JA X A航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基線和量級(jí)研究

李西園 尚永紅 賈瑞金 裴一飛 王晶

（1北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京，100094；2北京航空航天大學(xué)，北京，100191）

航天器入軌后具有不可維修的特點(diǎn)，為了在發(fā)射前修正其數(shù)學(xué)模型、驗(yàn)證系統(tǒng)性能、篩除早期缺陷，通常需要在地面對(duì)航天器進(jìn)行以力、熱試驗(yàn)為代表的多項(xiàng)復(fù)雜試驗(yàn)。各國宇航機(jī)構(gòu)結(jié)合自身技術(shù)水平和具體驗(yàn)證需求，發(fā)展了相應(yīng)的地面試驗(yàn)方法，形成了相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如美國國防部 （DoD）的MIL-STD-1540系列標(biāo)準(zhǔn)，美國空軍空間與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心 (SMC)的SMC-S-016系列標(biāo)準(zhǔn)[1]，歐洲空間標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ECSS)的ECSS-E-ST-10-03C標(biāo)準(zhǔn)[2]，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu) (JAXA)的JERG-2-130系列標(biāo)準(zhǔn)[3-4]等，我國亦發(fā)展了針對(duì)航天器地面試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)[5]。諸如此類的通用航天器一般試驗(yàn)要求，試驗(yàn)基線往往反映了該機(jī)構(gòu)航天器的一般試驗(yàn)項(xiàng)目包絡(luò)，反映了絕大多數(shù)航天器所選擇的試驗(yàn)量級(jí)[6]。

日本早期航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NASDA-ESPC-7主要由宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán) （NASDA）參照MILSTD-1540制定。經(jīng)過多次修訂和組織變更，目前標(biāo)準(zhǔn)由JAXA負(fù)責(zé)維護(hù)，其已經(jīng)形成了一套完整的試驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)體系，由一個(gè)試驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)（JERG-2-130A）、多份試驗(yàn)方法手冊(cè) （JERG-2-130-HB01～05）、 一份試驗(yàn)剪裁方法手冊(cè)（JERG-2-130-HB06）等組成，其內(nèi)容體現(xiàn)了JAXA近些年在航天器地面驗(yàn)證上的新思路、新方法。本文系統(tǒng)的整理了日本航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展脈絡(luò)，針對(duì)系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)試驗(yàn)基線的修訂進(jìn)行了整理、分析；以熱試驗(yàn)級(jí)為典型研究對(duì)象，整理了不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)熱試驗(yàn)在試驗(yàn)溫度范圍、循環(huán)數(shù)、試驗(yàn)方法上的異同，旨在為我國相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制定和修訂提供參考。

1 日本航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展

最早的通用航天器試驗(yàn)要求類標(biāo)準(zhǔn)S-320-G-1《GeneralEnvironmentalTestSpecification for Spacecraft and Components》 由 NASA Goddard中心制定于1969年，其經(jīng)歷了GETS（General Environmental Test Specification） 、GEVS（General Environmental Verification Specification for STS Payloads,Subsystems and Components），形成了GSFC-STD-7000A標(biāo)準(zhǔn)，是目前NASA內(nèi)部的重要航天器試驗(yàn)要求類標(biāo)準(zhǔn)之一[7-8]。NASDA參照S-320-G-1和GETS標(biāo)準(zhǔn)制定了日本首個(gè)航天器試驗(yàn)規(guī)范NASDA-ESPC-7《試驗(yàn)通用規(guī)范 （衛(wèi)星篇）》[9]。經(jīng)過多版本的迭代，1994年形成了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NASDA-STD-15《衛(wèi)星一般試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》。2003年10月， NASDA與文部科學(xué)省宇宙科學(xué)研究所 （ISAS）、航空宇宙技術(shù)研究所 （NAL）合并為JAXA后，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)由JAXA負(fù)責(zé)制定和修訂。2012年，JAXA對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新歸類和編號(hào)后，形成了覆蓋技術(shù)、管理兩大類共三個(gè)層級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)[10]，其中航天器試驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)為JERG-2-130A《航天器一般試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，其在修訂中進(jìn)一步參考了美國MIL-STD-1540E/SMC-S-016標(biāo)準(zhǔn)和歐洲ECSS-E-ST-10-03C標(biāo)準(zhǔn)，表 1為日本航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程[11]。

為了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行有效的補(bǔ)充，JAXA亦編制了多份手冊(cè)，其中HB01～05為多種試驗(yàn)方法類手冊(cè)，給出了試驗(yàn)設(shè)備、一般方法等內(nèi)容；HB06為試驗(yàn)剪裁方法手冊(cè)，基于地面試驗(yàn)和在軌異常數(shù)據(jù)，使用試驗(yàn)有效性的方法給出了多種環(huán)境試驗(yàn)的剪裁方法；HB07為JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)說明手冊(cè)，針對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)中的具體執(zhí)行方法給出了詳細(xì)的說明，如試驗(yàn)基線的具體選擇方法等。此外，除現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)外，JAXA亦有計(jì)劃在試驗(yàn)要求標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)展驗(yàn)證要求類標(biāo)準(zhǔn)[12]。JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)及其手冊(cè)的架構(gòu)如圖1所示。

表1 日本航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程

圖1 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)

JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)制定于2017年，代替了之前的JERG-2-130標(biāo)準(zhǔn)，相對(duì)于前述版本，JAXA對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的修訂依據(jù)來源于兩方面：①參考美國 （SMC-S-016）、 歐洲 （ECSS－E－ST－10－03C）等標(biāo)準(zhǔn)，引入了新的內(nèi)容[13]；②JAXA根據(jù)自有航天器及公開的故障數(shù)據(jù)，基于試驗(yàn)有效性的方法進(jìn)行分析后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的修改[14]。為了將其對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目的要求進(jìn)行對(duì)比，本文對(duì)兩者間的試驗(yàn)基線進(jìn)行了對(duì)比，其形式一般為試驗(yàn)矩陣，給出了不同裝配層級(jí)、不同試驗(yàn)類型、不同試驗(yàn)對(duì)象上的需求。表 2、表 3、表 4分別為 JERG-2-130A組件鑒定、驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線與JERG-2-130對(duì)比 （灰色表示修改項(xiàng)目），其中， “R”表示必須進(jìn)行項(xiàng)目， “ER”表示經(jīng)評(píng)估進(jìn)行項(xiàng)目， “-”表示不需要進(jìn)行項(xiàng)目[15]， “↑”表示提高了要求 （如 “-”調(diào)整為 “ER”）， “↓”表示降低了要求 （如 “ER”調(diào)整為 “-”）。 “1”-“12”分別表示試驗(yàn)對(duì)象為電工電子組件、天線、機(jī)械活動(dòng)組件、太陽電池陣、蓄電池、閥門、推進(jìn)組件、壓力容器、推力器、熱學(xué)組件、光學(xué)組件和結(jié)構(gòu)組件。

表2 JERG-2-130A組件鑒定試驗(yàn)基線

表3 JERG-2-130A組件驗(yàn)收試驗(yàn)基線

表2～表4中，相對(duì)于上一版標(biāo)準(zhǔn)，JERG-2-130A在以下方面作了修改。

表4 JERG-2-130A組件準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線

a）在試驗(yàn)對(duì)象上，增加了對(duì)結(jié)構(gòu)組件的試驗(yàn)要求。

b）在試驗(yàn)手段上，增加了靜載荷、正弦脈沖兩種試驗(yàn)作為加速度試驗(yàn)的備選項(xiàng)，可根據(jù)評(píng)估選擇三種試驗(yàn)中的一種。

c）對(duì)于相似試驗(yàn)的選取，參照1540E經(jīng)驗(yàn)[16]，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)將部分組件的聲試驗(yàn)、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)合并為一項(xiàng)，需要根據(jù)評(píng)估選擇其中一項(xiàng)，對(duì)于電工電子組件的熱真空、熱循環(huán)試驗(yàn)亦根據(jù)評(píng)估選取，規(guī)定僅性能不受真空影響且早期故障不會(huì)由壓力變化而暴露的組件可以選擇熱循環(huán)試驗(yàn)。

d）在試驗(yàn)基線的調(diào)整上，太陽電池陣熱循環(huán)均由經(jīng)評(píng)估進(jìn)行 （ER）調(diào)整為不需要 （－），驗(yàn)收階段熱真空則由經(jīng)評(píng)估進(jìn)行 （ER）調(diào)整為必須進(jìn)行 （R），壓力容器的熱循環(huán)試驗(yàn)均由不需要進(jìn)行 （－）調(diào)整為經(jīng)評(píng)估進(jìn)行 （ER）。

表5為JERG-2-130A系統(tǒng)級(jí)鑒定、驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線，其與JERG-2-130標(biāo)準(zhǔn)完全相同，并未進(jìn)行調(diào)整。

表5 JERG-2-130A系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)基線

2 與美國軍用標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)標(biāo)研究

2.1 試驗(yàn)基線

目前航天器試驗(yàn)主要參考的軍用標(biāo)準(zhǔn)為SMC－S－016系列標(biāo)準(zhǔn)［17］， 目前各個(gè)機(jī)構(gòu)、 組織的航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)編制中均參考了SMC－S－016系列標(biāo)準(zhǔn)。表6～表8分別為JERG－2－130A標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)基線與 SMC－S－016A標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比 （表中灰色項(xiàng)為不同項(xiàng)目）， “↑”表示相對(duì) SMC－S－016A提高了要求， “↓”表示降低了要求，“↑↑”表示大幅提高了要求 （如 “－”調(diào)整為“R”）， “↓↓”表示大幅降低了要求 （如 “R”調(diào)整為 “－”）。

表6 組件鑒定試驗(yàn)基線對(duì)標(biāo)

表9為系統(tǒng)級(jí)鑒定、驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線對(duì)比。

表7 組件驗(yàn)收試驗(yàn)基線對(duì)標(biāo)

表8 組件準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線對(duì)標(biāo)

表6～表9中，在組件級(jí)試驗(yàn)上，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)主要特點(diǎn)包括：

表9 系統(tǒng)試驗(yàn)基線對(duì)標(biāo)

a）在試驗(yàn)對(duì)象上，組件劃分為12類，將SMC-S-016A系列標(biāo)準(zhǔn)中的閥門及推進(jìn)組件拆分為兩類組件；

b）在試驗(yàn)手段上，調(diào)整了多項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目，如將老煉試驗(yàn) （Burn In）與磨合試驗(yàn) （Wear In）合并為 “磨合試驗(yàn)”，提供了加速度、靜載荷、正弦脈沖三選一試驗(yàn)項(xiàng)目，增加了組件級(jí)熱平衡、磁試驗(yàn)、正弦振動(dòng)試驗(yàn)等要求；

c）在試驗(yàn)的要求上，標(biāo)準(zhǔn)更傾向于裁剪要求，相對(duì)于美軍標(biāo)，多項(xiàng)試驗(yàn)降低了要求。

JERG-2-130A試驗(yàn)基線相對(duì)于SMC-S-016A的差異統(tǒng)計(jì)如圖2～圖4所示。

圖2 組件級(jí)鑒定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖3 組件級(jí)驗(yàn)收試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

如圖2～圖4中所見，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)與SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)中基線不同，項(xiàng)目中絕大多數(shù)為調(diào)整至不需要進(jìn)行 （-），剩余大部分為經(jīng)評(píng)估進(jìn)行 （ER）與必須進(jìn)行 （R）間的相互調(diào)整，即JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)，在組件級(jí)的調(diào)整上，以裁剪試驗(yàn)項(xiàng)目、提升靈活性為主；而在系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)上，除了增加幾項(xiàng)試驗(yàn)要求外，亦在驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)中提升了部分試驗(yàn)的要求。試驗(yàn)基線的修訂依據(jù)主要是JAXA基于近些年積累的試驗(yàn)和在軌故障數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)有效性分析[18]。

圖4 組件級(jí)準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.2 試驗(yàn)量級(jí)

在組件級(jí)試驗(yàn)量級(jí)和持續(xù)時(shí)間上， JERG-2-130A （J）熱真空試驗(yàn)量級(jí)與SMC-S-016A （S）和ECSS-E-ST-10-03C（E）的對(duì)比見表 10[19]，其中QT為鑒定級(jí)試驗(yàn)，PFT為準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)，AT為驗(yàn)收試驗(yàn)，MPE為最大預(yù)示環(huán)境參數(shù)。

表10中，在組件、系統(tǒng)試驗(yàn)量級(jí)上，三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均基于最大預(yù)示環(huán)境給出了試驗(yàn)量級(jí)要求，其中驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)要求相同，但在鑒定級(jí)試驗(yàn)上，JERG-2-130A與ECSS標(biāo)準(zhǔn)接近，低于SMC-S-016A的10℃鑒定余量要求；在組件、系統(tǒng)循環(huán)次數(shù)上，JERG-2-130A要求與ECSS-EST-10-03C標(biāo)準(zhǔn)更為接近，也低于SMC-S-016A要求。在組件級(jí)熱浸時(shí)間的要求上，JERG-2-130A要求均為1h；SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)為首末循環(huán)至少6h（其中至少2h開機(jī)），其他循環(huán)至少1h（其中至少1h開機(jī)）；ECSS-E-ST-10-03C標(biāo)準(zhǔn)要求至少2h。在系統(tǒng)級(jí)熱浸時(shí)間的要求上，JERG-2-130A要求第三循環(huán)至少72h，其他循環(huán)12h；SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)為首末循環(huán)至少8h，其他循環(huán)至少4h；ECSS-E-ST-10-03C未提出相關(guān)要求。即相對(duì)于美國現(xiàn)行軍標(biāo)SMC-S-016A，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于系統(tǒng)級(jí)熱真空試驗(yàn)，而在組件級(jí)則量級(jí)較輕，其原因包括以下幾方面。

表10 JERG-2-130A組件、系統(tǒng)級(jí)熱真空試驗(yàn)量級(jí)與持續(xù)時(shí)間對(duì)比

a）文獻(xiàn) [20]中指出JAXA標(biāo)準(zhǔn)編制過程中參閱了NASA早期熱真空試驗(yàn)中故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及試驗(yàn)剖面建議，如文獻(xiàn) [21]中建議第三循環(huán)時(shí)間長于其他循環(huán)進(jìn)行故障篩除。

b）JAXA根據(jù)自有試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在系統(tǒng)級(jí)熱真空試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于組件級(jí)熱真空試驗(yàn)，占據(jù)了系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)總故障的50%以上[22]。

在試驗(yàn)量級(jí)的制定上，JAXA主要基于試驗(yàn)有效性的方法，對(duì)于故障篩除能力較強(qiáng)的試驗(yàn)有所加強(qiáng)，而對(duì)于故障篩除較少的試驗(yàn)則有所裁剪，體現(xiàn)了未來航天器環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展方向之一。

3 總結(jié)

JAXA航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系由JERG-2-130A試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和5份試驗(yàn)方法手冊(cè)，1份試驗(yàn)剪裁手冊(cè)，1份標(biāo)準(zhǔn)說明手冊(cè)組成。相對(duì)于美國、歐洲航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)容更為全面，體系更為完整。

本文系統(tǒng)的整理了JAXA航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展脈絡(luò)，對(duì)其中的調(diào)整項(xiàng)進(jìn)行了分析，開展了與SMC-S-016A和ECSS-E-ST-10-03C的對(duì)標(biāo)研究。分析顯示，JAXA標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于歷史故障數(shù)據(jù)的利用較為重視，通過試驗(yàn)有效性分析，指導(dǎo)了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的修訂。在試驗(yàn)基線上，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)在美軍標(biāo)基礎(chǔ)上，大量裁減了組件級(jí)非必要試驗(yàn)項(xiàng)目，并補(bǔ)充了多種可選項(xiàng)目，為標(biāo)準(zhǔn)提供了更大的可選擇性。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)主要強(qiáng)化了驗(yàn)收級(jí)試驗(yàn)項(xiàng)目；在試驗(yàn)量級(jí)上，本文以熱真空試驗(yàn)為典型對(duì)象，分析結(jié)果顯示，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)溫度、循環(huán)數(shù)要求上較SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)低，與歐洲ECSS-E-ST-10-03C標(biāo)準(zhǔn)較為接近，而在熱浸時(shí)間上，JERG-2-130A標(biāo)準(zhǔn)更傾向于在系統(tǒng)級(jí)篩除早期缺陷，其主要參照日本及國外試驗(yàn)有效性分析進(jìn)行裁剪，更傾向于強(qiáng)化故障篩除能力強(qiáng)的試驗(yàn)，裁剪故障篩除能力弱的試驗(yàn)。