发展回顾

在 20世纪 , 随着航天技术发展的需求 , 航天器环境工程得到了巨大的发展动力。这首先表现在包括中国在内的世界各发展航天技术的国家都建起了试验设备齐全、 规模巨大的环境试验中心和试验设施 , 足以满足各种型号航天器研制的需要; 同时 , 在航天器研制的长期过程中形成了一整套较完整的试验理论和做法 ,并总结在有关的航天器试验标准中。航天环境工程的发展还表现在以下几个方面:

1、明确和突出了航天器研制中环境验证工作的重要性

航天器多年研制工作经验证明 , 为了保证所研制的航天器满足预定的性能要求和使用寿命 , 虽然精心设计和制造是关键 , 然而全面、 严格的验证工作也是绝对不可少的 , 为此 ,各国都十分重视航天器的验证工作 , 并制定了相应的标准。 1999年1月 , 美国军方发布了MIL-STD-1540D“运载器、 顶级飞行器和航天器产品验证要求”。欧空局 ( ESA) 很早就制定了标准 ESA-PSS-01-80“ ESA载人和无人航天器验证指南”。在此基础上 , 后来成立的欧洲空间标准化合作组织 ( ECSS) 在工程系列 ( E系列 ) 标准中有一个详细规定如何进行航天产品验证的标准 ECSS-E-10-02A“ Space Engineering: Verification” ( 1998年 11月颁布 )。验证工作不仅是航天器研制单位所必须重视的 , 同时也是定货方通过研制过程中的各项验证工作来监督航天器研制进程和质量的重要环节。验证工作有多种形式 ,如 M IL-STD-1540D指出的: 验证可以通过分析、试验、 检验、演示、相似性等方法或它们的组合来实现。由上述标准可以看出 , 验证工作实质上是环境验证工作 , 即验证航天器的设计和制造质量是否能够经受住各种环境的考验 , 并满足合同规定的性能和寿命要求。 它是以环境工程为基础 , 而环境试验是环境验证工作的主要内容和重要手段。

关于环境工程在航天产品研制中的作用与任务 ,在 1996年 4月颁布的欧洲空间工程系列标准 ECSS-E-10A“系统工程” 中作了明确的规定。它指出环境工程是整个系统工程工作的一部分 , 必须充分考虑航天器寿命期间所经受的各种自然的和诱发的环境条件 , 并在研制计划的早期就开始 , 同时要有环境工程专家来实施该项工作。

十多年来 , 欧空局 AIV (组装、 总装、 验证 ) /AIT (组装、 总装、 试验 ) 已经在各个航天型号研制中得到广泛的应用。 在标准 ECSS-E-10-02A中把 AIV计划规定为型号项目验证过程中的主要计划。 AIV /AIT的提出并不是最近的事 , 欧空局早在 1984年就发布了一个文件: ESA TF /DM /9352“ ESA无人航天器组装、 总装和验证指南”。由于验证工作的主要内容是试验 (测试 ) , 所以又称 AIT, 但是直到 90年代 , 才逐渐形成了一套较系统的做法。 ECSS-E-10-02A指出: AIV计划包括总的验证途径、 模型原理、 硬件矩阵、 各类要求的验证策略、 分析 /设计评审 /检验大纲、 装配、 总装与试验大纲、 AIV工作清单与相关的计划、 选用的试验设施、 验证工具、 验证控制方法、 有关文件、 验证工作的管理与组织等。 AIV /AIT是一种工作方法和程序 , 是产品研制工作和验证工作的有机结合 , 也是并行工程在航天器研制中的具体运用。

在美国 , 虽然没有 AIV提法 , 但是在 NASA的各中心建立了安全和任务保证部门 , 对各个型号提出全面的任务保证要求 , 而验证工作则是任务保证要求中的重要组成部分。 例如 , NASA的哥达德航天中心 ( GSFC) 在 1996年颁布的 《轨道项目任务保证指南》 (草案 )中对如何保证一个航天型号完成预定的任务要求给出了全面和详细的规定 ,其中对验证工作做了详细的阐述。 该指南指出 , 验证工作的主要内容是试验验证 , 并要求环境试验验证工作按中心制定的标准 “航天飞机和一次使用运载器有效载荷及组件通用环境验证规范” ( GEVS-SE) 来进行。

在产品研制中 , 常听到 “可靠性试验” 这个词。 若把环境试验理解为仅仅解决 “环境适应性” 问题 , 而可靠性试验才解决产品的可靠性 , 则是一种模糊的认识。 环境试验和可靠性试验都是广义的概念 , 前者是从环境工程的角度来看产品研制中所要做的试验 , 后者是从可靠性工程的角度来看待这些试验 , 两者的内容虽然有一些差别 , 但在实质上是一致的和统一的。 不论是什么名称的试验 , 都是为了提高和保证产品的可靠性 , 而环境作用(环境应力和载荷 ) 则是主要手段 , 因此 , 在航天器研制中 , 应该从可靠性保证的要求出发 ,以有关的试验标准为依据 , 制定完整的环境管理计划和包括研制过程各阶段的试验大纲和试验计划 , 并认真实施 , 来确保产品的可靠性要求。

2、环境试验技术水平进一步提高

如果说在航天器研制早期 , 在环境工程方面首先关注的是动力学环境和热 -真空环境 ,那么通过航天器研制和轨道运行中暴露的问题对其它空间环境及其效应有了进一步的认识 , 发现了许多在设计中必须重视的其它空间环境和环境效应 , 如空间辐射、 表面充放电、原子氧、 空间碎片等 , 开展了许多研究工作 , 建成了相应的试验设备。 此外 , 通过实验室试验和实测对空间环境的长期、 综合效应也有了较深入的认识。 在这些研究工作的基础上建立了各种环境模型、 数据库和分析软件来为型号研制服务。 在这方面各国都投入了很大的力量 , 例如 , 自 1995年起 , 美国 NASA开始了一项 “空间环境及其效应” ( SEE) 计划 ,针对电磁效应、 电离辐射、 材料及工艺、 微流星及轨道碎片、 中性外污染、 等离子体及热层等方面问题 , 组织了国内一百多家公司和科研机构 , 开展了多项课题研究 , 获得了许多成果。 利用卫星、 载人飞船和空间站进行空间环境探测和效应研究也是其重要方面。

与此同时 , 为了使环境试验能更真实地模拟航天器的环境 , 多年来各国对环境模拟方法和试验技术进行了不断的研究和改进。 这些工作的重点首先是针对最重要和数量最大的两类试验 , 即振动、 声和冲击等动力学环境试验和各种不同类型的热试验。 例如 , 在航天型号的振动试验中已经使用了力控技术 , 同时用多轴 (多自由度 ) 振动试验部分地代替单轴振动试验; 爆炸冲击环境与声振环境的模拟和试验技术也有了很大的发展; 在热试验方面 , 将热分析和试验相结合以及瞬态热流模拟技术的采用提高了热模拟技术的正确性并减少了试验的工况、 缩短了试验时间; 将热真空试验和常压热试验结合来提高航天产品的可靠性以及在环境应力筛选的应用等方面也取得很大进展。 同时 , 考虑航天器的长寿命和高可靠要求 , 在空间辐射和特殊环境的长期、 综合效应模拟与试验方法 , 包括加速试验方法等方面也开展了大量的试验研究工作 , 取得很大进步。

3、计算机技术和数字技术得到了广泛的应用

为了使环境工程更好地为航天器研制服务 , 环境工程必须在各方面充分利用新技术来满足型号研制需求。 在环境工程领域 , 计算机和数字技术有着广泛的应用场所 , 对促进环境工程的发展 , 提高试验技术水平起了巨大的推动作用。

首先 , 将计算机和数字技术用于环境试验的实时控制、 设备管理和数据采集处理等方面取得很大进展 , 大大提高了环境模拟试验的正确性与安全实施 , 提高了试验水平和效果并缩短了试验时间; 否则 , 许多试验技术 , 如声振和冲击环境模拟等都不易实现 , 大型试件或系统级的力学环境试验和热环境试验难以想象。

另一方面 , 建立各种环境和环境试验数据库系统 , 并配以各种分析软件来利用已有的各个型号的试验数据和实测数据于新型号研制也有了很大发展。 最近十多年来 , 国内外已经建立了或正在建立各种类型的环境数据库及分析预示系统 , 例如美国 NASA建立的VAPEPS (有效载荷声振环境预示系统 )已经在美国航天领域广泛使用 , 它大大方便了对新的航天型号给出较为合理可信的声振等动力学环境预示结果。

将分析和试验相结合 , 利用计算机仿真技术来进行环境试验的设计 , 包括确定试验参数、 控制点位置的选择和试件可试验性的研究等 , 从而优化试验方案 , 减少试验次数并增加安全性 , 也是计算机和数字技术用于环境工程的重要方面。例如美国 Sandia公司开发了一套试验仿真工具称为振动试验优化虚拟环境 (VETO)就是为达到上述目的而研制的。

总而言之 , 到 20世纪末 , 航天器环境工程的发展已经基本满足了航天器研制的需要;在航天器研制中如何应用环境工程和环境试验也已经有了一套较为完整的理论和做法; 环境工程在航天器研制中的作用与重要性已经很明显。

作用与任务

环境工程在各种产品研制中所起的作用越来越被人们所重视。例如 , 2000年发布的美军标 MIL-STD-801F “环境工程考虑和实验室试验” 对环境工程的重要性及其内涵作了清楚的阐述。 在它的第一部分 “环境工程大纲指南” 中 , 对环境工程在武器装备研制中的作用作了进一步的说明 , 对环境工程专家的作用和任务也作了明确的规定。在航天器研制中 ,环境工程主要解决如下任务: