2010-2020年国外航天器试验标准发展研究

李西园 ，尹晓芳 ，尚永红 ，裴一飞 ，孙玉玮 ，杜春林 ，刘守文

（1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室，北京 100094；3.天津市空间环境模拟技术企业重点实验室，天津 330452）

0 引言

与一般的武器装备不同，航天器具有研制首件数量少、长寿命和发射后不可维修性等特点，充分的地面试验是航天器入轨后可靠运行的必要保证[1]。一般而言，在不同研制阶段对组件、系统进行以力、热试验为代表的大量试验是目前最为有效的方法之一[2]。根据研制阶段、试验策略的不同，试验又可以分为研制试验、鉴定试验、验收试验、准鉴定试验和在轨试验等。其中在初样、正样阶段进行的鉴定试验、验收试验和准鉴定试验是最重要的试验之一，其目的包括：通过鉴定级环境应力试验，验证正样或初样产品的设计与工艺方案是否满足要求，并具有规定的设计余量；通过验收级或准鉴定级环境应力试验，暴露产品由于元器件、材料和制造工艺引入的潜在缺陷，排除产品的早期失效，证明产品具有飞行能力等[3]。各航天组织均根据已有航天器的特点制定了相应的试验标准。试验标准规定了飞行器、分系统和组件在初样、正样等阶段需要进行的具体试验项目及要求。近10年来，为了适应航天任务牵引以及航天器制造水平的提升，各航天组织均对航天器试验标准进行了修订，如美国空军空间和导弹系统中心（SMC）在2014年修订形成了SMCS-016（2014）《Test Requirements for Launch，Upper-Stage，and Space Vehicle》标准[4-5]；欧洲空间标准化组织（ECSS）在2020年修订形成了ECSS-E-ST-10-03C Rev.1 DIR1《Space Engineering-Testing》标准草案[6-7]，并制定了相应手册[8]；日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在2019年修订形成了JERG-2-130B《宇宙機一般試験標準》标准[9-10]；NASA戈达德中心（Goddard）也分别于2013年和2021年更新了GSFCSTD-7000《General Environmental Verification Standard（GEVS）For GSFC Flight Programs and Projects》的A、B版本[11-12]。

航天器试验标准对于试验矩阵、量级等的修订均代表了各航天组织在验证、试验上的新思路、新方法[13]，也体现了各国基础工业水平的提升。本文将研究2010-2020年各航天器试验标准的发展情况，对比分析航天器、组件的试验矩阵的发展，以典型的力、热试验为研究对象，整理不同标准对于不同对象的试验量级、时间上的修订，并分析其修订的具体原因，为相关标准的指定和修订提供参考。

1 试验标准发展

1.1 SMC中心标准

早期美国航天器的军用试验标准由美国国防部（DoD）负责修订，在1974年，DoD编制并公开发布了首个航天器试验标准MIL-STD-1540A《Test Requirements for Space Vehicle》，并于1984年发布了其配套手册MIL-HDBK-340《Application Guidelines for 1540B》。在随后的30年间，该标准共经历了A、B、C、D、E（草案）五个大版本，期间受国防部工作思路的变更，对标准、手册的范畴、内容进行了多次调整。2008年，美国SMC将航天器试验标准纳入SMC标准体系，发布了SMC-S-016《Test Requirements for Launch，Upper Stage，and Space Vehicle》，随后NASA在对该标准进行评估后认为其可以替代MIL-STD-1540E标准作为航天任务中的执行标准。2014年，SMC对标准进行了少量修改，发布了SMCS-016（2014）。我国航天器试验标准的编制也参考了多个版本的美国军用标准[14]。图1为美国航天器试验军用标准的发展情况[15]。

图1 美国航天器试验军用标准的发展情况Fig.1 Development of U.S military standards for spacecraft test

相对于2008年发布的SMC-S-016标准，SMCS-016（2014）并无试验项目的增删。组件级鉴定、验收试验矩阵对比如图2、图3所示。其中R为必须进行的试验，ER为经评估后需进行的试验，-为无需进行的试验，↓为降低试验要求（如R调整为ER，ER调整为-），↑为提高试验要求（如ER调整R，-调整为ER）。

图2 组件鉴定试验矩阵对比Fig.2 Baseline comparison of unit qualification test

图3 组件验收试验矩阵对比Fig.3 Baseline comparison of unit acceptance test

如图2、图3所示，SMC-S-016（2014）对于组件级试验矩阵的调整非常小。在鉴定级试验中，试验矩阵调整均为R调整至ER。在验收级试验中，R调整为ER的项目为6项，其余5项是ER调整为-。对于系统级试验矩阵，仅有验收级试验项目存在调整，如图4所示。从图中可以看出，系统级验收试验的两项调整均为R调整到ER，表明SMC-S-016（2014）进一步提高了试验项目的可选择性。调整的原因主要是由于航天型号任务的复杂化，地面验证阶段的需求逐渐多样化，标准倾向于在验收阶段提供更大的灵活性。

图4 系统级验收试验矩阵对比Fig.4 Baseline comparison of system acceptance test

1.2 日本JAXA标准

1979年，日本宇宙开发事业集团（National Space Development Agency of Japan，NASDA）参考了Goddard中心标准制定了日本航天器试验规范NASDA-ESPC-7《試験共通仕様書（人工衛星編）》，后续经过多个版本迭代形成了试验标准NASDA-STD-15A《衛星一般試験標準》[16]。2003年，NASDA并入JAXA后，相应标准合并入JAXA的JERG标准体系中。JAXA于2012年发布了JERG-2-130《宇宙機一般試験標準》，并分别于2017年、2019年修订了A、B版本。该标准的修订参考了SMC-S-016和ECSSE-ST-10-03C标准。此外，为了对具体试验方法进行补充，JERG-2-130B标准目前共配有JERG-2-130-HB（01～07）共计7份手册，覆盖具体试验方法、试验剪裁和详细说明等多种类别，图5为日本航天器试验标准的发展情况[17]。

图5 日本航天器试验标准的发展情况Fig.5 Development of Japanese spacecraft test standards

其中，JERG-2-130A对试验矩阵的划分进行了大量调整，包括：（1）增加了结构件试验要求；（2）调整了试验的可替代性，如声试验和随机振动可根据评估选取其中一项，静载荷、正弦脉冲和加速度试验可根据需要选取等。此外，对于试验矩阵也存在少量的修订，如图6、图7所示

图6 组件鉴定试验矩阵对比Fig.6 Baseline comparison of unit qualification test

图7 组件验收试验矩阵对比Fig.7 Baseline comparison of unit acceptance test

对于系统级试验，JERG-2-130A标准与JERG-2-130完全相同。JERG-2-130B仅对部分细节进行微调，组件、系统试验矩阵与JERG-2-130A标准完全相同，未进行调整。

1.3 欧洲ECSS标准

欧洲ECSS标准体系由欧洲空间标准化组织进行修订和维护，其中航天器试验标准为制定于2002年的 ECSS-E-10-03A《Space Engineering-Testing》，其B版本未公开发布，现行版本为2012年发布的ECSS-E-ST-10-03C。2020年10月，ECSS公开了其最新版草案ECSS-E-ST-10-03C Rev.1 DIR1，并发布了其配套手册草案ECSS-E-HB-10-03A DIR1《Space Engineering-Testing Guidelines》，图 8为欧洲航天器试验标准的发展情况。

图8 欧洲标准化组织航天器试验标准的发展Fig.8 Development of ECSS standards for spacecraft test

由于ECSS-E-10-03A至ECSS-E-ST-10-03C的试验矩阵调整较大，试验项目存在多项分拆、合并和增加等调整，因此仅统计其中主要试验项目的试验矩阵调整。表1、表2分别为ECSS-E-ST-10-03C鉴定、验收试验矩阵调整表格，其中试验项目1～12分别为电工电子组件、天线、蓄电池、阀门、流体或推进组件、压力容器、推力器、热学组件、光学组件、结构件、太阳电池阵和太阳电池板。“-↓↓”表示由R调整为-，“R↑↑”表示由-调整为R，其中灰色项为量级存在修订的试验项目。

表1 组件鉴定试验矩阵对比Tab.1 Baseline comparison of unit qualification test

表2 组件验收试验矩阵对比Tab.2 Baseline comparison of unit acceptance test

其中调整项目的统计如图9、图10所示。如图可见，ECSS-E-ST-10-03C标准在试验矩阵上存在大量调整，其中鉴定级试验提高和降低试验要求各占总调整的50%左右。验收级试验的调整主要为降低试验要求，增加了标准的可选择性，与SMC-S-016标准的调整趋势相同。此外，标准中还增加了静载荷、微振动、PIM和二次电子效应（微放电）等试验项目。同时，ECSS标准对系统级试验矩阵也进行了大量调整，主要试验项目对比如表3所列，其中QT、PFT、AT分别为鉴定试验、准鉴定试验和验收试验。

图9 组件鉴定试验矩阵调整统计Fig.9 Baseline adjustment statistics of unit qualification test

图10 组件验收试验矩阵调整统计Fig.10 Baseline adjustment statistics of unit acceptance test

表3 系统级试验矩阵对比Tab.3 Baseline comparison of system test

如图中所见，ECSS标准在系统级试验中存在大量调整，其中80%以上的调整项目为R调整至ER，增加了标准的可选择性。在此基础上，2020年更新的ECSS-E-ST-10-03C Rev.1 DIR1标准草案对部分试验的名称和范畴进行了修改，如将Thermal ambient（热循环试验）修订为Thermal ambient at mission pressure（任务压力下的热循环试验），并指出，对于金星、火星等大气层内的着陆任务，除热真空试验外，也应当在相应气压下进行试验。对于试验矩阵的调整，主要集中于新环境、新试验方法上，如微振动环境（Micro-vibration generated environment）、微振动产生（Micro-vibration emission）、微振动敏感性（Micro-vibration susceptibility）和正弦冲击（Sine Burst）试验上。表4为组件验收级试验矩阵对比（鉴定级试验矩阵无调整），其中，试验项目1～12分别为电工电子组件、天线、蓄电池、阀门、流体或推进设备、压力容器、推力器、热学组件、光学组件、机械活动组件、太阳电池阵和太阳电池板。

表4 组件级验收试验矩阵对比Tab.4 Baseline comparison of unit acceptance test

表5为系统级试验对比。如表中所见，该标准草案主要修订均为调整至ER，针对新的环境（微振动）提出了更多的可选择项。

表5 系统级试验矩阵对比Tab.5 Baseline comparison of system test

2 对标研究

2.1 试验矩阵

试验要求类标准往往形成一套通用的试验矩阵。试验矩阵包含了组件、分系统和系统在鉴定、验收阶段的试验项目[18]。由于各个标准对于部分试验、组件的划分存在差异，且还存在一些特殊试验相关规定，因此试验矩阵的对标主要针对以振动、热真空为代表的主要试验类型，以及系统级大型试验，表 6、表 7为 SMC-S-016（2014）、ECSS-E-ST-10-03C、JERG-2-130B标准的组件级试验矩阵对比，其中灰色项目为各个标准间存在差异的项目。

表6 组件级鉴定试验矩阵对比Tab.6 Baseline comparison of unit qualification test

表7 组件级验收试验矩阵对比Tab.7 Baseline comparison of unit qualification test

如表中所见，三个标准对组件级试验的要求存在较大的差异，其中原因包括：（1）各个标准中，替代试验的表示方式不同（如SMC-S-016标准中，可根据产品特性选择声或振动试验）；（2）各个标准制定的理念存在一定差异，有的更倾向于给出必要的试验作为不同组织间合作的基础，有的倾向于给出多种试验可选项作为单一组织内的参考；（3）各个航天组织对于不同单机设备研制具有不同的特点，在试验中需要考虑不同的试验以充分暴露产品缺陷。

同时，试验有效性研究在支持标准修订方面也起着直接作用。各个航天组织均基于现有试验数据，以统计学方法评估了不同试验对于不同对象的有效性，以此为基础对试验矩阵进行了调整[19]。具体包括：SMC-S-016/MIL-STD-1540标准对于试验矩阵、量级和时间的修订往往依据Aerospace公司对大量型号试验结果的数据统计[20-22]；ECSS基于自有的试验数据分析平台MATED对历史试验数据进行分析，用于更新和维护ECSS试验标准[23]；JAXA在美国、欧洲试验有效性研究的基础上，发展了试验有效性分析方法[24]，基于现有试验数据统计分析，对试验量级、时间和试验顺序等参数进行了分析[25]；日本九州大学等机构还基于蒙特卡洛仿真方法建立了微纳卫星可靠性增长试验模型，用于对微纳卫星的鉴定、验收试验量级进行剪裁[26-27]。

图11、图12为组件级鉴定、验收试验的试验矩阵统计。

图11 组件鉴定试验矩阵对比Fig.11 Baseline comparison of unit qualification test

图12 组件验收试验矩阵对比Fig.12 Baseline comparison of unit qualification test

如图11～12所见，SMC-S-016（2014）标准在组件鉴定、验收阶段的R项比例均高于JERG-2-130B和ECSS-E-ST-10-03C标准，而-项目则明显少于二者，这可能与该标准作为军用标准的定位有关，主要给出了一般军用航天器在研制阶段的试验项目要求，不需要考虑其他航天器的试验需求，所以在标准中很少提及实施较少的试验项目，而JERG-2-130B、ECSS-E-ST-10-03C标准涉及的试验项目则较为繁多，因此存在较多的-项。此外ECSS-E-ST-10-03C在鉴定、验收阶段的ER、-项比例存在一定差异，主要原因是该标准倾向于在鉴定试验阶段提供更多的可选项目，而在验收阶段简化了相应试验项目。

表8为系统级试验矩阵的对比。对于系统级试验而言，三个标准的差异相对较小，其中SMC-S-016（2014）有更严格的要求，ECSS标准提供了更多的选择，其中灰色项为不同标准间的差异项。

表8 系统级试验矩阵对比Tab.8 Baseline comparison of system test

2.2 试验量级与时间

试验量级即标准中规定的试验环境条件[28]。表9为SMC-S-016（2014）、JERG-2-130B、ECSSE-ST-10-03C标准中规定的组件级鉴定、准鉴定、验收试验的量级与时间[29]。其中MPE为最高预示环境（Maximum Predicted Environment），一般以统计预示谱值为依据，选择P95/50值作为最高预示环境（即每20次飞行中出现超过该环境值一次的概率是50%）。MPT为最高和最低预示温度，即产品在工作寿命期内所有在轨工作模式下可能经受的最高、最低温度，分别为最高（最低）模型预示温度加（减）热不确定余量，灰色项为不同标准间的差异项。

表9 组件及系统级试验量级与时间对比Tab.9 Level and duration comparison of unit and system test

由表9所见，在组件级试验上，欧洲ECSS-EST-10-03C标准与日本JERG-2-130B具有接近的试验量级与时间要求，美国SMC-S-016（2014）标准中规定的试验量级与时间则明显高于二者。为了对试验的量级进行直观的比较，以热试验为典型对象，采取低周疲劳等效方式对试件的总环境应力筛选作用进行等效。目前在标准中，往往采用式（1）进行等效，或对试验条件进行裁剪[30]：

式中：ΔT为温度范围，K，参照SMC-S-016（2014）标准将最高、最低预示温度（即MPT）范围选择为358 K；N为循环数（次）。绘制三个标准中的鉴定、准鉴定、验收试验NΔT1.4值如图13所示，绘制不同标准的NΔT1.4值对比如图14所示。

如图 13所示，SMC-S-016（2014）标准在鉴定、准鉴定、验收试验上的NΔT1.4值均明显高于ECSSE-ST-10-03C与JERG-2-130B标准，即组件在试验中经历了更高等级的环境应力筛选。其主要原因在于SMC-S-016（2014）作为美国空军军用标准，倾向于对高价值军用卫星进行充分的验证，而ECSSE-ST-10-03C和JERG-2-130B标准作为ESA和JAXA的通用试验标准，兼顾了一般航天器的验证需求。对于NASA的一般公开航天器而言，在试验中选择具体参数仍有一定的灵活性，如文献[31-32]中给出了星座计划中组件热真空试验要求，鉴定、验收试验循环数分别为8次、4次；文献[33-34]给出了国际空间站项目中的组件热真空试验要求，鉴定、验收试验最低循环数分别为24次、3次；文献[35]指出GSFC-STD-7000标准已成为NASA内部重要的参考系统级航天器试验标准之一，要求组件级、系统级的最低循环数分别为8次、3次；文献[36]作为NASA内部的试验标准，仅规定循环数由各个载荷研制组织按照验证策略确定，未给出数值参考。这说明NASA在非军用航天器的试验中，试验的循环数选取具有一定的灵活性，总体来看与ESA/JAXA标准相当。此外，ECSS-E-ST-10-03C在鉴定级试验上与JERG-2-130B相当，但准鉴定、验收级试验的要求相对较低。

图13 组件试验NΔT1.4值对比Fig.13 Comparison of unit testNΔT1.4Value

图14进一步验证了美国军用标准中环境应力筛选量级较高的结论。在鉴定、准鉴定、验收试验中，以MIL-STD-1540和SMC-S-016为代表的军用标准的NΔT1.4值均显著高于ECSS-E-ST-10-03C与JERG-2-130B标准，其中MIL-STD-1540C标准的鉴定级试验要求为ΔT=398 K，N=78.5，远远超过其他试验标准的要求。同时，如表9所示，SMC-S-016（2014）标准在系统级鉴定试验上具有高于ESA/JAXA标准的试验量级与时间要求，在准鉴定、验收试验上具有较为接近的试验量级与时间要求。

图14 不同标准中组件试验NΔT1.4值Fig.14NΔT1.4value of unit test in different standards

综上所述，由于试验对象的特性不同，国外军用航天器试验标准倾向于以更高要求的试验量级与时间，筛除高价值主要军用航天器的早期缺陷，而通用航天器试验标准则需要兼顾时间、经费等问题，在可靠性和成本之间进行取舍。因此NASA在型号开展过程中，除参考军用航天器试验标准外[37]，也编制了多项组织标准、型号标准，分别满足不同航天器的验证需求。相应的发展策略为我国航天器试验标准的发展提供了参考。

3 总结

随着基础工业水平的提高和航天型号的牵引，在2010-2020年间，各大航天组织均对编制的航天器试验标准进行了修订。本文以美国SMC-S-016（2014）标准、欧洲ECSS-E-ST-10-03C标准和日本JERG-2-130B标准为研究对象，研究了标准在近些年的修订情况，梳理了标准在试验矩阵上的调整情况，对比分析各标准在试验量级上的异同，得到了如下结论：

（1）在试验矩阵的修订方面，SMC-S-016、JERG-2-130B和ECSS-E-ST-10-03C均进行了一定的调整。SMC-S-016（2014）标准主要对传统试验项目的试验矩阵进行了少量调整，绝大部分调整项为更改至ER，提高了标准的可选择性；JERG-2-130标准A版本对组件级试验矩阵进行了微量调整，并参照SMC-S-016标准增加了多项试验的可替代性选项，B版本未进行试验矩阵调整；ECSS-E-ST-10-03C标准对试验矩阵进行了大量调整，增加了多种新型试验项目，提高了验收试验的可选择性，ECSSE-ST-10-03C Rev.1 DIR1草案主要调整新型试验项目的试验矩阵，不涉及传统试验项目。

（2）在试验矩阵方面，SMC-S-016（2014）、JERG-2-130B和ECSS-E-ST-10-03C在系统级试验矩阵上差异很小，在组件级试验矩阵上差异较大。在试验量级和时间方面，JERG-2-130B、ECSSE-ST-10-03C基本相同，SMC-S-016（2014）显著高于二者。总体而言，与提供更多选择项的通用试验标准不同，定位为军用标准的SMC-S-016（2014）对试验矩阵、试验量级、时间上有更严格的要求。

（3）随着航天任务的多样化，单个试验要求类标准已经难以兼顾不同类型航天器的验证需求。对于未来试验标准中试验量级、时间的修订，应考虑具体对象的需求。军用标准应考虑以较高量级的环境应力筛选作用来尽可能筛除高价值军用航天器的早期缺陷，而通用试验标准为不同种类的航天器验证提供最低限度要求及多种可选择项。

（4）随着航天器发射数量的增加，各个航天组织均有一定量的试验数据积累，在现有试验数据基础上，通过统计学、蒙特卡洛仿真等手段进行试验有效性分析，可为试验标准的制定和修订提供直观的数据支撑。