楊曉寧

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2.可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室：北京 100094）

0 引言

航天器環(huán)境工程是航天器系統(tǒng)工程的重要組成部分，是空間環(huán)境科學(xué)與航天器工程技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它貫穿于航天器論證、研制、試驗、發(fā)射、在軌運行、返回直至壽命終結(jié)的全過程。其中，航天器環(huán)境指航天器在制造、發(fā)射、運行和返回過程中所經(jīng)歷的環(huán)境，包括氣壓、溫度、濕度、輻射、振動、噪聲等因素[1]。航天器環(huán)境工程的研究內(nèi)容包括環(huán)境對航天器的影響及其作用機理、環(huán)境模擬方法與技術(shù)、環(huán)境試驗的方法和理論、環(huán)境的利用與防護等。

航天器環(huán)境工程在航天器研制中有著極其重要的作用。根據(jù)美國蘭德公司公布的不同軌道航天器10 年故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，已知原因的故障中與空間環(huán)境相關(guān)的故障占比為81.71%[2-3]。由于環(huán)境工程的重要性，在NASA 型號任務(wù)成本管理組織結(jié)構(gòu)圖中，環(huán)境測試被包含在最頂層的11 個模塊之中[4]。一項基于NASA 和美國國防部小衛(wèi)星（質(zhì)量小于1000 kg）任務(wù)的成本分析顯示，環(huán)境試驗測試和總裝費用占總研制成本的12%左右[5]。

中國航天的發(fā)展歷程中，探月工程、載人航天、火星探測等任務(wù)對航天器環(huán)境工程提出了挑戰(zhàn)，也為其發(fā)展提供了難得的機遇。目前，各主要航天大國都制定了新的發(fā)展規(guī)劃：美國提出重返月球計劃以及載人登火[6]，中國提出2030 年前后建成國際月球科研站基本型以及實現(xiàn)載人登月[7]，歐洲也制定了針對巨行星衛(wèi)星、早期宇宙等展開探索的“Voyage 2050”太空規(guī)劃[8]。

面向未來，本文圍繞空間站長期運行、深空探測新任務(wù)、低軌（LEO）巨型星座建設(shè)等對航天器環(huán)境工程帶來的挑戰(zhàn)與機遇，結(jié)合具體工作介紹北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所（BISEE）在LEO 輻射環(huán)境在軌探測與數(shù)據(jù)應(yīng)用、特殊空間環(huán)境效應(yīng)與防護、深空探測極端環(huán)境試驗技術(shù)和航天器產(chǎn)品環(huán)境試驗ISO 標準制定等方面取得的最新進展，旨在為航天器環(huán)境工程的發(fā)展帶來啟發(fā)，進一步研究先進的環(huán)境試驗技術(shù)與方法，更好地服務(wù)于航天強國建設(shè)。

1 中國航天器環(huán)境工程發(fā)展歷程

1.1 中國航天器工程發(fā)展概覽

1957 年10 月4 日，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射，拉開了航天時代的序幕。1958 年5 月17 日，在中國共產(chǎn)黨第八次全國代表大會第二次會議上，毛澤東主席發(fā)出“我們也要搞人造衛(wèi)星”的號召。1964 年，在導(dǎo)彈和原子彈相繼研制成功后，衛(wèi)星研制被再次提上國家日程。1965 年7 月，《關(guān)于發(fā)展我國人造衛(wèi)星工作規(guī)劃方案建議》獲得中共中央批復(fù)。1970 年4 月24 日，“東方紅一號”衛(wèi)星發(fā)射成功[9]，中國成為世界上第5 個獨立研制和發(fā)射衛(wèi)星的國家，開創(chuàng)了中國航天第一個里程碑。

2003 年10 月，“神舟五號”載人航天任務(wù)圓滿成功，中國成為世界上第3 個獨立掌握載人航天技術(shù)的國家，實現(xiàn)了中華民族千年的飛天夢想，樹立了中國航天第2 個里程碑。2007 年10 月，“嫦娥一號”衛(wèi)星首次繞月探測成功，獲取了月球表面三維立體影像；2010 年10 月1 日，“嫦娥一號”的備份星“嫦娥二號”作為落月探測技術(shù)的先導(dǎo)星發(fā)射；2013 年12 月2 日，“嫦娥三號”成功登陸月球，使中國成為世界上第3 個實現(xiàn)月面軟著陸的國家；隨后的“嫦娥四號”實現(xiàn)人類探測器首次月球背面軟著陸；2020 年11 月24 日，“嫦娥五號”開啟中國地外天體采樣返回之旅。以“繞”“落”“回”為標志的探月工程是中國航天的第3 個里程碑性工程[10]。2020 年7 月，我國自行研制的“北斗三號”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，系全球第3 個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2021 年5 月，“天問一號”火星探測器實現(xiàn)火星軟著陸[11]，中國成為第2 個成功登陸火星的國家；2021 年10 月14 日，中國首顆太陽探測科學(xué)技術(shù)試驗衛(wèi)星“羲和號”發(fā)射升空，取得了一系列原創(chuàng)性科研成果。2023 年年底，中國空間站全面建成，中國國家太空實驗室正式運行。

1.2 中國航天器環(huán)境工程發(fā)展歷程

伴隨著航天器工程的系統(tǒng)提升，航天器環(huán)境工程獲得長足發(fā)展，建設(shè)了大批國際一流的航天器環(huán)境模擬試驗設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施，獲得了很強的航天器環(huán)境工程試驗驗證能力，在提高航天器可靠性、延長航天器工作壽命等方面做出了重大貢獻。我國航天器環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展經(jīng)過了4 個重要階段。

第一階段：20 世紀50～60 年代，環(huán)境試驗主要是借鑒國外航天器試驗技術(shù)，基本上是仿照蘇聯(lián)的相關(guān)技術(shù)進行試驗[12-13]。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所環(huán)境試驗項目以力學(xué)環(huán)境試驗為主，并初步開展了小型熱真空試驗（圖1）。

圖1 中國第一階段航天器環(huán)境試驗技術(shù)示例（圖中衛(wèi)星為“東方紅一號”）Fig.1 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase I (DFH-1 satellite in the pictures)

第二階段：20 世紀70～80 年代，型號任務(wù)的迫切需求極大地推動了航天器環(huán)境試驗技術(shù)向大型化、多功能化、精細化方向發(fā)展。這是航天器環(huán)境試驗技術(shù)蓬勃發(fā)展的時期。在此期間，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主研制了一系列環(huán)境試驗設(shè)備，以大型動力學(xué)環(huán)境試驗設(shè)備和真空熱環(huán)境模擬試驗設(shè)備為代表的環(huán)境試驗設(shè)備得到重點發(fā)展和應(yīng)用[14]（圖2）。

圖2 中國第二階段航天器環(huán)境試驗技術(shù)示例Fig.2 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase II

第三階段：20 世紀90 年代至2012 年，與歐美國家的交流推動了專項航天試驗技術(shù)的引進和吸收[15]。與此同時，月球探測、載人航天等一系列國家重大科技專項工程的實施，極大地帶動了航天器環(huán)境試驗技術(shù)發(fā)展。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所自主設(shè)計建造了以KM6[16]為代表、具有國際先進水平的大型環(huán)境試驗系統(tǒng)（圖3）并廣泛應(yīng)用，初步形成了較完備的航天器試驗裝備和技術(shù)體系。

圖3 中國第三階段航天器環(huán)境試驗技術(shù)示例Fig.3 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase III

第四階段：2012 年至今，伴隨“嫦娥三/四/五號”、“天問一號”等深空探測器研制和空間站建設(shè)任務(wù)的推進，在航天器環(huán)境試驗方面，中國陸續(xù)取得了一系列突破[17]，部分技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平，保證了重要航天任務(wù)的順利實施（圖4）。另一方面，面向傳統(tǒng)航天器產(chǎn)品的環(huán)境試驗技術(shù)和標準體系逐漸完善，并開始向標準國際化、實施批量化、控制智能化的方向發(fā)展。

圖4 中國第四階段航天器環(huán)境試驗技術(shù)示例Fig.4 Examples of spacecraft environmental testing technology in China, phase IV

2 新時期航天器環(huán)境工程面臨的挑戰(zhàn)與機遇

2.1 中國空間站長期運行帶來的挑戰(zhàn)與機遇

2.1.1 中國空間站長期運行面臨的空間環(huán)境挑戰(zhàn)

空間站面臨著復(fù)雜的空間環(huán)境，主要包括在軌真空熱環(huán)境、地磁場環(huán)境、粒子輻射環(huán)境、等離子體、大氣阻尼、原子氧、微流星體和空間碎片等，其中空間碎片是對包括中國空間站在內(nèi)的航天器影響最為惡劣、防護措施最為復(fù)雜的環(huán)境因素之一。

空間碎片是指地球軌道上的或重返大氣層的無功能的人造物體，包括其殘塊和組件[18]。1 cm以下的碎片可造成空間站艙壁功能下降或失效，1～10 cm 的碎片可造成嚴重損毀，10 cm 以上可造成解體、爆炸。其中，1～10 cm 尺寸碎片由于難以探測和防護，對空間站構(gòu)成撞擊風(fēng)險，空間站外部載荷設(shè)備也面臨因小尺寸碎片撞擊導(dǎo)致失效或性能退化的難題。

2021 年7 月1 日和10 月21 日，中國空間站通過機動規(guī)避了2 次“星鏈”衛(wèi)星的危險接近[19]。2021 年5 月12 日，國際空間站機械臂遭遇撞擊[20]。詹姆斯·韋布太空望遠鏡（JWST）從發(fā)射入軌至2022 年5 月25 日的4 個月期間共遭受6 次微流星體 撞 擊[21]。2022 年12 月15 日 和2023 年2 月11 日，?？吭趪H空間站的“聯(lián)盟MS-22”載人飛船和“進步MS-21”貨運飛船分別遭遇微流星體撞擊（圖5[22]）。

圖5 國際空間站空間碎片撞擊案例展示[22]Fig.5 Illustration of space debris impact cases for International Space Station[22]

2.1.2 中國空間站長期運行為空間環(huán)境試驗帶來的機遇

在開展空間環(huán)境試驗方面，空間站具有其他航天器無可比擬的優(yōu)勢。2022 年11 月，中國空間站全面建成，轉(zhuǎn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，成為國家太空實驗室，適于開展多領(lǐng)域科學(xué)研究與技術(shù)試驗[23]。

中國空間站擁有強大的艙內(nèi)外支持能力（圖6），為空間環(huán)境研究帶來了新機遇。艙內(nèi)機柜高度1760 mm，寬度1050 mm，具備結(jié)構(gòu)機構(gòu)、配電管理、信息管理、熱控和真空排氣等5 大基本功能，以及公用支持擴展功能。載荷單元通過標準“抽屜”的形式安裝在機柜中，并能根據(jù)載荷需要，以最小的I 型載荷單元為基礎(chǔ)，適應(yīng)多型規(guī)格的載荷單元以不同形式組合安裝，靈活多變[24]。在空間站上，航天員可參與在軌照料，確保試驗狀態(tài)可控；通過天地互動，地面的試驗專家還可主動參與試驗；可開展長期在軌試驗，具備在軌升級擴展能力。另外，試驗樣品可返回，支持地面分析和應(yīng)用?？臻g站艙外布設(shè)標準暴露載荷接口，預(yù)留擴展平臺接口和載荷掛點接口，支持各類艙外試驗項目的滾動實施。例如：“問天”實驗艙在艙外暴露平臺部署了能量粒子探測器和等離子體原位成像探測器，用于獲取空間質(zhì)子、電子、中子、重離子和等離子體等環(huán)境要素數(shù)據(jù)，進行空間環(huán)境基礎(chǔ)研究。

圖6 中國空間站艙內(nèi)外試驗支持能力Fig.6 China’s Space Station's test supporting capabilities inside and outside modules

2.2 深空探測任務(wù)帶來的挑戰(zhàn)與機遇

每一次里程碑式航天任務(wù)的實施都會帶來航天器環(huán)境工程技術(shù)的巨大進步。例如， “阿波羅”登月計劃、JWST 等極大促進了航天器環(huán)境工程技術(shù)的全面發(fā)展。

美國“阿波羅”登月計劃的成功實施引領(lǐng)了航天器試驗體系的成熟發(fā)展[25]。美國的航天器環(huán)境試驗理念和模式在經(jīng)歷3 次重大變革后，才得以確定最優(yōu)的航天器硬件設(shè)計和考核試驗方法，并于1974 年連續(xù)發(fā)布了美軍標MIL-STD-1540/1540A/1540B[26]，最終形成了“鑒定+驗收”試驗?zāi)Ｊ絒27-29]。新一輪月球探測正在興起，世界主要航天國家紛紛提出未來實施載人登月的計劃，包括美國的重返月球計劃[6]，俄羅斯的載人登月計劃[30]，ESA 的曙光計劃[31]。月面環(huán)境模擬與防護是所有載人登月計劃面臨的共同難題，NASA 將月塵沉積問題和防護措施列為其重返月球工程前期準備工作的最重要環(huán)節(jié)之一[32]。月表特殊環(huán)境使得月塵具有獨特的形貌（尖銳棱角和鋸齒狀表面）、起塵和分布（靜電吸附，低重力漂浮、遷移和沉降）特征，給航天服、光學(xué)表面及活動組件的月塵防護帶來極大挑戰(zhàn)（圖7[33]）。基于此背景，各國紛紛開展了月塵的物理特征及月面環(huán)境下月塵粒子與物體表面的作用力及效應(yīng)研究，例如月塵對登月服的附著磨損、月塵材料磨損試驗、登月服防塵除塵技術(shù)等。

圖7 載人登月計劃面臨的月塵與防護問題[33]Fig.7 Lunar dust and its protection issues for manned lunar landing programs[33]

作為另一項里程碑式航天任務(wù)的JWST 在其25 年研制過程中突破并完成了一系列高難度復(fù)雜空間環(huán)境試驗，實現(xiàn)了探測器技術(shù)和試驗技術(shù)的巨大突破。相對于LEO 空間望遠鏡，運行于日地L2點的JWST 完全不具備后期維護可能性，必須通過試驗篩出所有潛在缺陷。相對于一般航天器試驗，JWST 的超低溫真空熱試驗有諸多特殊之處：時間長（超100 天）、成本高（超100 萬美元/天）、試驗狀態(tài)多變（包括ISIM、OTIS 等多個模塊分別開展試驗）、試驗測試復(fù)雜（結(jié)構(gòu)形變測量、光學(xué)系統(tǒng)波前誤差測量等）、環(huán)境嚴酷（系統(tǒng)長期工作于40 K 低溫下、溫度穩(wěn)定性要求高（±20 mK/h）等[34-38]。由于望遠鏡尺寸巨大，各個模塊分別在不同容器內(nèi)進行了多次試驗，其中OTIS 在NASA 約翰遜空間中心的Chamber A 中進行了熱平衡、超低溫定標試驗，ISIM在NASA Goddard 空間飛行中心的容器內(nèi)進行了熱平衡、熱真空、熱變形試驗（圖8[37]）。

圖8 詹姆斯·韋布太空望遠鏡超低溫真空熱試驗[37]Fig.8 Ultra-LT vacuum thermal testing for JWST[37]

2.3 LEO 巨型星座建設(shè)帶來的挑戰(zhàn)與機遇

國外第二代銥星系統(tǒng)（Iridium-NEXT）、一網(wǎng)系統(tǒng)（OneWeb）、星鏈系統(tǒng)（Starlink）等LEO 衛(wèi)星星座建設(shè)正在引發(fā)一場革命，對傳統(tǒng)衛(wèi)星研制模式提出了挑戰(zhàn)。這些星座衛(wèi)星幾乎全部部署在LEO，同樣技術(shù)狀態(tài)的衛(wèi)星數(shù)量眾多，且衛(wèi)星總數(shù)巨大。在低成本前提下高質(zhì)量建設(shè)并保證星座任務(wù)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業(yè)貨架（COTS）產(chǎn)品——包括器件、部組件、軟件等——是在LEO 巨型星座建設(shè)之初必須解決的問題。LEO 的空間輻射相對較低，但在軌長壽命要求使得空間輻射成為限制衛(wèi)星上COTS 器件使用的關(guān)鍵因素。ESA 對使用COTS 器件的意見為“抗輻射是唯一無法節(jié)約成本且需要更多投入的項目”[39]。 COTS 器件對空間熱環(huán)境、電離輻射總劑量效應(yīng)（TID）和單粒子效應(yīng)（SEE）等環(huán)境和效應(yīng)的耐受能力評價、防護設(shè)計和驗證成為LEO 衛(wèi)星最需要解決的問題。切實降低大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)星座衛(wèi)星在軌故障風(fēng)險，探索批試驗、差異化試驗和低成本試驗技術(shù)，對傳統(tǒng)的高可靠、高成本和大裕度驗證試驗?zāi)Ｊ竭M行大膽革新，為航天器環(huán)境試驗帶來了的挑戰(zhàn)與機遇。

2.4 空間對抗帶來的挑戰(zhàn)與機遇

隨著天基定向能武器的技術(shù)發(fā)展，航天器不僅要面對空間自然環(huán)境，還需要面對人為威脅環(huán)境（圖9），包括空間激光武器、高能粒子束、空間電磁攻擊（高功率微波武器、高空核爆形成的核電磁脈沖和作用到衛(wèi)星的高功率電磁脈沖）等。2019 年12月20 日，時任美國總統(tǒng)特朗普簽署《2020 財年國防授權(quán)法案》，正式授權(quán)建立美國第六支武裝部隊——天軍，原美國空軍太空司令部（AFSPC）更名為美國天軍部隊；2021 年6 月，美國天軍部隊司令雷蒙德首次公開表示，美國正在開發(fā)天基定向能武器系統(tǒng)以維持自身的太空優(yōu)勢[40]。國外航天強國積極發(fā)展天基定向能武器，使得在軌航天器受到新的現(xiàn)實威脅，這給航天器在軌定向能防護提出了新挑戰(zhàn)，同時也為定向能相關(guān)效應(yīng)機理及防護技術(shù)革新帶來了新機遇，促進地面環(huán)境模擬試驗、防護與驗證以及各類產(chǎn)品效應(yīng)的相關(guān)研究。

圖9 太空人工威脅示意圖Fig.9 Schematic of contrived threats in space

3 航天器環(huán)境工程技術(shù)最新進展

新時期，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所深刻把握專業(yè)發(fā)展的迫切需求，以服務(wù)深空探測工程任務(wù)和航天強國建設(shè)為出發(fā)點，著力打通空間環(huán)境數(shù)據(jù)自主獲取、綜合環(huán)境效應(yīng)基礎(chǔ)研究、復(fù)雜環(huán)境試驗設(shè)備研制等環(huán)節(jié)，同時增強在航天器產(chǎn)品環(huán)境試驗國際標準制定上的話語權(quán)，推進科技創(chuàng)新和高質(zhì)量發(fā)展。

3.1 LEO 高能質(zhì)子輻射環(huán)境在軌探測與數(shù)據(jù)應(yīng)用

高能質(zhì)子可以產(chǎn)生輻射總劑量、位移效應(yīng)以及單粒子效應(yīng)等多種危害，近年來LEO 低成本衛(wèi)星星座越來越多地的傾向采用低等級、高性價比COTS 器件，其空間輻射環(huán)境防護設(shè)計需要更精準的高能質(zhì)子環(huán)境數(shù)據(jù)，以防過大輻射設(shè)計余量（RDM）帶來的成本提高。此外，尚存在未被衛(wèi)星覆蓋的LEO 區(qū)域，在此區(qū)域開展高能質(zhì)子輻射環(huán)境探測可為輻射環(huán)境模型構(gòu)建補充數(shù)據(jù)。LEO 乃日地空間環(huán)境傳播鏈條的末端，其上高能質(zhì)子輻射環(huán)境探測數(shù)據(jù)還可以用于日地空間環(huán)境全圈層研究。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制了用于進行空間電離輻射總劑量和高能質(zhì)子能譜探測的空間環(huán)境探測儀，于2022 年5 月搭載某LEO 衛(wèi)星成功發(fā)射，獲取了高質(zhì)量的探測數(shù)據(jù)，包括某軌道高度累計8 個月的高能質(zhì)子和電離總劑量實測數(shù)據(jù)（圖10），還基于實測數(shù)據(jù)開展了全球范圍粒子輻射環(huán)境時空分布分析和LEO 高能質(zhì)子輻射環(huán)境模型研究。

圖10 空間環(huán)境探測儀某低地球軌道每日輻射劑量分布探測結(jié)果Fig.10 Daily distributions of LEO radiation dose detected by an in-orbit space environment monitor

3.2 星上產(chǎn)品空間強電磁綜合環(huán)境效應(yīng)與防護

NASA Glenn 中心的衛(wèi)星熱、真空、電磁混響耦合試驗系統(tǒng)[41]主要驗證飛行器的抗強電磁干擾與防護性能。該系統(tǒng)能在50 MHz～40 GHz 范圍內(nèi)生成超過200 V/m 的強電磁場環(huán)境，為“獵戶座”飛行器系統(tǒng)、星外單機的防護試驗驗證提供支撐。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所針對空間自然誘導(dǎo)強電磁干擾導(dǎo)致的衛(wèi)星在軌異常研究需求，基于系統(tǒng)防護思想，從衛(wèi)星空間自然強電磁干擾源抑制和耦合途徑阻斷兩方面出發(fā)，開展了空間自然強電磁干擾環(huán)境溯源及建模、空間自然強電磁干擾傳播路徑阻斷技術(shù)、基于共形屏蔽的系統(tǒng)級法拉第籠設(shè)計與驗證等研究工作，大幅降低了空間自然誘導(dǎo)強電磁場環(huán)境導(dǎo)致的在軌異常。在空間高功率微波效應(yīng)研究方面，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所首次發(fā)現(xiàn)，星表熱控多層隔熱組件在真空疊加強電磁場環(huán)境下發(fā)生了有別于大氣強電磁場環(huán)境下的毀傷效應(yīng)，并就此厘清了多層隔熱組件毀傷效應(yīng)機理[42-43]。相關(guān)研究成果已經(jīng)部分應(yīng)用到我國航天器研制中，為航天器在軌穩(wěn)定運行提供了良好的支撐。

3.3 深空探測任務(wù)復(fù)雜環(huán)境試驗

“天問一號”火星探測任務(wù)一次性實現(xiàn)“繞、著、巡”的工程目標，在全任務(wù)剖面中存在顯著區(qū)別于以往航天器任務(wù)的力、熱環(huán)境，從而對在地面開展探測器的火星表面特殊力、熱環(huán)境適應(yīng)性試驗提出了很高的要求?；鹦潜砻嫦鄬τ诘卦驴臻g最大的熱環(huán)境特點在于存在低溫（-100～20 ℃）、稀?。?000 Pa 左右）、對流（最大風(fēng)速15 m/s）的CO2氣體環(huán)境，這使得探測器的熱環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和驗證面臨嚴酷考驗。 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所突破了低溫低壓高品質(zhì)連續(xù)風(fēng)場構(gòu)建、弱信號高精度風(fēng)速測量與標定、大空間稀薄氣體高精度溫度控制等關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計建造了基于“KM3E 空間環(huán)境模擬器+環(huán)狀回流式風(fēng)道”的火星表面低溫、低氣壓、強對流綜合熱環(huán)境模擬系統(tǒng)（圖11）[44]，并于2018 年4 月完成了我國首個火星車有風(fēng)熱平衡試驗。試驗?zāi)M環(huán)境的壓力為1400 Pa，最低溫度為-86 ℃，風(fēng)速為0～15 m/s，風(fēng)向角為-90°～90°，氣體成分為CO2。該試驗為全面驗證火星車熱控系統(tǒng)的功能和性能提供了重要支撐。

圖11 火星表面低溫、低氣壓、強對流綜合熱環(huán)境模擬系統(tǒng)Fig.11 Integrated thermal environmental simulation system for low temperature, low pressure, and strong convection on the surface of Mars

金星表面環(huán)境十分復(fù)雜，表面溫度和壓力最高可達480 ℃、92 atm，氣體環(huán)境由96% CO2、3% N2及其他多種弱酸性微量氣體構(gòu)成[45]。金星軌道的太陽常數(shù)是地球軌道的近2 倍，無論軌道環(huán)繞探測器還是著陸探測器都需要進行高太陽常數(shù)真空熱試驗。金星表面復(fù)雜環(huán)境效應(yīng)導(dǎo)致的航天器結(jié)構(gòu)或元器件受損是金星探測任務(wù)失敗的主要原因。為保障金星探測任務(wù)的成功，滿足金星探測器研制的試驗需求，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所完成了金星表面大氣環(huán)境模擬系統(tǒng)（圖12）的設(shè)計與建造。該設(shè)備可以在1180 L 容積內(nèi)模擬500 ℃、92 atm、8 種氣體的高溫高壓多組分氣體復(fù)合環(huán)境，是國際上最大的金星表面大氣環(huán)境模擬設(shè)備，也是國內(nèi)唯一可提供金星表面環(huán)境及同類環(huán)境模擬的試驗平臺[46]。

圖12 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的金星表面大氣環(huán)境模擬系統(tǒng)Fig.12 Environmental simulation system in BISEE for simulating Venus surface atmosphere

3.4 航天器產(chǎn)品環(huán)境試驗標準的國際化

標準是世界通用的語言，是行業(yè)生存、發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。我國航天器產(chǎn)品環(huán)境試驗標準在發(fā)展初期基本上是采用蘇聯(lián)的試驗技術(shù)規(guī)范，后來大量參照美歐標準，20 世紀90 年代以后開始自主制定一系列國軍標、國標等頂層環(huán)境試驗標準，近10 年全面開啟走向國際、引領(lǐng)環(huán)境試驗技術(shù)標準發(fā)展之路。

2012 年北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所啟動ISO 項目專項策劃和培育工作。2014 年初ISO 19924《空間系統(tǒng)—聲試驗》標準順利通過提案階段投票，2017 年9 月正式發(fā)布。該標準是中國空間技術(shù)研究院主導(dǎo)制定的首個技術(shù)類ISO 標準，也為后續(xù)制定其他ISO 標準積累了成功的經(jīng)驗。目前，北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所針對力、熱、磁環(huán)境試驗等核心環(huán)境試驗業(yè)務(wù)，累計編制并已獲準發(fā)布了5 項ISO標準，見表1。

表1 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所編制的5 項ISO 標準Table 1 The five ISO standards compiled by BISEE

4 總結(jié)與展望

本文綜述了中國航天器環(huán)境工程的發(fā)展歷程，分析了中國空間站長期運行所面臨的復(fù)雜綜合環(huán)境威脅以及未來可發(fā)揮的空間環(huán)境在軌試驗平臺作用，重點介紹了以詹姆斯·韋布太空望遠鏡為代表的深空探測任務(wù)的極端環(huán)境試驗以及LEO 巨型星座建設(shè)提出的批量化、低成本試驗技術(shù)的新需求。本文還結(jié)合具體工作內(nèi)容，闡述了北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所在LEO 高能質(zhì)子輻射環(huán)境在軌探測與數(shù)據(jù)應(yīng)用、特殊空間環(huán)境效應(yīng)與防護、火星金星特殊力熱環(huán)境試驗技術(shù)和航天器產(chǎn)品環(huán)境試驗ISO標準編制等方面取得的最新進展。

中國航天器環(huán)境工程經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，已從跟跑逐漸發(fā)展到并跑，在部分環(huán)境試驗設(shè)備能力和試驗技術(shù)方面已實現(xiàn)了領(lǐng)跑。已建立的航天器環(huán)境試驗設(shè)備、技術(shù)和標準體系為中國航天器技術(shù)的跨越式發(fā)展提供了重要支撐。新時期航天器環(huán)境工程面臨的挑戰(zhàn)與機遇并存，本文從研究先進環(huán)境試驗技術(shù)方法、拓展空間環(huán)境新領(lǐng)域、豐富環(huán)境工程新內(nèi)涵等維度，探討了空間環(huán)境工程未來發(fā)展方向，可為航天器環(huán)境工程領(lǐng)域的研究人員提供有益參考。