朱明新

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院， 北京， 100071）

引言

航天器含有執(zhí)行各種功能的不同機(jī)構(gòu) （例如：太陽(yáng)帆板展開機(jī)構(gòu)）， 在大多情況下機(jī)構(gòu)并不作為航天器單獨(dú)的一個(gè)分系統(tǒng)， 而是作為主要分系統(tǒng)的一部分 （例如： 電源分系統(tǒng)的組成部分）， 但是其正常工作與否對(duì)航天器平臺(tái)的正常運(yùn)行和航天任務(wù)的實(shí)施卻很關(guān)鍵， 一旦出現(xiàn)問(wèn)題， 對(duì)航天器任務(wù)的影響是非常嚴(yán)重甚至是災(zāi)難性的。

根據(jù)技術(shù)分析與國(guó)內(nèi)外技術(shù)報(bào)道， 引起航天器機(jī)構(gòu)在軌出現(xiàn)問(wèn)題一般有以下幾個(gè)方面原因[1-4]。

一是機(jī)構(gòu)工作環(huán)境嚴(yán)酷， 而且這些環(huán)境在地面很難進(jìn)行完全模擬， 例如：

a） 空間環(huán)境引起的高低溫交變、 溫度梯度及變溫速率等， 會(huì)對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生影響；

b） 紫外線和真空等因素能改變材料性能，使其退化到不可接受的水平， 或引起不同于地面的在軌工作狀況 （在地面試驗(yàn)中很難模擬機(jī)構(gòu)的在軌環(huán)境）；

c） 空間微重力環(huán)境也會(huì)引起機(jī)構(gòu)不同于地面的工作狀態(tài) （地面試驗(yàn)中重力卸載裝置很難實(shí)現(xiàn)100%的重力卸載效率）；

d） 諸如潤(rùn)滑劑爬移 （遷移） 等的影響 （在地面不可能完全模擬， 但在設(shè)計(jì)中必須要考慮）；

e） 運(yùn)載火箭主動(dòng)段嚴(yán)酷的動(dòng)力學(xué)環(huán)境也能引起機(jī)構(gòu)損壞、 緊固件松動(dòng)、 以及損傷精密表面；

f） 機(jī)構(gòu)還要遭遇許多不可預(yù)計(jì)的交互作用。

二是機(jī)構(gòu)自身屬性， 如： 完成機(jī)械運(yùn)動(dòng)需產(chǎn)生和貯存許多能量， 要完成特定任務(wù)需具有非常精準(zhǔn)的動(dòng)力學(xué)性能， 這勢(shì)必要進(jìn)行非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)， 因此完全不同于一般的機(jī)電產(chǎn)品。

三是機(jī)構(gòu)研制費(fèi)用的昂貴使得在使用它之前不太可能建造很多子樣及進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)， 目前大部分機(jī)構(gòu)尚處于專項(xiàng)專制而不是貨架式現(xiàn)貨產(chǎn)品的狀態(tài)。 另外， 在機(jī)構(gòu)工作運(yùn)行期間幾乎沒(méi)有進(jìn)行維修的可能。

機(jī)構(gòu)的故障常常呈現(xiàn)為一個(gè)單點(diǎn)失效， 因此對(duì)于項(xiàng)目管理來(lái)說(shuō)， 通常在研制過(guò)程中將機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制， 對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，要將機(jī)構(gòu)的可靠性和壽命作為重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)， 在設(shè)計(jì)中進(jìn)行最低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)（安全性設(shè)計(jì)） 或冗余設(shè)計(jì)， 在試驗(yàn)驗(yàn)證中要進(jìn)行壽命等驗(yàn)證試驗(yàn)。

鑒于機(jī)構(gòu)在航天器任務(wù)中承擔(dān)的功能、 所起的作用以及產(chǎn)品自身的特點(diǎn)， 國(guó)外主要航天組織美國(guó)航空航天學(xué)會(huì) （AIAA）、 美國(guó)國(guó)家航空航天局 （NASA）、 歐洲航天標(biāo)準(zhǔn)化合作組織 （ECSS）等都非常重視機(jī)構(gòu)研制與應(yīng)用以及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的總結(jié)， 將機(jī)構(gòu)以往研制與應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、 成功案例與實(shí)踐等形成標(biāo)準(zhǔn)或技術(shù)手冊(cè)， 目的是為機(jī)構(gòu)改進(jìn)和機(jī)構(gòu)研制提供最佳實(shí)踐或指南， 同時(shí)也為產(chǎn)品采購(gòu)合同簽訂提供技術(shù)要求以及為產(chǎn)品驗(yàn)收交付與應(yīng)用提供合規(guī)性判據(jù)。

1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展過(guò)程與現(xiàn)狀

國(guó)外現(xiàn)行有效的機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)主要有： AIAA 發(fā)布的AIAA S-114A-2020 《航天器和運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件》 、 NASA 發(fā)布的 NASA -STD -5017B（2022） 《機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開發(fā)要求》、 ECSS 發(fā)布的ECSS-E-ST-33-01C 第2 版 （2019） 《航天工程機(jī)構(gòu)》。

1.1 AIAA S-114A-2020 《航天器和運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件》

國(guó)外航天機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展過(guò)程中， 美軍標(biāo)MIL-A-83577B （1988） 《航天器和運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件》 無(wú)疑是一份極重要的標(biāo)準(zhǔn)。 但是1996 年美國(guó)國(guó)防部取消了該標(biāo)準(zhǔn)。 在此后的幾年里， 航天器硬件故障規(guī)律性地增加， 而同時(shí)美國(guó)軍方航天裝備采辦部門和美國(guó)航空航天公司（注： 美國(guó)航空航天公司是由美國(guó)政府投資的專門服務(wù)于美國(guó)軍方的專業(yè)性非贏利公司） 在采辦新航天系統(tǒng)時(shí)越來(lái)越難以判斷系統(tǒng)是否符合最佳實(shí)踐。 當(dāng)時(shí)正要開展幾次采辦， 于是美國(guó)航空航天公司在美國(guó)航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心的指導(dǎo)下， 于2004 年根據(jù)已取消的MIL-A-83577B 編寫了一份技術(shù)使用報(bào)告， 以權(quán)宜之計(jì)作為當(dāng)時(shí)一份指南文件 （以供臨時(shí)使用）。 這份指南文件后來(lái)成為AIAA S-114 標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的起始點(diǎn)。 之后由美國(guó)航空航天公司領(lǐng)導(dǎo)的工業(yè)委員會(huì)開發(fā)， 編制成員單位包括Lora 空間系統(tǒng)公司、 Lockheed Martin 公司、 Boeing 公司、 Northrop Grumman 公司和Hi-Shear 技術(shù)公司， 基線版AIAA S-114-2005 《航天器和運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件》 于2005 年6 月正式發(fā)布。

AIAA S-114-2005 從研制的最佳實(shí)踐角度規(guī)定了運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件在設(shè)計(jì)、 制造、 質(zhì)量控制、 試驗(yàn)和貯存等方面的通用要求， 適用于航天器和運(yùn)載器中這樣一些機(jī)械或機(jī)電裝置， 它們控制著航天器和運(yùn)載器的一個(gè)機(jī)械部分相對(duì)另一個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)， 也適用于整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件以及作為運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件主要部分的機(jī)械部件和儀器。

AIAA S-114-2005 雖然基于美軍標(biāo)MIL-A-83577B， 但是它包含了一些能夠反映上世紀(jì)80年代以來(lái)技術(shù)發(fā)展的新信息。 例如運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件的壽命試驗(yàn)， 在老的美軍標(biāo)中要求對(duì)新研制的機(jī)構(gòu)在地面進(jìn)行鑒定試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用2 倍于期望的在軌使用壽命 （周期或循環(huán)）。 在上世紀(jì)80 年代，航天器的設(shè)計(jì)壽命大多在3 到5 年， 現(xiàn)在隨著航天器技術(shù)的進(jìn)展， 大多數(shù)航天器的設(shè)計(jì)壽命已達(dá)到10 年或20 年以上， 對(duì)于某些星際深空探測(cè)任務(wù)， 要求其設(shè)計(jì)壽命甚至更長(zhǎng)， 而壽命試驗(yàn)中需連續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)， 如動(dòng)量輪等， 其所需潤(rùn)滑劑的功能特性受工作速度影響變化， 難以符合試驗(yàn)要求。

為此， 根據(jù)這一趨勢(shì)， AIAA S-114-2005 對(duì)于試驗(yàn)時(shí)不能 （不易） 進(jìn)行加速的高循環(huán) （周期）機(jī)構(gòu)， 試驗(yàn)時(shí)建議采用1.5 倍于設(shè)計(jì)壽命， 但是仍優(yōu)先建議采用2 倍于設(shè)計(jì)壽命。 當(dāng)然對(duì)于許多衛(wèi)星， 例如： 美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星 （DMSP）、 國(guó)防支援計(jì)劃衛(wèi)星 （DSP） 和全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星（GPS）， 它們?cè)瓉?lái)的設(shè)計(jì)壽命只有3 年， 但實(shí)際上他們?cè)谲壋晒\(yùn)行了10 年甚至更長(zhǎng)， 如果設(shè)計(jì)壽命達(dá)到10 年， 試驗(yàn)將變得不可行， 這時(shí)候工程判斷就變得越來(lái)越關(guān)鍵。 另外， AIAA S-114-2005 也對(duì)自上世紀(jì)80 年代以來(lái)使用的新壓緊釋放機(jī)構(gòu)、 軸承材料提供了指南， 這些在早期美軍標(biāo)中都沒(méi)有描述。

另外， AIAA S-114-2005 在內(nèi)容表述上將規(guī)定的要求分成3 類： 第一類是必須要執(zhí)行的； 第二類是只要在可行和適用的情況下， 就必須執(zhí)行的； 第三類是推薦性的， 即建議性的。

2020 年10 月， AIAA 又發(fā)布了修訂版AIAA S-114A-2020 《航天器和運(yùn)載器運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件》（A 版本）， 與之前2005 年的基線版本相比， 本次修訂最重要的變化包括： 重新編寫試驗(yàn)部分內(nèi)容， 給出了力與力矩裕度計(jì)算的新方法， 以及取消 “在可行和適用的情況下就應(yīng)” 的表述， 另外也更新了標(biāo)準(zhǔn)的編寫格式。

1.2 NASA-STD-5017B （2022） 《機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和開發(fā)要求》

該標(biāo)準(zhǔn)同樣是基于美軍標(biāo)MIL-A-83577B 建立的， NASA 制定該標(biāo)準(zhǔn)的目的是要在NASA 所屬各中心范圍內(nèi)為航天機(jī)構(gòu)及其部件的設(shè)計(jì)、 開發(fā)和驗(yàn)證建立統(tǒng)一要求。 另外， 還要作為一個(gè)技術(shù)要求， 以供合同、 項(xiàng)目、 NASA 的其他文件來(lái)引用。在使用該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)， 為滿足特定項(xiàng)目的需求和約束，允許根據(jù)合同或特定項(xiàng)目的技術(shù)規(guī)范對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)個(gè)別條款進(jìn)行剪裁。 使用“應(yīng)” 字表述的條款屬?gòu)?qiáng)制性要求， 如進(jìn)行剪裁， 則應(yīng)形成正式文件并獲得批準(zhǔn)， 并作為項(xiàng)目要求的一部分。 該標(biāo)準(zhǔn)基線版NASA-STD-5017 于2006 年6 月發(fā)布。

2015 年7 月發(fā)布了NASA-STD-5017A， 與基線版相比， 該版基于工程技術(shù)發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 對(duì)基線版中的要求進(jìn)行了重新編寫， 并對(duì)所有的要求增加了基本原理的解釋， 另外還以附錄形式增加了 “最佳實(shí)踐” 以作為指南。

2022 年12 月又發(fā)布了NASA-STD-5017B，該版本做了重大修改， 主要變化如下。

a） 對(duì)力矩和力裕度內(nèi)容進(jìn)行了修訂， 使其更加符合AIAA S-114A-2020 的要求， 同時(shí)還修改了一些術(shù)語(yǔ)， 便于技術(shù)理解和溝通。

b） 根據(jù)用戶的反饋， 以略微改變的形式恢復(fù)了狀態(tài)指示要求。

c） 對(duì)許多要求的表述、 基本原理、 應(yīng)用指南進(jìn)行了修改， 以提高要求的清晰度， 或者根據(jù)用戶的反饋， 完善相關(guān)問(wèn)題的解釋。 此外， 關(guān)于間隙的一些要求被拆分為多個(gè)以 “應(yīng)” 陳述的細(xì)分要求， 以說(shuō)明意圖。

d） 刪除了對(duì)潤(rùn)滑工藝的要求， 因?yàn)樗cNASA-STD-6016C （2021） 《航天器的材料與工藝要求》 中的要求重復(fù)。

e） 刪除了將快速釋放銷、 在使用中啟動(dòng)的螺紋接口和釋放自由度的機(jī)構(gòu)視為機(jī)構(gòu)的要求，而是明確將此類設(shè)備歸屬于文件范圍內(nèi)的機(jī)構(gòu)。

f） 增加了加壓電渣重熔 （Pressurized Electroslag Remelting, PESR）。

g） 在附錄 “最佳實(shí)踐” 中， 增加了關(guān)于力／力矩裕度計(jì)算、 最大限度減少?gòu)椈蓱?yīng)力松弛、 使用干膜潤(rùn)滑的設(shè)計(jì)最佳實(shí)踐以及冗余旋轉(zhuǎn)表面等新內(nèi)容。

NASA-STD-5017B 具體規(guī)定了下述方面的技術(shù)要求。

a） 尺寸分析 （它是一種系統(tǒng)計(jì)算， 說(shuō)明部件或組件的尺寸或間隙如何因?yàn)樘囟ǔ叽纭?制造公差、 環(huán)境暴露和施加載荷的累積影響而發(fā)生的變化）。

b） 間隙。

c） 力矩／力裕度， 包括力矩裕度的通用要求、 靜態(tài)力矩裕度、 動(dòng)態(tài)力矩裕度、 保持力矩裕度、 步進(jìn)電機(jī)裕度、 伺服機(jī)構(gòu)裕度。

d） 行程裕度 （Stroke Margin）。

e） 電氣連接與接地。

f） 潤(rùn)滑。

g） 狀態(tài)指示。

h） 結(jié)構(gòu)要求。

i） 軸承。

j） 電機(jī)， 包括電子換向無(wú)涮電機(jī)、 步進(jìn)電機(jī)、 刷式電機(jī)。

k） 彈簧。

l） 齒輪。

m） 阻尼器。

n） 可分離界面。

o） 滑輪裝置。

p） 開關(guān)。

q） 緊固件。

r） 繼承機(jī)構(gòu)。

s） 機(jī)構(gòu)試驗(yàn)， 包括性能試驗(yàn)、 鑒定試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、 驗(yàn)收試驗(yàn)。

t） 機(jī)構(gòu)安裝。

NASA-STD-5017B 的附錄A 給出了機(jī)構(gòu)的最佳實(shí)踐， 包括力矩和力裕度 （包括磁飽和對(duì)力矩裕度的影響、 在更高級(jí)別的裝配件如分系統(tǒng)、整器的力矩裕度計(jì)算、 能量裕度）、 潤(rùn)滑 （包括濕式潤(rùn)滑、 固體潤(rùn)滑）、 軸承、 電機(jī)、 彈簧、 齒輪、 緊固件、 鎖止快速釋放銷、 冗余旋轉(zhuǎn)表面等的最佳實(shí)踐， 以及機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)、 鑒定試驗(yàn)、 壽命試驗(yàn)、 驗(yàn)收試驗(yàn)、 原飛行試驗(yàn)等的最佳實(shí)踐； 附錄B給出參考文獻(xiàn)； 附錄C 給出要求的識(shí)別矩陣。

該標(biāo)準(zhǔn)只敘述了功能技術(shù)要求， 沒(méi)有專門敘述人因要求。

1.3 ECSS-E-ST-33-01C 第2 版 （2019）《航天工程 機(jī)構(gòu)》

該標(biāo)準(zhǔn)基于航天機(jī)構(gòu)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展水平和經(jīng)驗(yàn)， 為機(jī)構(gòu)工程團(tuán)隊(duì)提供一組技術(shù)要求、 設(shè)計(jì)規(guī)則和指南， 目的是幫助機(jī)構(gòu)研制者進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及推導(dǎo)出特定項(xiàng)目的具體要求， 目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)航天機(jī)構(gòu)在軌的可靠工作， 避免異常， 同時(shí)在研制階段，防止影響航天項(xiàng)目的研制進(jìn)度和費(fèi)效。

該標(biāo)準(zhǔn)各版本發(fā)布情況見表1。

表1 ECSS-E-ST-33-01 標(biāo)準(zhǔn)各版本發(fā)布?xì)v程

在具體技術(shù)內(nèi)容方面， ECSS-E-ST-33-01C規(guī)定了航天器和有效載荷的空間機(jī)構(gòu)為滿足任務(wù)的性能要求而在機(jī)構(gòu)方案定義、 設(shè)計(jì)、 分析、 開發(fā)、 生產(chǎn)、 試驗(yàn)驗(yàn)證和在軌使用方面的要求。 即該標(biāo)準(zhǔn)中的要求是根據(jù)機(jī)構(gòu)應(yīng)完成的任務(wù)來(lái)定義的， 而不是根據(jù)如何組織和執(zhí)行必要的工作來(lái)定義的。 該標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容編排上只規(guī)定應(yīng)做什么工作， 而不去規(guī)定怎么組織和實(shí)施這些工作， 這樣允許現(xiàn)有的組織和現(xiàn)有的方法可以應(yīng)用到有效的地方， 而不需要重寫標(biāo)準(zhǔn)。 該標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有包括運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)的要求， 所規(guī)定的要求對(duì)運(yùn)載火箭的適用性留給各運(yùn)載火箭項(xiàng)目自己決定。

2 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要特點(diǎn)分析

2.1 機(jī)構(gòu)的定義

目前關(guān)于機(jī)構(gòu)沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一明確的定義。

AIAA S-114A-2020 中將機(jī)械運(yùn)動(dòng)組件定義為一個(gè)裝置， 該裝置控制航天器或運(yùn)載火箭的可展開或其他可運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件包括但不限于： 展開機(jī)構(gòu)、 傳感器機(jī)構(gòu)、 瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、 消旋機(jī)構(gòu)、 分離機(jī)構(gòu)、 動(dòng)量輪和反作用輪、 控制力矩陀螺、 框架、 以及要求執(zhí)行特定功能的其他機(jī)構(gòu)。

NASA-STD-5017B 中將機(jī)構(gòu)定義為一個(gè)組件， 該組件中的一個(gè)機(jī)械部件相對(duì)于另一個(gè)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng)。

ECSS-E-ST-33-01C 中將機(jī)構(gòu)定義為將部件鏈接在一起以便能進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的組件。

3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的表述不全相同， AIAA 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)機(jī)構(gòu)的 “控制” 作用即機(jī)構(gòu)的用途， NASA 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)部件的 “運(yùn)動(dòng)” （標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容沒(méi)有涉及控制），ECSS 標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)機(jī)構(gòu)的 “連接作用和連接的目的”， 應(yīng)該說(shuō)3 個(gè)定義中NASA 的定義最寬廣，ECSS 的其次， AIAA 相對(duì)確切和具體。

一般來(lái)說(shuō)， 航天器機(jī)構(gòu)至少由一個(gè)執(zhí)行部件和一個(gè)動(dòng)力源組成。 執(zhí)行部件用于實(shí)現(xiàn)特定的動(dòng)作， 是機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部分； 動(dòng)力源用于驅(qū)動(dòng)上述執(zhí)行部件， 可采用電機(jī)、 火工裝置、 壓力氣源、 彈性元件、 以及金屬相變產(chǎn)生的變形 （如形狀記憶合金） 等不同形式。 另外， 多數(shù)機(jī)構(gòu)還包括某種測(cè)量或反饋裝置， 用于向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)提供位置、 速度、 力或力矩等信息。 測(cè)量或反饋裝置可采用到位開關(guān) （如微動(dòng)開關(guān)、 光電開關(guān)等）、 直線傳感器 （如直線光柵、 電容傳感器、 電渦流傳感器等）、 角速度傳感器 （如電位計(jì)、 光電編碼器、 磁編碼器、 旋轉(zhuǎn)變壓器、 感應(yīng)同步器、 線性霍爾等）、 應(yīng)變計(jì)等各種形式。

2.2 技術(shù)內(nèi)容

3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容大體可分為2 個(gè)層次： 一是側(cè)重要求層次， 二是側(cè)重工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用層次；NASA 和ECSS 標(biāo)準(zhǔn)屬于前者， 而AIAA 標(biāo)準(zhǔn)屬于后者， 且AIAA 標(biāo)準(zhǔn)與NASA 標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)容上銜接和互補(bǔ)， 具體見表2。

表2 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容特點(diǎn)

2.3 力矩／力裕度

2.3.1 裕度計(jì)算

AIAA 和NASA 標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算裕度的方式，這是最基本和最經(jīng)典的方式， 而ECSS 標(biāo)準(zhǔn)采用計(jì)算最小驅(qū)動(dòng)力矩／力的方式。

ECSS 標(biāo)準(zhǔn)是從不同類因素項(xiàng) （即阻力分量）的不確定性出發(fā)， 先確定每個(gè)因素項(xiàng)在計(jì)算最少驅(qū)動(dòng)力矩／力時(shí)所使用的系數(shù)因子 （加權(quán)系數(shù)， 它間接反映裕度）， 然后再計(jì)算最少驅(qū)動(dòng)力矩／力。

雖然在不同標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用中， 驅(qū)動(dòng)力矩／力裕度計(jì)算方程或最小驅(qū)動(dòng)力矩／力計(jì)算方程可以有多種表述形式， 但是他們每一個(gè)形式都能變換成其它形式 （方程表述形式不同）。 這些方程之間唯一的不同點(diǎn)在于方程中不同因素項(xiàng) （即不同的阻力分量） 的分類與細(xì)化、 因素項(xiàng)的屬性 （如可變和不明顯變化）、 因素項(xiàng)的計(jì)算權(quán)重、 因素項(xiàng)的數(shù)量。具體選擇那種形式主要依據(jù)能否相對(duì)簡(jiǎn)化、 能否用單一方程進(jìn)行幾個(gè)裕度計(jì)算、 以及對(duì)成熟因素應(yīng)用的適宜性。 相同點(diǎn)是要充分考慮最壞工況的影響， 考慮機(jī)構(gòu)有足夠的韌性即穩(wěn)健性。

2.3.2 裕度要求

AIAA 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定如下： 在運(yùn)動(dòng)中的任何位置， 靜態(tài)力矩或力裕度至少應(yīng)為100%。 對(duì)新設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)， 推薦的最小靜態(tài)力矩或力裕度見表3。在可行的情況下， 在任何運(yùn)動(dòng)位置的動(dòng)態(tài)力矩或力的裕度都應(yīng)大于25%。

表3 AIAA 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小靜態(tài)力矩或力裕度

NASA 標(biāo)準(zhǔn)雖然沒(méi)有規(guī)定設(shè)計(jì)過(guò)程中的裕度要求， 但在驗(yàn)收和鑒定時(shí)， 與AIAA 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是相同的。

ECSS 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可用力矩力必須大于最小驅(qū)動(dòng)力矩／力。

機(jī)構(gòu)裕度要求可按研制階段統(tǒng)一提出， 隨著產(chǎn)品研制的不斷成熟， 裕度或最小驅(qū)動(dòng)力矩／力要求可由粗到精。

2.4 壽命驗(yàn)證

2.4.1 AIAA 標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)構(gòu)的工作和非工作壽命的組合應(yīng)超過(guò)飛行器的使用壽命。 進(jìn)行壽命試驗(yàn)的機(jī)構(gòu)， 在可行情況下， 應(yīng)與飛行產(chǎn)品等同， 應(yīng)成功完成功能和環(huán)境鑒定試驗(yàn)， 或功能和環(huán)境驗(yàn)收試驗(yàn)。 試驗(yàn)產(chǎn)品與飛行產(chǎn)品間的任何差異不得影響試驗(yàn)的有效性。

設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)時(shí)， 機(jī)構(gòu)應(yīng)按預(yù)期的飛行那樣工作， 其設(shè)備按照預(yù)計(jì)的或已加速的工作循環(huán)工作。 對(duì)于低周期 （循環(huán)） 的機(jī)構(gòu) （如： 釋放裝置、彈簧驅(qū)動(dòng)可展開裝置）， 應(yīng)進(jìn)行至少2 倍于地面試驗(yàn)和飛行期間總周期 （循環(huán)） 數(shù)， 一般要求至少進(jìn)行50 個(gè)周期 （循環(huán)）， 應(yīng)覆蓋計(jì)劃的和未計(jì)劃的事件。 對(duì)于高周期 （循環(huán)） 的機(jī)構(gòu) （如： 太陽(yáng)電池陣驅(qū)動(dòng)器、 動(dòng)量輪、 跟蹤框架等）， 應(yīng)進(jìn)行至少1.5 倍于地面試驗(yàn)和飛行期間的總周期 （循環(huán)）數(shù)， 但首選2 倍總周期 （循環(huán)） 數(shù)。

工作循環(huán)為相對(duì)低比例的產(chǎn)品， 將工作循環(huán)壓縮到一個(gè)合理的總試驗(yàn)時(shí)間是可以接受的。 在軌持續(xù)工作或工作循環(huán)為極高比例工作的組件， 如果可以證明加速試驗(yàn)方法是有效的話， 可以采用該方法進(jìn)行試驗(yàn)， 對(duì)這樣的組件， 應(yīng)在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境條件下改變持續(xù)時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)， 然后拆解和檢查組件。 如果定期拆解和檢查不會(huì)影響試驗(yàn)條件， 不會(huì)使得試驗(yàn)結(jié)果無(wú)效， 則可以使用一個(gè)單一的產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)條件應(yīng)包括預(yù)計(jì)飛行使用時(shí)的變化， 例如： 為檢查系統(tǒng)的低溫工作而關(guān)閉電源（掉電） 模式， 在不超過(guò)設(shè)備的熱極限下至實(shí)際程度。 應(yīng)對(duì)所有電滑環(huán)和換向器組件在整個(gè)接口處的額定電壓、典型電流水平下進(jìn)行試驗(yàn)。

應(yīng)通過(guò)有意將運(yùn)動(dòng)機(jī)械組件 （MMA） 運(yùn)行至停止?fàn)顟B(tài)來(lái)對(duì)制動(dòng)器 （止動(dòng)器） 進(jìn)行試驗(yàn)， 無(wú)論MMA 是否有限位開關(guān)來(lái)防止正常運(yùn)行時(shí)接觸到制動(dòng)器（止動(dòng)器）。 該制動(dòng)器（止動(dòng)器） 應(yīng)進(jìn)行至少2倍于預(yù)期工作使用時(shí)的工作循環(huán)， 再加上在進(jìn)行部件和飛行器功能和環(huán)境試驗(yàn)時(shí)工作循環(huán)數(shù)的2 倍。對(duì)于使用限位開關(guān)和不正常接觸制動(dòng)器 （止動(dòng)器）的MMA， 可以將制動(dòng)器 （止動(dòng)器） 作為一個(gè)單獨(dú)的部件級(jí)試驗(yàn)（開關(guān)不激活） 進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。

在完成設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)之后應(yīng)進(jìn)行功能試驗(yàn)， 在可行的情況下， 應(yīng)拆解和檢查組件的異常情況， 對(duì)零件中可能會(huì)產(chǎn)生疲勞失效的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行檢查， 確定是否發(fā)生了失效。

使用潤(rùn)滑劑時(shí)， 考慮在整個(gè)試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間對(duì)潤(rùn)滑劑的流失、 退化、 分布、 數(shù)量和出氣成分進(jìn)行測(cè)量。 可以通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑劑消耗、 碎片堆積、磨損或其他關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的分析， 為預(yù)計(jì)組件的預(yù)期壽命提供依據(jù)。

2.4.2 NASA 標(biāo)準(zhǔn)

a） 設(shè)計(jì)壽命的驗(yàn)證試驗(yàn)

機(jī)構(gòu)所有的功能都應(yīng)進(jìn)行設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)， 驗(yàn)證所有的設(shè)計(jì)壽命要求。 典型的設(shè)計(jì)壽命問(wèn)題包括循環(huán)壽命、 耐久性和疲勞極限、 潤(rùn)滑的潛在退化、 過(guò)度磨損、 存儲(chǔ)時(shí)間等。

b） 設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)環(huán)境

設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在機(jī)構(gòu)合適的極限環(huán)境下進(jìn)行， 除非得到管控項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)部門的批準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)應(yīng)包括機(jī)械停止試驗(yàn)， 試驗(yàn)時(shí)機(jī)構(gòu)有意運(yùn)行至停止， 機(jī)構(gòu)是否具有限位開關(guān)， 以防止在正常運(yùn)行中停止接觸。

c） 設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)因子

應(yīng)對(duì)載人航天機(jī)構(gòu)進(jìn)行壽命試驗(yàn)， 試驗(yàn)周期數(shù)至少為預(yù)定的工作周期數(shù)加上地面周期數(shù) （包括裝配、 安裝和維護(hù)）、 再加上功能、 環(huán)境和試運(yùn)行的周期數(shù)之后的總周期數(shù)的4 倍。

應(yīng)對(duì)非載人航天機(jī)構(gòu)進(jìn)行壽命試驗(yàn)， 試驗(yàn)周期數(shù)至少為預(yù)定的工作周期數(shù)加上地面周期數(shù)（包括裝配、 安裝和維護(hù)）、 再加上功能、 環(huán)境和試運(yùn)行的周期數(shù)之后的總周期數(shù)的2 倍。

d） 壽命試驗(yàn)前后的檢驗(yàn)和功能試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)之前和之后應(yīng)進(jìn)行檢查和功能試驗(yàn)。 應(yīng)拆解受到磨損的機(jī)械系統(tǒng)部件，對(duì)退化或其他異常進(jìn)行檢查。

e） 采用原飛行方法時(shí)設(shè)計(jì)壽命量級(jí)的調(diào)整

對(duì)采用原飛行途徑的項(xiàng)目， 基于危險(xiǎn)程度或?yàn)楸苊膺^(guò)度的耐久性或減少疲勞極限裕度， 在未經(jīng)管控項(xiàng)目的相關(guān)技術(shù)部門批準(zhǔn)之前， 不得對(duì)設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

f） 采用原飛行方法時(shí)的刷新修整

在設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)驗(yàn)之后和重新進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)之前， 應(yīng)對(duì)原飛行系統(tǒng)進(jìn)行刷新修整。

g） 設(shè)計(jì)壽命驗(yàn)證試驗(yàn)說(shuō)明

對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)， 設(shè)計(jì)壽命試驗(yàn)往往需要進(jìn)行加速試驗(yàn)。 該試驗(yàn)需要掌握與試驗(yàn)的失效機(jī)理方面的知識(shí)， 并對(duì)溫度和／或速度加速產(chǎn)生的潛在不良后果有所了解。

以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 某些干膜潤(rùn)滑劑 （尤其是二硫化鉬基潤(rùn)滑劑） 在真空下比它們?cè)诖髿猸h(huán)境下有更好的表現(xiàn)， 且很少快速退化。 出于這個(gè)原因， 若壽命驗(yàn)證試驗(yàn)在大氣條件下進(jìn)行， 從這方面來(lái)說(shuō)就可能有些保守， 且增加潤(rùn)滑性可能有不良影響。

為了可以進(jìn)行異常研究或滿足其他不可預(yù)見的需求， 已計(jì)算的生命周期數(shù)需要再增加一些裕度。增加裕度可以允許在研究期間對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能試驗(yàn)而不消耗機(jī)構(gòu)的飛行循環(huán)壽命。

2.4.3 ECSS 標(biāo)準(zhǔn)

a） 壽命鑒定試驗(yàn)通則

應(yīng)在進(jìn)行飛行代表性環(huán)境試驗(yàn)以后對(duì)飛行代表壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谝?guī)定的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)， 以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 潤(rùn)滑劑的壽命和性能。 在壽命試驗(yàn)之前對(duì)壽命模型進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)， 包括： ①在驗(yàn)收載荷量級(jí)進(jìn)行的驗(yàn)收振動(dòng)試驗(yàn)， 試驗(yàn)累計(jì)的持續(xù)時(shí)間符合飛行硬件期望的振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)量； ②在載荷量級(jí)和持續(xù)時(shí)間為鑒定級(jí)時(shí)進(jìn)行了1 次振動(dòng)。潤(rùn)滑劑壽命驗(yàn)證的環(huán)境應(yīng)經(jīng)用戶同意。

b） 壽命試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?/p>

模型和壽命試驗(yàn)應(yīng)能體現(xiàn)下述參數(shù)： ①熱條件、 載荷條件、 接觸面應(yīng)力、 試驗(yàn)期間的運(yùn)動(dòng)剖面和速率、 工作條件； ②預(yù)期的最壞工況工作條件時(shí)的潤(rùn)滑狀況， 以及經(jīng)用戶同意后加因子的持續(xù)時(shí)間。

在加速試驗(yàn)期間對(duì)真實(shí)條件模擬時(shí)采用的擴(kuò)展壽命持續(xù)時(shí)間應(yīng)經(jīng)用戶同意后方可執(zhí)行。

c） 壽命試驗(yàn)剖面

應(yīng)對(duì)壽命試驗(yàn)的剖面和順序進(jìn)行定義， 并經(jīng)用戶同意。

d） 壽命試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間

對(duì)于壽命鑒定， 應(yīng)使用對(duì)預(yù)計(jì)的標(biāo)稱地面試驗(yàn)周期 （循環(huán)） 和在軌工作周期 （循環(huán)） 分別加因子后求總和來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。 試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)， 期望的周期數(shù) （循環(huán)數(shù)） 應(yīng)乘以表4 中對(duì)應(yīng)的因子數(shù)。

表4 壽命試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間因子

e） 加速壽命試驗(yàn)

如果使用加速壽命試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的壽命性能， 則加速壽命試驗(yàn)使用的模型應(yīng)是最壞工況環(huán)境條件下關(guān)于退化方面的體現(xiàn)。

f） 試驗(yàn)后檢查

壽命試驗(yàn)后， 應(yīng)拆解機(jī)構(gòu)的摩擦學(xué)部件， 部件的狀態(tài)按壽命試驗(yàn)成功準(zhǔn)則進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)論與建議

機(jī)構(gòu)的力矩／力裕度及壽命是機(jī)構(gòu)的核心要求， 決定著機(jī)構(gòu)的功能特性和任務(wù)實(shí)現(xiàn)。 隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展以及對(duì)航天系統(tǒng)任務(wù)和性能需求的不斷提升， 推動(dòng)著機(jī)構(gòu)技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，進(jìn)而使得長(zhǎng)期任務(wù)成為可能， 不過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)要進(jìn)行完全等效的壽命試驗(yàn)是不切實(shí)際的。 目前任務(wù)成功越來(lái)越依賴于知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的累積和使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)模擬系統(tǒng)載荷、 最壞工況、 性能和壽命等的能力， 掌握與設(shè)計(jì)及材料有關(guān)的潛在約束， 再與期望的工作條件相關(guān)聯(lián)， 這對(duì)于保證航天器機(jī)構(gòu)不再成為限制航天器壽命的短板是很關(guān)鍵的。

在標(biāo)準(zhǔn)化方面， 國(guó)外對(duì)機(jī)構(gòu)研制與應(yīng)用的最佳實(shí)踐進(jìn)行規(guī)范， 以期減少重復(fù)性的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，同時(shí)幫助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)者對(duì)特定項(xiàng)目的具體應(yīng)用能推導(dǎo)出設(shè)計(jì)要求以及選擇出最合適的設(shè)計(jì)途徑。 在國(guó)內(nèi)制定了標(biāo)準(zhǔn) 《航天器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證通用要求》， 該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)幾年應(yīng)用實(shí)踐， 已積累不少實(shí)施經(jīng)驗(yàn)， 如力矩／力裕度計(jì)算、 空間機(jī)械臂設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等， 建議進(jìn)行修訂完善， 同時(shí)充分借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)， 提升機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)水平。