NASA宇航材料标准体系简析*

陈强 林海波 张兴超 林峰

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

NASA宇航材料标准体系简析*

陈强 林海波 张兴超 林峰

（航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

文摘：简述NASA标准体系的构成、体系结构和材料标准的分布情况，重点介绍NASA宇航材料标准体系的运行背景、构建思路和体系框架等有关内容，总结NASA宇航材料标准体系的特点，提出我国宇航材料标准化工作的建议。

NASA；宇航材料；材料标准体系。

材料是宇航型号产品的重要组成部分，是航天科技工业的基础性、战略性资源。随着载人航天、二代导航、高分辨率对地观测系统、新一代运载火箭等国家重大科技专项的实施，对宇航用材料尤其是新型材料提出了更高的要求。宇航材料保证工作面临新挑战和新机遇，承担着为航天型号科研生产和军工核心能力建设提供技术保障的重要职责。宇航材料标准作为宇航材料保证工作的重要技术基础，可以为宇航材料的研制、生产和使用提供重要的技术支持，同时对于材料科学研究、成果转化具有重要推动作用。及时跟踪、认真研究、积极采用国外航天强国先进标准对于提升我国宇航材料标准化的水平具有重要意义。

NASA（美国国家航空航天局）是美国航空与航天科学技术研究的权威机构和管理机构。在近60年的发展历程中，NASA总部及其所属的研究机构制定和发布了许多宇航材料标准，并通过不断补充、更新和完善，现已形成一套完整的、科学的、能满足其管理和科研需要的宇航材料标准体系。这些标准在美国乃至全世界的宇航材料研究发展中起到了不可替代的重要作用。本文对NASA宇航材料标准进行研究，旨在借鉴国外航天强国的成熟经验，推进我国宇航材料标准化水平的提升。

1 NASA标准体系

NASA标准体系是在航天领域的实践中形成的一个开放式体系，是基于自愿协调一致标准、政府标准和自己制定的标准综合而成的体系。自愿协调一致标准是指美国其他工业标准、协会标准、ISO和IEC标准等；政府标准指美国军用标准、美国联邦标准等；而自己制定的标准是指NASA本部和NASA各中心制定的标准。NASA在标准体系建设方面，支持最大限度地采用自愿协调一致的标准，这些标准优先于政府标准，只有当现有标准均不能满足NASA的技术和管理要求时，才在这些方面制定NASA标准。

NASA标准体系根据其权威性和实施要求可分为指令文件（Directive）和技术标准（Technical Standard）两种类型，并将这两类文件按分配的专门编码号段进行分类，如图1所示。

图1 NASA标准体系结构

从图1可以看出，NASA宇航材料标准是NASA标准体系的重要组成部分，其技术标准主要集中在6000系列中，指令文件相对比较分散。NASA本身没有单独的“宇航材料标准体系”的概念，只是由于NASA宇航材料标准占比较多，为便于对宇航材料标准进行研究，本文将NASA标准体系中与宇航材料相关的技术标准和指令文件等标准化文件整合在一起，以“NASA宇航材料标准体系”之名进行研究。

2 NASA宇航材料标准体系及其主要标准

2.1 标准体系的运行背景

a）材料标准基础良好。从整体上看，NASA的材料标准基础较好，除了具有强大的美国军用标准与规范（MIL）支持外，还有完善的协会标准、民用标准等非政府标准，这些标准在一定程度上为NASA材料标准体系的构建奠定了良好的基础。

b）工业基础良好。美国材料制造工业基础雄厚，材料质量与可靠性整体水平较高，原材料、工艺、生产线建设与维持等控制措施完备，从根本上保障了材料的固有质量。同时，随着新技术的不断发展，新材料不断涌现，材料性能与可靠性大幅提高，在一定程度上推动了材料的应用，尤其是在航天应用方面，要求材料强度高、重量轻、耐腐蚀、耐高低温、适应空间特殊环境要求。另一方面，航天应用需求也推动了材料研制技术的发展。

c）健全的材料供应体系。NASA和美国国防部为宇航材料的生产和应用投入大量资金加以支持。为保证军用材料的质量与可靠性，以及保证军用材料的可获得性，建立了相应的产品供应体系。

d）完善的材料保证体系。建立了NASA本部和各个分中心协调配套的工作机制，其材料保证的组织机构健全、责任明确。NASA由本部负责全面的领导和管理工作，材料的主管部门是安全与项目保证办公室（OfficeofSafetyand Mission Assurance：Office Q，Code Q），并成立了专门的材料与工艺技术工作组（M&P TWG），全面负责NASA宇航材料的质量保证工作。NASA所属的马歇尔空间飞行中心（MSFC）材料与工艺实验室、哥达德空间飞行中心（GSFC）材料工程组和肯尼迪空间中心（KSC）材料科学部承担了材料保证的主要工作。此外，NASA拥有一个很强大的材料工艺技术信息系统（MAPTIS，materialsandprocessestechnical information system），它是宇航材料选用数据库，包含了30000多种金属材料和非金属材料的物理、力学和环境特性，确保航天器有效载荷选用的宇航材料均能满足安全要求。

2.2 标准体系的构建思路

NASA为保证型号用材料的质量，在雄厚的材料工业基础和完整的MIL标准体系的基础上，建立了一套具有宇航特色的相对独立的宇航材料标准体系。在标准体系构建中，核心是满足型号工程需要，即以需求为牵引，优先采用已有标准，当现有标准不能满足需要时，NASA自己再制定标准。NASA由本部负责发布材料保证的管理标准，各飞行中心按照NASA材料保证的统一要求，各有侧重，制定各自需要的各种类型标准，主要从用户的角度加强对材料的选择、测试和使用等方面的控制，来满足工程的需要。

2.3 标准体系框架

NASA材料标准类型包括指令文件和技术标准。指令文件相当于我国的管理标准，包括政策、程序和指南、工作详细说明、手册、管理详细说明等文件类型；技术标准主要包括标准、规范、手册等。

a）指令文件。NASA指令文件是美国法律、联邦法律以及总统、航天局局长或其他NASA高级官员所提要求的规范化文件，主要包括指令、程序、指南、手册、说明等。根据指令文件的层级和适用范围，NASA指令又包括NASA本部指令和各中心的指令，其中，本部指令文件包括NASA政策指令（NPD）、NASA程序与指南（NPG）以及NASA手册（NHB）等。

在材料领域，NASA的顶层政策文件为NPD 4100.1C《供应保障和材料管理》，它是目前NASA关于材料管理的顶层政策性文件，强制执行，其目的是控制航天系统用材料的风险和提高其可靠性；控制NASA航天飞行系统与关键地面支持系统、测试系统的风险和增强其可靠性。文件规定了NASA本部和各分中心部门的职责与任务，体现了NASA致力于建立统一协调的材料标准化工作机制。

除此之外，NASA还发布了NPD 1000.5B《NASA采办政策》、NPR 4100.1D《材料库存管理手册》、NPR 8735.1 B《交换元器件、材料以及使用政府工业数据交换程序（GIDEP）和NASA咨询机构的安全问题数据的程序》、NPR 9250.1B《财产、厂房、设备及操作材料和供应》等政策、手册和程序文件，涉及材料采办、包装和运输、信息管理等方面。

在此基础上，NASA的各飞行中心按照NASA的要求，根据自身任务的需求，细化了管理要求，制定了各自的指令文件。如，约翰逊空间中心制定的管理详细说明NASA JPG JSC 27301F《JSC飞行产品用材料工艺选择、控制与实施计划》，就是对NASA材料政策的具体操作性文件；马歇尔空间飞行中心的NASA MWI 8730.3F《MSFC材料复验体系》规定了马歇尔空间飞行中心（MSFC）对于材料复验的具体要求。

b）技术标准。NASA材料技术标准包括NASA自己制定的标准和采纳的自愿协调一致标准及政府标准。

在NASA制定的材料标准中，NASA本部制定的标准数量较少，主要在其技术标准体系中的6000系列，自行发布，独立编号；各中心的标准是其主体，大部分的材料标准由马歇尔空间飞行中心（MSFC）和肯尼迪空间中心（KSC）制定，除此之外还包括斯坦尼斯空间中心（SSC）等制定的标准。NASA制定的部分材料标准见表1。

除了NASA自己制定的材料标准，NASA还大量优选采用了其他政府标准和非政府标准。据我们目前掌握的情况看，NASA采用了23个组织的共计1409项材料标准，具体见表2。在这些标准中，美国军用标准与规范（MIL）以及美国试验与材料协会（ASTM）、美国自动化工程师协会（SAE）制定的材料标准数量最多，占了整个NASA材料标准的80%以上。各组织制定的材料标准项目占比如图2所示。

从技术标准的类别维度上看，NASA宇航材料标准主要有基础标准、保证标准、测试方法标准和材料规范。按照标准的类别对目前掌握的NASA材料标准进行统计，各类别标准数量见表3。

从表3中可以看出，在整个NASA宇航材料标准体系中，基础标准和保证标准的数目较少，而且较为重要的保证标准是由NASA本级制定的。鉴于宇航材料的重要性、广泛性和管理的复杂性，NASA材料管理和保证部门通过实施适合自身管理特色的材料保证标准对宇航材料进行有效的管理和控制，即关键的材料保证标准必须由NASA本级来制定。NASA对材料的控制要求体现在NASA-STD-6016《航天器用标准材料与工艺要求》，该标准是NASA开展材料与工艺保证的顶层标准。

表1 NASA制定的部分材料标准

表2 NASA采用的材料标准项目统计

表2 （续）

图2 各组织制定的NASA材料标准比例图表3NASA材料标准体系各类别标准数量

标准化组织基础标准保证标准测试方法标准材料规范合计NASA—2464171优选MIL——4418422优选SAE AMS——380380优选ASTM911231191442优选其他标准6440115165合计153928111451480

材料规范类标准数量最多，达到77%，优先采用了MIL标准、SAE标准、ASTM标准等。测试方法标准数量次之，主要优选了ASTM标准。由于宇航用材料的种类繁多，所以材料规范和测试方法标准也是材料标准中数目最多的，而且专业性很强，好在美国的专业标准化组织非常发达。MIL中的材料规范主要围绕着产品的空间应用提出材料的性能要求，但不规定如何达到性能要求，主要是为供应商发挥自身的创造能力、及时采用高新技术创造良好的条件。SAE和ASTM在材料及材料测试领域制定的标准水平相当高，而且它们是独立于材料生产厂商和用户之外的第三方。NASA优先采用这些专业标准化组织的标准，一方面可以充分利用美国发达的专业团体标准以减少重复制定标准的人力、物力成本，另一方面又能保证宇航材料的技术水平，可谓一举多得。

值得注意的是，除了一个个单独的材料规范，NASA对很大范围的材料都做过空间性能评价，并建立了相应的手册，这些积累起来的材料技术数据，为全球开展宇航活动提供了重要参考。其中最典型的是NASA-HDBK-527《空间硬件系统材料选用目录》，该标准是NASA根据白沙试验室、马歇尔空间飞行中心、戈达德空间中心、喷气推进实验室、欧洲空间局、洛克希德-马丁动力公司等多家空间机构收录的材料空间性能数据编制而成的，纳入了1000多种金属材料和10000多种非金属材料，材料的性能指标主要包括易燃性、毒性、热真空稳定性、寿命、与液体的相容性（四氧化二氮、肼、液氢、液氧等）等宇航特殊要求。

3 NASA材料标准体系的特点

a）NASA的材料标准化文件体系是一个开放的体系，是基于自愿协调一致的标准、政府标准和自己制定的专用标准综合形成的标准体系。从NASA自己制定和发布的角度来说，其体系是不完整的，但从其囊括的标准范围来看，其体系是非常完整的。

b）由NASA本部发布材料保证的统一要求和管理标准，指导各中心的标准化工作，形成了本部和各飞行中心协调统一的标准化工作机制。各飞行中心按照NASA本部的要求，根据各自的任务特点，各有侧重，形成了协调统一的材料标准体系。

c）NASA材料标准化文件体系的标准类型包括指令文件和技术标准。技术标准主要涉及基础标准、材料保证标准、测试方法标准和材料规范等。其中，材料规范类标准数量最多，优选采用了MIL标准、AMS标准、ASTM标准等；测试方法标准数量次之，主要优选了ASTM标准；保证标准和基础标准的数目较少，而且较为重要的保证标准是由NASA本部制定的。

d）宇航材料的特殊要求是NASA材料标准的核心和重点。不论是材料规范还是为材料规范服务的测试方法标准，都紧紧围绕宇航特殊要求展开，在满足宇航特殊要求的前提下，NASA充分利用本国的工业基础和各专业团体的标准。

e）NASA非常重视材料数据的积累和总结，建立了强大的材料工艺技术信息系统MAPTIS，以对材料进行正确的选择、处理、检测、试验和评估；同时制定了相当数量的材料手册、选用目录等。

4 建议

通过对NASA宇航材料标准进行研究与分析，给我国宇航材料标准化的发展提供了重要的参考和借鉴。建议我国宇航材料标准化应做好下列几个方面的工作。

a）构建完善的宇航材料标准体系。以国家航天重点工程的需求为牵引，在借鉴国外经验和总结国内成功实践的基础上，结合国内已有的相关材料标准体系，通过自主创新，构建具有中国特色的先进、完善的宇航材料标准体系，为保障中国宇航事业的发展保驾护航。

b）开发全面的宇航材料性能手册和数据库。充分借鉴国内外已有材料手册及数据库的优势资源，搜集分析航天用近万种材料的性能数据信息，分批分阶段开发航天材料的性能手册及专业数据库，最终形成统一全面的航天材料性能手册及专业数据库，为航天工业的发展提供坚实的材料基础数据支撑。

c）建立健全标准与材料研发相结合的互动机制。深化科技计划实施与标准制修订的过程互动，建立健全科技成果转化为标准的工作机制，在实施关键材料研发的过程中，将技术成果和实践经验提炼固化为标准，以科技提升标准水平，以标准促进材料研发成果转化，推动材料研发、标准研制和产业发展一体化。

[1]诸一维，张小达.NASA标准化工作跟踪研究.航天标准化，2003（1）.

[2]高燕.欧美航天材料保证的做法与探讨.航天标准化，2009（4）.

陈强（1987年—），男，工学硕士，工程师，现主要从事航天材料及工艺标准化研究工作。

*本文源于2014年国防科工局技术基础科研项目（课题号JSJC××13203C016）。