA总部、GSFC以及JPL等部门的协同一致的结果，可以代表美国对航天器装配级的分类。

MIL-STD-1540C《运载器、上面级和航天器试验要求》、NASA-HDBK-7005《动力学环境准则》以及我国GJB 1027A-2005《运载器、上面级和航天器试验要求》对于不同航天器装配级的定义如下。

a）零件：在设计应用中不能再进行拆分的连接件，被拆分后其设计用途一般就会被破坏或受到损害。例如集成电路或滚珠轴承、继电器等。

b）部件：由两个或多个零件组成，可以进行拆卸或零件替换。例如印制电路板或齿轮传动链。

c）组件：组件是具有某种功能的产品，从制造、维修或记录的目的来看可视为一个完整及独立的整体。例如液压作动筒、阀门、蓄电池、电缆束和发射机。

d）分系统：两个或多个功能相关联的装置，包括之间的连接部件（如电缆、管理以及支撑结构）。例如测试设备系统或推进系统。

e）飞行器：能够完成一次空间任务的某些阶段性使命的飞行系统。例如运载火箭、航天器等。

从试验的角度，可将航天器各装配级主要划分为三大层次：系统级、分系统级和组件级，各层次中又包括划分更细的各装配级航天器硬件。这也符合国内外航天器试验的相关标准。经过统计，在国外各标准中，针对不同装配级产品的试验对象，试验分为3个试验类别，见表2。其中，组件级主要针对装配级为部件、组件级别的产品；分系统级主要针对分系统装配级产品；系统级主要针对飞行器级产品。

表2　国外标准对不同装配级产品的试验归类

3　航天器硬件的分类及定义

NASA将航天器硬件分为原型硬件和飞行硬件。

a）原型硬件（Prototype Hardware）是指在研制试验中或者接口设计中使用的最终设计硬件组装的仿制件。这种仿制件可以具有实际功能，也可以不具有实际功能。原型硬件的试验条件一般超过预示寿命期间最大极限条件。原型试验使用的是原型硬件，这种硬件是专门的试验件，不能用于飞行。

b）飞行硬件（Flight Hardware）是指设计和试验的硬件，经过试验后硬件也用于飞行。飞行试验（首飞试验）使用的是飞行硬件，原型飞行试验的飞行硬件（即试验件）完成试验后，可成为飞行件，在飞行任务中使用。因此，除非项目负责人同意，否则禁止试验破坏飞行硬件。

飞行硬件对应4类正样产品：首飞硬件、后续硬件、备用件和重复飞行硬件。

●首飞硬件（Protoflight Hardware）——新设计的飞行硬件，以鉴定和验收试验项目为条件，其试验件可以用于飞行。

●后续硬件（Follow-on Hardware）——经过原型硬件试验（对应准鉴定试验）或者首飞硬件试验项目验证过的飞行硬件，以飞行验收试验项目为试验条件。

●备用件（Spare Hardware）——经过设计验证的飞行硬件，以飞行验收试验项目为条件，一般用于替代无法飞行的飞行硬件。

●重复飞行硬件（Reflight Hardware）——在空间中使用过并且以相同的方式再次使用的飞行硬件，试验项目以其过去的性能、现在的状态和将要执行的任务为条件。

4　基于硬件的试验分类与策略

NASA对航天器试验类型按用途分为：原型试验和原型飞行试验（首飞试验）。

4.1定义

NASA-STD-7001《有效载荷声振试验准则》中明确规定了原型试验、原型飞行试验的目的，并对试验分类给出了定义。

a）原型试验（鉴定试验）是在专用的试验件上完成的，其目的是验证供预期飞行任务使用的硬件具有足够的设计余量。试验件的图样、材料、工具、制造方法、检验方法和工作人员的技术水平与制造飞行件完全相同。原型试验（鉴定试验）的试验件为原型硬件，此类试验件不可上天飞行。

b）原型飞行试验（首飞试验）是在飞行硬件和备用硬件上完成，不再有专供原型试验的硬件。原型飞行试验兼有鉴定和飞行验收试验的双重目的，即利用试验评价硬件的设计裕度、验证飞行硬件在相应环境下的满意程度、暴露工艺和材料的缺陷。原型飞行试验的试验件为原型飞行硬件，此类试验件可上天飞行。

针对不同的硬件类型，航天器可进行原型试验或原型飞行试验。而根据不同的试验目的，又分为鉴定试验、验收试验和准鉴定试验。此外，还有研制试验、发射前的确认和在轨确认，本文暂不讨论。鉴定试验、验收试验和准鉴定试验与上述原型试验、原型飞行试验的关系如图2所示。

图2　航天器试验策略

●鉴定试验目的是验证产品的设计方案、工艺方案是否满足要求并具有规定的鉴定余量，还要验证用于产品验收试验的试验方法、试验程序、试验设备、试验软件、测试仪器的可行性和正确性。

●验收试验目的是通过对产品施加电应力和环境应力暴露产品由于元器件、材料和制造工艺的潜在缺陷，排除产品的早期失效。对每一件飞行产品进行验收试验，证明产品的性能和质量符合飞行要求。

●准鉴定试验是组合了鉴定试验和验收试验目的而进行的试验。在一定条件下经过准鉴定试验的产品仍然可以执行飞行任务，此时鉴定与验收试验合二为一，且试验条件低于鉴定级。ECSS-E-ST-10-03C规定准鉴定试验是在第一个飞行模型上进行，验证空间段飞行器（航天器）或设备在规定环境中符合规范规定的鉴定余量并确认其可以交付和后续使用，且无工艺缺陷和材料缺陷。如果需要进行破坏性试验（例如爆破试验），应使用有代表性模型硬件代替原型飞行硬件进行试验。

进行准鉴定试验的试验件只有1件，既要进行试验又要上天飞行。而经过鉴定试验的试验件不可以上天，但经过验收试验的试验件可上天飞行。

4.2航天器试验策略

航天器硬件种类与对应的试验关系如图2所示。

航天器研制过程是从系统工程的角度考虑，按照装配级从顶层向底层逐步分解，而航天器试验主要是采用基于装配级的试验策略，将航天器从底层向顶层逐步进行试验验证。当进行航天器试验时，根据产品的装配级别分类，形成了3个层次的试验，分别是组件级、分系统级和系统级试验。根据航天器硬件用途的不同，分为原型硬件（首件）和原型飞行硬件（后续件），对应的开展鉴定试验、验收试验和准鉴定试验。理清航天器装配级、硬件分类以及对应试验之间的关系是研究航天器试验策略前提和基础。

吴永亮（1987年—）男，硕士，工程师，现主要从事航天总体、航天试验技术标准化工作。

张小达（1960年—）男，研究员，现主要从事航天器环境及空间环境标准化工作。