航天系统环境适应性试验国外标准现状

刘栋梁 泉浩芳 周玉霞 王维嘉 李国强

（1 中国航天标准化研究所， 北京， 100071；2 北京跟踪与通信技术研究所， 北京， 100028）

1 概述

环境是装备在任何时间或地点所存在的或遇到的自然和诱发的环境因素的综合， 环境对航天系统产生的环境效应可在材料、 元器件、 组件、分系统、 系统的各种装配级别上表现出来。 环境适应性指的是装备 （产品） 在其寿命期内可能遇到的各种环境的作用下能实现其所有预定功能、性能和 （或） 不被破坏的能力， 是装备 （产品）的重要质量特性之一。 而环境适应性试验是将装备 （产品） 暴露于特定的环境中， 确定环境对其影响的过程。

环境适应性试验包括自然环境试验、 实验室环境试验和使用环境试验， 如图1 所示。 其中自然环境试验指的是将装备 （产品） 长期暴露于自然环境中， 确定自然环境对其影响的试验； 实验室环境试验是在实验室内按规定的环境条件和负载条件进行的试验， 按其目的可分为环境适应性研制试验、 环境鉴定试验、 环境验收试验和环境例行试验； 使用环境试验指的是在规定的实际使用环境条件下考核评定装备 （产品） 环境适应性水平的试验。

图1 环境适应性试验组成

环境鉴定试验是为考核装备 （产品） 的环境适应性是否满足要求， 在规定的条件下， 对规定的环境项目按一定的顺序进行的一系列试验， 是装备 （产品） 定型 （鉴定） 试验的组成部分， 试验结果作为产品定型的依据之一。 航天系统试验鉴定及作战试验是环境试验性试验重要的组成部分， 具有试验子样极少、 试验成本高昂、 试验环境限制性强等特点， 这对航天系统鉴定策略和方法的构建提出了极大挑战。

当前， 国内外航天系统环境适应性试验已经逐渐形成了一整套的试验原理、 试验程序、 试验方法。 美国、 欧洲和我国各种环境适应性试验标准的相继出台， 体现了航天系统环境适应性试验规范化的必然趋势。

2 航天系统环境适应性试验标准制定的重要性

2.1 航天系统基本属于 “一次性产品”， 上天后无法维修

航天系统的研制和使用耗资巨大， 一般都以千万元计， 有的甚至高达数亿、 数十亿元。 不同于地面装备具有良好的维修便利条件， 航天系统采办基本属于 “一锤子买卖”， 一旦发射上天就几乎不可维修。 而且航天系统是由多个系统、 上万个零件组成的极为复杂的产品， 其中一个零件的故障会造成整个航天系统的失效。

因此， 为避免航天装备上天后发生在轨故障， 从而造成巨大损失或任务失败， 需要进行充分的环境适应性设计和验证， 以保障在轨任务的成功。 此外， 尽可能在早期发现故障还可节约大量的项目寿命期成本， 如图2 所示。

图2 发现故障的阶段与修复成本的对比

2.2 环境对航天系统的影响巨大， 认知和适应环境是发挥装备效能的关键性因素

地球轨道空间是航天系统长期运行和服役的主要环境， 也是发挥作战效能的主战场。 地球空间的引力场、 磁场、 大气分子、 原子氧、 电离层和其他区域的等离子体、 辐射带及各种高能粒子等， 都是影响航天系统运行和安全工作的重要环境因素。 各种环境因素以不同的机理对航天系统和航天活动产生不同类型的影响， 一些严酷的环境甚至造成材料或器件的损坏， 威胁着航天装备的正常工作。

了解航天系统工作环境， 掌握环境对航天系统和航天活动的影响， 是进行航天装备研制的基础。 进行航天系统环境适应性试验是航天系统能够正常运行服役和航天活动能够顺利进行的重要前提。

2.3 航天系统的研制与作战应用， 需要更加匹配、 完善的航天系统环境适应性试验标准， 为我国航天装备的研制工作提供必要的技术支撑

信息化社会的发展速度在不断加速， 军事变革和航天系统环境的变化也在加速。 结合装备环境适应性最新要求以及最新工程实践， 严格设计并制定最接近真实环境、 更加精确的、 更具有针对性的航天系统环境适应性试验， 以及评价装备作战效能的关键， 必须依赖于更加匹配、 完善的航天系统环境适应性试验标准体系。

3 国外航天系统环境适应性试验标准

为提高作战能力、 支撑一体化联合作战， 国际上各国都充分认识到了航天系统环境适应性试验的极端重要性。 国际与各国的标准化组织开展了大量的航天系统环境适应性试验研究和标准体系制定工作， 发布了一系列相关标准。

目前国内外均非常重视航天系统环境适应性试验相关标准及体系建设。 国际标准化组织 （International Organization for Standardization， ISO）正在持续加强航天系统相关的环境适应性试验标准体系建设。 美国也从国家航空航天局 （National Aeronautics and Space Administration， NASA) 的相关规范、 美国材料与试验协会 （American Society for Testing Materials， ASTM） 系列标准以及美 国 军 用 规 范 （ Military specification （ USA） ，MIL） 的军标建设来提升其航天系统的研制能力。欧洲通过欧洲航天标准化合作组织 （European Cooperation for Space Standardization， ECSS） 来系统完善航天系统的环境适应性试验标准体系，用来支持和支撑航天系统的研制。

3.1 试验鉴定标准

3.1.1 美军的试验鉴定标准

美军航天装备设计与验证标准规范体系主要包含系统级、 组件级和零部件级等3 个层次的顶层标准规范， 共19 项。 包括美国军用标准、 国防部标准、 AIAA 标准、 SMC 标准、 Aerospace 公司为SMC 开发的技术文件等， 这些标准重点支撑开展了美国军用航天系统 （空间段） 研制过程试验的顶层要求制定。

美军航天系统作战试验是在作战环境下对航天系统支撑和支援能力的考核， 考核指标多指与大系统和与其他系统间的接口能力。 当前未查到有美国军用航天系统作战试验鉴定的标准， 但有作战指标设定与要求传递相关的指令指示和手册、 指南。 如美空军 《作战适用性试验与鉴定指南》[1]； 另外， 美军近年针对航天系统开发了“Test Like You Fly （TLYF）” 的试验鉴定策略并逐步推进应用于航天系统作战试验鉴定， 也形成了一些指导性的文件， 但尚未固化形成法规或标准[2]。

3.1.2 其他国家的试验鉴定标准

英国国防部并没有将武器装备的试验鉴定分为研制试验、 作战试验两个部分， 而是实行 “一体化试验、 鉴定与验收” 策略。 英国国防部的试验鉴定战略大体可以通过监管决策层、 管理层和实施层3 个层面为武装力量提供武器装备。 所以英国试验鉴定的内容既包括武器装备技术相关试验鉴定的内容， 也包括作战应用相关的试验鉴定内容。

法国国防部负责为武装力量提供武器装备，但实行的是不同的试验鉴定策略和管理体制。 法国采用的是高度集中的武器装备采办和试验鉴定的管理体制， 其下属试验鉴定局和试验鉴定中心负责其军方武器装备试验鉴定工作。 关于作战试验， 法国试验鉴定工作并没有具体指出其工作职能， 但其相关概念和工作经常会应用到军事武器装备作战中。

俄罗斯负责武器试验鉴定等工作的研究机构，主要包括国防部直属的研究所和各军兵种军事院校所属的研究所。 俄罗斯非常重视作战试验， 不仅仅停留在部门职能上。 目前俄罗斯国防部直属的一部分试验靶场位于乌克兰、 哈萨克斯坦、 吉尔吉斯斯坦等国家境内， 可以从作战层面开展性能评估、 试验鉴定等工作。 俄罗斯拥有很多的实验和试验设施， 主要包括靶标与干扰设施、 综合测量设施、 计算机仿真设施等3 大类[3]。

3.2 试验方法标准

国际和国外标准中和航天系统环境适应性试验相关的标准主要是环境试验、 空间碎片、 空间大气等相关的标准。

ISO 主要发布了航天系统试验中心的相关要求、 力/磁/热等环境试验测试方法及要求、 空间碎片减缓设计与要求等相关内容的标准文件， 例如ISO 14619 《 航天系统—空间实验—通用要求》 、 ISO 21494 《 航 天 系 统—磁 测 试》 、 ISO 23670 《航天系统—振动测试》、 ISO N1519 《航天系统—航天器热控制材料的环境测试》、 ISO 11227 《航天系统—通过超高速撞击评估航天器材料喷出物测试程序》 等。

美国军用标准主要发布了环境试验方法、 总体试验要求等上层标准文件。 例如MIL-STD-810E 《 环境试验方法及环境工程导则》、 MILSTD-810F 《环境工程考虑和实验室试验》、 MILHDBK-340A 《运载器、 上面级和航天器试验要求》 等。

NASA 主要发布的航天系统环境适应性试验标准、 手册较多。 主要包括有效载荷试验要求与规范、 轨道碎片限制要求及过程、 力/热等环境试验方法与程序、 飞行试验软件开发等相关标准， 例 如MPR 8730.1 《 检 查 与 试 验》 、 MPR 8730.2 《 检 查 与 试 验 状 态》 、 NASA -STD -7002《有效载荷试验要求》、 NASA-STD-7003 《爆炸冲击试验规范》、 NASA-STD-7005 《动力学环境规 范》、 NASA-HDBK-7004 《 力 限 振 动 试 验》、MSFC -SPEC -95M33953 《 空 间 处 理 应 用 火 箭（SPAR） 有效载荷III 测试与检验要求》 等。

AIAA 主要发布了风洞测试标定与应用、 空间碎片减缓、 航天系统试验管理及相关要求等标准， AIAA S-117-2010 《航天系统验证计划和管理过程》、 AIAA S-121-2009 《航天设备和系统的电磁兼容性要求》、 AIAA S-071-1999 《实验不确定度的评估及其在风洞测试中的应用》 等。

ECSS 主要发布了验证试验顶层标准、 空间材料的热/辐射等环境测试标准， 例如ECSS-EST-10-02C 《 验 证》、 ECSS-E-ST-10-03C 《 测试》、 ECSS-Q-ST-70-02C 《用于空间材料筛选的热真空脱气测试》、 ECSS-Q-ST-70-04C 《用于评估空间材料、 过程、 机械零件和组件的热测试》、 ECSS-Q-ST-70-06C 《空间材料的粒子和紫外线辐射测试》 等。

除此之外， 其他的标准化组织也发布了相关标准， 例如国际空间站发布的SSP 41172 《国际空间站项目： 资格验收环境试验要求》、 美国空军空间与导弹系统中心标准SMC-S-016A 《运载器、 上面级和航天器试验要求》、 美国探月CXP 70036 《星座计划环境鉴定和验收测试》。

4 思考与启示

在环境适应性试验鉴定标准方面， 美军航天系统设计与验证标准规范体系初步建成， 共19项包含了系统级、 组件级和零部件级等3 个层次的顶层标准规范。 这些标准重点支撑开展了美国军用航天系统 （空间段） 研制过程试验的顶层要求。 当前未查到美国军用航天系统作战试验鉴定的标准， 只有作战指标设定与要求传递相关的指令指示、 手册、 指南以及一些指导性文件， 但尚未固化形成法规或标准。 英国、 法国、 俄罗斯等其他国家制定了相关的试验鉴定策略， 并制定了相关的标准和指导性文件。

在环境适应性试验方法相关标准方面， 总体来说， 国外发布的标准细化程度高， 但各个标准组织发布的标准各有重点， 难成体系。 比如NASA 发布的标准有很大一部分是有效载荷试验、飞行试验、 空间材料试验相关的标准， 细化程度很高， 标准制定十分具体细化， 但NASA 关于各个分系统、 系统、 组部件相关的试验却很少。

在试验鉴定标准方面， 国外尤其是美国很早就关注航天系统环境适应性相关标准的研究， 美军的航天系统设计与验证标准规范体系已初步建成。 我国尚需重新规划整理， 并重点关注在作战试验、 试验设计与验证等领域完善相关标准。

在试验方法标准方面， 国外标准化组织机构制定的标准各有侧重， 细化程度不同， 我国应借鉴相关经验， 完善并不断细化我国航天系统环境适应性试验的标准体系， 使其结构合理并协调一致。