航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)：第一部分　試驗基線由來

張小達，李 曄，向樹紅，吳永亮，馮鐵惠（. 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 0007；. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 00094）

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航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)：第一部分試驗基線由來

張小達1，李 曄2，向樹紅2，吳永亮1，馮鐵惠1
（1. 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071；2. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

摘要：文章分析了試驗驗證在航天器研制壽命周期中的地位，闡述了型號試驗基線及其文件的組成，討論了航天器環(huán)境試驗概念和試驗要求標(biāo)準(zhǔn)的演化，給出了試驗基線的定義和主要內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：航天器；環(huán)境試驗要求；試驗基線；標(biāo)準(zhǔn)

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0　引言

航天器具有技術(shù)創(chuàng)新多、產(chǎn)品批量小、考核過程復(fù)雜、樣機上天等特點。這些特點反映在項目研發(fā)文件和項目的總結(jié)報告中，最終逐步體現(xiàn)在航天器的試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中。故此，形成了與其他國防裝備不同的、獨具特色的航天器試驗要求標(biāo)準(zhǔn)。

由航天器試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中的試驗策略、鑒定試驗要求、驗收試驗要求以及準(zhǔn)鑒定試驗要求等內(nèi)容構(gòu)成環(huán)境試驗基線。在航天器研制早期的試驗中，如關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段進行的研制試驗，以及為確定技術(shù)方案而進行的研制試驗，雖然不作為試驗基線，但必須要考慮試驗要求。在試驗標(biāo)準(zhǔn)中，沒有明確列出發(fā)射階段和在軌階段的試驗基線。總的來說，在進行航天器功能、性能、約束條件以及接口條件的設(shè)計時，應(yīng)全面考慮航天器各階段、各裝配級的試驗要求。針對每一航天器型號的功能、性能、約束條件以及接口條件，需要對通用的航天器試驗要求標(biāo)準(zhǔn)進行剪裁，使其滿足本型號的試驗要求。

本文分為三個部分，旨在全面研究和闡述（環(huán)境）試驗基線的定義、要素和具體內(nèi)容，針對具體型號的剪裁方法，以及構(gòu)建特定型號的試驗基線。此為第一部分。

1　系統(tǒng)工程理論在航天器研制中的應(yīng)用

1.1系統(tǒng)工程的定義

系統(tǒng)工程是一種跨學(xué)科的方法和手段，目的是確保系統(tǒng)運行取得預(yù)期成效。系統(tǒng)工程活動是從用戶需求出發(fā)，采用一系列工程研制策略，并通過專業(yè)技術(shù)活動和技術(shù)管理活動，在進度、成本和其他約束條件下，使系統(tǒng)滿足用戶的需求。

航天器研制工程亦屬于一項系統(tǒng)工程。

1.2系統(tǒng)工程要素或活動

系統(tǒng)工程主要要素或活動大致包括：

1）系統(tǒng)壽命周期與階段劃分，這是系統(tǒng)工程的主線；2）工程目標(biāo)與研制策略；3）系統(tǒng)工程技術(shù)過程（或流程）；4）系統(tǒng)工程技術(shù)管理過程；5）系統(tǒng)工程跨學(xué)科專業(yè)技術(shù)；6）系統(tǒng)工程過程文件。還有許多未提到的其他要素，它們也都起著不同作用。

系統(tǒng)工程最重要的問題是要將工程中考慮的各項要素按照系統(tǒng)壽命周期的順序進行排列。每一項工程要素均應(yīng)在工程壽命周期中找到它的位置，這樣，對該要素或活動的目的、輸入、內(nèi)容、輸出等要求就可以較容易地進行判斷。系統(tǒng)工程主線和要素如圖1所示[1]。

圖1　系統(tǒng)工程主線和要素Fig. 1　The cardinal line and essential elements of systems engineering

1.3系統(tǒng)工程的技術(shù)過程

GB/T 22032—2008《系統(tǒng)工程 系統(tǒng)壽命周期過程》（等同采用ISO/IEC 15288-2002）規(guī)定，技術(shù)過程大致包括要求定義、要求分析、總體設(shè)計、產(chǎn)品實現(xiàn)、產(chǎn)品集成、產(chǎn)品驗證、產(chǎn)品交付、產(chǎn)品確認、產(chǎn)品運行與使用、產(chǎn)品維護、產(chǎn)品退役與處置。

1.4技術(shù)過程中的驗證過程

技術(shù)過程中的驗證過程如圖2所示。

圖2　驗證過程示意圖Fig. 2　Schematic diagram of the verification process

1.5系統(tǒng)工程反復(fù)迭代過程

在MIL-STD-499C-2005（草案）以及早前各版《工程管理》中，把“系統(tǒng)工程過程”作為標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容。“系統(tǒng)工程過程”是美軍提煉的系統(tǒng)工程通用的部分，即系統(tǒng)工程反復(fù)迭代過程。

2　試驗活動在航天器研制系統(tǒng)工程中的位置

試驗活動是航天器一系列技術(shù)活動的重要組成部分，貫穿于型號研制的各個階段，包括論證階段、方案階段、初樣階段、正樣階段以及在軌運行階段。各研制階段的試驗?zāi)康牟煌囼烅椖亢驮囼灄l件也不同。

航天器研制試驗、鑒定試驗、驗收試驗、準(zhǔn)鑒定試驗、在軌運行試驗等在航天器研制壽命周期中的位置見圖3。

圖3　試驗驗證在航天器壽命周期中的位置示意圖Fig. 3　The position of the test verification in the spacecraft life cycle

3　航天器試驗概念與試驗要求標(biāo)準(zhǔn)的演化

3.1有關(guān)試驗要求的主要標(biāo)準(zhǔn)

美國軍用標(biāo)準(zhǔn)有：MIL-STD-1540C-1994《運載器、上面級和航天器試驗要求》；MIL-HDBK-340A-1999《運載器、上面級和航天器試驗要求：卷1 基本要求；卷2 應(yīng)用指南》；SMC-S-016-2008《運載器、上面級和航天器試驗要求》。NASA標(biāo)準(zhǔn)有GSFC-STD-7000《GSFC飛行計劃與項目通用環(huán)境驗證標(biāo)準(zhǔn)》。ECSS標(biāo)準(zhǔn)有ECSS-E-ST-10-03《空間工程標(biāo)準(zhǔn)：試驗》。

3.2航天器試驗概念的演化[2]

航天器試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中試驗概念的演化過程大致如下。

在“阿波羅”登月計劃的初期，登月艙段（如返回艙、著陸艙）的試驗概念和理念經(jīng)歷了3次重大演化發(fā)展，生成了3種試驗概念，以確定最優(yōu)的航天器硬件設(shè)計考核的試驗驗證方法；“阿波羅”登月計劃之后，針對大量昂貴通信衛(wèi)星的發(fā)射，提出了第4種試驗概念。這些概念依次如下：

1）可靠性試驗。由于“阿波羅”計劃是一個載人的登月計劃，航天器的驗證試驗按照可靠性統(tǒng)計的概念設(shè)計，即根據(jù)可靠性要求確定試驗件數(shù)量：每一項試驗均需要30～50個試驗件，試驗量級和持續(xù)時間均采用真實的估計預(yù)示。顯然，從經(jīng)費和進度上考慮，無法支撐這樣的試驗概念。因此很快提出第2個試驗概念。

2）極限環(huán)境試驗。由環(huán)境極限確定試驗件數(shù)量，即不考慮環(huán)境條件的時間長度，只考慮設(shè)計極限環(huán)境條件，驗證硬件承受最嚴(yán)酷環(huán)境的能力，增加了安全系數(shù)。這樣解決了試驗樣本過大的問題。但是，該設(shè)想導(dǎo)致各種環(huán)境因素極限條件的累積，使得安全系數(shù)過大，試驗同樣無法開展下去。接著，提出第3個試驗概念。

3）鑒定/驗收試驗。綜合考慮試驗項目和分析項目，每種硬件單元生產(chǎn)2個（鑒定/驗收試驗的兩件試驗件），其中一個硬件單元用于設(shè)計極限試驗，第二個元用于任務(wù)壽命試驗。到“阿波羅”登月計劃的中、后期，該試驗概念成為了主流的試驗理念，也形成了鑒定/驗收的試驗原理。

“阿波羅”登月計劃結(jié)束后不久，1974年一年之內(nèi)，美軍連續(xù)發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)《運載器、上面級和航天器試驗要求》MIL-STD-1540版和MIL-STD-1540A版，采用了鑒定/驗收試驗概念。這就是最早的試驗要求標(biāo)準(zhǔn)。

4）準(zhǔn)鑒定試驗（第4個試驗概念）。在1994年發(fā)布的MIL-STD-1540C中，正式提出了鑒定與驗收試驗的替代策略——準(zhǔn)鑒定（原型飛行）試驗的概念，即采用一個試驗件、一次準(zhǔn)鑒定（原型飛行）試驗代替鑒定和驗收2次試驗，試驗后進行正式飛行。原文中有4種提法：原型飛行試驗、原型鑒定試驗、試飛試驗、組合試驗，但它們的含義略有不同。其中原型飛行試驗相當(dāng)于準(zhǔn)鑒定試驗。

GJB 1027A—2005也采用了準(zhǔn)鑒定試驗的提法。

3.3航天器試驗要求標(biāo)準(zhǔn)的演化

從“阿波羅”計劃早期考核產(chǎn)品可靠性的多樣本試驗思路，逐步轉(zhuǎn)變到末期只生產(chǎn)2件飛行產(chǎn)品（試驗的不上天、上天的不試驗）的環(huán)境鑒定與驗收試驗思路，形成了航天器環(huán)境試驗要求標(biāo)準(zhǔn)的雛形。目前已經(jīng)發(fā)展到只生產(chǎn)一件產(chǎn)品（既要試驗，又要上天）的環(huán)境準(zhǔn)鑒定試驗思路。要求標(biāo)準(zhǔn)的試驗項目和試驗條件不斷完善和細化。

4　試驗基線由來及主要內(nèi)容

4.1技術(shù)狀態(tài)基線

在技術(shù)狀態(tài)管理中經(jīng)過批準(zhǔn)的產(chǎn)品規(guī)范被稱為技術(shù)狀態(tài)基線。按航天器研制階段的發(fā)展進程，形成了3個基線，即功能基線、分配基線和產(chǎn)品基線[3]。

1）功能基線。在概念和技術(shù)研發(fā)/關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段/方案設(shè)計階段的后期，技術(shù)成熟以及方案確定時，應(yīng)進行系統(tǒng)要求和系統(tǒng)規(guī)范評審，通過后的系統(tǒng)要求和系統(tǒng)規(guī)范形成了第1個基線——功能基線。《系統(tǒng)研制總要求》或《系統(tǒng)研制任務(wù)書》相當(dāng)于功能基線的初稿，《系統(tǒng)規(guī)范》相當(dāng)于功能基線文件。功能基線文件應(yīng)通過系統(tǒng)要求評審（SRR）和/或系統(tǒng)功能評審（SFR）后正式確認。

2）分配基線。在概念和技術(shù)研發(fā)/關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段/方案設(shè)計階段結(jié)束前，或者是初樣階段/初步設(shè)計與技術(shù)方案階段/工程與研制制造階段的開始，應(yīng)進行初步設(shè)計評審（PDR），通過后形成CI（系統(tǒng)級以下關(guān)鍵產(chǎn)品）基線文件，這些文件通常是經(jīng)批準(zhǔn)的型號CI規(guī)范（如：××分系統(tǒng)規(guī)范、××設(shè)備規(guī)范、××單機規(guī)范、××組件規(guī)范），由此形成了第2個基線——分配基線。

3）產(chǎn)品基線。在初樣階段/初步設(shè)計與技術(shù)方案階段的中期，或者是工程與制造研制階段的末期，應(yīng)進行關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR）/詳細設(shè)計評審（DDR），通過后形成制造產(chǎn)品的圖樣、產(chǎn)品詳細規(guī)范、材料規(guī)范、工藝規(guī)范、軟件規(guī)范等（的初始稿），形成第3個基線——產(chǎn)品基線。產(chǎn)品基線的演化需要經(jīng)歷相當(dāng)長的時間，按照用途需要經(jīng)歷以下3個成熟度的產(chǎn)品基線：①初始產(chǎn)品基線，用于生產(chǎn)樣件、工程模型、首件產(chǎn)品等；②經(jīng)過驗證的初始產(chǎn)品基線，用于小批量生產(chǎn)；③最終產(chǎn)品基線，用于大批量生產(chǎn)。對于航天器只有前2個產(chǎn)品基線，即初始產(chǎn)品基線是指鑒定驗收策略的“鑒定件”，以及準(zhǔn)鑒定策略的“首件（準(zhǔn)鑒定件）”；經(jīng)過驗證的初始產(chǎn)品基線是指鑒定驗收策略的“驗收件”，以及準(zhǔn)鑒定策略的“后續(xù)件”。研制階段與3個基線的關(guān)系見圖4[4]。

圖4　研制階段與3條基線的關(guān)系Fig. 4　The relationship between life cycle phase and the three baselines

4.2試驗基線的定義

試驗基線是技術(shù)狀態(tài)基線文件中的試驗驗證部分，或者說是經(jīng)批準(zhǔn)的試驗驗證活動文件。型號試驗基線是批準(zhǔn)的型號試驗文件。具體型號試驗基線是指經(jīng)批準(zhǔn)的（功能、分配和產(chǎn)品）基線文件中以試驗來驗證產(chǎn)品達到或符合功能特性、物理特性、約束條件和接口要求的內(nèi)容，或者是經(jīng)批準(zhǔn)的試驗要求標(biāo)準(zhǔn)，或者是為具體型號制定的《試驗要求》類文件。試驗要求標(biāo)準(zhǔn)是將分散的型號專用規(guī)范中的試驗基線匯總起來，形成一個通用試驗基線。按照該通用試驗基線進行試驗，風(fēng)險評估為中等。后續(xù)型號制定試驗基線時，應(yīng)根據(jù)風(fēng)險等級和壽命周期環(huán)境剖面對通用試驗基線標(biāo)準(zhǔn)進行剪裁，形成本型號的專用試驗基線，包括試驗策略、試驗件、增減試驗項目、試驗量級、持續(xù)時間等。

4.3在現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中，研制試驗不作為試驗基線

在試驗基線標(biāo)準(zhǔn)中，研制試驗不作為基線。這是因為基線是“經(jīng)過批準(zhǔn)的要求”。基線往往是用于考核產(chǎn)品某些功能、性能指標(biāo)是否符合要求的試驗要求，而研制試驗大多數(shù)試驗項目不太確定，往往達不到上述目的。研制試驗通常用于技術(shù)摸底/成熟化、選擇技術(shù)方案、降低風(fēng)險等目的，試驗項目種類繁多，而納入標(biāo)準(zhǔn)中的項目不多。有些看起來具有代表性的項目，目前尚不能作為基線，但將來有可能變?yōu)榛€。

在標(biāo)準(zhǔn)中，元器件級、部件級、組件級研制試驗項目沒有按照力學(xué)試驗、空間環(huán)境試驗進行分類，只按照產(chǎn)品層級分類。

4.4試驗基線的主要內(nèi)容

1）鑒定/驗收試驗基線

在所有試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和組件級的鑒定試驗和驗收試驗的試驗矩陣，也稱鑒定/驗收試驗基線。

鑒定試驗采用（P99/90值）的概念，即99%的概率，90%的置信度[5-10]。

驗收試驗采用（P95/50值）的概念[5-10]。

2）準(zhǔn)鑒定試驗基線

準(zhǔn)鑒定試驗基線只是在ECSS-E-ST-10-03C和GSFC-STD-7000中給出，而在其他標(biāo)準(zhǔn)（包括GJB 1027A—2005）中均未給出。

準(zhǔn)鑒定試驗沒有明確的概率/置信度值，但是概率/置信度值在（P99/90值）與（P95/50值）之間，與所采用試驗策略有關(guān)。

準(zhǔn)鑒定試驗基線分兩種情況：1）一些試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了系統(tǒng)級和組件級的準(zhǔn)鑒定試驗矩陣表，也稱準(zhǔn)鑒定試驗基線表。如：ECSS-E-ST-10-03C和GSFC-STD-7000制定了通用的準(zhǔn)鑒定基線。2）大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定準(zhǔn)鑒定基線，而是規(guī)定了通過修改鑒定試驗基線或驗收試驗基線，得到準(zhǔn)鑒定試驗基線的方法，如GJB 1027A—2005、MIL-HDBK-340A（MIL-STD-1540C）、SMC-S-016 （TR-2004(8583)-1 REV A）。

5　試驗基線文件

5.1試驗基線文件的類別

1）通用試驗要求標(biāo)準(zhǔn)：GJB 1027A—2005《運載器、上面級、航天器試驗要求》是通用的試驗要求標(biāo)準(zhǔn)。廣義上，“試驗基線”如GJB 1027A—2005所說是指“試驗要求標(biāo)準(zhǔn)”；狹義上，就是指試驗矩陣。

2）型號專用試驗要求文件：是指對“通用試驗要求標(biāo)準(zhǔn)”進行剪裁，并根據(jù)型號要求制定文件。如：NASA的“星座”計劃專門制定了CxP 70036《“星座”計劃環(huán)境鑒定與驗收試驗要求（CEQATR）》。

3）其他型號專用文件：一些特殊產(chǎn)品的試驗要求（試驗基線）既不包含在通用試驗要求標(biāo)準(zhǔn)中，也不包含在型號專用試驗要求文件中，而是包含在其他型號專用文件中。如：空間環(huán)境（原子氧、中性大氣、電離輻射，等等）試驗，不包含在通用的SMC-S-016-2008《運載器、上面級和航天器試驗要求》中，也不包含在專用的CxP 70036《“星座”計劃環(huán)境鑒定與驗收試驗要求（CEQATR）》中，而是包含在型號專用文件CxP 70144《“星座”計劃電離輻射控制計劃》和CxP 70023《“星座”計劃自然環(huán)境設(shè)計規(guī)范（DSNE）》中。

5.2試驗矩陣

試驗基線由一組“試驗矩陣”構(gòu)成。鑒定試驗矩陣、驗收試驗矩陣和準(zhǔn)鑒定試驗矩陣均分為系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和組件級。具體框架將在文章的第二部分《試驗基本要素》中予以說明。

6　小結(jié)

航天器環(huán)境試驗是航天器研制系統(tǒng)工程中的重要技術(shù)活動，是航天器質(zhì)量的重要驗證保證過程。試驗基線規(guī)定了型號應(yīng)做的試驗以及基本要求，包括航天器功能基線、分配基線和產(chǎn)品基線中的試驗驗證部分。試驗要求標(biāo)準(zhǔn)GJB 1027A—2005對航天器試驗基線進行了定義，提出了基準(zhǔn)剪裁要求。型號的試驗基線應(yīng)按該試驗要求標(biāo)準(zhǔn)進行剪裁而得。

文章的第二部分將專門剖析試驗基線的要素。

（未完待續(xù)）

參考文獻(References)

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[10]GJB 1027A—2005 運載器、上面級和航天器試驗要求[S]

（編輯：肖福根）

Spacecraft environmental test baseline and and its tailoring technology: Part I The origin of test baseline

Zhang Xiaoda1, Li Ye2, Xiang Shuhong2, Wu Yongliang1, Feng Tiehui1
(1. China Acamemy of Aerospace Standardization and Product Assurance, Beijing 100071, China; 2. Beijing Institute of Spacecraft Enviroment Engineering, Beijing 100094, China)

Abstract:The position of the test verification in the spacecraft life cycle is discussed in this paper. The spacecraft test baseline and its related documents are reviewed. The environmental test conception and the corresponding standards of the test requirements are analyzed. The definition of the test baseline and its main contents are given.

Key words:spacecraft; environmental test requirements; test baseline; standards

作者簡介：張小達（1960—），男，研究員，從事航天總體與環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化工作。E-mail: zxd79104@126.com。

基金項目：國家國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研課題“航天器環(huán)境試驗基線與剪裁技術(shù)”（編號：JSJC2013203B002）

收稿日期：2016-02-18；修回日期：2016-03-17

DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2016.02.002

中圖分類號：V416; N65

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-1379(2016)-0121-06