JA X A航天器試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)基線和量級研究

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[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 （JERG-2-130-HB01～05）、 一份試驗(yàn)剪裁方法手冊（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)，針對系統(tǒng)級、組件級試驗(yàn)基線的修訂進(jìn)行了整理、分析；以熱試驗(yàn)級為典型研究對象，整理了不同標(biāo)準(zhǔn)對于系統(tǒng)級、組件級熱試驗(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對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重新歸類和編號后，形成了覆蓋技術(shù)、管理兩大類共三個(gè)層級的標(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，其中HB01～05為多種試驗(yàn)方法類手冊，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，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，針對一些標(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)，相對于前述版本，JAXA對標(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)行分析后對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的修改[14]。為了將其對試驗(yàn)項(xiàng)目的要求進(jìn)行對比，本文對兩者間的試驗(yàn)基線進(jìn)行了對比，其形式一般為試驗(yàn)矩陣，給出了不同裝配層級、不同試驗(yàn)類型、不同試驗(yàn)對象上的需求。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)對象為電工電子組件、天線、機(jī)械活動組件、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)對象上，增加了對結(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)評估選擇三種試驗(yàn)中的一種。

c）對于相似試驗(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)振動試驗(yàn)合并為一項(xiàng)，需要根據(jù)評估選擇其中一項(xiàng)，對于電工電子組件的熱真空、熱循環(huán)試驗(yàn)亦根據(jù)評估選取，規(guī)定僅性能不受真空影響且早期故障不會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)評估進(jìn)行 （ER）。

表5為JERG-2-130A系統(tǒng)級鑒定、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)級試驗(yàn)基線

2 與美國軍用標(biāo)準(zhǔn)的對標(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)的對比 （表中灰色項(xiàng)為不同項(xiàng)目）， “↑”表示相對 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)基線對標(biāo)

表9為系統(tǒng)級鑒定、驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線對比。

表7 組件驗(yàn)收試驗(yàn)基線對標(biāo)

表8 組件準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)基線對標(biāo)

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

表9 系統(tǒng)試驗(yàn)基線對標(biāo)

a）在試驗(yàn)對象上，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，增加了組件級熱平衡、磁試驗(yàn)、正弦振動試驗(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)基線相對于SMC-S-016A的差異統(tǒng)計(jì)如圖2～圖4所示。

圖2 組件級鑒定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖3 組件級驗(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)相對于SMC-S-016A標(biāo)準(zhǔn)，在組件級的調(diào)整上，以裁剪試驗(yàn)項(xiàng)目、提升靈活性為主；而在系統(tǒng)級試驗(yàn)上，除了增加幾項(xiàng)試驗(yàn)要求外，亦在驗(yàn)收級試驗(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 組件級準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

2.2 試驗(yàn)量級

在組件級試驗(yàn)量級和持續(xù)時(shí)間上， JERG-2-130A （J）熱真空試驗(yàn)量級與SMC-S-016A （S）和ECSS-E-ST-10-03C（E）的對比見表 10[19]，其中QT為鑒定級試驗(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)量級要求，其中驗(yàn)收、準(zhǔn)鑒定試驗(yàn)要求相同，但在鑒定級試驗(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)級熱真空試驗(yàn)，而在組件級則量級較輕，其原因包括以下幾方面。

表10 JERG-2-130A組件、系統(tǒng)級熱真空試驗(yàn)量級與持續(xù)時(shí)間對比

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)級熱真空試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的故障遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于組件級熱真空試驗(yàn)，占據(jù)了系統(tǒng)級試驗(yàn)總故障的50%以上[22]。

在試驗(yàn)量級的制定上，JAXA主要基于試驗(yàn)有效性的方法，對于故障篩除能力較強(qiáng)的試驗(yàn)有所加強(qiáng)，而對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，1份試驗(yàn)剪裁手冊，1份標(biāo)準(zhǔn)說明手冊組成。相對于美國、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的對標(biāo)研究。分析顯示，JAXA標(biāo)準(zhǔn)對于歷史故障數(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。對于系統(tǒng)級試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)主要強(qiáng)化了驗(yàn)收級試驗(yàn)項(xiàng)目；在試驗(yàn)量級上，本文以熱真空試驗(yàn)為典型對象，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)。