空天领域技术标准体系建设的思考

袁利平 王锦锋

（中国运载火箭技术研究院， 北京， 100076）

文 摘： 空天飞行器具有多约束紧耦合复杂系统设计、 高精度自主再入返回控制、 快速周转可重复使用的特征。 文章围绕空天领域技术特征、 发展现状及标准化需求， 提出空天领域技术标准体系建设设想， 包括建设目标、 总体思路和建设原则， 并进一步确定了技术标准体系一级框架。 结合空天领域技术标准体系建设初步实践， 对预期效果进行了展望。

空天领域是航天领域与航空领域技术高度交叉融合的新领域， 已经成为世界各国战略竞争的制高点。 当前， 我国围绕空天融合类装备和产品研制及应用的标准规范严重缺乏， 传统导弹武器、运载火箭和航空飞机的技术标准无法全面支撑空天领域项目全生命周期研制， 迫切需要加强空天领域技术标准体系建设的系统谋划和科学实施，使其在引领空天技术创新、 推动空天装备研制和增强空天领域核心竞争力方面发挥更加强有力的作用， 全面支撑空天领域的快速发展和创新发展。

1 空天飞行器技术特征及标准化需求

1.1 空天飞行器技术特征

空天飞行器兼具 “星、 箭、 船、 弹、 机” 特点， 飞行任务跨越航天、 航空多个空域和速域，其天地往返、 自主返回、 重复使用的任务性质决定空天飞行器具有以下技术特征。

空天飞行器需满足全速域、 全空域下一系列飞行状态的需求， 总体设计需要兼顾气动、 弹道、 防热、 载荷、 控制、 结构和安全着陆等紧耦合多约束条件， 系统复杂度高， 设计难度大； 任务剖面内需要兼具航空、 航天飞行器的系统功能， 飞行器装填密度大， 各系统一体化、 集成化要求更高。

返回式卫星、 飞船采用弹道式或半弹道式再入返回， 升阻比小， 再入速度高、 过载大、 控制能力较弱， 不能像航空飞行器一样进行高精度着陆控制。 而空天飞行器采用多执行机构主动复合控制方式， 横向机动能力强、 再入可达域广、 控制精度要求高。

空天飞行器目标是像常规飞机一样通过简单维修即可再次发射， 以满足廉价、 可靠、 快速进入空间和大规模开发空间的需要。 空天飞行器设计之初即要全面秉承面向可维修性的可重复使用设计理念， 满足空天飞行器长时间热待机、 快速发射、 便捷维修的需求。

1.2 空天领域技术发展现状

从美国航天飞机开始， 世界各国围绕空天领域关键技术开展了持续多年的技术攻关， 先后突破了以飞行器总体多约束一体化设计、 重复使用热防护、 健康管理与运行维护保障等为代表的一系列关键技术。 我国虽然起步很晚， 一直处于追赶状态， 但通过多年不懈努力， 也在空天领域打下了良好的技术基础。

亚轨道重复使用运载器飞行演示验证项目首飞圆满成功， 首次探索升力式运载器亚轨道飞行，全面验证全剖面飞行关键技术， 为空天领域创新发展和自主可控迈出了坚实一步； 围绕多种动力类型正在开展组合动力飞行器预先研究工作， 机体推进一体化设计和宽域飞行高精度控制等一系列吸气式飞行器核心关键技术也取得了重大进展。

经过多年的持续发展， 我国在空天领域已经积累了较为丰富的理论成果和技术成果， 为空天领域技术标准化实施奠定了良好的基础。

1.3 空天领域技术标准化需求

技术标准化是支撑服务空天领域技术创新发展的一项重要工作。 科学构建覆盖全面、 完整配套、 先进适用、 具有自主知识产权的空天领域技术标准体系， 是规范空天领域当前项目研制和装备建设的重要依据， 是夯实空天领域核心竞争力、 助力空天领域主体站位的前提和基础。

空天飞行器与一次性运载火箭和传统航天器在设计理念上存在较大差异， 空天飞行器总体设计需满足重复使用次数、 使用寿命、 测试性、 健康状态评估等指标要求， 运行维护体系的设计要与飞行器设计同步开展， 以提高空天飞行器的发射频次并减少重复使用的费用。

空天飞行器设计上需综合考虑： 空间辐照、 原子氧、 单粒子效应等空间环境， 发射段、 再入段气动加热及在轨段空间温度交变等热环境， 发射段、再入段力学环境， 全任务剖面复杂的电磁环境。 结构产品要确保使用寿命内的结构完整性， 电气产品需要考虑重复使用与空间长期在轨双重需求。

空天飞行器的飞行任务剖面决定了其研制试验项目既要参考火箭的研制试验项目， 设置力学试验、 电功能测试、 电磁兼容试验等， 卫星研制还需要考虑热平衡、 热真空、 热循环、 空间环境、 磁试验等， 同时也要参考飞机设置疲劳、 伺服弹性等试验。 另外， 对再入面临的严峻气动加热问题、 高载荷高热流下的冷热结构匹配问题，也是传统一次性航天器和飞机不需要考虑而空天飞行器必须考虑的。

空天飞行器通常采用面对称、 大翼展升力式双曲率结构外形布局， 相比锥、 柱式回转体构型的弹箭体结构， 其外形曲率更复杂、 精度要求更高； 空天飞行器内部高精度配合接口多， 定位精度要求高， 空间开敞性差； 同时， 空天飞行器高结构效率的轻质化要求使得飞行器要大量采用复合材料， 对复合材料大尺寸复杂曲率高精度成型和防热承载一体化热结构整体成型提出了极高要求。

2 国内外空天领域技术标准体系调研

2.1 国外空天领域技术标准体系现状

20 世纪80 年代， 美国国家航空航天局（NASA） 成功研制出航天飞机并投入使用， 实现了火箭动力轨道飞行器的重大突破， 且航天飞机后来逐渐成为美国进出空间所依赖的主要力量。作为重复使用空天飞行器的典型代表， 航天飞机首次实现了航天运输系统由一次性使用向重复使用的技术突破， 对美国近半个世纪航空航天技术的发展起到了重要的推动作用。

NASA 作为同时主管航天和航空项目的政府机构， 非常重视标准化工作， 其标准项目作为保障NASA 主要任务及其项目需求的重要手段， 贯穿于战略计划的全过程， 是其产品研制生产的重要组成部分。 从1968 年到1980 年， 在航天飞机立项及研制阶段， NASA 共组织编写发布了123 项空天飞行器设计准则文件， 分为4 大类：环境类设计准则24 项， 结构类设计准则44 项、制导与控制类设计准则22 项、 化学推进类设计准则33 项。 这些设计准则文件内容丰富， 一方面总结了过去多年的设计经验和教训， 另一方面规定了该类飞行器的设计要求以及工程实践， 有力地支撑了航天飞机的研制。

在航天飞机退役后， 美国先后开展了X-37B、 XS-1 和追梦者等重复使用空天飞行器的研制， 在关键技术、 基础理论等层面不断完善空天飞行器技术标准体系， 以实现重复使用空天飞行器技术和项目的科学、 健康发展。

美国的航天和航空领域相互之间并没有非常明显的界限， 在NASA 和波音公司的标准体系中包含大量适用于空天领域装备及产品研制的标准化文件， 它们支撑研制的航天飞机项目是史上最成功的航天与航空融合的工程项目。

2.2 我国空天领域技术标准体系现状

我国航天领域与航空领域相对独立， 航天领域的标准体系主要围绕导弹、 火箭、 卫星、 飞船、 空间站等展开， 而航空领域的标准体系主要围绕战斗机、 直升机、 运输机、 民航客机等各类飞机展开， 相互之间技术重叠少。 空天领域作为航天领域与航空领域的交叉融合领域， 在国内属于新发展的领域， 相比于传统领域研究历史并不长， 技术基础薄弱， 可借鉴成果少。

近年来， 国内航天领域围绕航天企业标准体系建设、 航天型号标准体系建设、 航天军工项目标准体系建设都有相关研究， 但是我们围绕空天融合类装备和产品研制及应用的标准规范不多， 且不成体系。 在当前形势下， 迫切需要针对空天领域发展规划， 构建一套完善的空天领域技术标准体系， 并尽快着手开展相应的技术标准编制工作， 以支撑空天领域快速发展。

3 技术标准体系建设设想

3.1 建设目标

构建体系完整、 功能完善、 布局合理、 先进适用、 自主创新的空天领域技术标准体系， 用于规范空天领域装备设计、 保障项目科学研制、 支撑领域长远发展； 通过推进空天领域技术标准体系建设， 提升标准化整体水平， 加强标准化的支撑、 服务和引领作用， 规范科研生产管理， 服务上下游单位。

3.2 总体思路

以空天领域标准化需求为牵引， 结合航天航空发展最新技术成果和未来发展趋势， 构建空天领域技术标准体系， 全面覆盖项目立项论证、 方案设计、 工程研制和运行维护全寿命周期， 全面覆盖系统设计、 试验验证、 总装总测全研制流程， 全面覆盖系统、 分系统、 单机和部组件全系统产品。

3.3 建设原则

空天领域技术标准体系的建设应注重系统策划， 充分发挥各承研承制单位的专业特长和技术优势， 确保标准体系内容全面覆盖空天领域科研产生的全寿命周期， 同时要不断完善、 动态管理。

空天领域技术标准体建设应加强自主创新，将具有自主知识产权的技术成果和先进的理论实践等固化形成标准， 纳入标准体系； 同时， 为保护核心和关键技术秘密， 按照保密要求合理设置体系表中标准项目的级别。

在空天领域技术标准体建设过程中， 要认真梳理各级各类标准， 深入分析各项标准的适用性，围绕需求合理规划标准项目， 确保纳入体系表的标准项目符合空天领域科研生产的实际需要和未来发展趋势， 使其有较强的针对性和有效性。

空天领域技术标准体系建设应结合空天领域项目研制， 针对研制经验不足、 相关标准缺乏等问题， 一边开展技术创新和技术研究， 一边着手编制标准规范， 在具备条件时及时将研制经验固化， 使标准体系建设与空天技术发展保持同步。

3.4 体系框架

按照建设目标和总体思路， 在借鉴国内外标准体系建设经验的基础上， 采取以专业和产品相结合的方式进行划分， 形成树状层次结构的空天领域技术标准体系初步框架。 以项目研制流程为主线， 提出 “设计类、 试验类、 制造类、 运维类”； 从项目技术管理角度提出 “质量类”； 从兼顾后续发展需求角度提出 “产品类、 数字化类”；将通用和技术基础标准统一归为 “基础类”。 空天领域技术标准体系一级框架如图1 所示。

图1 空天领域技术标准体系一级框架

基础类： 涵盖空天领域项目研制建设涉及的通用标准和技术基础标准。

设计类： 围绕空天领域项目研制建设过程中系统功能、 设计内容进行分类， 涵盖项目研制建设过程中涉及的总体及分系统专业设计内容。 考虑未来专业技术发展， 以专业技术为分类依据， 以项目专业技术为主， 参考不同项目、 不同领域的方式进行划分。 设计类标准子体系框架如图2 所示。

图2 设计类标准子体系框架

试验类： 围绕空天领域项目研制建设过程中系统功能、 试验内容进行分类， 涵盖空天领域项目研制建设过程中涉及的总体及分系统各种试验项目。 试验类标准子体系框架如图3 所示。

图3 试验类标准子体系框架

制造类： 围绕空天领域项目研制建设过程中与现有航空航天产品生产制造有较大区别的结构进行分类， 包括： 机构起落架制造、 热防护制造、 热控制造、 检测技术、 装配集成等； 涵盖空天领域项目研制建设过程中部组件、 产品生产制造过程相关标准。

产品类： 适应产品体系建设需要， 发挥总体牵引作用， 涵盖货架单机产品和各分系统产品全生命周期相关标准。

质量类： 为保证空天领域项目研制建设质量管理活动而编制或采用的一系列标准及规范， 是用来规范实施质量控制、 质量保证和质量改进活动的标准群。

运维类： 针对空天领域项目特点及应用场景， 围绕装备交付及列装阶段运行、 维护要求，涵盖运行管理与任务评估、 运行维护与维修保障等相关标准。

数字化类： 围绕空天领域项目研制建设过程中数字化应用需求， 涵盖与数字化应用相关的标准和规范， 包括数字化设计、 数字化分析、 数字化制造等标准。

4 标准体系建设初步实践和预期效果

4.1 初步实践

通过多年的持续技术攻关和飞行演示验证，我国在空天领域已经积累了一定的工程经验和技术成果， 现已形成了一些具有较强指导性和规范作用的技术手册、 选用目录、 设计指南和作业指导书等岗位作业文件， 有效助推了空天项目的规范化快速研制。 同时， 在各级标准化主管部门的持续支持下， 技术标准的编制工作也取得了很大进展， 现已新编制了百余项空天领域核心技术标准。 这些空天领域技术标准的编制和贯彻实施，对当前空天领域项目切实起到了标准化支撑和引领作用。 但相对来说， 空天领域技术标准体系的建设整体上还是处于起步阶段， 标准数量、 覆盖面和体系性都亟需加强。

4.2 预期效果

空天领域技术标准体系以技术体系和产品体系为主线， 以岗位实施应用为目标， 通过着力提高技术标准的针对性和有效性， 将有力支撑空天领域关键技术攻关、 核心产品研发和市场化、 产业化发展能力的全面提升， 也将促进总体牵引辐射作用的发挥， 带动配套单位能力水平建设和提升。

以空天领域技术标准体系为基础， 建立全面、 开放、 动态更新的标准化信息服务平台， 服务于空天领域项目研制； 以空天领域技术标准体系为指导， 全面开展急需标准制定工作， 填补空天领域核心技术和产品标准的空白； 通过空天领域技术标准体系的建设与实施， 为空天领域从面向型号成功向面向组织成功的工作模式转型提供标准支撑。

通过空天领域技术标准体系建设， 规范空天项目选标、 用标和项目配套单位接口标准， 推动空天项目技术经验的提炼与固化， 确保空天产品质量，支撑空天项目快速研发。 依据体系中产品类标准的顶层规划， 制定涵盖产品全生命周期的相关标准，提高标准的通用性和针对性， 提升产品成熟度， 更好地满足空天领域各项目的产品化选用需求。

空天领域是当今世界航天技术发展的热点，空天技术发展对标准化提出很多新的需求。 我们在加快推进领域技术创新和研究发展的同时， 需要重视并加快空天技术标准的研究制定工作。 空天技术标准体系的建设， 必将极大助力和服务于空天领域的快速发展和创新发展。