小衛(wèi)星AIT流程簡(jiǎn)化探討

李麗瓊 曾春平 呂高見(jiàn)

（北京控制工程研究所，北京 100094）

1 引言

總裝、測(cè)試與試驗(yàn)（AIT）是航天器研制過(guò)程中重要的驗(yàn)證環(huán)節(jié)之一。通過(guò)AIT，可以盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，保證產(chǎn)品質(zhì)量，確保飛行任務(wù)成功。隨著我國(guó)航天事業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展，航天器的數(shù)量越來(lái)越多，這就需要在確保航天器測(cè)試質(zhì)量的同時(shí)提高測(cè)試效率，而傳統(tǒng)的測(cè)試方法已逐漸不能滿足緊迫的研制周期要求。另外，快速進(jìn)入太空的需求，如在幾周內(nèi)建造并發(fā)射一顆具有特定功能的衛(wèi)星，也對(duì)傳統(tǒng)AIT 流程提出了改進(jìn)和優(yōu)化的要求。

國(guó)外快速AIT 已發(fā)展多年且頗具成效，已逐漸由試驗(yàn)驗(yàn)證向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)變，具有代表性的是針對(duì)美國(guó)“快速響應(yīng)太空”（ORS）計(jì)劃的快速AIT。本文在調(diào)研國(guó)外快速AIT 流程和技術(shù)的基礎(chǔ)上，以國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星傳統(tǒng)AIT 流程為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)首發(fā)衛(wèi)星、繼承衛(wèi)星和快速響應(yīng)衛(wèi)星提出了國(guó)內(nèi)AIT 流程簡(jiǎn)化方案，給出了未來(lái)衛(wèi)星設(shè)計(jì)和測(cè)試模式發(fā)展的若干建議，可為衛(wèi)星設(shè)計(jì)和測(cè)試提供一定的參考。

2 國(guó)外AIT 流程

國(guó)外AIT 流程經(jīng)歷了從傳統(tǒng)繁雜到簡(jiǎn)化的過(guò)程，以滿足快速發(fā)射的需求，其中美國(guó)的發(fā)展最具代表性。美國(guó)一直非常重視快速進(jìn)入太空的能力建設(shè)，為尋求快速AIT 的最優(yōu)方案，調(diào)研并參考了多個(gè)國(guó)家航天器的研制經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行了一系列快速AIT 演示試驗(yàn)，并最終總結(jié)出適用于ORS系統(tǒng)的AIT 流程。以下以美國(guó)為例，探討國(guó)外AIT流程的改進(jìn)。

2．1 國(guó)外傳統(tǒng)AIT流程

圖1給出了美國(guó)航天器傳統(tǒng)AIT 流程［1］，整個(gè)流程一般至少需要半年時(shí)間，很多情況下甚至需要若干年。

圖1 美國(guó)航天器傳統(tǒng)AIT 流程示例Fig．1 Example of traditional AIT flow for spacecraft in USA

2．2 快速AIT演示試驗(yàn)

為制定一套優(yōu)化的AIT 流程方案，美國(guó)ORS辦公室調(diào)研并總結(jié)了多個(gè)系列衛(wèi)星的成功經(jīng)驗(yàn)，包括“軌道通信”（Orbcomm）衛(wèi)星、“全球星”（Globalstar）和“銥”（Iridium）衛(wèi)星等。

為適應(yīng)Orbcomm 系統(tǒng)的36顆衛(wèi)星密集測(cè)試和發(fā)射任務(wù)，美國(guó)采用了8顆衛(wèi)星并行測(cè)試方法，并用基本功能測(cè)試替代性能測(cè)試。另外，隨著后續(xù)衛(wèi)星的設(shè)計(jì)趨于成熟和可靠，在AIT 中刪減了一些測(cè)試，如只在前4顆后繼衛(wèi)星中進(jìn)行熱真空試驗(yàn)等。其他縮短流程的措施包括改變傳統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)格AIT 紀(jì)律等［2］。

為達(dá)到Globalstar系統(tǒng)每周一顆衛(wèi)星的發(fā)射速度，美國(guó)拋棄了傳統(tǒng)的AIT 測(cè)試方法。首發(fā)衛(wèi)星作為模型衛(wèi)星進(jìn)行完整的質(zhì)量評(píng)定測(cè)試，而后繼衛(wèi)星只進(jìn)行簡(jiǎn)化的驗(yàn)收測(cè)試，見(jiàn)圖2［3］。后繼衛(wèi)星的熱真空試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)均縮略成一個(gè)熱循環(huán)，振動(dòng)試驗(yàn)減少為只做一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)。最終，AIT 流程縮短至1周，一年半內(nèi)完成了64顆衛(wèi)星的發(fā)射工作。

Iridium 衛(wèi)星系統(tǒng)通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)工具、自動(dòng)化開發(fā)環(huán)境和自動(dòng)化測(cè)試方法，以及簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)測(cè)試等手段，將AIT 過(guò)程縮短至22d，一年之內(nèi)完成了66顆衛(wèi)星和12顆備份衛(wèi)星的發(fā)射。

圖2 Globalstar后續(xù)衛(wèi)星AIT 流程Fig．2 Globalstar follow-on satellite AIT flow

結(jié)合上述經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)空軍航天司令部針對(duì)ORS衛(wèi)星的測(cè)試需求，進(jìn)行了一系列的快速AIT 演示試驗(yàn)，共完成了6次試驗(yàn)流程。結(jié)果表明：①在6個(gè)AIT 試驗(yàn)流程中，快速AIT 平均耗時(shí)約22h；②自動(dòng)化測(cè)試更能提高效率；③由于采用自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試的時(shí)間較穩(wěn)定，但總裝操作時(shí)間波動(dòng)比較大，這主要受人員訓(xùn)練程度及總裝隊(duì)伍技術(shù)水平的影響，而非衛(wèi)星配置改變的影響；④總裝操作流程的描述圖形化，配以盡可能少的文字，比用很多文字描述操作步驟的文檔更能提高總裝效率。

2．3 快速AIT流程

利用快速AIT 演示試驗(yàn)的研究成果和經(jīng)驗(yàn)，美國(guó)提出了快速AIT 流程，見(jiàn)圖3。

圖3 快速AIT 流程Fig．3 Rapid AIT flow

從圖3可以看出，快速AIT 流程的測(cè)試環(huán)節(jié)相比傳統(tǒng)流程并無(wú)太多的刪減，但測(cè)試時(shí)間卻能夠大幅縮短，其原因如下。

（1）力學(xué)試驗(yàn)簡(jiǎn)化為側(cè)軸力學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)在于暴露工藝問(wèn)題。其方法是將衛(wèi)星放置在振動(dòng)臺(tái)上，衛(wèi)星本體坐標(biāo)系的X、Y軸與振動(dòng)方向夾角均為45°，使兩軸均能被激勵(lì)，盡可能在最短時(shí)間內(nèi)收集到最多的信息，見(jiàn)圖4。

圖4 單軸（側(cè)軸）力學(xué)試驗(yàn)方位示意（45°夾角）Fig．4 Single-axis vibration test orientation（45deg off X，Yaxes）

（2）參考Orbcomm 系統(tǒng)和Globalstar系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)，刪減了熱試驗(yàn)環(huán)節(jié)。

（3）在部組件及分系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，以提前暴露問(wèn)題。另外，根據(jù)系統(tǒng)的復(fù)雜度來(lái)決定AIT 最低程度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)［4］。在此基礎(chǔ)上，AIT 階段只進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試。圖3中的平臺(tái)測(cè)試均為短期測(cè)試，重點(diǎn)在于驗(yàn)證產(chǎn)品的功能而非性能。

（4）沒(méi)有軟件落焊環(huán)節(jié)。軟件測(cè)試與AIT 并行，測(cè)試完成后直接在AIT 進(jìn)行裝訂。

（5）熱控實(shí)施與軟件裝訂、模飛等并行。

（6）采用自動(dòng)化的測(cè)試手段。

（7）總裝操作流程圖形化，總裝效率高。

3 國(guó)內(nèi)AIT 流程

3．1 國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)AIT流程

國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星的傳統(tǒng)AIT 流程示例見(jiàn)圖5。該流程相對(duì)較為繁雜，在整個(gè)測(cè)試流程中，衛(wèi)星需要多次開合板總裝操作，因而約需要201d，其原因如下。

（1）軟件落焊：軟件落焊要將衛(wèi)星返回研制單位1個(gè)月的時(shí)間，增加了衛(wèi)星總裝的工作量，延長(zhǎng)了測(cè)試時(shí)間。

（2）體系構(gòu)架：現(xiàn)有衛(wèi)星的體系構(gòu)架過(guò)于復(fù)雜，分系統(tǒng)多且龐大，AIT 階段耗費(fèi)了大量時(shí)間進(jìn)行產(chǎn)品及分系統(tǒng)性能測(cè)試。

（3）熱試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)：這兩個(gè)試驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)，且熱試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)多。

圖5 國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星傳統(tǒng)AIT 流程示例Fig．5 Example of traditional AIT flow for small satellites in China

3．2 國(guó)內(nèi)AIT流程簡(jiǎn)化探討

借鑒國(guó)外快速AIT 技術(shù)的研究結(jié)果，建議對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的小衛(wèi)星AIT 流程進(jìn)行簡(jiǎn)化。由于不同類型的衛(wèi)星測(cè)試需求不同，現(xiàn)分為首發(fā)衛(wèi)星、繼承衛(wèi)星和快速響應(yīng)衛(wèi)星3種情況進(jìn)行討論。

3．2．1 首發(fā)衛(wèi)星

由于首發(fā)衛(wèi)星沒(méi)有前面衛(wèi)星的成功作為基礎(chǔ)，因此不建議刪減熱試驗(yàn)和力學(xué)試驗(yàn)等。首發(fā)衛(wèi)星流程簡(jiǎn)化思路可以從刪除或修改軟件落焊方式入手。從圖5中可以看出，傳統(tǒng)流程中的軟件落焊環(huán)節(jié)不但增加了衛(wèi)星總裝工作量，而且要在產(chǎn)品回歸整星后增加綜合測(cè)試，大大延長(zhǎng)了流程時(shí)間。因此，應(yīng)大力加強(qiáng)軟件的產(chǎn)品級(jí)測(cè)試及分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，在軟件確認(rèn)測(cè)試階段以及分系統(tǒng)測(cè)試階段對(duì)軟件進(jìn)行充分測(cè)試，AIT 試驗(yàn)前將軟件落焊。個(gè)別需要在最后階段才確定的裝訂參數(shù)，可采用注入修改方式進(jìn)行。另一思路是整套軟件采用可燒寫的方式，通過(guò)監(jiān)控注入方式上傳，而無(wú)須將產(chǎn)品返回研制單位進(jìn)行落焊。

簡(jiǎn)化后的測(cè)試流程如圖6所示。流程工作時(shí)間為73d，即與傳統(tǒng)AIT 測(cè)試流程相比縮短了至少128d。

圖6 國(guó)內(nèi)首發(fā)衛(wèi)星的簡(jiǎn)化AIT 流程Fig．6 Minimization of AIT flow for first satellites in China

3．2．2 繼承衛(wèi)星

繼承衛(wèi)星在設(shè)計(jì)上完全可以信賴已發(fā)射衛(wèi)星的成功，測(cè)試重點(diǎn)應(yīng)在于暴露工藝問(wèn)題。參照國(guó)外快速AIT 流程的成功經(jīng)驗(yàn)，刪減熱試驗(yàn)，只進(jìn)行側(cè)軸力學(xué)試驗(yàn)，簡(jiǎn)化綜合測(cè)試，提高總裝效率，具體流程建議見(jiàn)圖7。簡(jiǎn)化后的AIT 流程工作時(shí)間為30d，包括節(jié)假日等，整個(gè)流程約需要1．5個(gè)月。

利用繼承性簡(jiǎn)化測(cè)試的關(guān)鍵條件在于：工程數(shù)據(jù)（包括各種過(guò)程性文件）完整有效，工藝過(guò)程完善，并能保證依據(jù)相同的數(shù)據(jù)文件設(shè)計(jì)出來(lái)的部件產(chǎn)品具有相同的狀態(tài)。對(duì)于不具備批生產(chǎn)特性或狀態(tài)有差別的產(chǎn)品，必須深入研究差別化帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，并將測(cè)試關(guān)注點(diǎn)集中在驗(yàn)證狀態(tài)變化對(duì)可靠性的影響程度上。

對(duì)于批量（10顆及以上）生產(chǎn)的小衛(wèi)星（1000kg以下），還可以從以下幾個(gè)方面縮短AIT 時(shí)間：①推進(jìn)系統(tǒng)的管路嚴(yán)格按照樣件批量生產(chǎn)，不必等衛(wèi)星結(jié)構(gòu)到后才開始焊接；②敏感器（如太陽(yáng)敏感器、紅外地球敏感器、星敏感器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如動(dòng)量輪、推力器等）在總裝中只進(jìn)行精度測(cè)量，不作調(diào)整；③檢漏只在力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)前（或后）進(jìn)行1次。

圖7 國(guó)內(nèi)繼承衛(wèi)星的簡(jiǎn)化AIT 流程Fig．7 Minimization of AIT flow for follow-on satellites in China

3．2．3 快速響應(yīng)衛(wèi)星

對(duì)于戰(zhàn)時(shí)或救災(zāi)的快速響應(yīng)衛(wèi)星，由于任務(wù)要求的緊急性，往往只有幾天時(shí)間用于AIT，如果只進(jìn)行簡(jiǎn)單的流程統(tǒng)籌優(yōu)化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試流程的大幅縮減。因此，要根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行非常規(guī)測(cè)試，對(duì)現(xiàn)有的測(cè)試流程進(jìn)行較大的改動(dòng)和裁減。

參考ORS快速AIT 演示試驗(yàn)，設(shè)想一種快速響應(yīng)衛(wèi)星的簡(jiǎn)化流程如圖8所示。各環(huán)節(jié)所需時(shí)間非常短，整個(gè)AIT 流程僅需要27h。

圖8 國(guó)內(nèi)快速響應(yīng)衛(wèi)星的簡(jiǎn)化AIT 流程設(shè)想Fig．8 Minimization of AIT flow for rapid responsive satellites in China

3．3 流程簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)途徑

為逐步實(shí)現(xiàn)圖8所示的快速AIT 測(cè)試流程，對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和測(cè)試模式提出如下幾點(diǎn)建議，首發(fā)衛(wèi)星和繼承衛(wèi)星在設(shè)計(jì)時(shí)也可參考。

（1）衛(wèi)星設(shè)計(jì)模塊化：衛(wèi)星設(shè)計(jì)應(yīng)易于總裝和測(cè)試，減少測(cè)試復(fù)雜度和時(shí)間；可發(fā)展接口標(biāo)準(zhǔn)化的模塊化衛(wèi)星［5］。具有典型代表的是美國(guó)的PnPsat-1，由6塊標(biāo)準(zhǔn)的即插即用式模塊化機(jī)械及電接口面板組成，面板帶有鉸鏈鎖扣，方便快速總裝。這些模塊化的組件經(jīng)過(guò)地面詳細(xì)測(cè)試后封存于倉(cāng)庫(kù)中，有緊急任務(wù)時(shí)，能夠以最快速度組合成一個(gè)整體，并只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的接口測(cè)試和功能檢查；測(cè)試中發(fā)現(xiàn)有缺陷的模塊直接移除，并用新的模塊來(lái)替代，不會(huì)影響快速AIT 的測(cè)試進(jìn)程。國(guó)內(nèi)衛(wèi)星可借鑒國(guó)外衛(wèi)星的模塊化設(shè)計(jì)思路，減小測(cè)試復(fù)雜度，縮短AIT時(shí)間。

（2）測(cè)試設(shè)備通用化：采用信號(hào)梳理箱的設(shè)計(jì)構(gòu)架，通過(guò)梳理箱將來(lái)自星上設(shè)備不同種類、不同方向的信號(hào)整合成標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)板卡所要求的形式，減少測(cè)試設(shè)備中定制板卡的種類和數(shù)量，這樣，只須通過(guò)配置軟件模塊便可適應(yīng)不同類型衛(wèi)星控制系統(tǒng)的測(cè)試需求［6］。

（3）測(cè)試設(shè)備小型化：發(fā)展小型化的地球模擬器、太陽(yáng)模擬器等測(cè)試設(shè)備，盡可能便于安裝和使用，減少總裝工作時(shí)間。目前，國(guó)內(nèi)已有不少小型化模擬器用于測(cè)試，大大減少了測(cè)試復(fù)雜度和時(shí)間。

（4）測(cè)試自動(dòng)化：目前測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化和通用化已經(jīng)成為衛(wèi)星測(cè)試的發(fā)展方向［7-8］。國(guó)外的自動(dòng)化測(cè)試發(fā)展比較成熟，國(guó)內(nèi)目前已加大對(duì)自動(dòng)化測(cè)試的重視程度。建議大力發(fā)展自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化及流程化；引入專家智能系統(tǒng)，能夠自主分析測(cè)試結(jié)果并打印報(bào)告。

（5）總裝工作自動(dòng)化：總裝工作在AIT 流程中占了很大比重，因此總裝工作自動(dòng)化也是加快流程的一個(gè)重要途徑。例如：研究熱控包覆和散熱片的自動(dòng)化制作方法，縮短總裝工作時(shí)間；研發(fā)或引進(jìn)三軸振動(dòng)臺(tái)，只要進(jìn)行一次裝卸即可完成三軸的振動(dòng)試驗(yàn)；研發(fā)或引進(jìn)綜合質(zhì)量特性測(cè)試臺(tái)，只要一次裝卸就可完成質(zhì)心、三軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及整星質(zhì)量的測(cè)試。

（6）操作文件圖形化：參考ORS快速AIT 演示試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，總裝操作步驟盡量圖形化，配以精簡(jiǎn)的描述文字，更能提高效率。

（7）人員專業(yè)化：專人專職，責(zé)任明確。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文調(diào)研了國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)，提出了國(guó)內(nèi)小衛(wèi)星AIT 流程的簡(jiǎn)化方案，并探討了其實(shí)現(xiàn)途徑。未來(lái)，針對(duì)密集型任務(wù)的測(cè)試需求，如何在保證質(zhì)量的前提下簡(jiǎn)化衛(wèi)星的測(cè)試流程，將成為衛(wèi)星測(cè)試的一個(gè)重要研究方向。與之相輔相成的是，應(yīng)大力發(fā)展通用化、自動(dòng)化、信息化、智能化的測(cè)試設(shè)備，建立起一套完善的測(cè)試技術(shù)新體系，提高測(cè)試效率。

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