國外航天領域結構標準綜述

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） 執行探索、 開發和利用太空以及地球以外天體的特定任務的飛行器， 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星和空間探測器； 載人航天器包括載人飛船、 空間站等[1]。航天器結構主要功能包括以下內容。

a）承受和傳遞器上的所有載荷， 包括地面、發射、 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連接成一個整體； 所提供的安裝可滿足相應有效載荷和各分系統的工作要求， 并且便于整器和相關零部件在地面的裝卸、操作和維護。

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

d）為器上某些特殊的有效載荷或其他分系統提供所需的剛性支撐條件， 例如： 保證天線組件、光學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提供所需的物理性能， 例如： 導熱或絕熱性能、 導電或絕緣性能等[1]。

航天器結構對整個航天器至關重要， 通過標準途徑對航天器結構從設計、 分析、 仿真、 試驗等各個階段進行規范， 進一步確保航天器結構發揮其作用， 保證器上設備和人員安全（針對載人航天器）。

2 國外航天領域結構標準情況

航天領域結構國外標準中比較典型且具有代表性的標準， 主要是ECSS （歐洲空間標準化合作組織） 標準和NASA （美國宇航局） 標準。

2.1 ECSS 標準

ECSS 是歐洲空間局 （ESA）、 歐洲各國航天局和歐洲工業協會的標準化合作組織， 其主要任務就是建立起一套用戶滿意的、 固有的、 單一的、能滿足ECSS 各成員國意圖的標準體系， 以統一的標準化手段消除合作障礙， 提高歐洲空間項目的競爭力。 結構標準主要分布在ECSS 標準中的空間工程子體系 （ECSS-E） 中， 包括系統工程、光電工程、 機械工程、 軟件工程、 通信工程、 控制工程、 地面系統和操作等7 個專業領域。

在空間工程 （ECSS-E） 子體系中的機械工程 （E-30） 分支中， 包括熱控、 結構、 機構、環境控制與生命保障、 推進等5 個方面， 目前共有7 項結構標準， 詳見表1。

表1 ECSS 中結構標準

2.2 NASA 標準

NASA 技術標準按照領域劃分為11 個不同系列， 與航天結構相關標準主要分布在5000 系列中和7000 系列中， 共計9 項。 NASA 的各個中心也根據自己的專業及特點制定了一套與NASA文件相對應的文件。 NASA 現行中心標準主要來自戈達德航天中心 （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）， 現行有效標準231 項， 其中， 結構標準6 項[2]。 在航天結構方面， NASA技術標準及中心標準共有15 項， 詳見表2。

表2 NASA 標準中的結構標準

3 國外航天領域結構典型標準內容

3.1 頂層要求標準

針對航天器結構頂層通用要求標準共計2 項。

a）ECSS－E－ST－32C Rev.1 《結構通用要求》規定了航天器的結構通用要求， 包括任務、 功能、 接口、 設計、 驗證、 產品與組裝等方面。

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計所用載荷界定的通用要求。 在項目與程序層級建立了指引， 以便于規范相關工程及技術要求， 包括工藝、過程、 實踐、 方法以及零件選用及設計標準等。該標準描述了開展航天器與有效載荷中載荷分析的一般實踐及要求， 對載荷狀況 （load regimes）進行了界定， 對建立加力函數 （forcing functions）及數學模型、 開展分析及模型的測試驗證等明確了要求， 對主要的分析方法、 時間及過程進行了界定。 該標準僅適用于航天器有效載荷硬件分析，而飛行器發射裝置 （LV）、 探空火箭發射的有效載荷、 航空器及氣球、 地面支持設備 （GSE） 等不包含在內。 標準主要適用于NPR 8705.4《NASA 有效載荷的風險分類》 中規定的A、 B、 C這3 類有效載荷， 對D、 I-E 類有效載荷僅作為指導性文件 （可使用該標準1.3 的剪裁原則）。

3.2 結構設計與分析標準

結構設計與分析標準共計6 項。

a）KSC-STD-Z-0004G 《結構設計標準》 為肯尼迪航天中心 （KSC） 的結構設計建立適用的定義和一般設計要求。 該標準適用于常規和非常規結構、 地面支持設備 （GSE） 以及臨時結構和外殼的框架。

b）ECSS－E－ST－32－02C Rev.1 《承壓硬件結構設計與驗證》 規定了金屬和非金屬加壓硬件的結構設計驗證， 包括壓力容器、 加壓結構、 壓力部件 （如閥門、 泵、 管線、 配件和軟管） 和特殊加壓設備 （如電池、 熱管、 低溫恒溫器、 密封容器、 危險流體容器）， 但加壓硬件的外部支架和結構接口及固體推進劑發動機殼體。 該標準適用于所有航天產品， 尤其是運載火箭、 運載工具、再入飛行器、 航天器、 空間站、 著陸探測器和探測器、 探空火箭、 有效載荷和儀器。

c）ECSS-E-ST-32-10C Rev.2 Corr.1 《空間飛行硬件結構安全性因素》 規定了航天器硬件的結構安全性要素， 以及鑒定與驗收試驗要求。 該標準需要與ECSS-E-ST-32 《結構通用要求》、ECSS-E-ST-32-02 《承壓硬件結構設計與驗證》和ECSS-E-ST-33-01 《機構》 結合使用。

d）NASA-STD-5001B 《航天硬件結構設計與試驗安全因素》 給出了航天器硬件結構設計和安全試驗因子， 以及用于航天硬件研制和驗證的使用壽命因素。 該標準主要目標是確定安全可靠結構設計因素， 其次是通過加強NASA 飛行項目、 中心及其承包商之間硬件設計使用的通用性來降低空間項目成本和進度。 該標準中提出的要求將被視為最低可接受值。

e）JSC 65828B 《航天硬件結構設計要求和安全系數》 規定了載人航天硬件的結構要求， 包括運載火箭、 航天器和有效載荷。 該標準適用于政府提供的設備活動以及所有相關承包商、 分包商和商業活動； 不適用于除載人航天器以外的系統， 如地面測試物品， 但可針對謹慎使用的特定情況進行定制。 該標準中提出的要求側重于設計， 而非驗證。 將在結構驗證計劃 （SVP） 中規定需求的實施過程， SVP 針對需求， 規定了每個結構項目的驗證方法。

f）JSC 29353B 《航天器應用中的可燃性結構分析》 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計安全且經濟高效的飛行硬件時使用它們。 該標準將為位于國際空間站任何隔間或其他計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是最大限度地減少潛在的火源， 消除可能傳播火災的材料。 “消除可能傳播火災的材料” 并不意味著僅使用不可燃材料設計和建造航天器， 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量和配置， 以消除潛在的火災傳播路徑， 從而確保任何火災都是小型的、 局部的和隔離的， 并且會在不傷害航天員的情況下自行熄滅。 多年來， NASA 已經開發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境中安全使用。

3.3 結構斷裂控制及無損評估標準

結構斷裂控制及無損評估共計7 項。

a）ECSS－E－ST－32－01C Rev.1 《斷裂控制》規定了斷裂控制程序、 易損部件的識別與評估、斷裂力學分析、 材料的選擇、 質量保證和無損檢測、 減少斷裂控制方案等內容。 空間系統的空間段及其相關地面支持設備的結構失效可能導致災難性危險系統或有效載荷。 該標準規定了對空間系統的空間段及其相關GSE （地面支持設備） 施加的斷裂控制要求。 該標準中包含的要求也適用于NASA 和國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的斷裂控制要求，包括有效載荷、 推進系統、 軌道支持設備等。

c）NASA-HDBK-5010 《有效載荷， 實驗和類似硬件的斷裂控制實施手冊》 提供適用于各種硬件設計和實驗的斷裂控制實施。

d）JSC 25863B 《JSC 航天硬件斷裂控制計劃》， 該斷裂控制計劃 （FCP） 介紹了約翰遜航天中心 （JSC） 的實施方法， 用以滿足所有NASA 人類太空飛行項目以及接近或停靠NASA航天器 （如國際空間站 （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 《復合材料和粘結運載器及有效載荷結構斷裂控制要求》 提供了用于制造MSFC 載人飛行器和有效載荷硬件的復合材料、 粘結結構的斷裂控制要求， 包括載人發射、回收、 轉移和著陸器以及在載人飛行的任何階段發射、 回收、 儲存或操作的有效載荷或太空飛行實驗任務。 纖維增強聚合物基復合材料、 夾層結構 （粘結金屬和非金屬） 以及金屬或復合零件之間的粘結屬于該標準的范圍。 金屬和陶瓷基體結構、 泡沫、 柔性充氣結構、 液體燃料火箭發動機和固體推進劑除外。 此外， 該標準未具體涵蓋金屬零件/結構的斷裂控制， 但如果金屬與復合材料或粘合劑結合使用， 則應滿足該標準的所有規定。 該標準的目的是提供用于設計和評估復合材料和粘結結構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估要求》 規定了對于飛行或地面系統及組件在需要進行斷裂控制時的無損評估 （NDE） 要求。 主要內容包括對NDE 過程、 標準及方法的一般要求， 如裂縫、 材料審查委員會、 NDE 過程文件控制等； 標準化的NDE 方法及特殊NDE的應用； NDE 的文件記錄等方面。

g）JSC 67203 《無損評估程序鑒定指南》 演示了NDE 程序認證方法， 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 程序認證方法指南，但在使用該指南中的方法之前需要經過批準。 該指南不涵蓋NDE 程序。

3.4 結構建模仿真標準

結構建模仿真標準共計3 項。

a）ECSS－E－ST－32－03C 《結構有限元模型》規定了航天器結構分析中用到的有限元模型要求。

b）NASA-STD-7009A 《模型和仿真標準》提供了一套經批準的要求、 建議和準則， 可用于模型和仿真的開發， 并支持NASA 活動。

c）NASA-HDBK-7009 《NASA 建模和仿真手冊： NASA-STD-7009 實施指南》 主要針對如何在工作過程中使用NASA-STD-7009 進行說明。 NASA-HDBK-7009 針對建模的整個工作流程， 對每個階段的工作要求進行了詳細說明， 并給出大量示例。

4 結論與建議

綜上所述， ECSS 和NASA 在航天器結構領域建立了較為完整的標準， 近幾年在重點修訂標準， 無新增標準。 在結構標準方面： 共有22 項標準， 覆蓋結構設計、 分析、 建模、 試驗驗證等多個階段。 近年來， 主要是修訂標準， 無新增標準， 這說明航天器結構標準建設較為完整， 只需要根據技術發展和工作需要， 對已有標準進行修訂， 即可滿足標準使用需求。 另一方面， 從2018年至今， ECSS 和NASA 從結構安全性出發，對于長壽命 （國際空間站、 深空探測器等） 或重復使用的航天器， 重點開展了結構斷裂控制相關內容標準的制修訂工作， 更重視結構安全性。根據我國航天器結構領域技術發展， 結合我國標準建設現狀， 應重點考慮針對長壽命航天器（空間站、 深空探測器）、 可重復使用航天器（如新飛船） 等， 開展結構壽命預估、 結構損傷評估以及斷裂控制等標準的研究工作。