陳強 林海波 張興超 林峰

（航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

NASA宇航材料標準體系簡析*

陳強 林海波 張興超 林峰

（航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：簡述NASA標準體系的構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)和材料標準的分布情況，重點介紹NASA宇航材料標準體系的運行背景、構(gòu)建思路和體系框架等有關(guān)內(nèi)容，總結(jié)NASA宇航材料標準體系的特點，提出我國宇航材料標準化工作的建議。

NASA；宇航材料；材料標準體系。

材料是宇航型號產(chǎn)品的重要組成部分，是航天科技工業(yè)的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源。隨著載人航天、二代導(dǎo)航、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運載火箭等國家重大科技專項的實施，對宇航用材料尤其是新型材料提出了更高的要求。宇航材料保證工作面臨新挑戰(zhàn)和新機遇，承擔著為航天型號科研生產(chǎn)和軍工核心能力建設(shè)提供技術(shù)保障的重要職責。宇航材料標準作為宇航材料保證工作的重要技術(shù)基礎(chǔ)，可以為宇航材料的研制、生產(chǎn)和使用提供重要的技術(shù)支持，同時對于材料科學研究、成果轉(zhuǎn)化具有重要推動作用。及時跟蹤、認真研究、積極采用國外航天強國先進標準對于提升我國宇航材料標準化的水平具有重要意義。

NASA（美國國家航空航天局）是美國航空與航天科學技術(shù)研究的權(quán)威機構(gòu)和管理機構(gòu)。在近60年的發(fā)展歷程中，NASA總部及其所屬的研究機構(gòu)制定和發(fā)布了許多宇航材料標準，并通過不斷補充、更新和完善，現(xiàn)已形成一套完整的、科學的、能滿足其管理和科研需要的宇航材料標準體系。這些標準在美國乃至全世界的宇航材料研究發(fā)展中起到了不可替代的重要作用。本文對NASA宇航材料標準進行研究，旨在借鑒國外航天強國的成熟經(jīng)驗，推進我國宇航材料標準化水平的提升。

1 NASA標準體系

NASA標準體系是在航天領(lǐng)域的實踐中形成的一個開放式體系，是基于自愿協(xié)調(diào)一致標準、政府標準和自己制定的標準綜合而成的體系。自愿協(xié)調(diào)一致標準是指美國其他工業(yè)標準、協(xié)會標準、ISO和IEC標準等；政府標準指美國軍用標準、美國聯(lián)邦標準等；而自己制定的標準是指NASA本部和NASA各中心制定的標準。NASA在標準體系建設(shè)方面，支持最大限度地采用自愿協(xié)調(diào)一致的標準，這些標準優(yōu)先于政府標準，只有當現(xiàn)有標準均不能滿足NASA的技術(shù)和管理要求時，才在這些方面制定NASA標準。

NASA標準體系根據(jù)其權(quán)威性和實施要求可分為指令文件（Directive）和技術(shù)標準（Technical Standard）兩種類型，并將這兩類文件按分配的專門編碼號段進行分類，如圖1所示。

圖1 NASA標準體系結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，NASA宇航材料標準是NASA標準體系的重要組成部分，其技術(shù)標準主要集中在6000系列中，指令文件相對比較分散。NASA本身沒有單獨的“宇航材料標準體系”的概念，只是由于NASA宇航材料標準占比較多，為便于對宇航材料標準進行研究，本文將NASA標準體系中與宇航材料相關(guān)的技術(shù)標準和指令文件等標準化文件整合在一起，以“NASA宇航材料標準體系”之名進行研究。

2 NASA宇航材料標準體系及其主要標準

2.1 標準體系的運行背景

a）材料標準基礎(chǔ)良好。從整體上看，NASA的材料標準基礎(chǔ)較好，除了具有強大的美國軍用標準與規(guī)范（MIL）支持外，還有完善的協(xié)會標準、民用標準等非政府標準，這些標準在一定程度上為NASA材料標準體系的構(gòu)建奠定了良好的基礎(chǔ)。

b）工業(yè)基礎(chǔ)良好。美國材料制造工業(yè)基礎(chǔ)雄厚，材料質(zhì)量與可靠性整體水平較高，原材料、工藝、生產(chǎn)線建設(shè)與維持等控制措施完備，從根本上保障了材料的固有質(zhì)量。同時，隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，材料性能與可靠性大幅提高，在一定程度上推動了材料的應(yīng)用，尤其是在航天應(yīng)用方面，要求材料強度高、重量輕、耐腐蝕、耐高低溫、適應(yīng)空間特殊環(huán)境要求。另一方面，航天應(yīng)用需求也推動了材料研制技術(shù)的發(fā)展。

c）健全的材料供應(yīng)體系。NASA和美國國防部為宇航材料的生產(chǎn)和應(yīng)用投入大量資金加以支持。為保證軍用材料的質(zhì)量與可靠性，以及保證軍用材料的可獲得性，建立了相應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)體系。

d）完善的材料保證體系。建立了NASA本部和各個分中心協(xié)調(diào)配套的工作機制，其材料保證的組織機構(gòu)健全、責任明確。NASA由本部負責全面的領(lǐng)導(dǎo)和管理工作，材料的主管部門是安全與項目保證辦公室（OfficeofSafetyand Mission Assurance：Office Q，Code Q），并成立了專門的材料與工藝技術(shù)工作組（M&P TWG），全面負責NASA宇航材料的質(zhì)量保證工作。NASA所屬的馬歇爾空間飛行中心（MSFC）材料與工藝實驗室、哥達德空間飛行中心（GSFC）材料工程組和肯尼迪空間中心（KSC）材料科學部承擔了材料保證的主要工作。此外，NASA擁有一個很強大的材料工藝技術(shù)信息系統(tǒng)（MAPTIS，materialsandprocessestechnical information system），它是宇航材料選用數(shù)據(jù)庫，包含了30000多種金屬材料和非金屬材料的物理、力學和環(huán)境特性，確保航天器有效載荷選用的宇航材料均能滿足安全要求。

2.2 標準體系的構(gòu)建思路

NASA為保證型號用材料的質(zhì)量，在雄厚的材料工業(yè)基礎(chǔ)和完整的MIL標準體系的基礎(chǔ)上，建立了一套具有宇航特色的相對獨立的宇航材料標準體系。在標準體系構(gòu)建中，核心是滿足型號工程需要，即以需求為牽引，優(yōu)先采用已有標準，當現(xiàn)有標準不能滿足需要時，NASA自己再制定標準。NASA由本部負責發(fā)布材料保證的管理標準，各飛行中心按照NASA材料保證的統(tǒng)一要求，各有側(cè)重，制定各自需要的各種類型標準，主要從用戶的角度加強對材料的選擇、測試和使用等方面的控制，來滿足工程的需要。

2.3 標準體系框架

NASA材料標準類型包括指令文件和技術(shù)標準。指令文件相當于我國的管理標準，包括政策、程序和指南、工作詳細說明、手冊、管理詳細說明等文件類型；技術(shù)標準主要包括標準、規(guī)范、手冊等。

a）指令文件。NASA指令文件是美國法律、聯(lián)邦法律以及總統(tǒng)、航天局局長或其他NASA高級官員所提要求的規(guī)范化文件，主要包括指令、程序、指南、手冊、說明等。根據(jù)指令文件的層級和適用范圍，NASA指令又包括NASA本部指令和各中心的指令，其中，本部指令文件包括NASA政策指令（NPD）、NASA程序與指南（NPG）以及NASA手冊（NHB）等。

在材料領(lǐng)域，NASA的頂層政策文件為NPD 4100.1C《供應(yīng)保障和材料管理》，它是目前NASA關(guān)于材料管理的頂層政策性文件，強制執(zhí)行，其目的是控制航天系統(tǒng)用材料的風險和提高其可靠性；控制NASA航天飛行系統(tǒng)與關(guān)鍵地面支持系統(tǒng)、測試系統(tǒng)的風險和增強其可靠性。文件規(guī)定了NASA本部和各分中心部門的職責與任務(wù)，體現(xiàn)了NASA致力于建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)的材料標準化工作機制。

除此之外，NASA還發(fā)布了NPD 1000.5B《NASA采辦政策》、NPR 4100.1D《材料庫存管理手冊》、NPR 8735.1 B《交換元器件、材料以及使用政府工業(yè)數(shù)據(jù)交換程序（GIDEP）和NASA咨詢機構(gòu)的安全問題數(shù)據(jù)的程序》、NPR 9250.1B《財產(chǎn)、廠房、設(shè)備及操作材料和供應(yīng)》等政策、手冊和程序文件，涉及材料采辦、包裝和運輸、信息管理等方面。

在此基礎(chǔ)上，NASA的各飛行中心按照NASA的要求，根據(jù)自身任務(wù)的需求，細化了管理要求，制定了各自的指令文件。如，約翰遜空間中心制定的管理詳細說明NASA JPG JSC 27301F《JSC飛行產(chǎn)品用材料工藝選擇、控制與實施計劃》，就是對NASA材料政策的具體操作性文件；馬歇爾空間飛行中心的NASA MWI 8730.3F《MSFC材料復(fù)驗體系》規(guī)定了馬歇爾空間飛行中心（MSFC）對于材料復(fù)驗的具體要求。

b）技術(shù)標準。NASA材料技術(shù)標準包括NASA自己制定的標準和采納的自愿協(xié)調(diào)一致標準及政府標準。

在NASA制定的材料標準中，NASA本部制定的標準數(shù)量較少，主要在其技術(shù)標準體系中的6000系列，自行發(fā)布，獨立編號；各中心的標準是其主體，大部分的材料標準由馬歇爾空間飛行中心（MSFC）和肯尼迪空間中心（KSC）制定，除此之外還包括斯坦尼斯空間中心（SSC）等制定的標準。NASA制定的部分材料標準見表1。

除了NASA自己制定的材料標準，NASA還大量優(yōu)選采用了其他政府標準和非政府標準。據(jù)我們目前掌握的情況看，NASA采用了23個組織的共計1409項材料標準，具體見表2。在這些標準中，美國軍用標準與規(guī)范（MIL）以及美國試驗與材料協(xié)會（ASTM）、美國自動化工程師協(xié)會（SAE）制定的材料標準數(shù)量最多，占了整個NASA材料標準的80%以上。各組織制定的材料標準項目占比如圖2所示。

從技術(shù)標準的類別維度上看，NASA宇航材料標準主要有基礎(chǔ)標準、保證標準、測試方法標準和材料規(guī)范。按照標準的類別對目前掌握的NASA材料標準進行統(tǒng)計，各類別標準數(shù)量見表3。

從表3中可以看出，在整個NASA宇航材料標準體系中，基礎(chǔ)標準和保證標準的數(shù)目較少，而且較為重要的保證標準是由NASA本級制定的。鑒于宇航材料的重要性、廣泛性和管理的復(fù)雜性，NASA材料管理和保證部門通過實施適合自身管理特色的材料保證標準對宇航材料進行有效的管理和控制，即關(guān)鍵的材料保證標準必須由NASA本級來制定。NASA對材料的控制要求體現(xiàn)在NASA-STD-6016《航天器用標準材料與工藝要求》，該標準是NASA開展材料與工藝保證的頂層標準。

表1 NASA制定的部分材料標準

表2 NASA采用的材料標準項目統(tǒng)計

表2 （續(xù)）

圖2 各組織制定的NASA材料標準比例圖表3NASA材料標準體系各類別標準數(shù)量

標準化組織基礎(chǔ)標準保證標準測試方法標準材料規(guī)范合計NASA—2464171優(yōu)選MIL——4418422優(yōu)選SAE AMS——380380優(yōu)選ASTM911231191442優(yōu)選其他標準6440115165合計153928111451480

材料規(guī)范類標準數(shù)量最多，達到77%，優(yōu)先采用了MIL標準、SAE標準、ASTM標準等。測試方法標準數(shù)量次之，主要優(yōu)選了ASTM標準。由于宇航用材料的種類繁多，所以材料規(guī)范和測試方法標準也是材料標準中數(shù)目最多的，而且專業(yè)性很強，好在美國的專業(yè)標準化組織非常發(fā)達。MIL中的材料規(guī)范主要圍繞著產(chǎn)品的空間應(yīng)用提出材料的性能要求，但不規(guī)定如何達到性能要求，主要是為供應(yīng)商發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力、及時采用高新技術(shù)創(chuàng)造良好的條件。SAE和ASTM在材料及材料測試領(lǐng)域制定的標準水平相當高，而且它們是獨立于材料生產(chǎn)廠商和用戶之外的第三方。NASA優(yōu)先采用這些專業(yè)標準化組織的標準，一方面可以充分利用美國發(fā)達的專業(yè)團體標準以減少重復(fù)制定標準的人力、物力成本，另一方面又能保證宇航材料的技術(shù)水平，可謂一舉多得。

值得注意的是，除了一個個單獨的材料規(guī)范，NASA對很大范圍的材料都做過空間性能評價，并建立了相應(yīng)的手冊，這些積累起來的材料技術(shù)數(shù)據(jù)，為全球開展宇航活動提供了重要參考。其中最典型的是NASA-HDBK-527《空間硬件系統(tǒng)材料選用目錄》，該標準是NASA根據(jù)白沙試驗室、馬歇爾空間飛行中心、戈達德空間中心、噴氣推進實驗室、歐洲空間局、洛克希德-馬丁動力公司等多家空間機構(gòu)收錄的材料空間性能數(shù)據(jù)編制而成的，納入了1000多種金屬材料和10000多種非金屬材料，材料的性能指標主要包括易燃性、毒性、熱真空穩(wěn)定性、壽命、與液體的相容性（四氧化二氮、肼、液氫、液氧等）等宇航特殊要求。

3 NASA材料標準體系的特點

a）NASA的材料標準化文件體系是一個開放的體系，是基于自愿協(xié)調(diào)一致的標準、政府標準和自己制定的專用標準綜合形成的標準體系。從NASA自己制定和發(fā)布的角度來說，其體系是不完整的，但從其囊括的標準范圍來看，其體系是非常完整的。

b）由NASA本部發(fā)布材料保證的統(tǒng)一要求和管理標準，指導(dǎo)各中心的標準化工作，形成了本部和各飛行中心協(xié)調(diào)統(tǒng)一的標準化工作機制。各飛行中心按照NASA本部的要求，根據(jù)各自的任務(wù)特點，各有側(cè)重，形成了協(xié)調(diào)統(tǒng)一的材料標準體系。

c）NASA材料標準化文件體系的標準類型包括指令文件和技術(shù)標準。技術(shù)標準主要涉及基礎(chǔ)標準、材料保證標準、測試方法標準和材料規(guī)范等。其中，材料規(guī)范類標準數(shù)量最多，優(yōu)選采用了MIL標準、AMS標準、ASTM標準等；測試方法標準數(shù)量次之，主要優(yōu)選了ASTM標準；保證標準和基礎(chǔ)標準的數(shù)目較少，而且較為重要的保證標準是由NASA本部制定的。

d）宇航材料的特殊要求是NASA材料標準的核心和重點。不論是材料規(guī)范還是為材料規(guī)范服務(wù)的測試方法標準，都緊緊圍繞宇航特殊要求展開，在滿足宇航特殊要求的前提下，NASA充分利用本國的工業(yè)基礎(chǔ)和各專業(yè)團體的標準。

e）NASA非常重視材料數(shù)據(jù)的積累和總結(jié)，建立了強大的材料工藝技術(shù)信息系統(tǒng)MAPTIS，以對材料進行正確的選擇、處理、檢測、試驗和評估；同時制定了相當數(shù)量的材料手冊、選用目錄等。

4 建議

通過對NASA宇航材料標準進行研究與分析，給我國宇航材料標準化的發(fā)展提供了重要的參考和借鑒。建議我國宇航材料標準化應(yīng)做好下列幾個方面的工作。

a）構(gòu)建完善的宇航材料標準體系。以國家航天重點工程的需求為牽引，在借鑒國外經(jīng)驗和總結(jié)國內(nèi)成功實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)已有的相關(guān)材料標準體系，通過自主創(chuàng)新，構(gòu)建具有中國特色的先進、完善的宇航材料標準體系，為保障中國宇航事業(yè)的發(fā)展保駕護航。

b）開發(fā)全面的宇航材料性能手冊和數(shù)據(jù)庫。充分借鑒國內(nèi)外已有材料手冊及數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢資源，搜集分析航天用近萬種材料的性能數(shù)據(jù)信息，分批分階段開發(fā)航天材料的性能手冊及專業(yè)數(shù)據(jù)庫，最終形成統(tǒng)一全面的航天材料性能手冊及專業(yè)數(shù)據(jù)庫，為航天工業(yè)的發(fā)展提供堅實的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

c）建立健全標準與材料研發(fā)相結(jié)合的互動機制。深化科技計劃實施與標準制修訂的過程互動，建立健全科技成果轉(zhuǎn)化為標準的工作機制，在實施關(guān)鍵材料研發(fā)的過程中，將技術(shù)成果和實踐經(jīng)驗提煉固化為標準，以科技提升標準水平，以標準促進材料研發(fā)成果轉(zhuǎn)化，推動材料研發(fā)、標準研制和產(chǎn)業(yè)發(fā)展一體化。

[1]諸一維，張小達.NASA標準化工作跟蹤研究.航天標準化，2003（1）.

[2]高燕.歐美航天材料保證的做法與探討.航天標準化，2009（4）.

陳強（1987年—），男，工學碩士，工程師，現(xiàn)主要從事航天材料及工藝標準化研究工作。

*本文源于2014年國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項目（課題號JSJC××13203C016）。