新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

杨晓宁

（1.北京卫星环境工程研究所； 2.可靠性与环境工程技术重点实验室：北京 100094）

0 引言

航天器环境工程是航天器系统工程的重要组成部分，是空间环境科学与航天器工程技术相结合的产物，它贯穿于航天器论证、研制、试验、发射、在轨运行、返回直至寿命终结的全过程。其中，航天器环境指航天器在制造、发射、运行和返回过程中所经历的环境，包括气压、温度、湿度、辐射、振动、噪声等因素[1]。航天器环境工程的研究内容包括环境对航天器的影响及其作用机理、环境模拟方法与技术、环境试验的方法和理论、环境的利用与防护等。

航天器环境工程在航天器研制中有着极其重要的作用。根据美国兰德公司公布的不同轨道航天器10 年故障统计数据，已知原因的故障中与空间环境相关的故障占比为81.71%[2-3]。由于环境工程的重要性，在NASA 型号任务成本管理组织结构图中，环境测试被包含在最顶层的11 个模块之中[4]。一项基于NASA 和美国国防部小卫星（质量小于1000 kg）任务的成本分析显示，环境试验测试和总装费用占总研制成本的12%左右[5]。

中国航天的发展历程中，探月工程、载人航天、火星探测等任务对航天器环境工程提出了挑战，也为其发展提供了难得的机遇。目前，各主要航天大国都制定了新的发展规划：美国提出重返月球计划以及载人登火[6]，中国提出2030 年前后建成国际月球科研站基本型以及实现载人登月[7]，欧洲也制定了针对巨行星卫星、早期宇宙等展开探索的“Voyage 2050”太空规划[8]。

面向未来，本文围绕空间站长期运行、深空探测新任务、低轨（LEO）巨型星座建设等对航天器环境工程带来的挑战与机遇，结合具体工作介绍北京卫星环境工程研究所（BISEE）在LEO 辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、深空探测极端环境试验技术和航天器产品环境试验ISO 标准制定等方面取得的最新进展，旨在为航天器环境工程的发展带来启发，进一步研究先进的环境试验技术与方法，更好地服务于航天强国建设。

1 中国航天器环境工程发展历程

1.1 中国航天器工程发展概览

1957 年10 月4 日，世界上第一颗人造地球卫星成功发射，拉开了航天时代的序幕。1958 年5 月17 日，在中国共产党第八次全国代表大会第二次会议上，毛泽东主席发出“我们也要搞人造卫星”的号召。1964 年，在导弹和原子弹相继研制成功后，卫星研制被再次提上国家日程。1965 年7 月，《关于发展我国人造卫星工作规划方案建议》获得中共中央批复。1970 年4 月24 日，“东方红一号”卫星发射成功[9]，中国成为世界上第5 个独立研制和发射卫星的国家，开创了中国航天第一个里程碑。

2003 年10 月，“神舟五号”载人航天任务圆满成功，中国成为世界上第3 个独立掌握载人航天技术的国家，实现了中华民族千年的飞天梦想，树立了中国航天第2 个里程碑。2007 年10 月，“嫦娥一号”卫星首次绕月探测成功，获取了月球表面三维立体影像；2010 年10 月1 日，“嫦娥一号”的备份星“嫦娥二号”作为落月探测技术的先导星发射；2013 年12 月2 日，“嫦娥三号”成功登陆月球，使中国成为世界上第3 个实现月面软着陆的国家；随后的“嫦娥四号”实现人类探测器首次月球背面软着陆；2020 年11 月24 日，“嫦娥五号”开启中国地外天体采样返回之旅。以“绕”“落”“回”为标志的探月工程是中国航天的第3 个里程碑性工程[10]。2020 年7 月，我国自行研制的“北斗三号”全球卫星导航系统正式开通，系全球第3 个成熟的卫星导航系统。2021 年5 月，“天问一号”火星探测器实现火星软着陆[11]，中国成为第2 个成功登陆火星的国家；2021 年10 月14 日，中国首颗太阳探测科学技术试验卫星“羲和号”发射升空，取得了一系列原创性科研成果。2023 年年底，中国空间站全面建成，中国国家太空实验室正式运行。

1.2 中国航天器环境工程发展历程

伴随着航天器工程的系统提升，航天器环境工程获得长足发展，建设了大批国际一流的航天器环境模拟试验设备和基础设施，获得了很强的航天器环境工程试验验证能力，在提高航天器可靠性、延长航天器工作寿命等方面做出了重大贡献。我国航天器环境试验技术发展经过了4 个重要阶段。

第一阶段：20 世纪50～60 年代，环境试验主要是借鉴国外航天器试验技术，基本上是仿照苏联的相关技术进行试验[12-13]。北京卫星环境工程研究所环境试验项目以力学环境试验为主，并初步开展了小型热真空试验（图1）。

图1 中国第一阶段航天器环境试验技术示例（图中卫星为“东方红一号”）Fig.1 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase I (DFH-1 satellite in the pictures)

第二阶段：20 世纪70～80 年代，型号任务的迫切需求极大地推动了航天器环境试验技术向大型化、多功能化、精细化方向发展。这是航天器环境试验技术蓬勃发展的时期。在此期间，北京卫星环境工程研究所自主研制了一系列环境试验设备，以大型动力学环境试验设备和真空热环境模拟试验设备为代表的环境试验设备得到重点发展和应用[14]（图2）。

图2 中国第二阶段航天器环境试验技术示例Fig.2 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase II

第三阶段：20 世纪90 年代至2012 年，与欧美国家的交流推动了专项航天试验技术的引进和吸收[15]。与此同时，月球探测、载人航天等一系列国家重大科技专项工程的实施，极大地带动了航天器环境试验技术发展。北京卫星环境工程研究所自主设计建造了以KM6[16]为代表、具有国际先进水平的大型环境试验系统（图3）并广泛应用，初步形成了较完备的航天器试验装备和技术体系。

图3 中国第三阶段航天器环境试验技术示例Fig.3 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase III

第四阶段：2012 年至今，伴随“嫦娥三/四/五号”、“天问一号”等深空探测器研制和空间站建设任务的推进，在航天器环境试验方面，中国陆续取得了一系列突破[17]，部分技术达到了国际领先水平，保证了重要航天任务的顺利实施（图4）。另一方面，面向传统航天器产品的环境试验技术和标准体系逐渐完善，并开始向标准国际化、实施批量化、控制智能化的方向发展。

图4 中国第四阶段航天器环境试验技术示例Fig.4 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase IV

2 新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

2.1 中国空间站长期运行带来的挑战与机遇

2.1.1 中国空间站长期运行面临的空间环境挑战

空间站面临着复杂的空间环境，主要包括在轨真空热环境、地磁场环境、粒子辐射环境、等离子体、大气阻尼、原子氧、微流星体和空间碎片等，其中空间碎片是对包括中国空间站在内的航天器影响最为恶劣、防护措施最为复杂的环境因素之一。

空间碎片是指地球轨道上的或重返大气层的无功能的人造物体，包括其残块和组件[18]。1 cm以下的碎片可造成空间站舱壁功能下降或失效，1～10 cm 的碎片可造成严重损毁，10 cm 以上可造成解体、爆炸。其中，1～10 cm 尺寸碎片由于难以探测和防护，对空间站构成撞击风险，空间站外部载荷设备也面临因小尺寸碎片撞击导致失效或性能退化的难题。

2021 年7 月1 日和10 月21 日，中国空间站通过机动规避了2 次“星链”卫星的危险接近[19]。2021 年5 月12 日，国际空间站机械臂遭遇撞击[20]。詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）从发射入轨至2022 年5 月25 日的4 个月期间共遭受6 次微流星体 撞 击[21]。2022 年12 月15 日 和2023 年2 月11 日，停靠在国际空间站的“联盟MS-22”载人飞船和“进步MS-21”货运飞船分别遭遇微流星体撞击（图5[22]）。

图5 国际空间站空间碎片撞击案例展示[22]Fig.5 Illustration of space debris impact cases for International Space Station[22]

2.1.2 中国空间站长期运行为空间环境试验带来的机遇

在开展空间环境试验方面，空间站具有其他航天器无可比拟的优势。2022 年11 月，中国空间站全面建成，转入应用与发展阶段，成为国家太空实验室，适于开展多领域科学研究与技术试验[23]。

中国空间站拥有强大的舱内外支持能力（图6），为空间环境研究带来了新机遇。舱内机柜高度1760 mm，宽度1050 mm，具备结构机构、配电管理、信息管理、热控和真空排气等5 大基本功能，以及公用支持扩展功能。载荷单元通过标准“抽屉”的形式安装在机柜中，并能根据载荷需要，以最小的I 型载荷单元为基础，适应多型规格的载荷单元以不同形式组合安装，灵活多变[24]。在空间站上，航天员可参与在轨照料，确保试验状态可控；通过天地互动，地面的试验专家还可主动参与试验；可开展长期在轨试验，具备在轨升级扩展能力。另外，试验样品可返回，支持地面分析和应用。空间站舱外布设标准暴露载荷接口，预留扩展平台接口和载荷挂点接口，支持各类舱外试验项目的滚动实施。例如：“问天”实验舱在舱外暴露平台部署了能量粒子探测器和等离子体原位成像探测器，用于获取空间质子、电子、中子、重离子和等离子体等环境要素数据，进行空间环境基础研究。

图6 中国空间站舱内外试验支持能力Fig.6 China’s Space Station's test supporting capabilities inside and outside modules

2.2 深空探测任务带来的挑战与机遇

每一次里程碑式航天任务的实施都会带来航天器环境工程技术的巨大进步。例如， “阿波罗”登月计划、JWST 等极大促进了航天器环境工程技术的全面发展。

美国“阿波罗”登月计划的成功实施引领了航天器试验体系的成熟发展[25]。美国的航天器环境试验理念和模式在经历3 次重大变革后，才得以确定最优的航天器硬件设计和考核试验方法，并于1974 年连续发布了美军标MIL-STD-1540/1540A/1540B[26]，最终形成了“鉴定+验收”试验模式[27-29]。新一轮月球探测正在兴起，世界主要航天国家纷纷提出未来实施载人登月的计划，包括美国的重返月球计划[6]，俄罗斯的载人登月计划[30]，ESA 的曙光计划[31]。月面环境模拟与防护是所有载人登月计划面临的共同难题，NASA 将月尘沉积问题和防护措施列为其重返月球工程前期准备工作的最重要环节之一[32]。月表特殊环境使得月尘具有独特的形貌（尖锐棱角和锯齿状表面）、起尘和分布（静电吸附，低重力漂浮、迁移和沉降）特征，给航天服、光学表面及活动组件的月尘防护带来极大挑战（图7[33]）。基于此背景，各国纷纷开展了月尘的物理特征及月面环境下月尘粒子与物体表面的作用力及效应研究，例如月尘对登月服的附着磨损、月尘材料磨损试验、登月服防尘除尘技术等。

图7 载人登月计划面临的月尘与防护问题[33]Fig.7 Lunar dust and its protection issues for manned lunar landing programs[33]

作为另一项里程碑式航天任务的JWST 在其25 年研制过程中突破并完成了一系列高难度复杂空间环境试验，实现了探测器技术和试验技术的巨大突破。相对于LEO 空间望远镜，运行于日地L2点的JWST 完全不具备后期维护可能性，必须通过试验筛出所有潜在缺陷。相对于一般航天器试验，JWST 的超低温真空热试验有诸多特殊之处：时间长（超100 天）、成本高（超100 万美元/天）、试验状态多变（包括ISIM、OTIS 等多个模块分别开展试验）、试验测试复杂（结构形变测量、光学系统波前误差测量等）、环境严酷（系统长期工作于40 K 低温下、温度稳定性要求高（±20 mK/h）等[34-38]。由于望远镜尺寸巨大，各个模块分别在不同容器内进行了多次试验，其中OTIS 在NASA 约翰逊空间中心的Chamber A 中进行了热平衡、超低温定标试验，ISIM在NASA Goddard 空间飞行中心的容器内进行了热平衡、热真空、热变形试验（图8[37]）。

图8 詹姆斯·韦布太空望远镜超低温真空热试验[37]Fig.8 Ultra-LT vacuum thermal testing for JWST[37]

2.3 LEO 巨型星座建设带来的挑战与机遇

国外第二代铱星系统（Iridium-NEXT）、一网系统（OneWeb）、星链系统（Starlink）等LEO 卫星星座建设正在引发一场革命，对传统卫星研制模式提出了挑战。这些星座卫星几乎全部部署在LEO，同样技术状态的卫星数量众多，且卫星总数巨大。在低成本前提下高质量建设并保证星座任务可靠性是LEO 巨型星座的自然要求。是否大量使用以及如何使用商业货架（COTS）产品——包括器件、部组件、软件等——是在LEO 巨型星座建设之初必须解决的问题。LEO 的空间辐射相对较低，但在轨长寿命要求使得空间辐射成为限制卫星上COTS 器件使用的关键因素。ESA 对使用COTS 器件的意见为“抗辐射是唯一无法节约成本且需要更多投入的项目”[39]。 COTS 器件对空间热环境、电离辐射总剂量效应（TID）和单粒子效应（SEE）等环境和效应的耐受能力评价、防护设计和验证成为LEO 卫星最需要解决的问题。切实降低大规模互联网星座卫星在轨故障风险，探索批试验、差异化试验和低成本试验技术，对传统的高可靠、高成本和大裕度验证试验模式进行大胆革新，为航天器环境试验带来了的挑战与机遇。

2.4 空间对抗带来的挑战与机遇

随着天基定向能武器的技术发展，航天器不仅要面对空间自然环境，还需要面对人为威胁环境（图9），包括空间激光武器、高能粒子束、空间电磁攻击（高功率微波武器、高空核爆形成的核电磁脉冲和作用到卫星的高功率电磁脉冲）等。2019 年12月20 日，时任美国总统特朗普签署《2020 财年国防授权法案》，正式授权建立美国第六支武装部队——天军，原美国空军太空司令部（AFSPC）更名为美国天军部队；2021 年6 月，美国天军部队司令雷蒙德首次公开表示，美国正在开发天基定向能武器系统以维持自身的太空优势[40]。国外航天强国积极发展天基定向能武器，使得在轨航天器受到新的现实威胁，这给航天器在轨定向能防护提出了新挑战，同时也为定向能相关效应机理及防护技术革新带来了新机遇，促进地面环境模拟试验、防护与验证以及各类产品效应的相关研究。

图9 太空人工威胁示意图Fig.9 Schematic of contrived threats in space

3 航天器环境工程技术最新进展

新时期，北京卫星环境工程研究所深刻把握专业发展的迫切需求，以服务深空探测工程任务和航天强国建设为出发点，着力打通空间环境数据自主获取、综合环境效应基础研究、复杂环境试验设备研制等环节，同时增强在航天器产品环境试验国际标准制定上的话语权，推进科技创新和高质量发展。

3.1 LEO 高能质子辐射环境在轨探测与数据应用

高能质子可以产生辐射总剂量、位移效应以及单粒子效应等多种危害，近年来LEO 低成本卫星星座越来越多地的倾向采用低等级、高性价比COTS 器件，其空间辐射环境防护设计需要更精准的高能质子环境数据，以防过大辐射设计余量（RDM）带来的成本提高。此外，尚存在未被卫星覆盖的LEO 区域，在此区域开展高能质子辐射环境探测可为辐射环境模型构建补充数据。LEO 乃日地空间环境传播链条的末端，其上高能质子辐射环境探测数据还可以用于日地空间环境全圈层研究。

北京卫星环境工程研究所研制了用于进行空间电离辐射总剂量和高能质子能谱探测的空间环境探测仪，于2022 年5 月搭载某LEO 卫星成功发射，获取了高质量的探测数据，包括某轨道高度累计8 个月的高能质子和电离总剂量实测数据（图10），还基于实测数据开展了全球范围粒子辐射环境时空分布分析和LEO 高能质子辐射环境模型研究。

图10 空间环境探测仪某低地球轨道每日辐射剂量分布探测结果Fig.10 Daily distributions of LEO radiation dose detected by an in-orbit space environment monitor

3.2 星上产品空间强电磁综合环境效应与防护

NASA Glenn 中心的卫星热、真空、电磁混响耦合试验系统[41]主要验证飞行器的抗强电磁干扰与防护性能。该系统能在50 MHz～40 GHz 范围内生成超过200 V/m 的强电磁场环境，为“猎户座”飞行器系统、星外单机的防护试验验证提供支撑。

北京卫星环境工程研究所针对空间自然诱导强电磁干扰导致的卫星在轨异常研究需求，基于系统防护思想，从卫星空间自然强电磁干扰源抑制和耦合途径阻断两方面出发，开展了空间自然强电磁干扰环境溯源及建模、空间自然强电磁干扰传播路径阻断技术、基于共形屏蔽的系统级法拉第笼设计与验证等研究工作，大幅降低了空间自然诱导强电磁场环境导致的在轨异常。在空间高功率微波效应研究方面，北京卫星环境工程研究所首次发现，星表热控多层隔热组件在真空叠加强电磁场环境下发生了有别于大气强电磁场环境下的毁伤效应，并就此厘清了多层隔热组件毁伤效应机理[42-43]。相关研究成果已经部分应用到我国航天器研制中，为航天器在轨稳定运行提供了良好的支撑。

3.3 深空探测任务复杂环境试验

“天问一号”火星探测任务一次性实现“绕、着、巡”的工程目标，在全任务剖面中存在显著区别于以往航天器任务的力、热环境，从而对在地面开展探测器的火星表面特殊力、热环境适应性试验提出了很高的要求。火星表面相对于地月空间最大的热环境特点在于存在低温（-100～20 ℃）、稀薄（1000 Pa 左右）、对流（最大风速15 m/s）的CO2气体环境，这使得探测器的热环境适应性设计和验证面临严酷考验。 北京卫星环境工程研究所突破了低温低压高品质连续风场构建、弱信号高精度风速测量与标定、大空间稀薄气体高精度温度控制等关键技术，设计建造了基于“KM3E 空间环境模拟器+环状回流式风道”的火星表面低温、低气压、强对流综合热环境模拟系统（图11）[44]，并于2018 年4 月完成了我国首个火星车有风热平衡试验。试验模拟环境的压力为1400 Pa，最低温度为-86 ℃，风速为0～15 m/s，风向角为-90°～90°，气体成分为CO2。该试验为全面验证火星车热控系统的功能和性能提供了重要支撑。

图11 火星表面低温、低气压、强对流综合热环境模拟系统Fig.11 Integrated thermal environmental simulation system for low temperature, low pressure, and strong convection on the surface of Mars

金星表面环境十分复杂，表面温度和压力最高可达480 ℃、92 atm，气体环境由96% CO2、3% N2及其他多种弱酸性微量气体构成[45]。金星轨道的太阳常数是地球轨道的近2 倍，无论轨道环绕探测器还是着陆探测器都需要进行高太阳常数真空热试验。金星表面复杂环境效应导致的航天器结构或元器件受损是金星探测任务失败的主要原因。为保障金星探测任务的成功，满足金星探测器研制的试验需求，北京卫星环境工程研究所完成了金星表面大气环境模拟系统（图12）的设计与建造。该设备可以在1180 L 容积内模拟500 ℃、92 atm、8 种气体的高温高压多组分气体复合环境，是国际上最大的金星表面大气环境模拟设备，也是国内唯一可提供金星表面环境及同类环境模拟的试验平台[46]。

图12 北京卫星环境工程研究所的金星表面大气环境模拟系统Fig.12 Environmental simulation system in BISEE for simulating Venus surface atmosphere

3.4 航天器产品环境试验标准的国际化

标准是世界通用的语言，是行业生存、发展的重要技术基础。我国航天器产品环境试验标准在发展初期基本上是采用苏联的试验技术规范，后来大量参照美欧标准，20 世纪90 年代以后开始自主制定一系列国军标、国标等顶层环境试验标准，近10 年全面开启走向国际、引领环境试验技术标准发展之路。

2012 年北京卫星环境工程研究所启动ISO 项目专项策划和培育工作。2014 年初ISO 19924《空间系统—声试验》标准顺利通过提案阶段投票，2017 年9 月正式发布。该标准是中国空间技术研究院主导制定的首个技术类ISO 标准，也为后续制定其他ISO 标准积累了成功的经验。目前，北京卫星环境工程研究所针对力、热、磁环境试验等核心环境试验业务，累计编制并已获准发布了5 项ISO标准，见表1。

表1 北京卫星环境工程研究所编制的5 项ISO 标准Table 1 The five ISO standards compiled by BISEE

4 总结与展望

本文综述了中国航天器环境工程的发展历程，分析了中国空间站长期运行所面临的复杂综合环境威胁以及未来可发挥的空间环境在轨试验平台作用，重点介绍了以詹姆斯·韦布太空望远镜为代表的深空探测任务的极端环境试验以及LEO 巨型星座建设提出的批量化、低成本试验技术的新需求。本文还结合具体工作内容，阐述了北京卫星环境工程研究所在LEO 高能质子辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、火星金星特殊力热环境试验技术和航天器产品环境试验ISO标准编制等方面取得的最新进展。

中国航天器环境工程经过数十年发展，已从跟跑逐渐发展到并跑，在部分环境试验设备能力和试验技术方面已实现了领跑。已建立的航天器环境试验设备、技术和标准体系为中国航天器技术的跨越式发展提供了重要支撑。新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇并存，本文从研究先进环境试验技术方法、拓展空间环境新领域、丰富环境工程新内涵等维度，探讨了空间环境工程未来发展方向，可为航天器环境工程领域的研究人员提供有益参考。