浅谈空间环境模拟设备研制标准

贾瑞金 丁文静 龚洁 韩潇 顾苗

（北京卫星环境工程研究所， 北京， 100094）

航天器在轨运行过程中， 长期处于高真空、冷黑和热辐射环境中， 为了对航天器热控系统的性能进行考核并验证热分析模型的正确性， 同时为了暴露航天器材料、 工艺、 制造质量方面的潜在缺陷， 验证航天器产品在极限温度下的工作能力， 需要在地面使用空间环境模拟设备对航天器进行热平衡和热真空试验。

近年来， 随着我国航天事业的发展， 提升航天器地面环境试验能力成为航天型号产品研制过程关注的焦点之一， 空间环境模拟设备的需求量也迅猛增长。 虽然空间环境模拟设备研制呈现出市场前景广、 综合效益好、 产业带动性强、 战略地位突出等特点， 各研制单位也逐步制定了相关的企业标准和规范， 为空间环境模拟设备的研制提供支持， 但国家层面或行业层面的标准与规范依然缺乏。 本文对空间环境模拟设备研制现状进行初步分析， 对国内外的空间环境模拟设备研制标准与规范的现状进行了总结， 并据此给出了相关标准与规范的发展建议。

1 空间环境模拟设备

随着空间环境模拟技术的不断发展， 以及航天器热平衡、 热真空试验标准的建立， 真空、 冷黑和热辐射环境的模拟方法也趋于成熟。 目前已使用空间环境模拟设备在地面上实现真空、 冷黑、 空间外热流等综合环境的模拟。

1.1 空间环境模拟设备基本组成

空间环境模拟设备一般由真空容器、 热系统、 真空系统、 热流模拟系统、 试件支撑系统及测控系统等组成， 如图1 所示。 其中热流模拟系统需根据试验方法的不同在太阳模拟器、 红外模拟器、 调温热沉这3 种不同热流模拟装置中进行选择配制。

1.2 空间环境模拟设备研制现状

我国空间环境模拟设备的研制工作始于20 世纪60 年代， 当时为了满足中国第一颗人造卫星“东方红一号” 研制的需要， 航天五院511 所成功研制了KM1 和KM2 空间环境模拟试验设备， 并先后完成了 “东方红一号” 和 “实践一号” 等卫星的热平衡试验。 KM1 和KM2 也被称之为当时中国最大的高真空获得系统[1]。

经过60 多年的发展， 航天五院 511 所、 510所等单位， 在空间环模设技术攻关和产品开发等方面做出了巨大贡献， 形成了BZ 系列、 KM2 系列等小型空间环境模拟设备和 KM4、 KM6、KM5A、 KM3B、 KM7、 舱 外 航 天 服 试 验 舱 、KM7A、 KM8 等中大型空间环境模拟设备， 部分设备如图2 所示。 其中KM6 基本上能够满足现阶段我国航天器从系统级、 分系统级到部组件级的热真空与热平衡试验需求； KM8 攻克了超大空间 （6000m3） 高真空环境模拟技术等多项关键技术， 是目前亚洲最大、 世界排名第3 的立式航天器空间环境模拟设备， 未来将应用于大型通信卫星、 遥感卫星、 深空探测器等多项国家重大航天工程， 完全能够满足我国载人空间站和大型卫星的研制需求。

除国内市场外， 航天五院511 所还成功为俄罗斯研制了GVU—600 大型空间环境模拟设备，实现了我国向航天大国出口大型系统产品的突破。 KM8 的成功研制更是引起了德国 IABG 集团、 欧空局 ESTEC 公司、 俄罗斯、 巴基斯坦、沙特等国家航天机构或宇航公司的强烈关注， 均表示出了强烈的合作意向。

2 空间环境模拟设备研制标准现状

空间环境模拟设备是航天大型试验基础设施的重要组成部分， 近年来其研制业务也成为航天领域的新热点。 空间环境模拟设备研制随着技术发展积累了丰富的经验， 研制的可靠性、 稳定性日趋成熟。 但是目前国内外所应用的相关标准很少， 且缺乏系统性， 这在一定程度上又制约了空间环境模拟技术的发展和空间环境模拟设备的规模化、 产品化应用。

2.1 国际和国外标准

目前， 国际上还没有专门的空间环境模拟设备研制标准来规范空间环境模拟设备研制， 其研制主要依据机械、 真空、 低温和测控技术的相关标准以及航天器热真空、 热平衡试验的相关标准。如ISO 15864 《空间系统—航天器子系统和装置的一般试验方法》、 ISO 14644 《洁净室及相关受控环境 第1 部分 空气洁净度等级划分》、 ISO 3529-1 《真空技术 词汇 第1 部分 一般术语》、 ISO 3529-2 《真空技术 词汇 第 2 部分真空泵及相关术语》、 ISO 1609 《真空技术—法兰尺寸》、 ISO 2861 《真空技术—快卸连接器尺寸》、ISO 3669 《真空技术—可烘烤法兰尺寸》 和ASTM E491 《航天飞机热平衡试验用太阳模拟的标准实验规程》 等。 在空间环境模拟设备研制中只能局部参考或使用这些标准的规定和要求， 但是对于其总体设计工作指导性不强。 在空间环境模拟设备的制造和试验工作中基本没有相关的工艺和试验标准规范可依。

2020 年 9 月由航天 511 所主导编制的 ISO/AWI TR 6832 《热真空试验设备研制技术指南》正式立项， 该报告可对空间环境模拟设备的研制起到指导作用。

2.2 国内标准

随着航天器对高可靠、 高精度、 长寿命的要求越来越高， 在地面进行组件级、 系统和分系统级的验证越来越重要， 进而空间环境模拟设备的需求也逐年增长。 伴随着技术攻关和改进提高，空间环境模拟设备的设计水平和性能明显改善。但是空间环境模拟设备由于是非标研制， 个体差异较大， 目前对空间环境模拟设备具有广泛指导意义的顶层标准依然缺失。 比如术语、 符号、 基本分类、 基本原则等标准， 各研制单位还未统一， 现有标准还不足以满足研制的需要。 此外部分设计和研制过程中的经验并没有得到及时的固化， 给产品的设计、 生产、 使用和维护带来了诸多不便。 在设计和研制中， 传统依托师徒相带、同事相帮的方式和 “以经验代替标准” 现象依然盛行[2]。

虽然， 各企业单位也逐渐发现了标准的重要性， 也开始制定相关的企业标准， 并逐步制定上级标准。 比如GB/T 32221 《真空技术 航天器用真空热环境模拟试验设备 通用技术条件》 规定了航天器用工作压力1×10-2Pa～1×10-4Pa 真空热环境模拟试验设备技术要求、 检验规则、 标识、贮存、 包装和运输。 国家军用标准 《太阳模拟器光学参数测量方法》 规定了太阳模拟器辐照不稳定度、 辐照不均匀度、 均匀辐照面积和均匀辐照体积、 辐照度、 光谱辐照度、 光束准直角和吸收红外辐射热流密度测量的条件和方法。 航天行业《空间环境模拟器研制要求》 系列标准分别规定了空间环境模拟设备真空系统、 低温系统、 外热流模拟系统、 太阳模拟器、 控制与监测等系统的组成、 性能要求、 设计要求、 工艺要求、 安装要求、 调试要求、 验收交付要求等， 以及空间环境模拟设备系统联试的目标、 工作时机、 主要内容、 准备工作、 流程、 合格判据和调试总结等要求。 航天行业标准 《空间模拟器基本参数检定方法》 规定了空间环境模拟器基本参数的检定项目、 检定周期和检定方法。 但是在研制过程中，大多还是需要采用机械、 真空、 低温和测控等各专业相应的国家标准、 航天行业标准和机械行业标准作为设计的标准依据。 比如GB/T 6070 《真空技术 法兰尺寸》、 GB 150 《钢制压力容器》、GB 3163 《真空技术术语》、 航天行业标准 《氟橡胶密封超高真空法兰规范》、 JB 81052 《金属密封真空规管接头》 等。

目前除了 《空间环境模拟器研制要求》 系列标准外， 跟空间环境模拟设备研制相关的标准大多是孤立地存在， 标准内容之间的协调性、 一致性比较差。 比如真空容器的设计与研制， 除了遵循相关的真空和机械行业标准外， 还要考虑系统级及组件级真空容器的设计和法兰、 大门及侧门的设计以及容器的加工等标准和规范； 测控系统的设计与研制要考虑空间环境模拟设备自身设备的测控、 试验用的测控、 摄像和照明等其他辅助测控设计等标准和规范； 试验支撑机构要考虑航天器支撑平台、 水平调节机构和辅助操作平台的设计和加工等标准和规范。

另外， 在空间环境模拟设备研制相关的现有标准中， 有部分技术指标要求规定的并不具体。比如有些只规定了产品设计和验证的指标， 却没有检验方法； 有些虽然有检验方法， 但缺乏具体的检验指标。 这就导致标准不能真正落地， 给标准的实施带来困难， 无法真正达到提高产品质量、 提升研制效率的目的。 此外， 还存在大量的先进技术成果没有及时纳入标准， 或者产品已应用了先进技术成果， 但对应的标准没有及时修订的情况。

3 未来展望

随着航天器型号研制任务的不断增加， 空间环境模拟设备的需求量也迅猛增长， 对空间环境模拟设备的性能和质量也提出了更高的要求。 建立完善的标准体系可以显著提高空间环境模拟设备研制的效率与品质， 并能促进空间环境模拟设备的产业化应用， 适应当前及未来的市场竞争。从空间环境模拟设备研制标准现状可以看出， 我国目前与空间环境模拟设备直接相关的标准数量并不是很多， 覆盖范围不全面。 而在我国重要的标准体系中， 也没有建立空间环境模拟设备研制标准的分支。

3.1 建设空间环境模拟设备研制标准体系

根据标准体系的内在联系特征和空间环境模拟设备研制的具体特点， 空间环境模拟设备研制标准体系可以采用由专业领域、 体系层次和标准类型构成的三维框架结构， 如图3 所示。 空间环境模拟设备结构复杂， 涉及多个领域的专业知识， 按照系统组成划分专业领域。 按照标准类型， 又可以将标准划分为规范、 规程、 规定； 通则、 导则、 细则； 条件、 方法； 技术要求、 管理要求等。

按照标准体系层次的分类原则， 将空间环境模拟设备研制标准分为基础、 通用和专用标准3个层次。 其中第一层次为基础标准， 作为其他标准的基础并普遍使用， 包括具有广泛指导意义的术语、 符号、 计量单位、 图形、 基本分类、 基本原则等的标准。 第二层次为通用标准， 根据不同的职能将标准体系分解为技术领域通用标准和管理领域通用标准。 技术领域按照不同的专业门类进行进一步的划分， 管理领域则划分为设备维护及保养、 现场安装及调试、 质量安全要求等， 通用标准可以作为制定专用标准的依据。 第三层次为专用标准， 是针对某一具体标准化对象或作为通用标准的补充、 延伸制定的专项标准。

3.2 建设技术成熟和急用先行标准

按照空间环境模拟设备标准体系， 可以看出目前标准有很多缺失。 可以采用集中立项、 成批编制的模式， 利用一段时间、 集中编制一批技术成熟的标准和急用先行的标准。 比如界定空间环境模拟器的术语和图形符号， 以便于科研、 工程技术文件、 出版物中航天器空间环境模拟试验设备的术语表达和图形符号的表示； 为确保空间环境模拟器的可靠性， 延长设备使用寿命， 保证试验顺利进行， 减少试验过程的故障率， 对设备的容器系统、 热沉、 真空系统、 低温系统、 测量与控制系统、 辅助系统等进行定期维护保养， 需进行规范并提出要求。 同时形成技术研究与标准预先研究的良性互动， 在后续新技术和新设备研制时同步开展真空测量技术、 太阳模拟技术和深冷技术等相关标准预先研究。

4 结束语

空间环境模拟设备的特殊性决定了我国目前的空间环境模拟设备研制多为用户驱动的模式。研制方一般需要根据用户提出的指标要求来进行设计， 没有统一的设计规范。 由于不同设计人员的设计理念不同， 导致每台设备的设计形式不尽相同， 给设备的生产、 使用和维护带来了诸多不便。 标准作为设计、 生产和服务等社会活动中有关各方共同遵守的准则， 是促进空间环境模拟设备技术进步和保证产品质量的重要元素。

为了进一步满足载人航天后续任务等众多型号任务试验需求， 同时提高空间环境模拟设备标准化、 产品化水平， 增强我国空间环境模拟设备在国际上的话语权， 急需研究总结空间环境模拟设备研制的成熟经验， 依据技术发展、 应用现状以及国外相关标准的体系特点， 梳理空间环境模拟设备研制关键技术， 分析空间环境模拟设备研制可形成的标准， 建立空间环境模拟设备研制标准化体系， 从技术要求、 总体设计、 分系统设计到安装调试、 验收， 规范空间环境模拟设备研制流程和关键项目， 提升空间环境模拟设备研制的标准化程度， 提高效率、 降低成本， 更好地服务于型号研制试验任务。