提高航天器结构试验验证效费比的策略

高峰，柴洪友，白光明



提高航天器结构试验验证效费比的策略

高峰1，柴洪友1，白光明2

（1. 北京空间飞行器总体设计部；2. 中国空间技术研究院通信卫星事业部：北京100094）

面临市场竞争所带来的经费、周期、人力等压力，如何提高航天器结构试验验证的效费比成为热点问题。文章指出提高试验验证效费比的前提是要充分理解试验的目的、类型、责任，把试验验证视为设计与产品质量保证的有效手段；进一步提出从提高设计质量、权衡过程控制与检验试验的成本、理解失效模式、设计针对性的验证、同步规划设计与验证6方面构建高效费比的试验验证策略。

航天器结构；试验验证；高效费比；质量管理体系

0 引言

近年来，面临市场竞争所带来的经费、周期、人力等压力，如何提高各种类型试验验证的效费化成为热点问题，目前普遍的的做法是对试验项目进行恰当的剪裁。随着虚拟试验技术及仿真技术的发展和成熟，人们倾向于减少甚至取消部分物理试验。但是，有些设计师对试验验证活动存在一定的误解，认为“总体没有要求我们做试验，我们就不用做试验”，甚至认为设计验证或产品验证的成功判据就是“不被破坏”，因而为了确保试验考核“成功”，有时采取尽量压低试验量级的做法。如此一来，承研方和总体单位有时会成为对立面，即承研方要求以尽可能低的量级进行试验，而总体单位又要求尽可能高的试验条件。

事实上，对试验验证的准确理解是回答上述问题的前提，也是制定高效费比试验验证策略的关键。本文首先指出应从设计与验证的内涵、验证类型、验证目的、验证责任等方面深入地理解试验验证；进一步指出，从提高设计质量、权衡过程控制与检验试验的成本、理解失效模式、设计针对性的验证、同步规划设计与验证6方面构建提高试验验证效费比的策略。

1 试验验证的理解

1.1 设计与验证

严格来说，设计师应同时承担设计和验证两项工作任务。根据客户要求及约束条件，先是确定设计目标并提出设计方案，然后通过各种验证手段来证明设计方案满足要求，在设计与验证的迭代中，不断地建立起对设计的信心。因此，从逻辑关系上，是先有设计，然后有设计验证；先有产品，再有产品验证。

关于设计，并没有统一明确的定义。H. Petroski[1]认为，设计就是对失效的避免与完善。Robert Jones[2]认为，设计是一个提出非确定解的过程，是回答“承担给定载荷的优选结构是什么？”。

验证是找出确定解的过程，是回答“结构能够承受多大载荷？”[2]。验证是用来证明设计满足设计要求、并能在寿命期间保持其使用能力的基本过程。W. J. Larson[3]认为针对航天器系统，验证（Verification）是回答“我们是否把系统设计正确了？”，如果验证通过，那就证明设计满足要求。确认（Validation）是回答“我们是否设计了正确的系统？”，如果确认通过，那就证明系统会如预计的那样正确工作。

1.2 试验验证优势

试验[4-5]是一种有效验证方法，在航天器的验证工作中起着不可替代的重要作用。试验验证具有如下优势：

1）验证比较可靠。由于航天器的环境或载荷条件比较苛刻，其材料和构造比较特殊，生产批量少，继承性较差，而试验验证又可以基本上模拟真实环境和产品技术状态，因此验证的可信度高。

2）验证比较全面。其他验证方法，例如产品设计的验证分析和产品制造质量的验证检验，均有一定的局限性，而试验可以同时验证产品的设计和制造质量。

3）验证比较直观。采用分析或类比的验证方法需要经过许多间接的推论，而试验验证的结果一般可以很快获得且又比较直观，容易被决策者接受。

1.3 试验验证类型

对于新的结构，新的材料，新的制造工艺，则要求进行研制试验；为了验证航天器结构的设计满足要求，需要进行鉴定试验；验证航天器结构或机构产品的制造工艺质量，应该进行验收试验。

从系统工程的研制阶段划分来看，方案阶段的主要目的是建立结构体系架构、明确系统组成及部件功能，这是后续详细设计的基础。在方案阶段，主结构的静力试验通常是鉴定级，目的是验证结构体系中的核心部件（通常是主结构）设计的合理性，对其技术状态进行固化。初样阶段主要是进行次级结构设计，其设计载荷往往是由振动环境导出，因此，次级结构验证也是通过正弦振动鉴定级试验来进行，此时主结构的作用可以理解为是配合次级结构验证的“工装”。正样阶段主要验证所制造的产品没有工艺缺陷，其验收试验可以理解为无损检测试验。

另一种降低研制和验证成本的方式是原型飞行（Protoflight）策略，不单独进行鉴定件的制造及其鉴定试验。首次制造的飞行件试验通常称为准鉴定试验，其试验量级高于验收级、低于鉴定级，尽量缩短试验时间以免影响产品的寿命，如正弦振动采用4Oct/min，噪声试验为60s。尽管原型飞行策略可以节省费用和加快进度，但增加了失败的风险。

1.4 试验验证目的

从本质上来说，试验本身并不是目的，试验要么是验证设计或产品，要么是为了获取信息，它只是达到上述目的的手段。设计师不是为了试验而做试验，也不仅仅是为了满足客户要求而做试验，而是通过试验建立起对设计及产品的信心。

在设计过程中需要做研制试验，目的是获取用于设计和分析所需的各类参数，或者验证整个结构体系。

当对设计质量不确定时，需要做鉴定试验，目的是验证设计并获取鉴定余量，因此试验条件的制定必须聚焦于“如何实现对设计的考核”。有效考核的前提是需要知道设计目标是什么，即回答“产品当初是怎么设计的？设计载荷是多少？试验的加载是否达到了设计载荷要求？”。在振动试验时，试验条件的下凹应以达到设计载荷要求为准则，而不能以不被破坏或者不被击穿作为星箭耦合分析的下限准则。试验下凹控制不能影响到“证明结构具有正的强度裕度”这一目标的达成[6]。

当产品质量（实现过程）不确定时，需要做验收试验，即检验试验。一般来说，如果对产品的实现过程能够进行完美控制，就可以不做验收试验，但航天器实现过程复杂的特点又决定了需要验收试验。

1.5 试验验证责任

承研方开展结构试验验证的目的是验证设计及产品是否满足客户要求，因此，验证活动的责任主体是承研方，而不是客户。对于航天产品，承研方是最了解其设计状态及产品实现过程的一方，有义务针对各类薄弱环节及潜在失效模式制定有针对性的验证矩阵。鉴于航天产品的承研方和客户是利益相关方，故试验验证活动要经过客户确认，但这不能改变验证活动的责任主体。因此，承研方设计师应把试验验证活动视为自己的责任，而非仅仅是完成总体要求的工作。前者是积极的、主动的验证，后者是消极的、被动的验证。

GJB 9001B之7.4.3[7]提出“组织应编制采购产品的验证准则。顾客参加产品验证活动并不能免除组织提供可接受产品的责任”。AS 9100C之7.4.3[8]提出“组织或供方不应该把顾客对任何层次的供应链所做的验证活动用作质量有效控制的证据，也不能免除组织提供可接受产品和符合所有要求的责任”。

2 高效费比的试验验证策略

2.1 提高设计质量是减少验证活动的本源

如前所述，设计是整个研制活动中最重要的环节，从工程本质上而言，好的设计一定是简单的、健壮的。如果能够利用系统工程方法把复杂的目标分解成简单的结构设计，甚至简单到通过受力简图或简单建模分析就可得到准确答案，那就可以减少对试验验证活动的依赖。从质量的观点来看，Taguchi[9]认为“产品的质量来源于设计，而非对产品的检验”。

结构材料选取也是如此。金属材料具有各向同性、均质、失效模式单一的特点，而复合材料具有各向异性、非均质、失效模式多样、破坏过程复杂、力学性能离散性大的特点。对于金属材料，可能仅通过分析就可以验证其强度要求；而对于复合材料，不得不通过各类验证活动来获取足够信心。这并非排斥复合材料，而有时需要在先进性和成本之间做出权衡。

因此，如果航天项目面临经费、进度等压力，不应该盲目地去剪裁试验项目，应该通过更简化的设计以减少不确定度，进而提高产品固有健壮性，实现设计内在质量的提高，在此基础上的试验剪裁才不会增加项目风险。

2.2 权衡过程控制与产品检验试验

控制产品的质量，要么是通过过程控制，要么是通过事后检验。质量大师Deming[9]认为“不应通过事后检验而应通过过程控制来提高产品质量”。

不同产品实现过程的复杂程度不尽相同。对于诸如易拉罐一样的简单产品，实现过程简单，即便失效也没有危害，只需要建立过程可控的标准化生产线即可，不需要对每件产品做检验，如逐个进行打压试验。但对于航天器密封舱结构，尽管对其生产过程进行了严格的控制，仍需要通过水压试验检验密封舱焊缝。

我们需要根据产品实现过程的复杂程度设计检验试验，在完成鉴定试验之后，若产品制造过程简单，就没有必要安排检验试验；若制造过程复杂，除设置关重件、关键强制检验点等过程控制手段外，也需要逐件进行检验试验。

因此，采用简单的工艺方法，加强复杂产品过程控制，减少制造过程偏差，是减少产品检验试验的重要保障。

2.3 理解失效模式是提高验证针对性的前提

验证不是盲目性的活动，设计师在设计发布时就应该能够预计到失效部位和失效模式，进而安排有针对性的试验验证。当然，试验验证也能发现设计师预计之外的失效模式，此时需要确定的是该失效模式究竟是因为试验设计不合理，还是由结构设计的薄弱环节所引起的。

以“东五”平台大型储箱支撑拉杆为例，为了减轻重量而采用全黏接方式。通过试验确定了黏接胶类型、胶接间隙、合适的接头刚度过渡形式；又通过鉴定试验确定并冻结该胶接结构的设计技术状态。但考虑到胶接环节受胶接间隙、表面状态等因素影响，可能存在胶接质量问题，必须采取有效的无损检测手段以确保产品质量受控，因此规定每件产品交付前需要验收试验。2015年，SpaceX公司发射“猎鹰9号”火箭失败，原因定位于用于氦气罐固定的支架因工艺缺陷而折断，高效费比的解决措施就是在外协厂家交付总体集成之前须逐一进行检验试验[10]。

如果把人的体检视为一种试验验证活动，那么不同年龄和性别选择的体检项目应有所不同，同样对于人体不同部位应选择不同的检查手段，甚至对于同一种疾病也可采用不同的化验方式，而不是不加区分地把所有的体检项目、所有的检查方式都做一遍。航天产品的试验验证也是如此。

因此，理解不同结构的典型失效模式，有针对性地设计验证矩阵，是提高验证效费比的有效措施。

2.4 同步规划设计与验证活动

系统工程方法要求自上而下进行设计与分解，自下而上进行产品验证与集成。在设计时，就需要同步考虑如何验证的问题，即考虑设计及产品的可验证性。技术分解和产品分解直接决定验证策略，接口定义应尽可能地简单明确以便于验证实施，不明确且复杂的接口将会使组件产品的验证变得极其复杂。

其实，设计与验证是研制过程中不可分割的两方面，应该带着验证的观点去做设计，应该带着设计的观点去做验证。但专业细分又会导致不好的倾向，部分设计师认为验证活动应由专业的分析人员或者试验设计人员负责，应由他们发现设计缺陷；而试验验证人员往往认为其工作只是校核图样、暴露缺陷，而没有义务去思考如何提出更好的设计，这是设计师的责任。造成的后果就是，设计师做出的设计方案可验证性较差，需要花费较大的成本去验证；分析人员因没有充分理解设计意图并判断失效模式，而做出无效的试验验证。

2.5 加强试验设计成本意识

设计人员总是希望对所有的不确定环节都能进行试验验证，以降低风险，但对于工程来说，“money talks”是永远需要考虑的事情，为此，就需要在有限的资源约束下，加强试验设计与实施的可行性与有效性研究。

1）选择合适的试验加载方式。如对于静力试验，大型卫星宜采用纵横联合加载试验方式；小卫星可采用sine-burst试验方式，在振动台上同时完成静力试验和振动试验；更为紧凑的航天器结构宜采用离心试验。

2）对试验工况进行剪裁，即并非所有的设计工况都需要验证。如对于大型卫星的拉伸设计载荷，若因为受限于成本及实施难度难以进行试验验证的，则可以结合分析手段进行试验验证。

3）通过加载点简化以降低试验成本。加载点简化的前提是对考核目的和传力路径的深入了解，例如仅考核星箭连接面载荷，那么远离该部位的载荷施加位置可以简化；若对内部结构设计有信心，那么就可以把加载点位置转移到星外，降低实施难度。

4）充分理解试验目的，合理布置测点位置及数量。试验设计人员倾向于尽可能多地使用测点，尽管能力更强的试验设备提供了这种可能，但是，若对于试验目的理解的不够，单纯增加测点要么没有布置在需要的位置，要么没有采集到需要的失效模式。事实上，试验时，设计师关心的测点远少于当初布置的测点数量。

5）在试验设计早期就与试验实施单位沟通，讨论试验的可实施性，做出简单有效的加载方案及试验工装。对于重要的试验工装，其本身的设计质量与产品质量也需要进行验证，避免试验实施时因工装失效而引起试验成本增加。

2.6 客观看待计算仿真及虚拟试验技术

得益于各类计算仿真软件和计算机硬件的飞速发展，航天器结构计算与仿真能力也越来越强，模型与试验的关联修正使得计算分析结果与试验结果吻合度好，计算模型的可靠度高。但计算分析准确程度依赖于是否把可能出现的失效模式都已包含于模型之中，并采用有效的失效判据。

近年来虚拟试验技术快速发展，其真正用意是将试验工装、试验件、控制策略开展联合建模分析，获取更为真实的试验边界和分析结果，减少刚性边界下试验条件不准确的现象。但实质上，不能指望通过虚拟试验回答如何进行设计（研制试验）、如何发现设计缺陷（鉴定试验）、如何检验产品工艺质量（验收试验）等问题。

3 结束语

1992年，时任NASA局长Daniel Goldin提出“Faster、Better、Cheaper”（FBC）策略替代原有的“Higher、Faster、Further”，对于FBC策略所取得的实际效果，业界评价不一[11]，有人认为FBC只能二者取一。事实上，如果我们首先能把事情做“好”，那么就可以做到“快”和“省”。把事情做“好”，就意味着：

1）遵循科学的系统工程方法，从技术、逻辑和时间等维度规划好所有的研制活动，在做WBS（工作分解结构）之前，首先更要做好TBS（技术分解结构）和PBS（产品分解结构）的构建；

2）从本质和源头上提高设计水平，永远不要忽略工程的本质是KISS（keep it simple, stupid）原则，产品试验时破坏往往源于设计及图纸发布；

3）设计出简单、可靠的工艺方案及实现过程，利用质量体系加强对复杂过程的控制，尽量减少产品质量的检验试验；

4）试验设计人员一方面要充分理解验证的意义，另一方面对于验证活动要有责任意识，要将验证活动视为增加对产品信心的自发活动，而非仅仅是在完成总体要求的一项工作。

[1] PETROSKI H. To engineer is human: the role of failure in successful design[M]. London: Macmillan, 1986: 112-115

[2] JONES R M. Mechanics of composite materials[M]. New York: McGraw-Hill, 1975: 367-376

[3] LARSON W J. Applied space systems engineering[M]. London: McGraw-Hill, 2009: 385-475

[4] SARAFIN T. Spacecraft structures and mechanisms from concept to launch[M]. Netherlands: Springer, 1995: 319-325

[5] 陈烈民. 航天器结构与机构[M]. 北京: 中国科学技术出版社, 2005: 435-443

[6] Arianespace. Ariane 5 user’s manual[G]. Rev 2 ed, 2016: 4-9

[7] 国防科学技术委员会. 质量管理体系要求: GJB 9001B—2009[S]. 北京: 国防科工委军标出版发行部, 2009

[8] International Aerospace Quality Group. Quality management systems–Requirements for aviation, space and defense organizations: AS9100C-2009[S]. International Aerospace Quality Group, 2009

[9] 科兹纳. 项目管理: 计划、进度和控制的系统方法[M]. 11版. 杨爱华, 王丽珍, 洪宇, 等, 译. 4版. 北京: 电子工业出版社, 2014: 751-761

[10] 杨开, 才满瑞. “猎鹰”9火箭发射失败及其影响分析[J]. 中国航天, 2015(8): 23-27

[11] 冯振兴. 文献“A Successful Strategy For Satellite Development And Testing”点评[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(3): 278-286

FENG Z X. An introduction to the paper “A Successful Strategy for Satellite Development and Testing”[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(3): 278-286

（编辑：肖福根）

The cost-effective improvement strategy forspacecraft structuretest verification

GAO Feng1, CHAI Hongyou1, BAI Guangming2

(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering; 2. Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology: Beijing 100094, China)

To improve the cost-effectiveness for spacecraft structure test verification has become an important issue under the text of intense market competition with cost, period and labor problems. Fully understanding the objective and the contents of the test is the basis to improve its cost-effectiveness. The test serves an effective means in the quality management of the design and the product development cycle. In view of this understanding, engineers should focus on improving the design quality, trading-off process control cost and the acceptance test cost, understanding the failure mode and the related test activity, as well as synchronizing the planning design and the verification based on a systems engineering view.

spacecraft structure; test verification; cost-effectiveness; quality management system

V416

A

1673-1379-2017(04)-0424-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.015

高峰（1978—），男，博士学位，高级工程师，研究方向为航天器结构设计与验证、先进复合材料结构与力学。E-mail: gaofeng_cast@163.com。

2017-05-30；

2017-07-12