提高航天器結構試驗驗證效費比的策略

高峰，柴洪友，白光明

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提高航天器結構試驗驗證效費比的策略

高峰1，柴洪友1，白光明2

（1. 北京空間飛行器總體設計部；2. 中國空間技術研究院通信衛星事業部：北京100094）

面臨市場競爭所帶來的經費、周期、人力等壓力，如何提高航天器結構試驗驗證的效費比成為熱點問題。文章指出提高試驗驗證效費比的前提是要充分理解試驗的目的、類型、責任，把試驗驗證視為設計與產品質量保證的有效手段；進一步提出從提高設計質量、權衡過程控制與檢驗試驗的成本、理解失效模式、設計針對性的驗證、同步規劃設計與驗證6方面構建高效費比的試驗驗證策略。

航天器結構；試驗驗證；高效費比；質量管理體系

0 引言

近年來，面臨市場競爭所帶來的經費、周期、人力等壓力，如何提高各種類型試驗驗證的效費化成為熱點問題，目前普遍的的做法是對試驗項目進行恰當的剪裁。隨著虛擬試驗技術及仿真技術的發展和成熟，人們傾向于減少甚至取消部分物理試驗。但是，有些設計師對試驗驗證活動存在一定的誤解，認為“總體沒有要求我們做試驗，我們就不用做試驗”，甚至認為設計驗證或產品驗證的成功判據就是“不被破壞”，因而為了確保試驗考核“成功”，有時采取盡量壓低試驗量級的做法。如此一來，承研方和總體單位有時會成為對立面，即承研方要求以盡可能低的量級進行試驗，而總體單位又要求盡可能高的試驗條件。

事實上，對試驗驗證的準確理解是回答上述問題的前提，也是制定高效費比試驗驗證策略的關鍵。本文首先指出應從設計與驗證的內涵、驗證類型、驗證目的、驗證責任等方面深入地理解試驗驗證；進一步指出，從提高設計質量、權衡過程控制與檢驗試驗的成本、理解失效模式、設計針對性的驗證、同步規劃設計與驗證6方面構建提高試驗驗證效費比的策略。

1 試驗驗證的理解

1.1 設計與驗證

嚴格來說，設計師應同時承擔設計和驗證兩項工作任務。根據客戶要求及約束條件，先是確定設計目標并提出設計方案，然后通過各種驗證手段來證明設計方案滿足要求，在設計與驗證的迭代中，不斷地建立起對設計的信心。因此，從邏輯關系上，是先有設計，然后有設計驗證；先有產品，再有產品驗證。

關于設計，并沒有統一明確的定義。H. Petroski[1]認為，設計就是對失效的避免與完善。Robert Jones[2]認為，設計是一個提出非確定解的過程，是回答“承擔給定載荷的優選結構是什么？”。

驗證是找出確定解的過程，是回答“結構能夠承受多大載荷？”[2]。驗證是用來證明設計滿足設計要求、并能在壽命期間保持其使用能力的基本過程。W. J. Larson[3]認為針對航天器系統，驗證（Verification）是回答“我們是否把系統設計正確了？”，如果驗證通過，那就證明設計滿足要求。確認（Validation）是回答“我們是否設計了正確的系統？”，如果確認通過，那就證明系統會如預計的那樣正確工作。

1.2 試驗驗證優勢

試驗[4-5]是一種有效驗證方法，在航天器的驗證工作中起著不可替代的重要作用。試驗驗證具有如下優勢：

1）驗證比較可靠。由于航天器的環境或載荷條件比較苛刻，其材料和構造比較特殊，生產批量少，繼承性較差，而試驗驗證又可以基本上模擬真實環境和產品技術狀態，因此驗證的可信度高。

2）驗證比較全面。其他驗證方法，例如產品設計的驗證分析和產品制造質量的驗證檢驗，均有一定的局限性，而試驗可以同時驗證產品的設計和制造質量。

3）驗證比較直觀。采用分析或類比的驗證方法需要經過許多間接的推論，而試驗驗證的結果一般可以很快獲得且又比較直觀，容易被決策者接受。

1.3 試驗驗證類型

對于新的結構，新的材料，新的制造工藝，則要求進行研制試驗；為了驗證航天器結構的設計滿足要求，需要進行鑒定試驗；驗證航天器結構或機構產品的制造工藝質量，應該進行驗收試驗。

從系統工程的研制階段劃分來看，方案階段的主要目的是建立結構體系架構、明確系統組成及部件功能，這是后續詳細設計的基礎。在方案階段，主結構的靜力試驗通常是鑒定級，目的是驗證結構體系中的核心部件（通常是主結構）設計的合理性，對其技術狀態進行固化。初樣階段主要是進行次級結構設計，其設計載荷往往是由振動環境導出，因此，次級結構驗證也是通過正弦振動鑒定級試驗來進行，此時主結構的作用可以理解為是配合次級結構驗證的“工裝”。正樣階段主要驗證所制造的產品沒有工藝缺陷，其驗收試驗可以理解為無損檢測試驗。

另一種降低研制和驗證成本的方式是原型飛行（Protoflight）策略，不單獨進行鑒定件的制造及其鑒定試驗。首次制造的飛行件試驗通常稱為準鑒定試驗，其試驗量級高于驗收級、低于鑒定級，盡量縮短試驗時間以免影響產品的壽命，如正弦振動采用4Oct/min，噪聲試驗為60s。盡管原型飛行策略可以節省費用和加快進度，但增加了失敗的風險。

1.4 試驗驗證目的

從本質上來說，試驗本身并不是目的，試驗要么是驗證設計或產品，要么是為了獲取信息，它只是達到上述目的的手段。設計師不是為了試驗而做試驗，也不僅僅是為了滿足客戶要求而做試驗，而是通過試驗建立起對設計及產品的信心。

在設計過程中需要做研制試驗，目的是獲取用于設計和分析所需的各類參數，或者驗證整個結構體系。

當對設計質量不確定時，需要做鑒定試驗，目的是驗證設計并獲取鑒定余量，因此試驗條件的制定必須聚焦于“如何實現對設計的考核”。有效考核的前提是需要知道設計目標是什么，即回答“產品當初是怎么設計的？設計載荷是多少？試驗的加載是否達到了設計載荷要求？”。在振動試驗時，試驗條件的下凹應以達到設計載荷要求為準則，而不能以不被破壞或者不被擊穿作為星箭耦合分析的下限準則。試驗下凹控制不能影響到“證明結構具有正的強度裕度”這一目標的達成[6]。

當產品質量（實現過程）不確定時，需要做驗收試驗，即檢驗試驗。一般來說，如果對產品的實現過程能夠進行完美控制，就可以不做驗收試驗，但航天器實現過程復雜的特點又決定了需要驗收試驗。

1.5 試驗驗證責任

承研方開展結構試驗驗證的目的是驗證設計及產品是否滿足客戶要求，因此，驗證活動的責任主體是承研方，而不是客戶。對于航天產品，承研方是最了解其設計狀態及產品實現過程的一方，有義務針對各類薄弱環節及潛在失效模式制定有針對性的驗證矩陣。鑒于航天產品的承研方和客戶是利益相關方，故試驗驗證活動要經過客戶確認，但這不能改變驗證活動的責任主體。因此，承研方設計師應把試驗驗證活動視為自己的責任，而非僅僅是完成總體要求的工作。前者是積極的、主動的驗證，后者是消極的、被動的驗證。

GJB 9001B之7.4.3[7]提出“組織應編制采購產品的驗證準則。顧客參加產品驗證活動并不能免除組織提供可接受產品的責任”。AS 9100C之7.4.3[8]提出“組織或供方不應該把顧客對任何層次的供應鏈所做的驗證活動用作質量有效控制的證據，也不能免除組織提供可接受產品和符合所有要求的責任”。

2 高效費比的試驗驗證策略

2.1 提高設計質量是減少驗證活動的本源

如前所述，設計是整個研制活動中最重要的環節，從工程本質上而言，好的設計一定是簡單的、健壯的。如果能夠利用系統工程方法把復雜的目標分解成簡單的結構設計，甚至簡單到通過受力簡圖或簡單建模分析就可得到準確答案，那就可以減少對試驗驗證活動的依賴。從質量的觀點來看，Taguchi[9]認為“產品的質量來源于設計，而非對產品的檢驗”。

結構材料選取也是如此。金屬材料具有各向同性、均質、失效模式單一的特點，而復合材料具有各向異性、非均質、失效模式多樣、破壞過程復雜、力學性能離散性大的特點。對于金屬材料，可能僅通過分析就可以驗證其強度要求；而對于復合材料，不得不通過各類驗證活動來獲取足夠信心。這并非排斥復合材料，而有時需要在先進性和成本之間做出權衡。

因此，如果航天項目面臨經費、進度等壓力，不應該盲目地去剪裁試驗項目，應該通過更簡化的設計以減少不確定度，進而提高產品固有健壯性，實現設計內在質量的提高，在此基礎上的試驗剪裁才不會增加項目風險。

2.2 權衡過程控制與產品檢驗試驗

控制產品的質量，要么是通過過程控制，要么是通過事后檢驗。質量大師Deming[9]認為“不應通過事后檢驗而應通過過程控制來提高產品質量”。

不同產品實現過程的復雜程度不盡相同。對于諸如易拉罐一樣的簡單產品，實現過程簡單，即便失效也沒有危害，只需要建立過程可控的標準化生產線即可，不需要對每件產品做檢驗，如逐個進行打壓試驗。但對于航天器密封艙結構，盡管對其生產過程進行了嚴格的控制，仍需要通過水壓試驗檢驗密封艙焊縫。

我們需要根據產品實現過程的復雜程度設計檢驗試驗，在完成鑒定試驗之后，若產品制造過程簡單，就沒有必要安排檢驗試驗；若制造過程復雜，除設置關重件、關鍵強制檢驗點等過程控制手段外，也需要逐件進行檢驗試驗。

因此，采用簡單的工藝方法，加強復雜產品過程控制，減少制造過程偏差，是減少產品檢驗試驗的重要保障。

2.3 理解失效模式是提高驗證針對性的前提

驗證不是盲目性的活動，設計師在設計發布時就應該能夠預計到失效部位和失效模式，進而安排有針對性的試驗驗證。當然，試驗驗證也能發現設計師預計之外的失效模式，此時需要確定的是該失效模式究竟是因為試驗設計不合理，還是由結構設計的薄弱環節所引起的。

以“東五”平臺大型儲箱支撐拉桿為例，為了減輕重量而采用全黏接方式。通過試驗確定了黏接膠類型、膠接間隙、合適的接頭剛度過渡形式；又通過鑒定試驗確定并凍結該膠接結構的設計技術狀態。但考慮到膠接環節受膠接間隙、表面狀態等因素影響，可能存在膠接質量問題，必須采取有效的無損檢測手段以確保產品質量受控，因此規定每件產品交付前需要驗收試驗。2015年，SpaceX公司發射“獵鷹9號”火箭失敗，原因定位于用于氦氣罐固定的支架因工藝缺陷而折斷，高效費比的解決措施就是在外協廠家交付總體集成之前須逐一進行檢驗試驗[10]。

如果把人的體檢視為一種試驗驗證活動，那么不同年齡和性別選擇的體檢項目應有所不同，同樣對于人體不同部位應選擇不同的檢查手段，甚至對于同一種疾病也可采用不同的化驗方式，而不是不加區分地把所有的體檢項目、所有的檢查方式都做一遍。航天產品的試驗驗證也是如此。

因此，理解不同結構的典型失效模式，有針對性地設計驗證矩陣，是提高驗證效費比的有效措施。

2.4 同步規劃設計與驗證活動

系統工程方法要求自上而下進行設計與分解，自下而上進行產品驗證與集成。在設計時，就需要同步考慮如何驗證的問題，即考慮設計及產品的可驗證性。技術分解和產品分解直接決定驗證策略，接口定義應盡可能地簡單明確以便于驗證實施，不明確且復雜的接口將會使組件產品的驗證變得極其復雜。

其實，設計與驗證是研制過程中不可分割的兩方面，應該帶著驗證的觀點去做設計，應該帶著設計的觀點去做驗證。但專業細分又會導致不好的傾向，部分設計師認為驗證活動應由專業的分析人員或者試驗設計人員負責，應由他們發現設計缺陷；而試驗驗證人員往往認為其工作只是校核圖樣、暴露缺陷，而沒有義務去思考如何提出更好的設計，這是設計師的責任。造成的后果就是，設計師做出的設計方案可驗證性較差，需要花費較大的成本去驗證；分析人員因沒有充分理解設計意圖并判斷失效模式，而做出無效的試驗驗證。

2.5 加強試驗設計成本意識

設計人員總是希望對所有的不確定環節都能進行試驗驗證，以降低風險，但對于工程來說，“money talks”是永遠需要考慮的事情，為此，就需要在有限的資源約束下，加強試驗設計與實施的可行性與有效性研究。

1）選擇合適的試驗加載方式。如對于靜力試驗，大型衛星宜采用縱橫聯合加載試驗方式；小衛星可采用sine-burst試驗方式，在振動臺上同時完成靜力試驗和振動試驗；更為緊湊的航天器結構宜采用離心試驗。

2）對試驗工況進行剪裁，即并非所有的設計工況都需要驗證。如對于大型衛星的拉伸設計載荷，若因為受限于成本及實施難度難以進行試驗驗證的，則可以結合分析手段進行試驗驗證。

3）通過加載點簡化以降低試驗成本。加載點簡化的前提是對考核目的和傳力路徑的深入了解，例如僅考核星箭連接面載荷，那么遠離該部位的載荷施加位置可以簡化；若對內部結構設計有信心，那么就可以把加載點位置轉移到星外，降低實施難度。

4）充分理解試驗目的，合理布置測點位置及數量。試驗設計人員傾向于盡可能多地使用測點，盡管能力更強的試驗設備提供了這種可能，但是，若對于試驗目的理解的不夠，單純增加測點要么沒有布置在需要的位置，要么沒有采集到需要的失效模式。事實上，試驗時，設計師關心的測點遠少于當初布置的測點數量。

5）在試驗設計早期就與試驗實施單位溝通，討論試驗的可實施性，做出簡單有效的加載方案及試驗工裝。對于重要的試驗工裝，其本身的設計質量與產品質量也需要進行驗證，避免試驗實施時因工裝失效而引起試驗成本增加。

2.6 客觀看待計算仿真及虛擬試驗技術

得益于各類計算仿真軟件和計算機硬件的飛速發展，航天器結構計算與仿真能力也越來越強，模型與試驗的關聯修正使得計算分析結果與試驗結果吻合度好，計算模型的可靠度高。但計算分析準確程度依賴于是否把可能出現的失效模式都已包含于模型之中，并采用有效的失效判據。

近年來虛擬試驗技術快速發展，其真正用意是將試驗工裝、試驗件、控制策略開展聯合建模分析，獲取更為真實的試驗邊界和分析結果，減少剛性邊界下試驗條件不準確的現象。但實質上，不能指望通過虛擬試驗回答如何進行設計（研制試驗）、如何發現設計缺陷（鑒定試驗）、如何檢驗產品工藝質量（驗收試驗）等問題。

3 結束語

1992年，時任NASA局長Daniel Goldin提出“Faster、Better、Cheaper”（FBC）策略替代原有的“Higher、Faster、Further”，對于FBC策略所取得的實際效果，業界評價不一[11]，有人認為FBC只能二者取一。事實上，如果我們首先能把事情做“好”，那么就可以做到“快”和“省”。把事情做“好”，就意味著：

1）遵循科學的系統工程方法，從技術、邏輯和時間等維度規劃好所有的研制活動，在做WBS（工作分解結構）之前，首先更要做好TBS（技術分解結構）和PBS（產品分解結構）的構建；

2）從本質和源頭上提高設計水平，永遠不要忽略工程的本質是KISS（keep it simple, stupid）原則，產品試驗時破壞往往源于設計及圖紙發布；

3）設計出簡單、可靠的工藝方案及實現過程，利用質量體系加強對復雜過程的控制，盡量減少產品質量的檢驗試驗；

4）試驗設計人員一方面要充分理解驗證的意義，另一方面對于驗證活動要有責任意識，要將驗證活動視為增加對產品信心的自發活動，而非僅僅是在完成總體要求的一項工作。

[1] PETROSKI H. To engineer is human: the role of failure in successful design[M]. London: Macmillan, 1986: 112-115

[2] JONES R M. Mechanics of composite materials[M]. New York: McGraw-Hill, 1975: 367-376

[3] LARSON W J. Applied space systems engineering[M]. London: McGraw-Hill, 2009: 385-475

[4] SARAFIN T. Spacecraft structures and mechanisms from concept to launch[M]. Netherlands: Springer, 1995: 319-325

[5] 陳烈民. 航天器結構與機構[M]. 北京: 中國科學技術出版社, 2005: 435-443

[6] Arianespace. Ariane 5 user’s manual[G]. Rev 2 ed, 2016: 4-9

[7] 國防科學技術委員會. 質量管理體系要求: GJB 9001B—2009[S]. 北京: 國防科工委軍標出版發行部, 2009

[8] International Aerospace Quality Group. Quality management systems–Requirements for aviation, space and defense organizations: AS9100C-2009[S]. International Aerospace Quality Group, 2009

[9] 科茲納. 項目管理: 計劃、進度和控制的系統方法[M]. 11版. 楊愛華, 王麗珍, 洪宇, 等, 譯. 4版. 北京: 電子工業出版社, 2014: 751-761

[10] 楊開, 才滿瑞. “獵鷹”9火箭發射失敗及其影響分析[J]. 中國航天, 2015(8): 23-27

[11] 馮振興. 文獻“A Successful Strategy For Satellite Development And Testing”點評[J]. 航天器環境工程, 2009, 26(3): 278-286

FENG Z X. An introduction to the paper “A Successful Strategy for Satellite Development and Testing”[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(3): 278-286

（編輯：肖福根）

The cost-effective improvement strategy forspacecraft structuretest verification

GAO Feng1, CHAI Hongyou1, BAI Guangming2

(1. Beijing Institute of Spacecraft System Engineering; 2. Institute of Telecommunication Satellite, China Academy of Space Technology: Beijing 100094, China)

To improve the cost-effectiveness for spacecraft structure test verification has become an important issue under the text of intense market competition with cost, period and labor problems. Fully understanding the objective and the contents of the test is the basis to improve its cost-effectiveness. The test serves an effective means in the quality management of the design and the product development cycle. In view of this understanding, engineers should focus on improving the design quality, trading-off process control cost and the acceptance test cost, understanding the failure mode and the related test activity, as well as synchronizing the planning design and the verification based on a systems engineering view.

spacecraft structure; test verification; cost-effectiveness; quality management system

V416

A

1673-1379-2017(04)-0424-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.04.015

高峰（1978—），男，博士學位，高級工程師，研究方向為航天器結構設計與驗證、先進復合材料結構與力學。E-mail: gaofeng_cast@163.com。

2017-05-30；

2017-07-12