劉棟梁 泉浩芳 周玉霞 王維嘉 李國強

（1 中國航天標準化研究所， 北京， 100071；2 北京跟蹤與通信技術研究所， 北京， 100028）

1 概述

環(huán)境是裝備在任何時間或地點所存在的或遇到的自然和誘發(fā)的環(huán)境因素的綜合， 環(huán)境對航天系統產生的環(huán)境效應可在材料、 元器件、 組件、分系統、 系統的各種裝配級別上表現出來。 環(huán)境適應性指的是裝備 （產品） 在其壽命期內可能遇到的各種環(huán)境的作用下能實現其所有預定功能、性能和 （或） 不被破壞的能力， 是裝備 （產品）的重要質量特性之一。 而環(huán)境適應性試驗是將裝備 （產品） 暴露于特定的環(huán)境中， 確定環(huán)境對其影響的過程。

環(huán)境適應性試驗包括自然環(huán)境試驗、 實驗室環(huán)境試驗和使用環(huán)境試驗， 如圖1 所示。 其中自然環(huán)境試驗指的是將裝備 （產品） 長期暴露于自然環(huán)境中， 確定自然環(huán)境對其影響的試驗； 實驗室環(huán)境試驗是在實驗室內按規(guī)定的環(huán)境條件和負載條件進行的試驗， 按其目的可分為環(huán)境適應性研制試驗、 環(huán)境鑒定試驗、 環(huán)境驗收試驗和環(huán)境例行試驗； 使用環(huán)境試驗指的是在規(guī)定的實際使用環(huán)境條件下考核評定裝備 （產品） 環(huán)境適應性水平的試驗。

圖1 環(huán)境適應性試驗組成

環(huán)境鑒定試驗是為考核裝備 （產品） 的環(huán)境適應性是否滿足要求， 在規(guī)定的條件下， 對規(guī)定的環(huán)境項目按一定的順序進行的一系列試驗， 是裝備 （產品） 定型 （鑒定） 試驗的組成部分， 試驗結果作為產品定型的依據之一。 航天系統試驗鑒定及作戰(zhàn)試驗是環(huán)境試驗性試驗重要的組成部分， 具有試驗子樣極少、 試驗成本高昂、 試驗環(huán)境限制性強等特點， 這對航天系統鑒定策略和方法的構建提出了極大挑戰(zhàn)。

當前， 國內外航天系統環(huán)境適應性試驗已經逐漸形成了一整套的試驗原理、 試驗程序、 試驗方法。 美國、 歐洲和我國各種環(huán)境適應性試驗標準的相繼出臺， 體現了航天系統環(huán)境適應性試驗規(guī)范化的必然趨勢。

2 航天系統環(huán)境適應性試驗標準制定的重要性

2.1 航天系統基本屬于 “一次性產品”， 上天后無法維修

航天系統的研制和使用耗資巨大， 一般都以千萬元計， 有的甚至高達數億、 數十億元。 不同于地面裝備具有良好的維修便利條件， 航天系統采辦基本屬于 “一錘子買賣”， 一旦發(fā)射上天就幾乎不可維修。 而且航天系統是由多個系統、 上萬個零件組成的極為復雜的產品， 其中一個零件的故障會造成整個航天系統的失效。

因此， 為避免航天裝備上天后發(fā)生在軌故障， 從而造成巨大損失或任務失敗， 需要進行充分的環(huán)境適應性設計和驗證， 以保障在軌任務的成功。 此外， 盡可能在早期發(fā)現故障還可節(jié)約大量的項目壽命期成本， 如圖2 所示。

圖2 發(fā)現故障的階段與修復成本的對比

2.2 環(huán)境對航天系統的影響巨大， 認知和適應環(huán)境是發(fā)揮裝備效能的關鍵性因素

地球軌道空間是航天系統長期運行和服役的主要環(huán)境， 也是發(fā)揮作戰(zhàn)效能的主戰(zhàn)場。 地球空間的引力場、 磁場、 大氣分子、 原子氧、 電離層和其他區(qū)域的等離子體、 輻射帶及各種高能粒子等， 都是影響航天系統運行和安全工作的重要環(huán)境因素。 各種環(huán)境因素以不同的機理對航天系統和航天活動產生不同類型的影響， 一些嚴酷的環(huán)境甚至造成材料或器件的損壞， 威脅著航天裝備的正常工作。

了解航天系統工作環(huán)境， 掌握環(huán)境對航天系統和航天活動的影響， 是進行航天裝備研制的基礎。 進行航天系統環(huán)境適應性試驗是航天系統能夠正常運行服役和航天活動能夠順利進行的重要前提。

2.3 航天系統的研制與作戰(zhàn)應用， 需要更加匹配、 完善的航天系統環(huán)境適應性試驗標準， 為我國航天裝備的研制工作提供必要的技術支撐

信息化社會的發(fā)展速度在不斷加速， 軍事變革和航天系統環(huán)境的變化也在加速。 結合裝備環(huán)境適應性最新要求以及最新工程實踐， 嚴格設計并制定最接近真實環(huán)境、 更加精確的、 更具有針對性的航天系統環(huán)境適應性試驗， 以及評價裝備作戰(zhàn)效能的關鍵， 必須依賴于更加匹配、 完善的航天系統環(huán)境適應性試驗標準體系。

3 國外航天系統環(huán)境適應性試驗標準

為提高作戰(zhàn)能力、 支撐一體化聯合作戰(zhàn)， 國際上各國都充分認識到了航天系統環(huán)境適應性試驗的極端重要性。 國際與各國的標準化組織開展了大量的航天系統環(huán)境適應性試驗研究和標準體系制定工作， 發(fā)布了一系列相關標準。

目前國內外均非常重視航天系統環(huán)境適應性試驗相關標準及體系建設。 國際標準化組織 （International Organization for Standardization， ISO）正在持續(xù)加強航天系統相關的環(huán)境適應性試驗標準體系建設。 美國也從國家航空航天局 （National Aeronautics and Space Administration， NASA) 的相關規(guī)范、 美國材料與試驗協會 （American Society for Testing Materials， ASTM） 系列標準以及美 國 軍 用 規(guī) 范 （ Military specification （ USA） ，MIL） 的軍標建設來提升其航天系統的研制能力。歐洲通過歐洲航天標準化合作組織 （European Cooperation for Space Standardization， ECSS） 來系統完善航天系統的環(huán)境適應性試驗標準體系，用來支持和支撐航天系統的研制。

3.1 試驗鑒定標準

3.1.1 美軍的試驗鑒定標準

美軍航天裝備設計與驗證標準規(guī)范體系主要包含系統級、 組件級和零部件級等3 個層次的頂層標準規(guī)范， 共19 項。 包括美國軍用標準、 國防部標準、 AIAA 標準、 SMC 標準、 Aerospace 公司為SMC 開發(fā)的技術文件等， 這些標準重點支撐開展了美國軍用航天系統 （空間段） 研制過程試驗的頂層要求制定。

美軍航天系統作戰(zhàn)試驗是在作戰(zhàn)環(huán)境下對航天系統支撐和支援能力的考核， 考核指標多指與大系統和與其他系統間的接口能力。 當前未查到有美國軍用航天系統作戰(zhàn)試驗鑒定的標準， 但有作戰(zhàn)指標設定與要求傳遞相關的指令指示和手冊、 指南。 如美空軍 《作戰(zhàn)適用性試驗與鑒定指南》[1]； 另外， 美軍近年針對航天系統開發(fā)了“Test Like You Fly （TLYF）” 的試驗鑒定策略并逐步推進應用于航天系統作戰(zhàn)試驗鑒定， 也形成了一些指導性的文件， 但尚未固化形成法規(guī)或標準[2]。

3.1.2 其他國家的試驗鑒定標準

英國國防部并沒有將武器裝備的試驗鑒定分為研制試驗、 作戰(zhàn)試驗兩個部分， 而是實行 “一體化試驗、 鑒定與驗收” 策略。 英國國防部的試驗鑒定戰(zhàn)略大體可以通過監(jiān)管決策層、 管理層和實施層3 個層面為武裝力量提供武器裝備。 所以英國試驗鑒定的內容既包括武器裝備技術相關試驗鑒定的內容， 也包括作戰(zhàn)應用相關的試驗鑒定內容。

法國國防部負責為武裝力量提供武器裝備，但實行的是不同的試驗鑒定策略和管理體制。 法國采用的是高度集中的武器裝備采辦和試驗鑒定的管理體制， 其下屬試驗鑒定局和試驗鑒定中心負責其軍方武器裝備試驗鑒定工作。 關于作戰(zhàn)試驗， 法國試驗鑒定工作并沒有具體指出其工作職能， 但其相關概念和工作經常會應用到軍事武器裝備作戰(zhàn)中。

俄羅斯負責武器試驗鑒定等工作的研究機構，主要包括國防部直屬的研究所和各軍兵種軍事院校所屬的研究所。 俄羅斯非常重視作戰(zhàn)試驗， 不僅僅停留在部門職能上。 目前俄羅斯國防部直屬的一部分試驗靶場位于烏克蘭、 哈薩克斯坦、 吉爾吉斯斯坦等國家境內， 可以從作戰(zhàn)層面開展性能評估、 試驗鑒定等工作。 俄羅斯擁有很多的實驗和試驗設施， 主要包括靶標與干擾設施、 綜合測量設施、 計算機仿真設施等3 大類[3]。

3.2 試驗方法標準

國際和國外標準中和航天系統環(huán)境適應性試驗相關的標準主要是環(huán)境試驗、 空間碎片、 空間大氣等相關的標準。

ISO 主要發(fā)布了航天系統試驗中心的相關要求、 力/磁/熱等環(huán)境試驗測試方法及要求、 空間碎片減緩設計與要求等相關內容的標準文件， 例如ISO 14619 《 航天系統—空間實驗—通用要求》 、 ISO 21494 《 航 天 系 統—磁 測 試》 、 ISO 23670 《航天系統—振動測試》、 ISO N1519 《航天系統—航天器熱控制材料的環(huán)境測試》、 ISO 11227 《航天系統—通過超高速撞擊評估航天器材料噴出物測試程序》 等。

美國軍用標準主要發(fā)布了環(huán)境試驗方法、 總體試驗要求等上層標準文件。 例如MIL-STD-810E 《 環(huán)境試驗方法及環(huán)境工程導則》、 MILSTD-810F 《環(huán)境工程考慮和實驗室試驗》、 MILHDBK-340A 《運載器、 上面級和航天器試驗要求》 等。

NASA 主要發(fā)布的航天系統環(huán)境適應性試驗標準、 手冊較多。 主要包括有效載荷試驗要求與規(guī)范、 軌道碎片限制要求及過程、 力/熱等環(huán)境試驗方法與程序、 飛行試驗軟件開發(fā)等相關標準， 例 如MPR 8730.1 《 檢 查 與 試 驗》 、 MPR 8730.2 《 檢 查 與 試 驗 狀 態(tài)》 、 NASA -STD -7002《有效載荷試驗要求》、 NASA-STD-7003 《爆炸沖擊試驗規(guī)范》、 NASA-STD-7005 《動力學環(huán)境規(guī) 范》、 NASA-HDBK-7004 《 力 限 振 動 試 驗》、MSFC -SPEC -95M33953 《 空 間 處 理 應 用 火 箭（SPAR） 有效載荷III 測試與檢驗要求》 等。

AIAA 主要發(fā)布了風洞測試標定與應用、 空間碎片減緩、 航天系統試驗管理及相關要求等標準， AIAA S-117-2010 《航天系統驗證計劃和管理過程》、 AIAA S-121-2009 《航天設備和系統的電磁兼容性要求》、 AIAA S-071-1999 《實驗不確定度的評估及其在風洞測試中的應用》 等。

ECSS 主要發(fā)布了驗證試驗頂層標準、 空間材料的熱/輻射等環(huán)境測試標準， 例如ECSS-EST-10-02C 《 驗 證》、 ECSS-E-ST-10-03C 《 測試》、 ECSS-Q-ST-70-02C 《用于空間材料篩選的熱真空脫氣測試》、 ECSS-Q-ST-70-04C 《用于評估空間材料、 過程、 機械零件和組件的熱測試》、 ECSS-Q-ST-70-06C 《空間材料的粒子和紫外線輻射測試》 等。

除此之外， 其他的標準化組織也發(fā)布了相關標準， 例如國際空間站發(fā)布的SSP 41172 《國際空間站項目： 資格驗收環(huán)境試驗要求》、 美國空軍空間與導彈系統中心標準SMC-S-016A 《運載器、 上面級和航天器試驗要求》、 美國探月CXP 70036 《星座計劃環(huán)境鑒定和驗收測試》。

4 思考與啟示

在環(huán)境適應性試驗鑒定標準方面， 美軍航天系統設計與驗證標準規(guī)范體系初步建成， 共19項包含了系統級、 組件級和零部件級等3 個層次的頂層標準規(guī)范。 這些標準重點支撐開展了美國軍用航天系統 （空間段） 研制過程試驗的頂層要求。 當前未查到美國軍用航天系統作戰(zhàn)試驗鑒定的標準， 只有作戰(zhàn)指標設定與要求傳遞相關的指令指示、 手冊、 指南以及一些指導性文件， 但尚未固化形成法規(guī)或標準。 英國、 法國、 俄羅斯等其他國家制定了相關的試驗鑒定策略， 并制定了相關的標準和指導性文件。

在環(huán)境適應性試驗方法相關標準方面， 總體來說， 國外發(fā)布的標準細化程度高， 但各個標準組織發(fā)布的標準各有重點， 難成體系。 比如NASA 發(fā)布的標準有很大一部分是有效載荷試驗、飛行試驗、 空間材料試驗相關的標準， 細化程度很高， 標準制定十分具體細化， 但NASA 關于各個分系統、 系統、 組部件相關的試驗卻很少。

在試驗鑒定標準方面， 國外尤其是美國很早就關注航天系統環(huán)境適應性相關標準的研究， 美軍的航天系統設計與驗證標準規(guī)范體系已初步建成。 我國尚需重新規(guī)劃整理， 并重點關注在作戰(zhàn)試驗、 試驗設計與驗證等領域完善相關標準。

在試驗方法標準方面， 國外標準化組織機構制定的標準各有側重， 細化程度不同， 我國應借鑒相關經驗， 完善并不斷細化我國航天系統環(huán)境適應性試驗的標準體系， 使其結構合理并協調一致。