王曉耕 扈勇強(qiáng) 東巳宙 鄧衛(wèi)華 徐志明 常靜 馮振偉 張一鵬 徐欣 馬雨嘉

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

航天東方紅衛(wèi)星有限公司(簡(jiǎn)稱東方紅公司)自2001年正式成立以來(lái)，成功發(fā)射了120余顆小衛(wèi)星，小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)[1-2]技術(shù)隨著東方紅公司的發(fā)展逐步發(fā)揮了對(duì)小衛(wèi)星研制的支撐作用。在航天器研制中，環(huán)境工程主要解決5個(gè)方面的任務(wù)[1]。與此類似，在東方紅公司小衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)與集成研制體系中的小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)主要解決以下任務(wù)。

(1)進(jìn)行小衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)和組件級(jí)的環(huán)境預(yù)示，為制定小衛(wèi)星產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)計(jì)劃與試驗(yàn)條件提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)制定小衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)的環(huán)境試驗(yàn)計(jì)劃和環(huán)境試驗(yàn)大綱，制定組件級(jí)環(huán)境試驗(yàn)計(jì)劃和要求。規(guī)定在研制各個(gè)階段所要進(jìn)行的環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目，提出產(chǎn)品的環(huán)境設(shè)計(jì)要求與試驗(yàn)要求。

(3)對(duì)影響產(chǎn)品性能的工作環(huán)境進(jìn)行的環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，降低環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品性能指標(biāo)的影響。

(4)在小衛(wèi)星研制過(guò)程的環(huán)境試驗(yàn)中，實(shí)施關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析和關(guān)鍵過(guò)程控制，確保按照試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)大綱實(shí)施，達(dá)到預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

(5)對(duì)系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和評(píng)估，對(duì)組件級(jí)的環(huán)境試驗(yàn)有效性作出評(píng)價(jià)，并作為系統(tǒng)級(jí)可靠性評(píng)估的依據(jù)之一。

隨著小衛(wèi)星研制技術(shù)的發(fā)展，逐步建立了企業(yè)獨(dú)有的小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)體系。依據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)等環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的原則，結(jié)合小衛(wèi)星特點(diǎn)制定了系統(tǒng)級(jí)的分析和環(huán)境試驗(yàn)要求相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于組件級(jí)產(chǎn)品，制定了通用的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中，針對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)設(shè)備規(guī)定了明確的試驗(yàn)項(xiàng)目、條件和要求，針對(duì)非通用產(chǎn)品制定原則性的試驗(yàn)要求。每顆衛(wèi)星研制中，在符合上述企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，制定有針對(duì)性的技術(shù)文件，明確規(guī)定系統(tǒng)級(jí)和組件級(jí)的試驗(yàn)項(xiàng)目、條件和要求，并規(guī)定了各階段的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)要求。

面對(duì)小衛(wèi)星每年研制數(shù)量的增長(zhǎng)，衛(wèi)星平臺(tái)及其載荷多樣化，衛(wèi)星載荷探測(cè)精度的提高，技術(shù)團(tuán)隊(duì)在小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面進(jìn)行了不斷探索。獲取衛(wèi)星環(huán)境剖面數(shù)據(jù)是環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星環(huán)境剖面數(shù)據(jù)包括在研制、發(fā)射和在軌全生命周期衛(wèi)星經(jīng)歷的環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。小衛(wèi)星由單星研制向批量化生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，大量商業(yè)衛(wèi)星和皮納衛(wèi)星需求的出現(xiàn)，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案要能夠體現(xiàn)地面試驗(yàn)的有效性和高效。衛(wèi)星在軌運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)品環(huán)境防護(hù)不局限于溫度、真空、輻射、磁、原子氧等環(huán)境，還有微振動(dòng)、溫度變化環(huán)境的防護(hù)。地面試驗(yàn)中過(guò)程對(duì)精細(xì)化過(guò)程控制要求越來(lái)越高。試驗(yàn)有效性分析與評(píng)估對(duì)改進(jìn)衛(wèi)星及其產(chǎn)品研制和提高環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)能力具有重大作用。本文對(duì)通過(guò)20年以來(lái)在環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面進(jìn)行的不斷探索與積累取得的成果進(jìn)行了介紹，可為我國(guó)未來(lái)小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)提供參考。

1 小衛(wèi)星環(huán)境剖面分析

1.1 主動(dòng)段力學(xué)環(huán)境研究(預(yù)示與測(cè)量)

衛(wèi)星發(fā)射過(guò)程的動(dòng)力學(xué)環(huán)境是衛(wèi)星抗力學(xué)設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，也是衛(wèi)星地面大型力學(xué)試驗(yàn)主要的模擬對(duì)象[3]。當(dāng)前發(fā)射動(dòng)力學(xué)環(huán)境的數(shù)據(jù)主要由運(yùn)載測(cè)量，測(cè)量位置通常位于星箭界面，這些數(shù)據(jù)也是確定衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)力學(xué)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)。對(duì)于小衛(wèi)星，主要的系統(tǒng)級(jí)力學(xué)試驗(yàn)是振動(dòng)試驗(yàn)，包括正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)。由于試驗(yàn)和發(fā)射的狀態(tài)差異，試驗(yàn)過(guò)程中常需要控制關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)避免過(guò)試驗(yàn)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位的振動(dòng)響應(yīng)以往是通過(guò)星箭耦合分析來(lái)預(yù)估的，而缺乏實(shí)際主動(dòng)段星上振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。

小衛(wèi)星首次在某型號(hào)A衛(wèi)星上開(kāi)展了主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量試驗(yàn)[4]。A衛(wèi)星上搭載了一套主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，主要目標(biāo)是獲取衛(wèi)星在發(fā)射過(guò)程主動(dòng)段運(yùn)載火箭動(dòng)力學(xué)環(huán)境下的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)隨衛(wèi)星于2012年成功發(fā)射，完成了既定任務(wù)，并獲得了全部的主動(dòng)段振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。

某型號(hào)A衛(wèi)星搭載的主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)由一臺(tái)主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x和6個(gè)加速度傳感器組成。其中傳感器采用的是貨架產(chǎn)品，每個(gè)傳感器可以測(cè)量3個(gè)軸向的振動(dòng)加速度響應(yīng)；主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x負(fù)責(zé)給傳感器供電、數(shù)據(jù)采集編碼、存儲(chǔ)和發(fā)送，其構(gòu)成上包括數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)模塊，供配電模塊和信號(hào)采集模塊三部分。針對(duì)小衛(wèi)星星上資源緊張的特點(diǎn)，主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x進(jìn)行了小型化和低成本設(shè)計(jì)，其質(zhì)量和功耗都低于國(guó)內(nèi)其他航天器類似系統(tǒng)的50%以上；通過(guò)采用工業(yè)級(jí)、高集成元器件，也大大降低了成本。

某型號(hào)A衛(wèi)星為典型的小衛(wèi)星構(gòu)型，采用艙板式結(jié)構(gòu)，由推進(jìn)艙、平臺(tái)艙和載荷艙3個(gè)艙段組成。6個(gè)加速度傳感器由下至上分別布置在底板、中板和頂板3個(gè)層次，每個(gè)層次各布置2個(gè)傳感器，并大致呈對(duì)稱分布，使測(cè)點(diǎn)整體上在縱向截面上成“日”字形，如此布置的目的是便于獲取衛(wèi)星結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分布的變化趨勢(shì)。

主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量采用自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)火和全過(guò)程記錄的方式，工作狀態(tài)包括準(zhǔn)備模式、采集/存儲(chǔ)模式、傳輸模式和重發(fā)模式4種工況。測(cè)量系統(tǒng)可在發(fā)射前1 h或更早時(shí)間進(jìn)入準(zhǔn)備模式，這時(shí)并不開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，只是監(jiān)測(cè)星上的振動(dòng)響應(yīng)，當(dāng)有兩處測(cè)點(diǎn)振動(dòng)量級(jí)同時(shí)達(dá)到一定值后，系統(tǒng)認(rèn)為火箭已經(jīng)點(diǎn)火，自動(dòng)切換到采集/存儲(chǔ)模式，開(kāi)始連續(xù)的記錄各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，直到主動(dòng)段結(jié)束，主動(dòng)段結(jié)束是通過(guò)太陽(yáng)翼展開(kāi)的時(shí)刻來(lái)自動(dòng)識(shí)別的。傳輸模式用于把記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送到衛(wèi)星平臺(tái)，為下傳地面做準(zhǔn)備。重發(fā)模式是為了避免數(shù)據(jù)存儲(chǔ)被損壞而設(shè)計(jì)的后備模式。該點(diǎn)火方式不同于國(guó)內(nèi)其他航天器類似任務(wù)，以往通常采用地面指令提前設(shè)置采集記錄的方式，一般至少提前30 min開(kāi)始記錄。通過(guò)自動(dòng)識(shí)別點(diǎn)火和主動(dòng)段結(jié)束等“智能化”設(shè)計(jì)，使記錄的數(shù)據(jù)只包含了從點(diǎn)火前約3 s到太陽(yáng)翼展開(kāi)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)，既達(dá)到了記錄主動(dòng)段全過(guò)程數(shù)據(jù)的目的，又避免了記錄多余的不必要數(shù)據(jù)降低了存儲(chǔ)空間的冗余。為了確保在唯一的火箭點(diǎn)火時(shí)機(jī)準(zhǔn)確的觸發(fā)開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)又避免誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，特別設(shè)計(jì)了“6選2”的判別方式，即6個(gè)傳感器中任意2個(gè)的縱向達(dá)到或超過(guò)了閾值即可觸發(fā)，該方式經(jīng)過(guò)概率計(jì)算是可靠性最高的，地面試驗(yàn)和最終的在軌飛行也驗(yàn)證了是實(shí)際可行的。

該衛(wèi)星使用長(zhǎng)征二號(hào)丙火箭進(jìn)行一箭雙星發(fā)射，主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)獲取了從火箭點(diǎn)火到太陽(yáng)翼展開(kāi)全過(guò)程完整的數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)表明：衛(wèi)星在主動(dòng)段不同時(shí)刻的振動(dòng)響應(yīng)是不同的，主要表現(xiàn)為振動(dòng)和沖擊兩種形式。顯著的振動(dòng)響應(yīng)集中在起飛后前100 s內(nèi)，尤其是跨聲速段約60 s內(nèi)由于氣動(dòng)噪聲與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作共同作用，振動(dòng)響應(yīng)最為劇烈。隨著火箭一二級(jí)分離、飛出大氣層，振動(dòng)響應(yīng)顯著降低，之后拋整流罩、星箭分離以及太陽(yáng)翼展開(kāi)等工況產(chǎn)生的較大響應(yīng)主要表現(xiàn)為瞬態(tài)沖擊，持續(xù)時(shí)間不超過(guò)1 s。主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量的信號(hào)與火箭飛行時(shí)序?qū)φ?，時(shí)間一致，符合正常的力學(xué)環(huán)境變化趨勢(shì)，這表明了該數(shù)據(jù)是可信的。

在發(fā)射A衛(wèi)星過(guò)程中，運(yùn)載也進(jìn)行了主動(dòng)段振動(dòng)環(huán)境測(cè)量，測(cè)點(diǎn)位置在星箭界面。從A衛(wèi)星主動(dòng)段振動(dòng)響應(yīng)測(cè)量結(jié)果中選取主動(dòng)段主要振動(dòng)工況，按照運(yùn)載測(cè)量數(shù)據(jù)處理方法，并與驗(yàn)收試驗(yàn)條件對(duì)應(yīng)，低頻瞬態(tài)振動(dòng)(5～100 Hz)處理成沖擊響應(yīng)譜，中頻隨機(jī)振動(dòng)(20～2000 Hz)處理成功率密度譜，得到的譜線與運(yùn)載測(cè)量處理數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，表明：兩者的譜線顯示其頻率特性是一致的，且都顯示出明顯的40 Hz振動(dòng)特征；兩者的縱向振動(dòng)都高于橫向振動(dòng)，且縱向40 Hz處測(cè)量結(jié)果都高于隨機(jī)振動(dòng)驗(yàn)收條件。這進(jìn)一步證明了A衛(wèi)星主動(dòng)段振動(dòng)環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)是有效的。

經(jīng)過(guò)飛行驗(yàn)證和地面數(shù)據(jù)分析，A衛(wèi)星主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x完成了既定任務(wù)，指標(biāo)正常，測(cè)量數(shù)據(jù)完整有效。主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x在飛行產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)1次實(shí)際飛行考核，證明滿足飛行應(yīng)用要求，達(dá)到宇航產(chǎn)品單機(jī)4級(jí)成熟度。主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x及其所測(cè)數(shù)據(jù)都具有重要價(jià)值，可以從以下幾方面加以應(yīng)用推廣。

(1)獲取的數(shù)據(jù)可以用于進(jìn)一步的分析和研究，去發(fā)現(xiàn)發(fā)射過(guò)程中星箭力學(xué)耦合關(guān)系的更多規(guī)律，以指導(dǎo)衛(wèi)星抗力學(xué)設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)。

(2)后繼的其他航天器也應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展主動(dòng)段力學(xué)環(huán)境測(cè)量，尤其是科研星型號(hào)，多次測(cè)量的統(tǒng)計(jì)可以降低數(shù)據(jù)的離散性。

(3)主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x可以作為成熟產(chǎn)品應(yīng)用到其他型號(hào)，其“小型化、低成本和智能化”的特點(diǎn)雖然是針對(duì)小衛(wèi)星設(shè)計(jì)的，但對(duì)其他型號(hào)也是適用的，甚至可以作為衛(wèi)星平臺(tái)的一部分，成為常規(guī)設(shè)備，用于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和力學(xué)環(huán)境數(shù)據(jù)收集。

主動(dòng)段振動(dòng)測(cè)量?jī)x經(jīng)歷本次飛行可以利用積累的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)提高，嘗試搭配更多種傳感器用于測(cè)量沖擊、微振動(dòng)等其他參數(shù)，滿足更多的測(cè)量需求。

1.2 在軌微振動(dòng)環(huán)境研究

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，以高分辨率遙感衛(wèi)星為代表的高精度航天器在對(duì)地觀測(cè)、激光通信和深空探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越多，精度也越來(lái)越高，微振動(dòng)已經(jīng)成為影響高精度航天器成像質(zhì)量等性能的關(guān)鍵因素之一。微振動(dòng)[5]是指航天器在軌運(yùn)行期間，星上部件高速轉(zhuǎn)動(dòng)、有效載荷中掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、大型可控構(gòu)件驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)、變軌調(diào)姿期間推力器點(diǎn)火工作、制冷機(jī)的膨脹機(jī)和壓縮機(jī)、百葉窗等熱控部件機(jī)械運(yùn)動(dòng)、大型柔性結(jié)構(gòu)受激振動(dòng)和進(jìn)出陰影時(shí)冷熱交變誘發(fā)航天器產(chǎn)生的一種幅值較低、頻率較高的顫振響應(yīng)。

東方紅公司是最先開(kāi)展微振動(dòng)環(huán)境研究的研制單位之一。在海洋一號(hào)衛(wèi)星研制中開(kāi)始進(jìn)行地面微振動(dòng)試驗(yàn)，取得了地面試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，初步了解小衛(wèi)星主要微振動(dòng)干擾源和傳遞路徑的情況，并積累了微振動(dòng)數(shù)據(jù)分析的經(jīng)驗(yàn)。目前，對(duì)東方紅公司研制的大多數(shù)遙感衛(wèi)星開(kāi)展了整星級(jí)微振動(dòng)試驗(yàn)和微振動(dòng)仿真分析工作。東方紅公司建立了系統(tǒng)級(jí)和組件級(jí)的微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。在系統(tǒng)級(jí)微振動(dòng)試驗(yàn)中，開(kāi)展了加速度和角位移測(cè)量。在組件級(jí)，開(kāi)展控制力矩陀螺(CMG)、數(shù)傳天線等微振動(dòng)干擾源的微振動(dòng)加速度響應(yīng)與力測(cè)量工作，積累了大量微振動(dòng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在具有高分辨率成像載荷的多顆衛(wèi)星上配置了微振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)在軌星上關(guān)鍵位置進(jìn)行了微振動(dòng)的測(cè)量，對(duì)地面測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，為微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，并對(duì)相機(jī)成像質(zhì)量改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)支撐。

1.3 在軌衛(wèi)星溫度環(huán)境分析

衛(wèi)星在軌的溫度水平對(duì)星上儀器設(shè)備和部件功能的發(fā)揮、性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、可靠性及壽命等有重要的影響，設(shè)備溫度通過(guò)熱控分系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)保證，熱設(shè)計(jì)缺陷及熱控系統(tǒng)故障，會(huì)造成衛(wèi)星功能異常[6]。熱控分系統(tǒng)是衛(wèi)星的重要組成部分，針對(duì)衛(wèi)星從地面待發(fā)階段到任務(wù)結(jié)束全過(guò)程，分析和識(shí)別衛(wèi)星的外部空間環(huán)境、航天器任務(wù)特征以及自身特性，在滿足來(lái)自外部環(huán)境和衛(wèi)星對(duì)熱控制技術(shù)約束的前提下，綜合運(yùn)用合理的熱控制技術(shù)，對(duì)熱量的吸收、傳輸、排散等環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證與熱相關(guān)的參數(shù)滿足衛(wèi)星可控完成預(yù)定功能的要求[7-8]。衛(wèi)星要求熱控分系統(tǒng)保證的溫度大致如下：星上常用的電子設(shè)備一般要求溫度在-15～+50 ℃范圍內(nèi)；部分機(jī)電產(chǎn)品溫度較一般電子設(shè)備的溫度要求略窄，如機(jī)械陀螺以及控制力矩陀螺要求溫度在0～+40 ℃范圍內(nèi)；特殊組件如蓄電池，早期的鎘鎳蓄電池要求溫度在+5～+20 ℃范圍內(nèi)，目前使用的鋰電池要求溫度在+10～+35 ℃范圍內(nèi)；推進(jìn)分系統(tǒng)的設(shè)備多數(shù)由于使用燃料肼，要求溫度在+5～+60 ℃范圍內(nèi)；太陽(yáng)翼艙外天線及展開(kāi)太陽(yáng)翼要求溫度在-100～+100 ℃范圍內(nèi)，體裝太陽(yáng)翼要求溫度在-100～+140 ℃范圍內(nèi)。另外，艙外天線以及太陽(yáng)翼受空間環(huán)境的影響大，溫度波動(dòng)范圍大，尤其在衛(wèi)星進(jìn)出陰影時(shí)太陽(yáng)翼最大的溫度變化速率會(huì)達(dá)到+15～+18 ℃/min。

東方紅公司成功發(fā)射的120余顆小衛(wèi)星，絕大多數(shù)運(yùn)行在400～1000 km的太陽(yáng)同步軌道上，在軌壽命最長(zhǎng)的小衛(wèi)星已超過(guò)10年。根據(jù)設(shè)備在軌的溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，小衛(wèi)星領(lǐng)域所有衛(wèi)星的熱控分系統(tǒng)運(yùn)行良好，星上組件的溫度在其壽命期內(nèi)均能滿足要求。

2 小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)

小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的有兩方面：一方面驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與采取的制造工藝是否正確和符合質(zhì)量要求，以確保產(chǎn)品在預(yù)定的工作環(huán)境下正常工作；另一方面則是檢驗(yàn)產(chǎn)品的制造質(zhì)量，盡量在地面暴露元器件、材料及制造工藝中的潛在缺陷，減少早期失效。針對(duì)這兩方面的目的，小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)的內(nèi)容主要包含以下部分：①對(duì)小衛(wèi)星全生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境進(jìn)行全面分析識(shí)別；②分析預(yù)示衛(wèi)星地面及在軌力、熱及其他環(huán)境；③針對(duì)整星系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)級(jí)的特點(diǎn)制定相應(yīng)的考核條件及要求，涵蓋力、熱、磁、紫外輻照等試驗(yàn)項(xiàng)目；④對(duì)衛(wèi)星各級(jí)產(chǎn)品試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行控制，并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估；⑤對(duì)整星系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)進(jìn)行策劃、實(shí)施、評(píng)估；⑥對(duì)衛(wèi)星在軌環(huán)境進(jìn)行控制，主要包含力學(xué)、熱等環(huán)境。

下面主要從小衛(wèi)星試驗(yàn)條件統(tǒng)一化定制、批產(chǎn)衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)、微納衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行介紹。

2.1 統(tǒng)一試驗(yàn)條件

東方紅公司成立初期，星上單機(jī)試驗(yàn)條件的確定原則大致如下：熱試驗(yàn)項(xiàng)目與GJB1027A[9]一致。試驗(yàn)溫度的確定一般以衛(wèi)星接口數(shù)據(jù)單簽署的熱設(shè)計(jì)溫度為依據(jù)，上下各外擴(kuò)5 ℃作為單機(jī)的驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)溫度；以驗(yàn)收溫度為基線，再上下各外擴(kuò)5 ℃作為該單機(jī)的鑒定級(jí)試驗(yàn)溫度。力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目也與GJB1027[10]保持一致，試驗(yàn)條件的確定與單機(jī)在衛(wèi)星上力學(xué)環(huán)境有關(guān)，不同的安裝位置單機(jī)的試驗(yàn)條件也不一樣。小衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)多為艙板式結(jié)構(gòu)，有的設(shè)備安裝在平臺(tái)底板上，有些安裝在載荷艙底板上，還有些設(shè)備安裝在艙內(nèi)隔板或側(cè)板上。不同的安裝位置就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力學(xué)試驗(yàn)條件，因此在小衛(wèi)星研制初期，星上單機(jī)的熱、力試驗(yàn)條件五花八門(mén)，種類繁多。

隨著東方紅公司的發(fā)展，衛(wèi)星研制的數(shù)量漸漸增加，同樣一臺(tái)單機(jī)在不同衛(wèi)星上安裝位置不同，造成了試驗(yàn)條件的差異，不利于單機(jī)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)。同時(shí)，2006年修訂后的GJB1027A[9]標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)單機(jī)的熱、力等驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)條件是壽命期環(huán)境與可靠性篩選的包絡(luò)。尤其是一般電單機(jī)熱試驗(yàn)的溫度，不再是以其熱設(shè)計(jì)溫度為基線簡(jiǎn)單的外擴(kuò)，單機(jī)的驗(yàn)收級(jí)溫度是熱設(shè)計(jì)溫度外擴(kuò)后的溫度范圍和可靠性篩選所需的-25～+60 ℃(85 ℃溫差)溫度范圍的包絡(luò)?；谏鲜龅淖兓?，小衛(wèi)星啟動(dòng)了領(lǐng)域單機(jī)試驗(yàn)條件統(tǒng)一化的工作，編寫(xiě)了小衛(wèi)星組件試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出小衛(wèi)星領(lǐng)域一般電單機(jī)統(tǒng)一的力、熱驗(yàn)收級(jí)以及鑒定級(jí)的試驗(yàn)條件，特殊單機(jī)試驗(yàn)條件制定的原則，按照標(biāo)準(zhǔn)完成試驗(yàn)的電單機(jī)無(wú)特殊情況可以安裝在衛(wèi)星的任何艙板上。同時(shí)對(duì)于已經(jīng)完成鑒定的繼承產(chǎn)品，如控制分系統(tǒng)的大部分產(chǎn)品，按照原有條件執(zhí)行，但是需對(duì)單機(jī)的力、熱、環(huán)境進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)相關(guān)試驗(yàn)條件可以包絡(luò)單機(jī)壽命期的環(huán)境并留有一定余量。

2010年以來(lái)，小衛(wèi)星領(lǐng)域得到了極大的發(fā)展，衛(wèi)星數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)單機(jī)的產(chǎn)能提出了更高的要求，對(duì)單機(jī)產(chǎn)品去型號(hào)化生產(chǎn)提出了更高的需求。東方紅公司率先開(kāi)展了單機(jī)產(chǎn)品試驗(yàn)條件統(tǒng)一化的工作。對(duì)姿控、結(jié)構(gòu)、數(shù)傳和上下位機(jī)等設(shè)備的原有鑒定級(jí)試驗(yàn)條件進(jìn)行梳理，分析各型號(hào)執(zhí)行的驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)條件，最終形成各類設(shè)備各自的統(tǒng)一試驗(yàn)條件。對(duì)新研產(chǎn)品，在其研制初期就充分考慮在小衛(wèi)星領(lǐng)域的通用性，設(shè)計(jì)符合統(tǒng)一試驗(yàn)條件的試驗(yàn)方案。目前，在小衛(wèi)星領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)大部分星上產(chǎn)品的試驗(yàn)條件通用化，為小衛(wèi)星平臺(tái)化打下基礎(chǔ)。

2.2 批量小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著小衛(wèi)星向小型星座和多顆業(yè)務(wù)星同步研制模式轉(zhuǎn)變，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)流程和批試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)取得了較好的效果。

并行組批試驗(yàn)，即多顆星的同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，是解決多星并行研制的有效方法之一。其特點(diǎn)是減少了研制周期，適合于數(shù)量多、批量大，要求聯(lián)合測(cè)試的型號(hào)。并行組批熱試驗(yàn)又可分為單空間模擬器多星并行組批熱試驗(yàn)和單空間模擬器單星并行組批熱試驗(yàn)。并行熱試驗(yàn)由于衛(wèi)星多，設(shè)備多，需要判讀和控制的試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)成倍增加，從而增加了試驗(yàn)溫度控制難度，但是技術(shù)上可以通過(guò)試驗(yàn)仿真分析或相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)解決。

以某遙感衛(wèi)星為例，由3顆衛(wèi)星組成的星座，3顆衛(wèi)星狀態(tài)基本一致。由于星座需要聯(lián)合測(cè)試要求及研制周期短的原因，2009年9月，對(duì)此3顆衛(wèi)星首次完成并行組批熱試驗(yàn)，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了3顆衛(wèi)星并行熱試驗(yàn)，同步進(jìn)出工況、聯(lián)合測(cè)試的要求。此類型的組批試驗(yàn)在后續(xù)研制型號(hào)中得到極大推廣，多型號(hào)采用此組批熱試驗(yàn)流程，如CAST3000平臺(tái)、遙感三十一號(hào)系列衛(wèi)星、高分一號(hào)系列衛(wèi)星等均組批進(jìn)行系統(tǒng)熱真空試驗(yàn)，其中更有5星并行熱試驗(yàn)。

圖1 3顆衛(wèi)星并行熱試驗(yàn)示意圖

對(duì)于裝備型號(hào)衛(wèi)星，通過(guò)對(duì)比對(duì)其正樣熱平衡試驗(yàn)[11]的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)的繼承性好，熱控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成熟度高，熱平衡試驗(yàn)的數(shù)據(jù)差別較小。從驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，對(duì)于裝備型號(hào)，進(jìn)行1～2顆裝備星的正樣熱平衡試驗(yàn)即可獲取較充分的數(shù)據(jù)。東方紅公司形成了小衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)熱平衡試驗(yàn)優(yōu)化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，明確了系列衛(wèi)星的后續(xù)裝備衛(wèi)星或業(yè)務(wù)衛(wèi)星，其技術(shù)狀態(tài)與首發(fā)科研星一致，熱控分系統(tǒng)狀態(tài)與首發(fā)科研星完全一致，可以剪裁熱平衡試驗(yàn)；如果同批次多顆衛(wèi)星技術(shù)狀態(tài)完全一致，熱控分系統(tǒng)狀態(tài)也一致，則可以選擇其一進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，其余衛(wèi)星可以剪裁熱平衡試驗(yàn)。

目前小衛(wèi)星領(lǐng)域系統(tǒng)級(jí)力學(xué)試驗(yàn)[12]一般均是采用單星振動(dòng)試驗(yàn)，例如某遙感系列星座衛(wèi)星。這種方式均是每顆衛(wèi)星具備力學(xué)試驗(yàn)狀態(tài)后，串行開(kāi)展振動(dòng)試驗(yàn)，該種方式較為成熟。并行組批力學(xué)試驗(yàn)受限較多，只對(duì)某些型號(hào)適用，但由于衛(wèi)星數(shù)量多，采取一箭多星發(fā)射，可以開(kāi)展并行組批力學(xué)試驗(yàn)。目前小衛(wèi)星進(jìn)行并行振動(dòng)試驗(yàn)的衛(wèi)星有試驗(yàn)系列衛(wèi)星雙星、皮納系列衛(wèi)星三星，均是系統(tǒng)級(jí)衛(wèi)星串聯(lián)在一起，采用一個(gè)振動(dòng)試驗(yàn)夾具進(jìn)行的并行試驗(yàn)。某衛(wèi)星A/B星的特殊構(gòu)型，采用運(yùn)載適配器并行連接，一起并行進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，證明并行系統(tǒng)級(jí)力學(xué)試驗(yàn)已經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。由于并行力學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星多、設(shè)備多，造成力學(xué)傳感器數(shù)據(jù)量增加，這可以通過(guò)開(kāi)發(fā)自動(dòng)化判讀軟件與試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)解決。

2.3 微納衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)

微納衛(wèi)星[13]采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范和一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，打破了現(xiàn)有的從系統(tǒng)、分系統(tǒng)到單機(jī)、部件的裝配層級(jí)，模糊了機(jī)、電、熱設(shè)計(jì)的專業(yè)界限。采用一體化設(shè)計(jì)，將衛(wèi)星當(dāng)成一個(gè)整體，對(duì)力學(xué)性能、熱性能、電磁性能、光學(xué)性能等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，原有的按裝配層級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)劃分的模式已經(jīng)不適用。而且短周期、密集發(fā)射的研制模式也要求在達(dá)成基本驗(yàn)證目的的前提下，試驗(yàn)時(shí)間盡可能短、試驗(yàn)效率盡可能高，這決定了現(xiàn)有的試驗(yàn)方法體系將無(wú)法更有效的滿足微納衛(wèi)星對(duì)試驗(yàn)的需求?，F(xiàn)有衛(wèi)星試驗(yàn)方法體系的很大一部分工作是為了確保衛(wèi)星的長(zhǎng)壽命、高可靠，但微納衛(wèi)星對(duì)在軌壽命和可靠性的要求與傳統(tǒng)衛(wèi)星存在一定區(qū)別，考慮到微納衛(wèi)星成本低、生產(chǎn)周期短、發(fā)射數(shù)量多等特點(diǎn)，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比一般有所降低，對(duì)衛(wèi)星可靠性的要求更側(cè)重于任務(wù)可靠性，這必然會(huì)對(duì)地面試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇、試驗(yàn)條件的制定產(chǎn)生一定影響。

為縮短研制周期、降低試驗(yàn)成本，同時(shí)保證試驗(yàn)方法在產(chǎn)品質(zhì)量控制的重要作用，針對(duì)微納衛(wèi)星研制特點(diǎn)，在方案階段，微納衛(wèi)星研制主要以分析計(jì)算代替試驗(yàn)驗(yàn)證，指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)；由于衛(wèi)星研制周期短，不再給出明確初樣階段與正樣階段分界，簡(jiǎn)化研制流程；產(chǎn)品不再進(jìn)行初樣生產(chǎn)制造，而是直接正樣用于上天飛行，為正檢狀態(tài)；在試驗(yàn)流程上，以準(zhǔn)鑒定級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證直接正樣的新研產(chǎn)品，以驗(yàn)收試驗(yàn)驗(yàn)證成熟產(chǎn)品，減少試驗(yàn)項(xiàng)目和成本；正檢狀態(tài)產(chǎn)品通過(guò)準(zhǔn)鑒定級(jí)試驗(yàn)后，轉(zhuǎn)正樣狀態(tài)設(shè)計(jì)，根據(jù)狀態(tài)更改，需通過(guò)分析評(píng)估是否進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。

根據(jù)皮納系列衛(wèi)星的工程研制經(jīng)驗(yàn)，制定了相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范，同時(shí)進(jìn)行了試驗(yàn)流程優(yōu)化，并形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。微納衛(wèi)星大量應(yīng)用商用現(xiàn)貨產(chǎn)品(COTS)部組件、工業(yè)技術(shù)和微小型化產(chǎn)品，必須通過(guò)產(chǎn)品環(huán)境篩選試驗(yàn)保證衛(wèi)星的可靠性問(wèn)題，這也是使用新技術(shù)和COTS部組件可靠應(yīng)用于微納衛(wèi)星的核心問(wèn)題。微納衛(wèi)星產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)要求綜合考慮了標(biāo)準(zhǔn)接口電路板單板環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)與獨(dú)立組件環(huán)境可靠性試驗(yàn)，并對(duì)環(huán)境試驗(yàn)矩陣進(jìn)行了適當(dāng)裁剪[14]，減小了試驗(yàn)的時(shí)間和成本，并在東方紅公司微納衛(wèi)星部分星上產(chǎn)品中進(jìn)行了初步的實(shí)際應(yīng)用。傳統(tǒng)組件級(jí)沖擊試驗(yàn)、磁試驗(yàn)和電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)等項(xiàng)目可考慮隨整星完成。從裝配層級(jí)角度，微納衛(wèi)星將單板級(jí)與組件級(jí)篩選試驗(yàn)綜合考慮，也是對(duì)層級(jí)篩選流程的優(yōu)化。微納衛(wèi)星集成度相對(duì)較高，不存在明顯的分系統(tǒng)分界，大量使用電路板功能單元產(chǎn)品，也弱化了單板級(jí)和組件級(jí)分界，因此比較適宜進(jìn)行裝配層級(jí)篩選流程的裁剪和優(yōu)化。

微納衛(wèi)星具有個(gè)頭小、批量大和研制周期短等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)級(jí)組批試驗(yàn)的需求較迫切，因此從皮納一號(hào)衛(wèi)星就開(kāi)始了系統(tǒng)級(jí)組批試驗(yàn)的相關(guān)工作，并在型號(hào)研制中進(jìn)行了有益嘗試，取得了較好的效果，積累了經(jīng)驗(yàn)。微納衛(wèi)星采取了兩種方法進(jìn)行組批試驗(yàn)。一種是串行組批試驗(yàn)，即統(tǒng)籌安排，優(yōu)化試驗(yàn)流程，按照流水線生產(chǎn)的模式進(jìn)行組批試驗(yàn)；另一種是并行組批試驗(yàn)，即多顆衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 小衛(wèi)星產(chǎn)品的環(huán)境設(shè)計(jì)、控制與防護(hù)

3.1 微振動(dòng)防護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

隨著越來(lái)越多高精度載荷在小衛(wèi)星上的應(yīng)用，微振動(dòng)已經(jīng)成為影響高精度衛(wèi)星成像質(zhì)量等性能的關(guān)鍵因素。在軌測(cè)量數(shù)據(jù)表明：CMG、動(dòng)量輪、制冷機(jī)、大型部件轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等是影響較大的擾振源。

從擾振源到高精度載荷影響的全鏈路分析，目前比較簡(jiǎn)單可靠的方法是從傳遞路徑入手，分析微振動(dòng)在整星結(jié)構(gòu)中的傳遞特性，找出影響微振動(dòng)傳遞特性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進(jìn)而通過(guò)安裝隔振器、優(yōu)化構(gòu)型布局和結(jié)構(gòu)材料尺寸等方式減小傳遞到高精度載荷處的微振動(dòng)。

在微振動(dòng)防護(hù)的工程實(shí)踐中，隔振減振方面，與協(xié)作單位合作研制了橡膠隔振墊，隨遙感三十號(hào)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了首飛驗(yàn)證，隨后相繼在20余顆高分辨率遙感衛(wèi)星上推廣應(yīng)用，隔振效率可達(dá)90%以上，助力高分辨率衛(wèi)星成像質(zhì)量大幅提升。在構(gòu)型布局優(yōu)化方面，在衛(wèi)星微振動(dòng)試驗(yàn)中，分別測(cè)量了動(dòng)量輪不同布局方式對(duì)相機(jī)安裝處微振動(dòng)的影響，進(jìn)而對(duì)動(dòng)量輪布局進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，降低了傳遞到高精度載荷處的微振動(dòng)，并在后續(xù)型號(hào)中推廣應(yīng)用。隨著三超平臺(tái)的應(yīng)用，采用安裝隔振器、優(yōu)化構(gòu)型布局等前端抑制手段基本可以滿足分辨率在0.3 m以上的高分辨率衛(wèi)星，對(duì)于后續(xù)0.3 m以下甚高分辨率衛(wèi)星而言，微振動(dòng)的防護(hù)可能需要全鏈路的抑制手段相結(jié)合，從擾振源、傳遞路徑、敏感載荷、圖像處理4個(gè)方面進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)綜合防治，以滿足更高圖像質(zhì)量的要求。

3.2 振動(dòng)減振設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

隨著東方紅公司微納衛(wèi)星平臺(tái)的發(fā)展，對(duì)微納衛(wèi)星型號(hào)抗力學(xué)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證提出了新的挑戰(zhàn)。微納衛(wèi)星多為搭載形式，運(yùn)載主動(dòng)段力學(xué)環(huán)境惡劣，且缺少實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)或星箭耦合分析結(jié)果，難以在整星振動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中制定合理的加載量級(jí)。

“十二五”期間，為了改善微納衛(wèi)星平臺(tái)力學(xué)環(huán)境，創(chuàng)新性的采用金屬絲減振器設(shè)計(jì)了整星隔振措施。新的減振設(shè)計(jì)首先在皮納型號(hào)初樣星上進(jìn)行了鑒定級(jí)力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)分析衛(wèi)星安裝減振墊前后在星上關(guān)鍵位置處的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)，評(píng)估星上設(shè)備最佳減振效果可達(dá)到50%～80%左右。隨后，安裝減振器的皮納一號(hào)正樣星順利通過(guò)了整星驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)的考核，且型號(hào)發(fā)射成功，衛(wèi)星入軌后狀態(tài)正常，金屬絲減振設(shè)計(jì)順利完成飛行驗(yàn)證。

在20千克級(jí)皮納型號(hào)上應(yīng)用成功后，在“十三五”期間，針對(duì)東方紅公司后續(xù)型號(hào)的特點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化金屬絲隔振器設(shè)計(jì)，將應(yīng)用范圍由20千克級(jí)提高至100千克級(jí)，在整個(gè)減振器質(zhì)量不超過(guò)2 kg狀態(tài)下，可將正弦或隨機(jī)振動(dòng)量級(jí)衰減至50%，覆蓋東方紅公司全部百千克級(jí)微納衛(wèi)星。

截至目前，金屬絲減振器共成功應(yīng)用于十余顆微納衛(wèi)星，均發(fā)射成功。在后續(xù)的工作中，將繼續(xù)攻關(guān)“平臺(tái)動(dòng)力學(xué)環(huán)境優(yōu)化設(shè)計(jì)”，持續(xù)開(kāi)展整星減振[15]的優(yōu)化和驗(yàn)證工作，目標(biāo)是將整星減振器適用能力提高至1000 kg。

3.3 高精度溫控設(shè)計(jì)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備對(duì)熱控的要求也越來(lái)越高。有些控溫精度達(dá)到毫開(kāi)級(jí)，甚至更高的要求。NASA于2002年發(fā)射地球重力場(chǎng)測(cè)量(GRACE)雙星，關(guān)鍵部件達(dá)到了每軌0.1 K的熱穩(wěn)定要求；ESA于2009年3月發(fā)射的重力場(chǎng)與穩(wěn)態(tài)洋流探測(cè)器(GOCE)其關(guān)鍵部件的溫度穩(wěn)定性達(dá)到了10 mK的水平，美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡、俄羅斯某偵察衛(wèi)星的相機(jī)控溫精度都在0.1 ℃以上；美國(guó)空間干涉測(cè)量飛行器(SIM)和空間望遠(yuǎn)鏡(NGST)等空間光學(xué)系統(tǒng)要求控溫精度達(dá)到1 mK。隨著小衛(wèi)星需求的擴(kuò)展，對(duì)高精度需求也越來(lái)越高，東方紅公司對(duì)高精度溫度控制技術(shù)開(kāi)展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究工作，提出了多種高精度溫度控制方法。針對(duì)某衛(wèi)星±0.1 ℃高精度控溫要求，提出采用基于分級(jí)熱控方法結(jié)合比例-積分-微分(PID)控溫算法的高精度控溫方法，通過(guò)仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高精度溫度控制指標(biāo)優(yōu)于每軌0.1 ℃[16]，驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。針對(duì)某衛(wèi)星毫開(kāi)級(jí)高精度溫度控制要求，提出采用基于正溫度系數(shù)(PTC)材料結(jié)合PID控溫算法的高精度控溫方法，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了高精度控溫指標(biāo)優(yōu)0.01 ℃/200 s[17]，驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。

圖2 ±0.1 ℃高精度控溫驗(yàn)證結(jié)果

圖3 毫開(kāi)級(jí)高精度控溫驗(yàn)證結(jié)果

4 小衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)

系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)是小衛(wèi)星研制生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括力學(xué)試驗(yàn)和熱真空試驗(yàn)，環(huán)境試驗(yàn)的目的與作用包括兩方面，一方面是驗(yàn)證固有可靠性，驗(yàn)證產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與采取的制造工藝是否正確和符合質(zhì)量要求，以確保產(chǎn)品在預(yù)定的工作環(huán)境下正常工作；另一方面是盡量提高產(chǎn)品的使用可靠性，檢驗(yàn)產(chǎn)品的制造質(zhì)量，盡量在地面暴露元器件、材料及制造工藝中的潛在缺陷，減少早期失效。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析是小衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)環(huán)境試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)級(jí)力學(xué)試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)預(yù)示級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，以對(duì)衛(wèi)星力學(xué)試驗(yàn)輸入條件[18-19]進(jìn)行詳細(xì)制定，進(jìn)而保證衛(wèi)星受到充分全面考核，通過(guò)對(duì)滿量級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，從而對(duì)小衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性以及系統(tǒng)級(jí)篩選做出評(píng)估。熱真空試驗(yàn)相對(duì)力學(xué)試驗(yàn)更為復(fù)雜，需要姿軌控分系統(tǒng)、星務(wù)分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)等各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，同時(shí)輔以地面模擬設(shè)備，綜合實(shí)現(xiàn)熱真空試驗(yàn)的考核目的，保證星上非主動(dòng)控溫單機(jī)設(shè)備高溫與低溫極盡拉偏，實(shí)現(xiàn)32 ℃溫差，充分考核單機(jī)性能，暴露產(chǎn)品缺陷。熱真空試驗(yàn)的復(fù)雜點(diǎn)與難點(diǎn)在于同時(shí)把控星上所有非主動(dòng)控溫設(shè)備的溫度，這些設(shè)備的溫度受到自身熱特性、附近單機(jī)熱特性、加熱回路、外熱流等多方面的共同影響，因此在進(jìn)行熱真空試驗(yàn)的過(guò)程中，往往需要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)，協(xié)調(diào)衛(wèi)星各個(gè)分系統(tǒng)、地面試驗(yàn)?zāi)M實(shí)施單位，對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控溫。小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)在最初發(fā)展階段，以設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)為依托，在力學(xué)試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)依次判讀分析，制定整星滿量級(jí)試驗(yàn)條件，并對(duì)滿量級(jí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估；在熱真空試驗(yàn)中，以人工定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、調(diào)溫措施手動(dòng)記錄、設(shè)備溫度變化規(guī)律人工統(tǒng)計(jì)等措施實(shí)現(xiàn)熱真空試驗(yàn)過(guò)程的控溫。

隨著時(shí)代的發(fā)展，小衛(wèi)星數(shù)量必將呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，尤其在多星并行試驗(yàn)且人員數(shù)量有限的情況下，傳統(tǒng)力熱試驗(yàn)方式將難以滿足發(fā)展需求。東方紅公司在小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，基于傳統(tǒng)試驗(yàn)方式，以智能化、大數(shù)據(jù)為依托，不斷深入研究。在力學(xué)試驗(yàn)方面，進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)智能分析算法、試驗(yàn)條件智能判定方式、特征數(shù)據(jù)智能對(duì)比等一系列研究；在熱真空試驗(yàn)方面，進(jìn)行了熱真空試驗(yàn)數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)方式、設(shè)備溫度發(fā)展趨勢(shì)分析算法、控溫方式智能閉環(huán)控制等一系列研究。

5 環(huán)境試驗(yàn)效應(yīng)分析

環(huán)境試驗(yàn)效應(yīng)分析是通過(guò)對(duì)環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其相關(guān)的產(chǎn)品可靠性數(shù)據(jù)的分析，確定環(huán)境試驗(yàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)驗(yàn)證和故障篩選的有效性。組件級(jí)產(chǎn)品、衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)、環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)等各個(gè)層面都需要進(jìn)行環(huán)境效應(yīng)分析，各有其對(duì)小衛(wèi)星研制技術(shù)發(fā)展的促進(jìn)作用?；谝殉晒Πl(fā)射的120余顆小衛(wèi)星,完成近200次系統(tǒng)級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)，140多次的衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)熱真空試驗(yàn)，已積累了一定的環(huán)境試驗(yàn)效應(yīng)分析的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，在組件級(jí)、衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)層面發(fā)揮了一定的作用。通過(guò)整星及艙段微振動(dòng)試驗(yàn)識(shí)別了星上擾振源的響應(yīng)量級(jí)，得到了擾振源在星上的傳遞特性，開(kāi)展了微振動(dòng)抑制設(shè)計(jì)，確保光學(xué)相機(jī)關(guān)鍵位置的響應(yīng)量級(jí)滿足成像要求。通過(guò)在軌驗(yàn)證，有效的保證了可見(jiàn)光相機(jī)在軌成像質(zhì)量。通過(guò)力學(xué)振動(dòng)試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了整星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了結(jié)構(gòu)局部設(shè)計(jì)余量不足，試驗(yàn)中超過(guò)結(jié)構(gòu)局部承載能力，導(dǎo)致蜂窩芯子失穩(wěn)或破壞等問(wèn)題；檢驗(yàn)衛(wèi)星經(jīng)受驗(yàn)收級(jí)力學(xué)振動(dòng)環(huán)境的能力，暴露衛(wèi)星材料、元器件和工藝等方面的缺陷。通過(guò)整星熱真空試驗(yàn)，暴露了衛(wèi)星推進(jìn)系統(tǒng)控溫、軟件、元器件失效等方面的問(wèn)題，檢驗(yàn)了星上各分系統(tǒng)設(shè)備經(jīng)受熱真空環(huán)境的工作能力。

要在環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)層面發(fā)揮作用，尚需更多的子樣和深入的分析研究。

6 結(jié)論

本文針對(duì)在20年來(lái)東方紅公司在小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)方面的研究成果進(jìn)行回顧，總結(jié)了在小衛(wèi)星環(huán)境剖面、環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)、星上環(huán)境控制、環(huán)境試驗(yàn)及其效應(yīng)分析等方面的研究經(jīng)驗(yàn)。這些研究方向和經(jīng)驗(yàn)體現(xiàn)了較為全面的小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)架構(gòu)。但也可以看出在各個(gè)方面還存在不能完全滿足小衛(wèi)星研制需要的問(wèn)題，小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)需要進(jìn)一步向深度和廣度發(fā)展。

首先，小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)能力需要進(jìn)一步提升。虛擬試驗(yàn)技術(shù)是在衛(wèi)星設(shè)計(jì)階段進(jìn)行較好設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法，也是小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)剪裁的基礎(chǔ)。虛擬試驗(yàn)技術(shù)是理論分析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析融合的技術(shù)方法，大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累是提高這個(gè)方法有效性的前提條件。前期的技術(shù)積累已具備發(fā)展虛擬試驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)條件。環(huán)境效應(yīng)分析是提高環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)(試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)條件)有效性的必要條件。利用已有的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及其衛(wèi)星測(cè)試和在軌的信息，對(duì)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行系統(tǒng)性分析，能夠?qū)罄m(xù)的批產(chǎn)小衛(wèi)星、微納衛(wèi)星、小衛(wèi)星新平臺(tái)等的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)提供有力支撐。振動(dòng)、微振動(dòng)環(huán)境防護(hù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，不僅有助于提升衛(wèi)星性能指標(biāo)，還能夠因改進(jìn)產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)而有利于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

其次，小衛(wèi)星環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)要預(yù)見(jiàn)小衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)，以小衛(wèi)星未來(lái)的需求為技術(shù)發(fā)展方向。利用小衛(wèi)星建設(shè)空間網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)行深空探測(cè)、空間組裝等技術(shù)已進(jìn)入應(yīng)用，用戶提出小衛(wèi)星需求的重要內(nèi)容之一是輕小型、低成本、能量產(chǎn)。這些需求指出了對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的剪裁、提高試驗(yàn)效率等研究方向。要分析新型小衛(wèi)星在其環(huán)境剖面上新的敏感點(diǎn)，研究如何對(duì)不同壽命需求、不同批產(chǎn)數(shù)量的衛(wèi)星采用不同的試驗(yàn)方案。在試驗(yàn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)識(shí)別與分析，影響衛(wèi)星關(guān)鍵性能環(huán)境的識(shí)別及其防護(hù)和面對(duì)更復(fù)雜環(huán)境的試驗(yàn)有效性評(píng)估等技術(shù)都需要不斷進(jìn)行研究，才能進(jìn)一步發(fā)揮促進(jìn)小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的作用。