环境技术
ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY
1999年 第3期 No.3 1999



美国的航天器环境试验标准评述
金恂叔
文摘：概述了环境试验和检验在航天器研制中的作用，简介和分析了美国的MIL－STD－1540C环境试验标准与GEVS－SE通用环境检验规范的发展过程以及异同点，研究和评述了在采办改革的形势下，美国环境试验标准的发展趋势，并结合我国航天型号研制情况，提出了采用和借鉴的建议。
关键词：航天器；环境试验标准；环境检验规范；分析比较；发展趋势；美国
中图分类号：V416．5　　　文献标识码：A
1　前言
　　环境试验是航天器研制工作中不可缺少的重要组成部分，它对暴露产品中隐藏的缺陷，保证和提高产品的质量与可靠性起了很重要的作用。而环境试验标准是指导航天器研制中环境试验大纲和计划的制定，阐明要进行哪些试验、试验的基本要求等，因此，各国在航天器的研制中，都编制了环境试验的标准或规范。
　　美国在环境试验标准的制定方面也下了很大力气，目前用于航天器通用性的环境试验标准共有两项，即：美国军用标准MIL-STD-1540《航天器试验要求》，1994年10月出了C版并更名为MIL－STD－1540C《运载器、顶级飞行器和航天器试验要求》；美国NASA哥达德航天中心（GSFC）制定的通用环境检验规范，最新一版名称为GEVS－SE《航天飞机（STS）和一次使用运载器（ELV）有效载荷、分系统及组件通用环境检验规范》，是在1990年颁布的。前者主要用于军用航天器，后者主要用于NASA各中心的航天器。这两项标准在西方各国的航天部门都有很高的影响，对我国的航天器研制及试验也有很大的参考价值。本文拟对这两项标准的发展过程和趋势、各自特点及异同作一简要介绍、比较和评述。
2　MIL－STD－1540C和GEVS－SE的发展过程
2．1　MIL－STD－1540C
　　MIL－STD－1540的正式第一版即MIL－STD－1540A《航天器试验要求》是在1974年由美空军颁布的（MIL－STD－1540仅存在两个月便颁布了MIL－STD－1540A），这是美国军方第一个统一的航天器环境试验标准。该标准结合航天器的研制过程，规定了各个研制阶段航天器组件、分系统和系统级的试验项目及要求，其目的是为了确保军用航天器的低风险和高可靠性。标准颁布后，受到了有关各方重视并用于各个型号的研制中。普遍认为，按此标准对研制的卫星进行试验，能基本上排除隐藏的缺陷而保证其高可靠性。
　　1982年10月颁布了MIL－STD－1540B，与A版相比，B版有以下几个特点。
　　①从使用对象来说，它不仅适用于航天器，而且也适用于运载器的组件。在标准的前言中指出，虽然该标准不适用于运载器，但是建议将组件试验要求用于运载器的组件以获得所要求的高可靠性。
　　②明确写上了一段关于试验剪裁（Test tailoring）的概念， 提出了对该标准进行剪裁的一些基本原则。在标准使用中要应用剪裁的原理是在70年代中提出来的，但明确写进美国军标MIL－STD－1540B中，可能是最早的关于剪裁规定的标准之一。
　　③详细规定了经鉴定试验的产品整星和组件要用于飞机时，其试验条件应该怎样来制定。即，在一定条件下，为了使经过鉴定试验的正样产品（卫星或组件）仍然可以发射上天，可将鉴定试验和验收试验结合，适当降低试验量级或缩短试验时间来减少产品所受的磨损或疲劳，使它能经受发射及轨道环境并仍有足够的工作寿命。
　　在MIL－STD－1540B颁布12年后，1994年9月颁布了MIL－STD－1540C。与B版相比，C版有了相当大的补充。特别是，标准的名称改为“运载器、顶级飞行器和航天器的试验要求”，这意味着标准的使用范围已由航天器正式扩大到运载器和顶级飞行器。
2．2　GEVS－SE
　　美国哥达德航天中心是NASA所属负责研制和管理大部分科学卫星和应用卫星的机构。自60年代至今，30多年来哥达德航天中心研制发射了大量人造地球卫星。为了保证卫星能够顺利地完成飞行任务，很早就对卫星的环境问题给以重视。该中心自60年代就开始建立起一整套不同用途不同尺寸的环境试验设备，如直径8．4m、高12m的“空间环境模拟器”、具有模拟发射阶段组合环境能力的大型离心机“发射阶段模拟器”和进行整星磁试验的直径14m 磁试验设备“姿态控制试验设备”等。试验设备相当齐全。
　　与此同时，哥达德航天中心还对环境试验的原理和理论进行了大量的研究，积累了大量的数据和资料，提出了有关环境试验用于卫星研制的理论和做法。此外，哥达德航天中心还对环境试验的有效性的成本效益问题作了许多分析研究工作。在环境预示和环境条件制定、环境模拟技术和试验方法等方面，该中心多年来也做了大量研究工作，这些工作对提高环境试验技术水平、更好地发挥环境试验在提高卫星可靠性、保证卫星顺利完成飞行任务方面起了重要的作用。
　　哥达德航天中心很早就开始制定卫星的环境试验规范。1963～1966年间，曾先后制定了以DELTA、AGENA和SCOUT等火箭为运载的卫星环境试验规范。1969年10月颁布了GSFCS－320－G－1《航天器及组件通用环境试验规范》，这可以说是世界上第一个较完整的卫星环境试验规范。以后几年，又针对不同的运载器作了补充。1977年，哥达德航天中心制定了新的试验规范GETS（ELV）－1《航天器及其组件通用环境试验规范》，用于一次使用的运载器。但上述这些资料我国都未能获得，规范中的某些内容仅见于一些文章。
　　1990年，哥达德航天中心在原有规范的基础上制定了新的环境规范GEVS－SE《航天飞机（STS）和一次使用运载器（ELV）有效载荷、分系统及组件通用环境检验规范》，规定了哥达德航天中心用航天飞机及一次使用运载器的有效载荷、分系统及组件的环境检验要求和检验方法。在颁布该规范的通知中指出，它替代所有以前用于航天飞机和一次使用运载器有效载荷的通用试验和检验规范。规范的附录还给出了用不同运载器包括空间运输系统（STS即航天飞机）以及ATLAS、DELTA和TITAN等发射的卫星和有效载荷的力学环境试验条件， 有一定参考价值。 该标准主要在NASA各部门和机构中使用，同时也是美国国内外各卫星公司的重要参考文件。1996年GSFC又出版了GEVS－SE的修订版A（草案），对原来的GEVS－SE作了相当多的补充。
3　MIL－STD－1540C与GEVS－SE比较分析
　　MIL－STD－1540C和GEVS－SE（下称两个标准）各有很多特点，内容也都很丰富，这里仅就两者的异同点作一粗浅的比较与分析。
3．1　两个标准编排格式有所不同，但使用目的一致。
　　MIL－STD－1540C共分10章，比较接近一般军用标准的编写格式，研制试验、鉴定试验和验收试验分3章写；而GEVS－SE分为两大部分，即一般要求部分和环境检验部分按要求进行的试验项目阐明试验要求，再加上附录，给出了不同运载器有效载荷的力学环境试验条件。
　　GEVS－SE着重产品的检验，没有谈到研制试验，而且鉴定试验和验收试验都放在同一节中。
　　但这两个标准基本内容和使用目的是一致的，主要都是用于指导航天器环境试验大纲和计划的制定，指出了具体的试验要求和有关技术问题。因此，这两个标准的第一个共同特点就是紧密结合航天器的研制过程，完全是为航天器研制服务，有较强的针对性和指导性。
3．2　两个标准都要求进行剪裁后使用
　　两个标准都指出，在使用标准时需要对它进行剪裁。
　　MIL－STD－1540C指出：“要针对每个特定型号考虑其设计复杂程度、设计余量、薄弱环节、技术水平、制造过程控制、任务的重要性、寿命周期成本、包含的飞行器数目、以前的使用情况，还有可接受的风险等对这些试验要求进行剪裁”。而GEVS－SE则指出：“应该根据所使用的运载器如空间运输系统（STS）（主要指航天飞机）、SCOUT、DELTA、ATLAS－CENTAUR、TITAN等，或包括具体任务的其它考虑，从规范中选出适用部分来满足特定的有效载荷（航天器）要求”。因此，这两个标准都是需要进行剪裁后使用的。并且，MIL－STD－1540C在第10章“注释”中专门说明如何对标准剪裁用于具体的型号， 包括如何理解标准中使用的词， 如“要求的”试验（Required tests）、“其它”的试验（Other tests ）、 “不要求的”试验（Not required tests）；表示不同程度加权系数的词，如“应”（Shall）、 “如何行，应”（Shall,Where practible）、“宜”（Should）、“可”（May）， 以及怎样在工作说明书中提出剪裁要求等。因此要求进行剪裁后使用是两个标准的另一个共同特点。
3．3　两个标准使用的对象略有不同
　　MIL－STD－1540C主要针对航天器，但使用对象扩大到运载器和顶级飞行器。就组件级试验来说，对三种飞行器都是相同的，而它们的系统级试验，则略有差别。例如，对运载器，热真空试验是选做的，热平衡试验就不要求做，声和振动试验也是选做的；而顶级飞行器的鉴定试验项目和要求基本与航天器相同。GEVS－SE主要用于有效载荷，不论是用一次性的运载器还是航天飞机发射均可。由于航天飞机的有效载荷有其特殊性，在规范有关部分分别给以说明，同时在附录中列出了不同运载器有效载荷的力学环境试验条件。
　　此外，这两个标准仅仅规定了系统级、分系统级和组件级环境试验的项目、试验方法及技术要求、试验容差等，一般没有给出具体的试验条件，但也都规定了某些基本要求。例如，定义了“最高预示环境”，说明了鉴定试验和验收试验量级的关系、试验的持续时间、热试验的循环次数等，具体的试验条件则要求不同型号来定。但是也规定了一些试验（如随机振动试验、声试验）的最低量值以保证其有效性。
3．4　两个标准规定的试验项目大致相同，但要求说明的详细程度有差别
　　关于电磁兼容试验，在GEVS－SE中就规定得很详细，主要是结合航天飞机的有效载荷的电磁兼容性要求谈了较多，这部分还包括了磁试验。而在MIL－STD－1540C中，电磁兼容性试验写得就较简单。
　　力学试验（振动、声、冲击及加速度等）和热试验（热平衡、热真空及热循环）都是航天器环境试验的两个最主要的范畴，在两个标准中都占了很大的篇幅，然而在内容侧重上都有所不同。
3．5　关于“力学环境试验”要求，两个标准差别不大，但GVES－SE（A）详细提出“结构载荷鉴定”要求有特点
　　MIL－STD－1540C在力学环境试验（振动、声、冲击）方面，规定了将环境预示中采用的统计估计值作为制定验收试验和鉴定试验条件的依据，验收试验条件是以（P95/50）估计值（即最高期望环境）为依据， 而鉴定试验条件是以（P99/95）估计值（即极限期望环境）为依据。 这就为制定力学试验条件给出了统一的、为大家所遵循的基本准则、条件，如何进行时间压缩，即加速试验的问题，并列出了声和随机振动试验的时间压缩因子表，该压缩因子与鉴定试验余量及试验谱值最大试验容差有关。
　　在GEVS－SE（A）也规定了预示力学环境，同时在“结构载荷鉴定”一节中对如何计算发射阶段的载荷给出较详细的阐述。特别是在A版加进了关于应该进行耦合载荷分析，来验证飞行时在STS货舱或ELV有效载荷整流罩内是否有适当的动力学间隙的问题，说明了该问题的重要性，同时，对结构设计强度鉴定试验和结构可靠性（剩余强度）检验的问题也很重视，用了较大的篇幅，而且指出，实施一项断裂控制大纲要与检验试验相结合。因此，“结构载荷鉴定”这一节是有特点的。
　　有关振动、冲击和声试验的要求，两个标准差别不大。
3．6　关于热试验的要求两个标准有差异
　　关于热试验（热平衡、热真空、热循环）的要求是这两个标准的主要内容，在MIL－STD－1540C中对热控系统的热不确定余量的问题作了较细致的分析，一方面考虑被动热控系统和主动热控系统的差异，又根据在不同研制阶段是否进行了试验验证等，对该余量也作了不同的规定，此外，在MIL－STD－1540C中对热循环试验给以很大的重视，放在与热真空试验同等的位置，而且实际上也是将它看作是一项环境应力筛选。在GEVS－SE中，基本上是将热循环试验看作是热真空试验的补充。
4　美国环境试验标准的发展动向
　　1994年起，美军方开始对装备采办工作进行改革，其目的是要最大限度地应用各制造厂商自己的技术与经验来研制产品，而不是硬性地要求按照某些标准和规范去做，从而降低研制费用又提供更好的产品。
　　空军航天和导弹中心对用于航天器硬件规范和标准进行审查后，确定有许多标准将取消，某些要作修订或修改。目的是：告知承包商需要“什么样”性能产品的标准和规范：减少那些“如何”达到这些性能标准和规范的数目；允许承包商基于自己的设计和制造上的优势来进行竞争，而不是按国防部批示的过程去运作。希望这样能更多地依靠承包商的实践经验来减少事务并最终降低产品研制费用，达到更快、更好、更便宜生产武器装备的目的。
　　MIL－STD－1540C虽然对如何确定环境试验要求和制定环境试验计划作了清楚的阐述，但它却不是一个产品性能检验规范。因此，美空军决定起草一个论述产品性能验证要求的“军用验证规范”，它将用于在新的航天硬件采购时拟定“投标要求”，该规定的名称和代号为：MIL－PRF－1540《运载器、顶级飞行器和航天器产品验证规范》，草案已经出来，据介绍共有7个部分，即确定系统要求并分配到下面的各层次；确定工作寿命期剖面；提出环境设计要求；确定设计和产品验证方法；验证工作的准备；验证工作的进行；对验证工作的评估。
　　即将颁布的MIL－PRF－1540将作为顶层文件放在政府投标要求中，原来的MIL－STD－1540C将以手册的形式保留。办法是对原有的MIL－HDBK－340《军标1540B使用指南》改造成为MIL－HDBK－340A《运载器、顶级飞行器和航天器试验要求》，共分两卷，第一卷即原来的MIL－STD－1540C仅作很少的改动；第二卷为对原有MIL－HDBK－340进行修改后的使用指南部分。据说年内将正式发布。
　　GEVS－SE作为环境验证规范，是为环境验证大纲提供基本的要求和指南。但是环境验证工作仅仅是整个系统验证工作的一部分，这部分工作应纳入验证系统满足任务要求的总的大纲中。环境验证计划可作为系统验证计划的一部分或以独立的文件的形式来制定。1996年，哥达德航天中心颁布了GSFC轨道项目任务保证指南MAG－1（草案），其中环境验证工作是任务保证工作中重要的一部分。在该指南中指出，应以通用环境验证规范作为制定环境验证大纲和计划的基本指南。但也指出，允许使用替代方法，只要最终结果证明该替代方法能达到要求的目的。
　　由此可见，这种试验标准的指导性越来越强，更要求对之进行剪裁后再使用，使强制性变得更弱，甚至不一定必须照这些标准去做。
5　结束语
　　通过对上述两个标准的介绍、比较和分析，总的看，两者的使用目的、服务对象以及在主要内容上都大同小异，同时又各有特点，对航天器的环境试验大纲和计划制定以及如何正确实现都有很好的指导作用和参考价值。这两个标准包含了30多年来美国在航天器研制试验中的许多经验和教训，值得我们很好地研究和借鉴。结合我国情况来看，不仅是MIL－STD－1540C，而且MIL－STD－1540B和它的使用导则、军用手册MIL－HDBK－340都值得我们学习，GEVS－SE也有独到之处。然而，由于缺乏足够的说明材料，这些标准中的许多技术内容我们并不能很好地理解。因此，能否照搬用于我国也就成了问题，实践经验不足是一方面的原因，但更重要的是，我们自己在环境工程和环境试验方面的研究工作投入的人力和物力太少，许多问题没有深入探讨。
　　我国在1990年颁布了国军标GJB 1027－90《卫星环境试验要求》，该标准主要是参考MIL－STD－1540A、B版，并结合我国卫星研制的经验编制的。在这些年中，它对我国卫星的研制试验、对外的合作和交流中都起了很大的作用，但是在编制该标准时，上面所说的问题已经深切地感觉到。现在看来，GJB 1027还有许多不足之处，需要对它进行相当大的补充和修订。而对运载器和顶级（或上面级），我们是否应参照MIL－STD－1540C，是将运载器和航天器合在一起编制类似的试验标准，还是分开编是值得考虑的，但从我国的情况来看，分开编也许会更方便些。
　　因此，制定我国自己的航天产品环境试验标准，需要投入一定力量去研究，还要结合我国实际，并参考国外先进标准，以完善标准内容、提高标准的水平。
作者单位：金恂叔　（中国航天工业总公司511所， 北京　100029）
(1999-05-10收稿)
