尹玉梅 郭晉媛 王維鑫

（北京空間科技信息研究所， 北京， 100094）

1 概述

航天器是指在地球大氣以及外宇宙空間 （太空） 執(zhí)行探索、 開發(fā)和利用太空以及地球以外天體的特定任務(wù)的飛行器， 又稱空間飛行器。 航天器按照是否載人， 可分為無人航天器和載人航天器； 無人航天器包括人造地球衛(wèi)星和空間探測(cè)器； 載人航天器包括載人飛船、 空間站等[1]。航天器結(jié)構(gòu)主要功能包括以下內(nèi)容。

a）承受和傳遞器上的所有載荷， 包括地面、發(fā)射、 空間軌道、 再入大氣層和著陸沖擊的各種載荷。

b）為器上有效載荷和其他分系統(tǒng)提供所需的安裝空間、 安裝位置和安裝方式， 把器上所有有效載荷和各分系統(tǒng)連接成一個(gè)整體； 所提供的安裝可滿足相應(yīng)有效載荷和各分系統(tǒng)的工作要求， 并且便于整器和相關(guān)零部件在地面的裝卸、操作和維護(hù)。

c）為器上有效載荷和其他分系統(tǒng)提供有效的環(huán)境保護(hù)， 包括在地面、 發(fā)射、 空間軌道、 和再入大氣層等工作環(huán)境下的環(huán)境保護(hù)。

d）為器上某些特殊的有效載荷或其他分系統(tǒng)提供所需的剛性支撐條件， 例如： 保證天線組件、光學(xué)部件和傳感器所需的位置精度或尺寸精度。

e）為器上某些特殊的有效載荷或其他分系統(tǒng)提供所需的物理性能， 例如： 導(dǎo)熱或絕熱性能、 導(dǎo)電或絕緣性能等[1]。

航天器結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)航天器至關(guān)重要， 通過標(biāo)準(zhǔn)途徑對(duì)航天器結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)、 分析、 仿真、 試驗(yàn)等各個(gè)階段進(jìn)行規(guī)范， 進(jìn)一步確保航天器結(jié)構(gòu)發(fā)揮其作用， 保證器上設(shè)備和人員安全（針對(duì)載人航天器）。

2 國(guó)外航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)情況

航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中比較典型且具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)， 主要是ECSS （歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化合作組織） 標(biāo)準(zhǔn)和NASA （美國(guó)宇航局） 標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 ECSS 標(biāo)準(zhǔn)

ECSS 是歐洲空間局 （ESA）、 歐洲各國(guó)航天局和歐洲工業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)化合作組織， 其主要任務(wù)就是建立起一套用戶滿意的、 固有的、 單一的、能滿足ECSS 各成員國(guó)意圖的標(biāo)準(zhǔn)體系， 以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化手段消除合作障礙， 提高歐洲空間項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)力。 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)主要分布在ECSS 標(biāo)準(zhǔn)中的空間工程子體系 （ECSS-E） 中， 包括系統(tǒng)工程、光電工程、 機(jī)械工程、 軟件工程、 通信工程、 控制工程、 地面系統(tǒng)和操作等7 個(gè)專業(yè)領(lǐng)域。

在空間工程 （ECSS-E） 子體系中的機(jī)械工程 （E-30） 分支中， 包括熱控、 結(jié)構(gòu)、 機(jī)構(gòu)、環(huán)境控制與生命保障、 推進(jìn)等5 個(gè)方面， 目前共有7 項(xiàng)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)， 詳見表1。

表1 ECSS 中結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 NASA 標(biāo)準(zhǔn)

NASA 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)按照領(lǐng)域劃分為11 個(gè)不同系列， 與航天結(jié)構(gòu)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要分布在5000 系列中和7000 系列中， 共計(jì)9 項(xiàng)。 NASA 的各個(gè)中心也根據(jù)自己的專業(yè)及特點(diǎn)制定了一套與NASA文件相對(duì)應(yīng)的文件。 NASA 現(xiàn)行中心標(biāo)準(zhǔn)主要來自戈達(dá)德航天中心 （GSFC）、 約翰遜航天中心（JSC）、 肯尼迪航天中心 （KSC）、 蘭利研究中心（LaRC）、 馬歇爾航天飛行中心 （MSFC）、 斯坦尼斯航天中心 （SSC）， 現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)231 項(xiàng)， 其中， 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)6 項(xiàng)[2]。 在航天結(jié)構(gòu)方面， NASA技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及中心標(biāo)準(zhǔn)共有15 項(xiàng)， 詳見表2。

表2 NASA 標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)

3 國(guó)外航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)典型標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

3.1 頂層要求標(biāo)準(zhǔn)

針對(duì)航天器結(jié)構(gòu)頂層通用要求標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)2 項(xiàng)。

a）ECSS－E－ST－32C Rev.1 《結(jié)構(gòu)通用要求》規(guī)定了航天器的結(jié)構(gòu)通用要求， 包括任務(wù)、 功能、 接口、 設(shè)計(jì)、 驗(yàn)證、 產(chǎn)品與組裝等方面。

b）NASA-STD-5002A 《航天器及有效載荷的載荷分析》 給出了航天器及有效載荷設(shè)計(jì)所用載荷界定的通用要求。 在項(xiàng)目與程序?qū)蛹?jí)建立了指引， 以便于規(guī)范相關(guān)工程及技術(shù)要求， 包括工藝、過程、 實(shí)踐、 方法以及零件選用及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等。該標(biāo)準(zhǔn)描述了開展航天器與有效載荷中載荷分析的一般實(shí)踐及要求， 對(duì)載荷狀況 （load regimes）進(jìn)行了界定， 對(duì)建立加力函數(shù) （forcing functions）及數(shù)學(xué)模型、 開展分析及模型的測(cè)試驗(yàn)證等明確了要求， 對(duì)主要的分析方法、 時(shí)間及過程進(jìn)行了界定。 該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于航天器有效載荷硬件分析，而飛行器發(fā)射裝置 （LV）、 探空火箭發(fā)射的有效載荷、 航空器及氣球、 地面支持設(shè)備 （GSE） 等不包含在內(nèi)。 標(biāo)準(zhǔn)主要適用于NPR 8705.4《NASA 有效載荷的風(fēng)險(xiǎn)分類》 中規(guī)定的A、 B、 C這3 類有效載荷， 對(duì)D、 I-E 類有效載荷僅作為指導(dǎo)性文件 （可使用該標(biāo)準(zhǔn)1.3 的剪裁原則）。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)6 項(xiàng)。

a）KSC-STD-Z-0004G 《結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》 為肯尼迪航天中心 （KSC） 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建立適用的定義和一般設(shè)計(jì)要求。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于常規(guī)和非常規(guī)結(jié)構(gòu)、 地面支持設(shè)備 （GSE） 以及臨時(shí)結(jié)構(gòu)和外殼的框架。

b）ECSS－E－ST－32－02C Rev.1 《承壓硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》 規(guī)定了金屬和非金屬加壓硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)證， 包括壓力容器、 加壓結(jié)構(gòu)、 壓力部件 （如閥門、 泵、 管線、 配件和軟管） 和特殊加壓設(shè)備 （如電池、 熱管、 低溫恒溫器、 密封容器、 危險(xiǎn)流體容器）， 但加壓硬件的外部支架和結(jié)構(gòu)接口及固體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有航天產(chǎn)品， 尤其是運(yùn)載火箭、 運(yùn)載工具、再入飛行器、 航天器、 空間站、 著陸探測(cè)器和探測(cè)器、 探空火箭、 有效載荷和儀器。

c）ECSS-E-ST-32-10C Rev.2 Corr.1 《空間飛行硬件結(jié)構(gòu)安全性因素》 規(guī)定了航天器硬件的結(jié)構(gòu)安全性要素， 以及鑒定與驗(yàn)收試驗(yàn)要求。 該標(biāo)準(zhǔn)需要與ECSS-E-ST-32 《結(jié)構(gòu)通用要求》、ECSS-E-ST-32-02 《承壓硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證》和ECSS-E-ST-33-01 《機(jī)構(gòu)》 結(jié)合使用。

d）NASA-STD-5001B 《航天硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)安全因素》 給出了航天器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全試驗(yàn)因子， 以及用于航天硬件研制和驗(yàn)證的使用壽命因素。 該標(biāo)準(zhǔn)主要目標(biāo)是確定安全可靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因素， 其次是通過加強(qiáng)NASA 飛行項(xiàng)目、 中心及其承包商之間硬件設(shè)計(jì)使用的通用性來降低空間項(xiàng)目成本和進(jìn)度。 該標(biāo)準(zhǔn)中提出的要求將被視為最低可接受值。

e）JSC 65828B 《航天硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和安全系數(shù)》 規(guī)定了載人航天硬件的結(jié)構(gòu)要求， 包括運(yùn)載火箭、 航天器和有效載荷。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于政府提供的設(shè)備活動(dòng)以及所有相關(guān)承包商、 分包商和商業(yè)活動(dòng)； 不適用于除載人航天器以外的系統(tǒng)， 如地面測(cè)試物品， 但可針對(duì)謹(jǐn)慎使用的特定情況進(jìn)行定制。 該標(biāo)準(zhǔn)中提出的要求側(cè)重于設(shè)計(jì)， 而非驗(yàn)證。 將在結(jié)構(gòu)驗(yàn)證計(jì)劃 （SVP） 中規(guī)定需求的實(shí)施過程， SVP 針對(duì)需求， 規(guī)定了每個(gè)結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的驗(yàn)證方法。

f）JSC 29353B 《航天器應(yīng)用中的可燃性結(jié)構(gòu)分析》 描述并解釋了控制易燃材料 （和潛在易燃材料） 的配置及解決方案， 以便有效載荷客戶和其他組織可以在設(shè)計(jì)安全且經(jīng)濟(jì)高效的飛行硬件時(shí)使用它們。 該標(biāo)準(zhǔn)將為位于國(guó)際空間站任何隔間或其他計(jì)劃載人飛行器和棲息地的硬件提供可接受的可燃性配置。 航天器防火控制的基礎(chǔ)是最大限度地減少潛在的火源， 消除可能傳播火災(zāi)的材料。 “消除可能傳播火災(zāi)的材料” 并不意味著僅使用不可燃材料設(shè)計(jì)和建造航天器， 這樣的成本非常高， 而且沒有必要。 這意味著需控制不可燃材料的數(shù)量和配置， 以消除潛在的火災(zāi)傳播路徑， 從而確保任何火災(zāi)都是小型的、 局部的和隔離的， 并且會(huì)在不傷害航天員的情況下自行熄滅。 多年來， NASA 已經(jīng)開發(fā)出許多控制易燃材料 （和潛在易燃材料） 的配置及解決方案， 以便在載人航天器中空氣和富氧環(huán)境中安全使用。

3.3 結(jié)構(gòu)斷裂控制及無損評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)斷裂控制及無損評(píng)估共計(jì)7 項(xiàng)。

a）ECSS－E－ST－32－01C Rev.1 《斷裂控制》規(guī)定了斷裂控制程序、 易損部件的識(shí)別與評(píng)估、斷裂力學(xué)分析、 材料的選擇、 質(zhì)量保證和無損檢測(cè)、 減少斷裂控制方案等內(nèi)容。 空間系統(tǒng)的空間段及其相關(guān)地面支持設(shè)備的結(jié)構(gòu)失效可能導(dǎo)致災(zāi)難性危險(xiǎn)系統(tǒng)或有效載荷。 該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對(duì)空間系統(tǒng)的空間段及其相關(guān)GSE （地面支持設(shè)備） 施加的斷裂控制要求。 該標(biāo)準(zhǔn)中包含的要求也適用于NASA 和國(guó)際空間站硬件的斷裂控制。

b）NASA-STD-5019A 《航天硬件斷裂控制要求》 確定了所有人類航天系統(tǒng)的斷裂控制要求，包括有效載荷、 推進(jìn)系統(tǒng)、 軌道支持設(shè)備等。

c）NASA-HDBK-5010 《有效載荷， 實(shí)驗(yàn)和類似硬件的斷裂控制實(shí)施手冊(cè)》 提供適用于各種硬件設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的斷裂控制實(shí)施。

d）JSC 25863B 《JSC 航天硬件斷裂控制計(jì)劃》， 該斷裂控制計(jì)劃 （FCP） 介紹了約翰遜航天中心 （JSC） 的實(shí)施方法， 用以滿足所有NASA 人類太空飛行項(xiàng)目以及接近或停靠NASA航天器 （如國(guó)際空間站 （ISS） 或獵戶座） 的載人或非載人飛行器的斷裂控制要求。

e）MSFC-RQMT-3479 《復(fù)合材料和粘結(jié)運(yùn)載器及有效載荷結(jié)構(gòu)斷裂控制要求》 提供了用于制造MSFC 載人飛行器和有效載荷硬件的復(fù)合材料、 粘結(jié)結(jié)構(gòu)的斷裂控制要求， 包括載人發(fā)射、回收、 轉(zhuǎn)移和著陸器以及在載人飛行的任何階段發(fā)射、 回收、 儲(chǔ)存或操作的有效載荷或太空飛行實(shí)驗(yàn)任務(wù)。 纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料、 夾層結(jié)構(gòu) （粘結(jié)金屬和非金屬） 以及金屬或復(fù)合零件之間的粘結(jié)屬于該標(biāo)準(zhǔn)的范圍。 金屬和陶瓷基體結(jié)構(gòu)、 泡沫、 柔性充氣結(jié)構(gòu)、 液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體推進(jìn)劑除外。 此外， 該標(biāo)準(zhǔn)未具體涵蓋金屬零件/結(jié)構(gòu)的斷裂控制， 但如果金屬與復(fù)合材料或粘合劑結(jié)合使用， 則應(yīng)滿足該標(biāo)準(zhǔn)的所有規(guī)定。 該標(biāo)準(zhǔn)的目的是提供用于設(shè)計(jì)和評(píng)估復(fù)合材料和粘結(jié)結(jié)構(gòu)的最低斷裂控制要求。

f）NASA-STD-5009B 《斷裂臨界金屬元件的無損評(píng)估要求》 規(guī)定了對(duì)于飛行或地面系統(tǒng)及組件在需要進(jìn)行斷裂控制時(shí)的無損評(píng)估 （NDE） 要求。 主要內(nèi)容包括對(duì)NDE 過程、 標(biāo)準(zhǔn)及方法的一般要求， 如裂縫、 材料審查委員會(huì)、 NDE 過程文件控制等； 標(biāo)準(zhǔn)化的NDE 方法及特殊NDE的應(yīng)用； NDE 的文件記錄等方面。

g）JSC 67203 《無損評(píng)估程序鑒定指南》 演示了NDE 程序認(rèn)證方法， 為滿足特定條件的NDE 程序提供了最低要求。 該文件旨在符合NASA-STD-5009B。 此外， 它還提供了NASASTD-5009B 未涵蓋的NDE 程序認(rèn)證方法指南，但在使用該指南中的方法之前需要經(jīng)過批準(zhǔn)。 該指南不涵蓋NDE 程序。

3.4 結(jié)構(gòu)建模仿真標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)建模仿真標(biāo)準(zhǔn)共計(jì)3 項(xiàng)。

a）ECSS－E－ST－32－03C 《結(jié)構(gòu)有限元模型》規(guī)定了航天器結(jié)構(gòu)分析中用到的有限元模型要求。

b）NASA-STD-7009A 《模型和仿真標(biāo)準(zhǔn)》提供了一套經(jīng)批準(zhǔn)的要求、 建議和準(zhǔn)則， 可用于模型和仿真的開發(fā)， 并支持NASA 活動(dòng)。

c）NASA-HDBK-7009 《NASA 建模和仿真手冊(cè)： NASA-STD-7009 實(shí)施指南》 主要針對(duì)如何在工作過程中使用NASA-STD-7009 進(jìn)行說明。 NASA-HDBK-7009 針對(duì)建模的整個(gè)工作流程， 對(duì)每個(gè)階段的工作要求進(jìn)行了詳細(xì)說明， 并給出大量示例。

4 結(jié)論與建議

綜上所述， ECSS 和NASA 在航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域建立了較為完整的標(biāo)準(zhǔn)， 近幾年在重點(diǎn)修訂標(biāo)準(zhǔn)， 無新增標(biāo)準(zhǔn)。 在結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)方面： 共有22 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)， 覆蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、 分析、 建模、 試驗(yàn)驗(yàn)證等多個(gè)階段。 近年來， 主要是修訂標(biāo)準(zhǔn)， 無新增標(biāo)準(zhǔn)， 這說明航天器結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)較為完整， 只需要根據(jù)技術(shù)發(fā)展和工作需要， 對(duì)已有標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂， 即可滿足標(biāo)準(zhǔn)使用需求。 另一方面， 從2018年至今， ECSS 和NASA 從結(jié)構(gòu)安全性出發(fā)，對(duì)于長(zhǎng)壽命 （國(guó)際空間站、 深空探測(cè)器等） 或重復(fù)使用的航天器， 重點(diǎn)開展了結(jié)構(gòu)斷裂控制相關(guān)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作， 更重視結(jié)構(gòu)安全性。根據(jù)我國(guó)航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展， 結(jié)合我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)現(xiàn)狀， 應(yīng)重點(diǎn)考慮針對(duì)長(zhǎng)壽命航天器（空間站、 深空探測(cè)器）、 可重復(fù)使用航天器（如新飛船） 等， 開展結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估、 結(jié)構(gòu)損傷評(píng)估以及斷裂控制等標(biāo)準(zhǔn)的研究工作。