淺談空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)

賈瑞金 丁文靜 龔潔 韓瀟 顧苗

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京， 100094）

航天器在軌運行過程中， 長期處于高真空、冷黑和熱輻射環(huán)境中， 為了對航天器熱控系統(tǒng)的性能進行考核并驗證熱分析模型的正確性， 同時為了暴露航天器材料、 工藝、 制造質(zhì)量方面的潛在缺陷， 驗證航天器產(chǎn)品在極限溫度下的工作能力， 需要在地面使用空間環(huán)境模擬設(shè)備對航天器進行熱平衡和熱真空試驗。

近年來， 隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展， 提升航天器地面環(huán)境試驗?zāi)芰Τ蔀楹教煨吞柈a(chǎn)品研制過程關(guān)注的焦點之一， 空間環(huán)境模擬設(shè)備的需求量也迅猛增長。 雖然空間環(huán)境模擬設(shè)備研制呈現(xiàn)出市場前景廣、 綜合效益好、 產(chǎn)業(yè)帶動性強、 戰(zhàn)略地位突出等特點， 各研制單位也逐步制定了相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范， 為空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制提供支持， 但國家層面或行業(yè)層面的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范依然缺乏。 本文對空間環(huán)境模擬設(shè)備研制現(xiàn)狀進行初步分析， 對國內(nèi)外的空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的現(xiàn)狀進行了總結(jié)， 并據(jù)此給出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的發(fā)展建議。

1 空間環(huán)境模擬設(shè)備

隨著空間環(huán)境模擬技術(shù)的不斷發(fā)展， 以及航天器熱平衡、 熱真空試驗標(biāo)準(zhǔn)的建立， 真空、 冷黑和熱輻射環(huán)境的模擬方法也趨于成熟。 目前已使用空間環(huán)境模擬設(shè)備在地面上實現(xiàn)真空、 冷黑、 空間外熱流等綜合環(huán)境的模擬。

1.1 空間環(huán)境模擬設(shè)備基本組成

空間環(huán)境模擬設(shè)備一般由真空容器、 熱系統(tǒng)、 真空系統(tǒng)、 熱流模擬系統(tǒng)、 試件支撐系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等組成， 如圖1 所示。 其中熱流模擬系統(tǒng)需根據(jù)試驗方法的不同在太陽模擬器、 紅外模擬器、 調(diào)溫?zé)岢吝@3 種不同熱流模擬裝置中進行選擇配制。

1.2 空間環(huán)境模擬設(shè)備研制現(xiàn)狀

我國空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制工作始于20 世紀60 年代， 當(dāng)時為了滿足中國第一顆人造衛(wèi)星“東方紅一號” 研制的需要， 航天五院511 所成功研制了KM1 和KM2 空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備， 并先后完成了 “東方紅一號” 和 “實踐一號” 等衛(wèi)星的熱平衡試驗。 KM1 和KM2 也被稱之為當(dāng)時中國最大的高真空獲得系統(tǒng)[1]。

經(jīng)過60 多年的發(fā)展， 航天五院 511 所、 510所等單位， 在空間環(huán)模設(shè)技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開發(fā)等方面做出了巨大貢獻， 形成了BZ 系列、 KM2 系列等小型空間環(huán)境模擬設(shè)備和 KM4、 KM6、KM5A、 KM3B、 KM7、 艙 外 航 天 服 試 驗 艙 、KM7A、 KM8 等中大型空間環(huán)境模擬設(shè)備， 部分設(shè)備如圖2 所示。 其中KM6 基本上能夠滿足現(xiàn)階段我國航天器從系統(tǒng)級、 分系統(tǒng)級到部組件級的熱真空與熱平衡試驗需求； KM8 攻克了超大空間 （6000m3） 高真空環(huán)境模擬技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)， 是目前亞洲最大、 世界排名第3 的立式航天器空間環(huán)境模擬設(shè)備， 未來將應(yīng)用于大型通信衛(wèi)星、 遙感衛(wèi)星、 深空探測器等多項國家重大航天工程， 完全能夠滿足我國載人空間站和大型衛(wèi)星的研制需求。

除國內(nèi)市場外， 航天五院511 所還成功為俄羅斯研制了GVU—600 大型空間環(huán)境模擬設(shè)備，實現(xiàn)了我國向航天大國出口大型系統(tǒng)產(chǎn)品的突破。 KM8 的成功研制更是引起了德國 IABG 集團、 歐空局 ESTEC 公司、 俄羅斯、 巴基斯坦、沙特等國家航天機構(gòu)或宇航公司的強烈關(guān)注， 均表示出了強烈的合作意向。

2 空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

空間環(huán)境模擬設(shè)備是航天大型試驗基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分， 近年來其研制業(yè)務(wù)也成為航天領(lǐng)域的新熱點。 空間環(huán)境模擬設(shè)備研制隨著技術(shù)發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗， 研制的可靠性、 穩(wěn)定性日趨成熟。 但是目前國內(nèi)外所應(yīng)用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)很少， 且缺乏系統(tǒng)性， 這在一定程度上又制約了空間環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展和空間環(huán)境模擬設(shè)備的規(guī)?；?產(chǎn)品化應(yīng)用。

2.1 國際和國外標(biāo)準(zhǔn)

目前， 國際上還沒有專門的空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范空間環(huán)境模擬設(shè)備研制， 其研制主要依據(jù)機械、 真空、 低溫和測控技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及航天器熱真空、 熱平衡試驗的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如ISO 15864 《空間系統(tǒng)—航天器子系統(tǒng)和裝置的一般試驗方法》、 ISO 14644 《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境 第1 部分 空氣潔凈度等級劃分》、 ISO 3529-1 《真空技術(shù) 詞匯 第1 部分 一般術(shù)語》、 ISO 3529-2 《真空技術(shù) 詞匯 第 2 部分真空泵及相關(guān)術(shù)語》、 ISO 1609 《真空技術(shù)—法蘭尺寸》、 ISO 2861 《真空技術(shù)—快卸連接器尺寸》、ISO 3669 《真空技術(shù)—可烘烤法蘭尺寸》 和ASTM E491 《航天飛機熱平衡試驗用太陽模擬的標(biāo)準(zhǔn)實驗規(guī)程》 等。 在空間環(huán)境模擬設(shè)備研制中只能局部參考或使用這些標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求， 但是對于其總體設(shè)計工作指導(dǎo)性不強。 在空間環(huán)境模擬設(shè)備的制造和試驗工作中基本沒有相關(guān)的工藝和試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可依。

2020 年 9 月由航天 511 所主導(dǎo)編制的 ISO/AWI TR 6832 《熱真空試驗設(shè)備研制技術(shù)指南》正式立項， 該報告可對空間環(huán)境模擬設(shè)備的研制起到指導(dǎo)作用。

2.2 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

隨著航天器對高可靠、 高精度、 長壽命的要求越來越高， 在地面進行組件級、 系統(tǒng)和分系統(tǒng)級的驗證越來越重要， 進而空間環(huán)境模擬設(shè)備的需求也逐年增長。 伴隨著技術(shù)攻關(guān)和改進提高，空間環(huán)境模擬設(shè)備的設(shè)計水平和性能明顯改善。但是空間環(huán)境模擬設(shè)備由于是非標(biāo)研制， 個體差異較大， 目前對空間環(huán)境模擬設(shè)備具有廣泛指導(dǎo)意義的頂層標(biāo)準(zhǔn)依然缺失。 比如術(shù)語、 符號、 基本分類、 基本原則等標(biāo)準(zhǔn)， 各研制單位還未統(tǒng)一， 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)還不足以滿足研制的需要。 此外部分設(shè)計和研制過程中的經(jīng)驗并沒有得到及時的固化， 給產(chǎn)品的設(shè)計、 生產(chǎn)、 使用和維護帶來了諸多不便。 在設(shè)計和研制中， 傳統(tǒng)依托師徒相帶、同事相幫的方式和 “以經(jīng)驗代替標(biāo)準(zhǔn)” 現(xiàn)象依然盛行[2]。

雖然， 各企業(yè)單位也逐漸發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的重要性， 也開始制定相關(guān)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 并逐步制定上級標(biāo)準(zhǔn)。 比如GB/T 32221 《真空技術(shù) 航天器用真空熱環(huán)境模擬試驗設(shè)備 通用技術(shù)條件》 規(guī)定了航天器用工作壓力1×10-2Pa～1×10-4Pa 真空熱環(huán)境模擬試驗設(shè)備技術(shù)要求、 檢驗規(guī)則、 標(biāo)識、貯存、 包裝和運輸。 國家軍用標(biāo)準(zhǔn) 《太陽模擬器光學(xué)參數(shù)測量方法》 規(guī)定了太陽模擬器輻照不穩(wěn)定度、 輻照不均勻度、 均勻輻照面積和均勻輻照體積、 輻照度、 光譜輻照度、 光束準(zhǔn)直角和吸收紅外輻射熱流密度測量的條件和方法。 航天行業(yè)《空間環(huán)境模擬器研制要求》 系列標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了空間環(huán)境模擬設(shè)備真空系統(tǒng)、 低溫系統(tǒng)、 外熱流模擬系統(tǒng)、 太陽模擬器、 控制與監(jiān)測等系統(tǒng)的組成、 性能要求、 設(shè)計要求、 工藝要求、 安裝要求、 調(diào)試要求、 驗收交付要求等， 以及空間環(huán)境模擬設(shè)備系統(tǒng)聯(lián)試的目標(biāo)、 工作時機、 主要內(nèi)容、 準(zhǔn)備工作、 流程、 合格判據(jù)和調(diào)試總結(jié)等要求。 航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《空間模擬器基本參數(shù)檢定方法》 規(guī)定了空間環(huán)境模擬器基本參數(shù)的檢定項目、 檢定周期和檢定方法。 但是在研制過程中，大多還是需要采用機械、 真空、 低溫和測控等各專業(yè)相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)、 航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。 比如GB/T 6070 《真空技術(shù) 法蘭尺寸》、 GB 150 《鋼制壓力容器》、GB 3163 《真空技術(shù)術(shù)語》、 航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《氟橡膠密封超高真空法蘭規(guī)范》、 JB 81052 《金屬密封真空規(guī)管接頭》 等。

目前除了 《空間環(huán)境模擬器研制要求》 系列標(biāo)準(zhǔn)外， 跟空間環(huán)境模擬設(shè)備研制相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)大多是孤立地存在， 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容之間的協(xié)調(diào)性、 一致性比較差。 比如真空容器的設(shè)計與研制， 除了遵循相關(guān)的真空和機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外， 還要考慮系統(tǒng)級及組件級真空容器的設(shè)計和法蘭、 大門及側(cè)門的設(shè)計以及容器的加工等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范； 測控系統(tǒng)的設(shè)計與研制要考慮空間環(huán)境模擬設(shè)備自身設(shè)備的測控、 試驗用的測控、 攝像和照明等其他輔助測控設(shè)計等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范； 試驗支撐機構(gòu)要考慮航天器支撐平臺、 水平調(diào)節(jié)機構(gòu)和輔助操作平臺的設(shè)計和加工等標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

另外， 在空間環(huán)境模擬設(shè)備研制相關(guān)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中， 有部分技術(shù)指標(biāo)要求規(guī)定的并不具體。比如有些只規(guī)定了產(chǎn)品設(shè)計和驗證的指標(biāo)， 卻沒有檢驗方法； 有些雖然有檢驗方法， 但缺乏具體的檢驗指標(biāo)。 這就導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)不能真正落地， 給標(biāo)準(zhǔn)的實施帶來困難， 無法真正達到提高產(chǎn)品質(zhì)量、 提升研制效率的目的。 此外， 還存在大量的先進技術(shù)成果沒有及時納入標(biāo)準(zhǔn)， 或者產(chǎn)品已應(yīng)用了先進技術(shù)成果， 但對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)沒有及時修訂的情況。

3 未來展望

隨著航天器型號研制任務(wù)的不斷增加， 空間環(huán)境模擬設(shè)備的需求量也迅猛增長， 對空間環(huán)境模擬設(shè)備的性能和質(zhì)量也提出了更高的要求。 建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系可以顯著提高空間環(huán)境模擬設(shè)備研制的效率與品質(zhì)， 并能促進空間環(huán)境模擬設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用， 適應(yīng)當(dāng)前及未來的市場競爭。從空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀可以看出， 我國目前與空間環(huán)境模擬設(shè)備直接相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量并不是很多， 覆蓋范圍不全面。 而在我國重要的標(biāo)準(zhǔn)體系中， 也沒有建立空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)的分支。

3.1 建設(shè)空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)體系

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系的內(nèi)在聯(lián)系特征和空間環(huán)境模擬設(shè)備研制的具體特點， 空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)體系可以采用由專業(yè)領(lǐng)域、 體系層次和標(biāo)準(zhǔn)類型構(gòu)成的三維框架結(jié)構(gòu)， 如圖3 所示。 空間環(huán)境模擬設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 涉及多個領(lǐng)域的專業(yè)知識， 按照系統(tǒng)組成劃分專業(yè)領(lǐng)域。 按照標(biāo)準(zhǔn)類型， 又可以將標(biāo)準(zhǔn)劃分為規(guī)范、 規(guī)程、 規(guī)定； 通則、 導(dǎo)則、 細則； 條件、 方法； 技術(shù)要求、 管理要求等。

按照標(biāo)準(zhǔn)體系層次的分類原則， 將空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)分為基礎(chǔ)、 通用和專用標(biāo)準(zhǔn)3個層次。 其中第一層次為基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)， 作為其他標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)并普遍使用， 包括具有廣泛指導(dǎo)意義的術(shù)語、 符號、 計量單位、 圖形、 基本分類、 基本原則等的標(biāo)準(zhǔn)。 第二層次為通用標(biāo)準(zhǔn)， 根據(jù)不同的職能將標(biāo)準(zhǔn)體系分解為技術(shù)領(lǐng)域通用標(biāo)準(zhǔn)和管理領(lǐng)域通用標(biāo)準(zhǔn)。 技術(shù)領(lǐng)域按照不同的專業(yè)門類進行進一步的劃分， 管理領(lǐng)域則劃分為設(shè)備維護及保養(yǎng)、 現(xiàn)場安裝及調(diào)試、 質(zhì)量安全要求等， 通用標(biāo)準(zhǔn)可以作為制定專用標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)。 第三層次為專用標(biāo)準(zhǔn)， 是針對某一具體標(biāo)準(zhǔn)化對象或作為通用標(biāo)準(zhǔn)的補充、 延伸制定的專項標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 建設(shè)技術(shù)成熟和急用先行標(biāo)準(zhǔn)

按照空間環(huán)境模擬設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)體系， 可以看出目前標(biāo)準(zhǔn)有很多缺失。 可以采用集中立項、 成批編制的模式， 利用一段時間、 集中編制一批技術(shù)成熟的標(biāo)準(zhǔn)和急用先行的標(biāo)準(zhǔn)。 比如界定空間環(huán)境模擬器的術(shù)語和圖形符號， 以便于科研、 工程技術(shù)文件、 出版物中航天器空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備的術(shù)語表達和圖形符號的表示； 為確?？臻g環(huán)境模擬器的可靠性， 延長設(shè)備使用壽命， 保證試驗順利進行， 減少試驗過程的故障率， 對設(shè)備的容器系統(tǒng)、 熱沉、 真空系統(tǒng)、 低溫系統(tǒng)、 測量與控制系統(tǒng)、 輔助系統(tǒng)等進行定期維護保養(yǎng)， 需進行規(guī)范并提出要求。 同時形成技術(shù)研究與標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先研究的良性互動， 在后續(xù)新技術(shù)和新設(shè)備研制時同步開展真空測量技術(shù)、 太陽模擬技術(shù)和深冷技術(shù)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先研究。

4 結(jié)束語

空間環(huán)境模擬設(shè)備的特殊性決定了我國目前的空間環(huán)境模擬設(shè)備研制多為用戶驅(qū)動的模式。研制方一般需要根據(jù)用戶提出的指標(biāo)要求來進行設(shè)計， 沒有統(tǒng)一的設(shè)計規(guī)范。 由于不同設(shè)計人員的設(shè)計理念不同， 導(dǎo)致每臺設(shè)備的設(shè)計形式不盡相同， 給設(shè)備的生產(chǎn)、 使用和維護帶來了諸多不便。 標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計、 生產(chǎn)和服務(wù)等社會活動中有關(guān)各方共同遵守的準(zhǔn)則， 是促進空間環(huán)境模擬設(shè)備技術(shù)進步和保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要元素。

為了進一步滿足載人航天后續(xù)任務(wù)等眾多型號任務(wù)試驗需求， 同時提高空間環(huán)境模擬設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、 產(chǎn)品化水平， 增強我國空間環(huán)境模擬設(shè)備在國際上的話語權(quán)， 急需研究總結(jié)空間環(huán)境模擬設(shè)備研制的成熟經(jīng)驗， 依據(jù)技術(shù)發(fā)展、 應(yīng)用現(xiàn)狀以及國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的體系特點， 梳理空間環(huán)境模擬設(shè)備研制關(guān)鍵技術(shù)， 分析空間環(huán)境模擬設(shè)備研制可形成的標(biāo)準(zhǔn)， 建立空間環(huán)境模擬設(shè)備研制標(biāo)準(zhǔn)化體系， 從技術(shù)要求、 總體設(shè)計、 分系統(tǒng)設(shè)計到安裝調(diào)試、 驗收， 規(guī)范空間環(huán)境模擬設(shè)備研制流程和關(guān)鍵項目， 提升空間環(huán)境模擬設(shè)備研制的標(biāo)準(zhǔn)化程度， 提高效率、 降低成本， 更好地服務(wù)于型號研制試驗任務(wù)。