吳永亮　張小達(dá)

（航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京，100071）

航天器試驗(yàn)裝配級(jí)與試驗(yàn)策略探討*

吳永亮張小達(dá)

（航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京，100071）

文摘：簡(jiǎn)述航天器試驗(yàn)裝配級(jí)的基本內(nèi)容以及基于裝配級(jí)的試驗(yàn)策略，解析國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)航天器裝配級(jí)和硬件類型的劃分，探討航天器裝配級(jí)、硬件分類與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)之間的關(guān)系和試驗(yàn)策略。

航天器；試驗(yàn)策略；裝配級(jí)；硬件類型。

航天器是一個(gè)極為復(fù)雜的系統(tǒng)，如果對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)椴粌H在技術(shù)上存在很大的困難，而且在成本和計(jì)劃進(jìn)度上也存在很大的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于航天器這種復(fù)雜系統(tǒng)，主要采用基于裝配級(jí)的倒金字塔型分級(jí)試驗(yàn)策略，即從組成系統(tǒng)的低裝配級(jí)就開始試驗(yàn)，再逐步進(jìn)行較高層次的裝配級(jí)試驗(yàn)，最后進(jìn)行系統(tǒng)的驗(yàn)證。這種試驗(yàn)策略的最大優(yōu)點(diǎn)是可以將問(wèn)題在較低層次上盡早暴露，從而有效地降低成本和計(jì)劃進(jìn)度上的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，這種試驗(yàn)方法在技術(shù)和資源上也更容易實(shí)現(xiàn)。此外，航天器開展的這些試驗(yàn)的類型又與其硬件類型相對(duì)應(yīng)。

1　基于裝配級(jí)的試驗(yàn)策略

一方面，航天器從最初的部組件級(jí)產(chǎn)品就開始了試驗(yàn)驗(yàn)證工作，隨著產(chǎn)品的裝配級(jí)別的逐漸提升，逐步開展各級(jí)別的試驗(yàn)驗(yàn)證，直到系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的試驗(yàn)驗(yàn)證。另一方面，從最初的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段開始，一直到系統(tǒng)驗(yàn)證階段，產(chǎn)品要求的各項(xiàng)功能、性能指標(biāo)是從系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品開始，逐步定義并分解到分系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)的產(chǎn)品上，這些功能、性能指標(biāo)最后就成為了各裝配級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的依據(jù)，如圖1所示。

圖1　基于產(chǎn)品裝配級(jí)的試驗(yàn)策略

通常，低裝配級(jí)的驗(yàn)證不能完全代替高裝配級(jí)的驗(yàn)證，但利用低裝配級(jí)的驗(yàn)證結(jié)果可以有效地降低高裝配級(jí)的驗(yàn)證過(guò)程在技術(shù)、成本和進(jìn)度等方面的風(fēng)險(xiǎn)。

在許多情況下，高裝配級(jí) （如系統(tǒng)級(jí)或分系統(tǒng)級(jí)）的試驗(yàn)驗(yàn)證受到試驗(yàn)技術(shù)、資源和成本等諸多方面的限制，如試驗(yàn)設(shè)備的尺寸限制、試驗(yàn)代表性的限制、昂貴的試驗(yàn)成本的限制等。因此，高裝配級(jí)借助于低裝配級(jí)的試驗(yàn)結(jié)果，或者采用替代試驗(yàn)的策略，可以使高裝配級(jí)的試驗(yàn)過(guò)程避免這些試驗(yàn)的困難。例如，對(duì)于非常大的航天器，試驗(yàn)設(shè)備限制了在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行聲試驗(yàn)。在這種情況下，應(yīng)該在可行的最高裝配級(jí)下進(jìn)行聲試驗(yàn)。對(duì)于非常大的組件，當(dāng)無(wú)法進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，由聲試驗(yàn)替代。

此外，從成本和進(jìn)度的角度考慮，應(yīng)當(dāng)避免在不同裝配級(jí)上進(jìn)行重復(fù)的驗(yàn)證工作。為了最大限度地保證項(xiàng)目的可行性和合理性，對(duì)于項(xiàng)目中指定產(chǎn)品的所有物理和功能要求，宜在產(chǎn)品特定的高裝配級(jí)上進(jìn)行試驗(yàn)。

2　航天器 （飛行系統(tǒng)）裝配級(jí)的分類

美國(guó)國(guó)家航空航天局 （NASA）的戈達(dá)德飛行中心標(biāo)準(zhǔn)GEVS-STD-7000《環(huán)境驗(yàn)證》中規(guī)定了裝配級(jí)分類及對(duì)應(yīng)的各類產(chǎn)品，見(jiàn)表1。

表1　飛行系統(tǒng)硬件裝配級(jí)

表1所列的裝配級(jí)劃分是美國(guó)空軍、NASA總部、GSFC以及JPL等部門的協(xié)同一致的結(jié)果，可以代表美國(guó)對(duì)航天器裝配級(jí)的分類。

MIL-STD-1540C《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》、NASA-HDBK-7005《動(dòng)力學(xué)環(huán)境準(zhǔn)則》以及我國(guó)GJB 1027A-2005《運(yùn)載器、上面級(jí)和航天器試驗(yàn)要求》對(duì)于不同航天器裝配級(jí)的定義如下。

a）零件：在設(shè)計(jì)應(yīng)用中不能再進(jìn)行拆分的連接件，被拆分后其設(shè)計(jì)用途一般就會(huì)被破壞或受到損害。例如集成電路或滾珠軸承、繼電器等。

b）部件：由兩個(gè)或多個(gè)零件組成，可以進(jìn)行拆卸或零件替換。例如印制電路板或齒輪傳動(dòng)鏈。

c）組件：組件是具有某種功能的產(chǎn)品，從制造、維修或記錄的目的來(lái)看可視為一個(gè)完整及獨(dú)立的整體。例如液壓作動(dòng)筒、閥門、蓄電池、電纜束和發(fā)射機(jī)。

d）分系統(tǒng)：兩個(gè)或多個(gè)功能相關(guān)聯(lián)的裝置，包括之間的連接部件 （如電纜、管理以及支撐結(jié)構(gòu)）。例如測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)或推進(jìn)系統(tǒng)。

e）飛行器：能夠完成一次空間任務(wù)的某些階段性使命的飛行系統(tǒng)。例如運(yùn)載火箭、航天器等。

從試驗(yàn)的角度，可將航天器各裝配級(jí)主要?jiǎng)澐譃槿髮哟危合到y(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和組件級(jí)，各層次中又包括劃分更細(xì)的各裝配級(jí)航天器硬件。這也符合國(guó)內(nèi)外航天器試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在國(guó)外各標(biāo)準(zhǔn)中，針對(duì)不同裝配級(jí)產(chǎn)品的試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)分為3個(gè)試驗(yàn)類別，見(jiàn)表2。其中，組件級(jí)主要針對(duì)裝配級(jí)為部件、組件級(jí)別的產(chǎn)品；分系統(tǒng)級(jí)主要針對(duì)分系統(tǒng)裝配級(jí)產(chǎn)品；系統(tǒng)級(jí)主要針對(duì)飛行器級(jí)產(chǎn)品。

表2　國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同裝配級(jí)產(chǎn)品的試驗(yàn)歸類

3　航天器硬件的分類及定義

NASA將航天器硬件分為原型硬件和飛行硬件。

a）原型硬件（Prototype Hardware）是指在研制試驗(yàn)中或者接口設(shè)計(jì)中使用的最終設(shè)計(jì)硬件組裝的仿制件。這種仿制件可以具有實(shí)際功能，也可以不具有實(shí)際功能。原型硬件的試驗(yàn)條件一般超過(guò)預(yù)示壽命期間最大極限條件。原型試驗(yàn)使用的是原型硬件，這種硬件是專門的試驗(yàn)件，不能用于飛行。

b）飛行硬件 （Flight Hardware）是指設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的硬件，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后硬件也用于飛行。飛行試驗(yàn) （首飛試驗(yàn)）使用的是飛行硬件，原型飛行試驗(yàn)的飛行硬件 （即試驗(yàn)件）完成試驗(yàn)后，可成為飛行件，在飛行任務(wù)中使用。因此，除非項(xiàng)目負(fù)責(zé)人同意，否則禁止試驗(yàn)破壞飛行硬件。

飛行硬件對(duì)應(yīng)4類正樣產(chǎn)品：首飛硬件、后續(xù)硬件、備用件和重復(fù)飛行硬件。

●首飛硬件 （Protoflight Hardware）——新設(shè)計(jì)的飛行硬件，以鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目為條件，其試驗(yàn)件可以用于飛行。

●后續(xù)硬件 （Follow-on Hardware）——經(jīng)過(guò)原型硬件試驗(yàn) （對(duì)應(yīng)準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)）或者首飛硬件試驗(yàn)項(xiàng)目驗(yàn)證過(guò)的飛行硬件，以飛行驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目為試驗(yàn)條件。

●備用件 （Spare Hardware）——經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的飛行硬件，以飛行驗(yàn)收試驗(yàn)項(xiàng)目為條件，一般用于替代無(wú)法飛行的飛行硬件。

●重復(fù)飛行硬件 （Reflight Hardware）——在空間中使用過(guò)并且以相同的方式再次使用的飛行硬件，試驗(yàn)項(xiàng)目以其過(guò)去的性能、現(xiàn)在的狀態(tài)和將要執(zhí)行的任務(wù)為條件。

4　基于硬件的試驗(yàn)分類與策略

NASA對(duì)航天器試驗(yàn)類型按用途分為：原型試驗(yàn)和原型飛行試驗(yàn) （首飛試驗(yàn)）。

4.1定義

NASA-STD-7001《有效載荷聲振試驗(yàn)準(zhǔn)則》中明確規(guī)定了原型試驗(yàn)、原型飛行試驗(yàn)的目的，并對(duì)試驗(yàn)分類給出了定義。

a）原型試驗(yàn)（鑒定試驗(yàn)）是在專用的試驗(yàn)件上完成的，其目的是驗(yàn)證供預(yù)期飛行任務(wù)使用的硬件具有足夠的設(shè)計(jì)余量。試驗(yàn)件的圖樣、材料、工具、制造方法、檢驗(yàn)方法和工作人員的技術(shù)水平與制造飛行件完全相同。原型試驗(yàn) （鑒定試驗(yàn)）的試驗(yàn)件為原型硬件，此類試驗(yàn)件不可上天飛行。

b）原型飛行試驗(yàn) （首飛試驗(yàn)）是在飛行硬件和備用硬件上完成，不再有專供原型試驗(yàn)的硬件。原型飛行試驗(yàn)兼有鑒定和飛行驗(yàn)收試驗(yàn)的雙重目的，即利用試驗(yàn)評(píng)價(jià)硬件的設(shè)計(jì)裕度、驗(yàn)證飛行硬件在相應(yīng)環(huán)境下的滿意程度、暴露工藝和材料的缺陷。原型飛行試驗(yàn)的試驗(yàn)件為原型飛行硬件，此類試驗(yàn)件可上天飛行。

針對(duì)不同的硬件類型，航天器可進(jìn)行原型試驗(yàn)或原型飛行試驗(yàn)。而根據(jù)不同的試驗(yàn)?zāi)康模址譃殍b定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)。此外，還有研制試驗(yàn)、發(fā)射前的確認(rèn)和在軌確認(rèn)，本文暫不討論。鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)與上述原型試驗(yàn)、原型飛行試驗(yàn)的關(guān)系如圖2所示。

圖2　航天器試驗(yàn)策略

●鑒定試驗(yàn)?zāi)康氖球?yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案、工藝方案是否滿足要求并具有規(guī)定的鑒定余量，還要驗(yàn)證用于產(chǎn)品驗(yàn)收試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)軟件、測(cè)試儀器的可行性和正確性。

●驗(yàn)收試驗(yàn)?zāi)康氖峭ㄟ^(guò)對(duì)產(chǎn)品施加電應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力暴露產(chǎn)品由于元器件、材料和制造工藝的潛在缺陷，排除產(chǎn)品的早期失效。對(duì)每一件飛行產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)，證明產(chǎn)品的性能和質(zhì)量符合飛行要求。

●準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)是組合了鑒定試驗(yàn)和驗(yàn)收試驗(yàn)?zāi)康亩M(jìn)行的試驗(yàn)。在一定條件下經(jīng)過(guò)準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)的產(chǎn)品仍然可以執(zhí)行飛行任務(wù)，此時(shí)鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)合二為一，且試驗(yàn)條件低于鑒定級(jí)。ECSS-E-ST-10-03C規(guī)定準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)是在第一個(gè)飛行模型上進(jìn)行，驗(yàn)證空間段飛行器 （航天器）或設(shè)備在規(guī)定環(huán)境中符合規(guī)范規(guī)定的鑒定余量并確認(rèn)其可以交付和后續(xù)使用，且無(wú)工藝缺陷和材料缺陷。如果需要進(jìn)行破壞性試驗(yàn) （例如爆破試驗(yàn)），應(yīng)使用有代表性模型硬件代替原型飛行硬件進(jìn)行試驗(yàn)。

進(jìn)行準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)的試驗(yàn)件只有1件，既要進(jìn)行試驗(yàn)又要上天飛行。而經(jīng)過(guò)鑒定試驗(yàn)的試驗(yàn)件不可以上天，但經(jīng)過(guò)驗(yàn)收試驗(yàn)的試驗(yàn)件可上天飛行。

4.2航天器試驗(yàn)策略

航天器硬件種類與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)關(guān)系如圖2所示。

航天器研制過(guò)程是從系統(tǒng)工程的角度考慮，按照裝配級(jí)從頂層向底層逐步分解，而航天器試驗(yàn)主要是采用基于裝配級(jí)的試驗(yàn)策略，將航天器從底層向頂層逐步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。當(dāng)進(jìn)行航天器試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品的裝配級(jí)別分類，形成了3個(gè)層次的試驗(yàn)，分別是組件級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)。根據(jù)航天器硬件用途的不同，分為原型硬件 （首件）和原型飛行硬件 （后續(xù)件），對(duì)應(yīng)的開展鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)和準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)。理清航天器裝配級(jí)、硬件分類以及對(duì)應(yīng)試驗(yàn)之間的關(guān)系是研究航天器試驗(yàn)策略前提和基礎(chǔ)。

吳永亮（1987年—）男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事航天總體、航天試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化工作。

張小達(dá)（1960年—）男，研究員，現(xiàn)主要從事航天器環(huán)境及空間環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化工作。

*本文源于基金項(xiàng)目：質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助 （編號(hào)：201510207《航天等高端裝備技術(shù)17項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制》）。