吳永亮　張小達

（航天標準化研究所，北京，100071）

航天器試驗裝配級與試驗策略探討*

吳永亮張小達

（航天標準化研究所，北京，100071）

文摘：簡述航天器試驗裝配級的基本內(nèi)容以及基于裝配級的試驗策略，解析國外標準中對航天器裝配級和硬件類型的劃分，探討航天器裝配級、硬件分類與對應(yīng)試驗之間的關(guān)系和試驗策略。

航天器；試驗策略；裝配級；硬件類型。

航天器是一個極為復雜的系統(tǒng)，如果對整個系統(tǒng)進行試驗是不現(xiàn)實的，因為不僅在技術(shù)上存在很大的困難，而且在成本和計劃進度上也存在很大的風險。對于航天器這種復雜系統(tǒng)，主要采用基于裝配級的倒金字塔型分級試驗策略，即從組成系統(tǒng)的低裝配級就開始試驗，再逐步進行較高層次的裝配級試驗，最后進行系統(tǒng)的驗證。這種試驗策略的最大優(yōu)點是可以將問題在較低層次上盡早暴露，從而有效地降低成本和計劃進度上的風險。同時，這種試驗方法在技術(shù)和資源上也更容易實現(xiàn)。此外，航天器開展的這些試驗的類型又與其硬件類型相對應(yīng)。

1　基于裝配級的試驗策略

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

圖1　基于產(chǎn)品裝配級的試驗策略

通常，低裝配級的驗證不能完全代替高裝配級的驗證，但利用低裝配級的驗證結(jié)果可以有效地降低高裝配級的驗證過程在技術(shù)、成本和進度等方面的風險。

在許多情況下，高裝配級 （如系統(tǒng)級或分系統(tǒng)級）的試驗驗證受到試驗技術(shù)、資源和成本等諸多方面的限制，如試驗設(shè)備的尺寸限制、試驗代表性的限制、昂貴的試驗成本的限制等。因此，高裝配級借助于低裝配級的試驗結(jié)果，或者采用替代試驗的策略，可以使高裝配級的試驗過程避免這些試驗的困難。例如，對于非常大的航天器，試驗設(shè)備限制了在系統(tǒng)級進行聲試驗。在這種情況下，應(yīng)該在可行的最高裝配級下進行聲試驗。對于非常大的組件，當無法進行隨機振動試驗時，由聲試驗替代。

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

2　航天器 （飛行系統(tǒng)）裝配級的分類

美國國家航空航天局 （NASA）的戈達德飛行中心標準GEVS-STD-7000《環(huán)境驗證》中規(guī)定了裝配級分類及對應(yīng)的各類產(chǎn)品，見表1。

表1　飛行系統(tǒng)硬件裝配級

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

MIL-STD-1540C《運載器、上面級和航天器試驗要求》、NASA-HDBK-7005《動力學環(huán)境準則》以及我國GJB 1027A-2005《運載器、上面級和航天器試驗要求》對于不同航天器裝配級的定義如下。

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

b）部件：由兩個或多個零件組成，可以進行拆卸或零件替換。例如印制電路板或齒輪傳動鏈。

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看可視為一個完整及獨立的整體。例如液壓作動筒、閥門、蓄電池、電纜束和發(fā)射機。

d）分系統(tǒng)：兩個或多個功能相關(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)）。例如測試設(shè)備系統(tǒng)或推進系統(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)。例如運載火箭、航天器等。

從試驗的角度，可將航天器各裝配級主要劃分為三大層次：系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和組件級，各層次中又包括劃分更細的各裝配級航天器硬件。這也符合國內(nèi)外航天器試驗的相關(guān)標準。經(jīng)過統(tǒng)計，在國外各標準中，針對不同裝配級產(chǎn)品的試驗對象，試驗分為3個試驗類別，見表2。其中，組件級主要針對裝配級為部件、組件級別的產(chǎn)品；分系統(tǒng)級主要針對分系統(tǒng)裝配級產(chǎn)品；系統(tǒng)級主要針對飛行器級產(chǎn)品。

表2　國外標準對不同裝配級產(chǎn)品的試驗歸類

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）是指在研制試驗中或者接口設(shè)計中使用的最終設(shè)計硬件組裝的仿制件。這種仿制件可以具有實際功能，也可以不具有實際功能。原型硬件的試驗條件一般超過預示壽命期間最大極限條件。原型試驗使用的是原型硬件，這種硬件是專門的試驗件，不能用于飛行。

b）飛行硬件 （Flight Hardware）是指設(shè)計和試驗的硬件，經(jīng)過試驗后硬件也用于飛行。飛行試驗 （首飛試驗）使用的是飛行硬件，原型飛行試驗的飛行硬件 （即試驗件）完成試驗后，可成為飛行件，在飛行任務(wù)中使用。因此，除非項目負責人同意，否則禁止試驗破壞飛行硬件。

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

●首飛硬件 （Protoflight Hardware）——新設(shè)計的飛行硬件，以鑒定和驗收試驗項目為條件，其試驗件可以用于飛行。

●后續(xù)硬件 （Follow-on Hardware）——經(jīng)過原型硬件試驗 （對應(yīng)準鑒定試驗）或者首飛硬件試驗項目驗證過的飛行硬件，以飛行驗收試驗項目為試驗條件。

●備用件 （Spare Hardware）——經(jīng)過設(shè)計驗證的飛行硬件，以飛行驗收試驗項目為條件，一般用于替代無法飛行的飛行硬件。

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

4　基于硬件的試驗分類與策略

NASA對航天器試驗類型按用途分為：原型試驗和原型飛行試驗 （首飛試驗）。

4.1定義

NASA-STD-7001《有效載荷聲振試驗準則》中明確規(guī)定了原型試驗、原型飛行試驗的目的，并對試驗分類給出了定義。

a）原型試驗（鑒定試驗）是在專用的試驗件上完成的，其目的是驗證供預期飛行任務(wù)使用的硬件具有足夠的設(shè)計余量。試驗件的圖樣、材料、工具、制造方法、檢驗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 （鑒定試驗）的試驗件為原型硬件，此類試驗件不可上天飛行。

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

針對不同的硬件類型，航天器可進行原型試驗或原型飛行試驗。而根據(jù)不同的試驗目的，又分為鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗。此外，還有研制試驗、發(fā)射前的確認和在軌確認，本文暫不討論。鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗與上述原型試驗、原型飛行試驗的關(guān)系如圖2所示。

圖2　航天器試驗策略

●鑒定試驗目的是驗證產(chǎn)品的設(shè)計方案、工藝方案是否滿足要求并具有規(guī)定的鑒定余量，還要驗證用于產(chǎn)品驗收試驗的試驗方法、試驗程序、試驗設(shè)備、試驗軟件、測試儀器的可行性和正確性。

●驗收試驗目的是通過對產(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。對每一件飛行產(chǎn)品進行驗收試驗，證明產(chǎn)品的性能和質(zhì)量符合飛行要求。

●準鑒定試驗是組合了鑒定試驗和驗收試驗目的而進行的試驗。在一定條件下經(jīng)過準鑒定試驗的產(chǎn)品仍然可以執(zhí)行飛行任務(wù)，此時鑒定與驗收試驗合二為一，且試驗條件低于鑒定級。ECSS-E-ST-10-03C規(guī)定準鑒定試驗是在第一個飛行模型上進行，驗證空間段飛行器 （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其可以交付和后續(xù)使用，且無工藝缺陷和材料缺陷。如果需要進行破壞性試驗 （例如爆破試驗），應(yīng)使用有代表性模型硬件代替原型飛行硬件進行試驗。

進行準鑒定試驗的試驗件只有1件，既要進行試驗又要上天飛行。而經(jīng)過鑒定試驗的試驗件不可以上天，但經(jīng)過驗收試驗的試驗件可上天飛行。

4.2航天器試驗策略

航天器硬件種類與對應(yīng)的試驗關(guān)系如圖2所示。

航天器研制過程是從系統(tǒng)工程的角度考慮，按照裝配級從頂層向底層逐步分解，而航天器試驗主要是采用基于裝配級的試驗策略，將航天器從底層向頂層逐步進行試驗驗證。當進行航天器試驗時，根據(jù)產(chǎn)品的裝配級別分類，形成了3個層次的試驗，分別是組件級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級試驗。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），對應(yīng)的開展鑒定試驗、驗收試驗和準鑒定試驗。理清航天器裝配級、硬件分類以及對應(yīng)試驗之間的關(guān)系是研究航天器試驗策略前提和基礎(chǔ)。

吳永亮（1987年—）男，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事航天總體、航天試驗技術(shù)標準化工作。

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

*本文源于基金項目：質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助 （編號：201510207《航天等高端裝備技術(shù)17項國際標準研制》）。