载人航天器地面试验验证体系研究

苟仲秋，闫 鑫，张柏楠，张 永，魏传锋

（中国空间技术研究院 载人航天总体部，北京 100094）

0 引言

地面试验验证是载人航天器系统工程的重要组成部分，是保证产品在实际应用环境中正常运行、满足任务要求的主要手段之一。试验目的是测试或预计飞行器在实际飞行过程中经历全部环境条件下的功能和性能，保证正样产品完成飞行任务。

在我国载人航天工程一、二期航天器研制过程中，根据系统设计，结合载人航天器的任务特点，进行了空间自然环境和诱导环境试验[1]，有害气体等载人环境试验，大型力、热试验，回收试验，天地差异性试验，可靠性/安全性、寿命试验，目标特性试验，以及拉偏/破坏试验等的设计与实践[2-8]，建立了一套包括试验覆盖性分析、地面试验规划、地面验证方法和试验数据评估方法在内的系统的试验技术和方法，为载人飞船、空间实验室以及交会对接任务的圆满完成奠定了技术基础。

本文在以往成功经验的基础上，对当前载人航天器系统试验验证技术的薄弱环节和载人航天后续任务的试验需求进行分析，提出了对载人航天器地面试验体系及相关试验技术的完善建议，以推动我国载人航天器试验技术的发展。

1 我国载人航天试验技术与方法现状

我国在载人航天一期和二期工程的研制过程中，形成了“全方位覆盖性分析、矩阵式试验项目规划、多级多层次试验实施”的系统级试验验证方法。

1）试验规划设计

通过全方位的试验覆盖性分析，提出载人航天器各方面的试验验证需求，覆盖载人航天器设计方案中的所有功能、性能和接口，尽量确保不漏项、覆盖全面。可从工程总体技术要求验证、大系统接口验证、总体功能性能验证、技术状态更改落实验证、飞行程序事件验证、故障模式与对策验证、单机可靠性和寿命验证、技术流程验证等8个方面进行试验覆盖性分析。

2）试验项目设计

在试验覆盖性分析形成的各种针对性的试验验证需求中，相互之间存在指标要求关联、试验环境相同、试验测试关联、验证手段相同等联系，互相交错、关联紧密。在规划设计的单项试验验证需求基础上，结合试验项目的目的和验证内容，采用矩阵式结合方法，合并功能验证、程序验证、故障验证、环境影响验证等各类关联验证需求，形成系统级综合试验项目，以提高验证效果，改善验证收益；结合其他大系统接口、总体、分系统和单机专项试验项目，形成载人航天器的试验项目设计。

3）试验规划方案

根据系统总体、分系统、单机各个层次验证的内容不同，按层次分为大系统接口试验、系统级试验、分系统级试验、单机级试验4类验证试验，分别由大系统单位、飞行器总体单位、分系统总体单位和单机单位进行试验，形成了多级多层次的试验验证体系，使试验项目能够有效分散从而集中力量分块突破完成。

根据方案阶段、初样阶段、正样阶段和飞行阶段验证的内容不同，分别提出各个阶段的验证试验项目，进行验证试验，形成了多维度、多层次、多要素、多阶段的试验验证体系，使试验项目逐步有序完成。

图1为交会对接任务的地面试验验证体系规划路径示意。

图1 交会对接任务地面验证试验体系规划路径示意Fig.1 Outplanning of test framework for space docking mission

2 当前试验技术的不足和后续试验需求

2.1 系统试验验证的薄弱环节

载人航天器的研制过程中形成了面向载人航天器的系统级试验设计、规划与覆盖性分析的方法，按系统级、分系统级以及单机组件建立了一系列的环境试验规范体系，针对载人航天器的任务特点，开展系统驻留支持、医学、工效学试验设计与实践，积累了丰富的试验方法与技术经验。

因经验和认识的不足，也暴露出系统试验验证不充分、不到位的薄弱环节，主要包括：

1）环境因素识别与试验规划覆盖性不全面，特别是对空间诱导环境因素，从认识和验证上尚不充分，对密封检漏时的外压环境等地面测试环境和工艺试验也需要进一步重视和加强；

2）再鉴定、再验收试验的试验强度确定尚缺少对应的规范，对组件性能验证还不充分，需要通过拉偏和极限试验方法验证；

3）试验过程监测和数据判读与试验环境条件的施加同等重要，有待加强；

4）针对特定产品，传统的力、热、真空环境条件不足以暴露缺陷，试验方法的有效性需进行全面的分析与确认；

5）试验结果评估的规范性有待完善。

2.2 后续任务试验需求

后续空间站由三舱交会对接和转位完成组装，舱段间互相连通，实现组合体的统一控制与管理。在空间站建造完成以后，航天员乘组将轮流在空间站长期驻留。这对各方面试验提出了更高的要求。

1）在力学试验方面，后续载人航天器从尺寸、重量及结构复杂性上都有很大的变化。只能通过单舱或环境预示分析进行结构考核[9-10]，然后通过舱段模态试验结合仿真分析的方法对系统进行评估。如何合理制定单舱振动条件，成为必须攻克的关键技术。

2）在环热控试验方面，需要发展试验边界的处理、模拟技术，空气龄分布及其试验测试技术[11]，组合体热性能的试验工况组合技术，全局热数学模型修正技术等。

3）在载人密封舱环境试验方面，必须组织对微生物控制试验进行方案和措施验证。

4）在微重力舱外环境试验方面，发展机械臂、出舱活动失重环境验证技术。

5）在驻留支持试验方面，需要对中长期驻留支持需求、物资管理方案进行验证。

6）在安全性、可靠性、长寿命验证方面，迫切需要开展环境适应性研制试验、可靠性强化试验、加速寿命试验等试验方法研究，形成规范的试验条件和方法。

3 载人航天器试验验证体系及完善建议

3.1 健全试验验证管理，保证全过程受控

航天器试验验证工作包括试验规划，环境建模预示和效应分析，试验方法研究与试验条件制定，试验组织与实施，试验结果评估和模型修正，产品改进与再试验，飞行环境辨识和模型确定，应通过健全试验验证管理实现验证全过程管控。

1）试验验证管理组织

建立型号系统总体牵头负责，主要试验承担单位和分系统人员和专家参加的试验验证管理组织，负责对型号试验验证全过程的管理与控制，保证试验验证全面、充分、有效。

2）试验验证项目规划和流程管理

分析航天器系统方案特点，结合工程总体技术要求与系统间接口，通过功能分析与性能指标分解，飞行模式和环境因素识别，规划出覆盖系统、分系统、单机、关键器件和材料的需要验证的试验项目，并制定与总体研制流程相适应的试验验证流程。

3）试验条件和规范制定

根据识别的飞行模式与环境因素，对航天器经历的地面和飞行环境进行建模和预示，分析各项环境的对系统产品功能和性能作用效应，确定试验的载荷条件、试验测量方法和试验规范（判据）。

4）试验产品和设备的规划与研制

根据试验规划和产品研制的实际情况，规划需要投产研制的试验产品种类、数量及其状态要求，并对试验设备和工装研制提出要求，结合型号研制进行状态管理、集成和验收。

5）试验方案设计和把关

对具体每一项试验规划项目的试验方法进行研究，结合系统飞行模式、环境条件预示与效应分析，明确试验目的、试验工况、试验量级、系统参试状态、试验流程、试验分工和组织，以及试验结果评估和完成标志，制定试验方案，并组织评审和确认。

6）试验放行

在试验之前对每项试验的试验队伍和组织、试验文件、被试产品状态、试验设备、试验安全和关键环节、试验过程控制等各项试验准备工作，通过放行评审进行把关。

7）试验过程管理

根据试验方案、大纲、细则，对试验过程中试验实施的状态、条件、试验操作和数据判读等进行监督和管理，对于试验中发现的问题及时研究、处理和解决，保证试验过程受控。

8）试验结果评估和确认

对试验结果进行全面判读和总结，评估规定条件下所验证产品的功能和性能是否满足要求，产品的载荷承受能力的裕度是否满足规范，修正后预示模型的精度是否满足使用要求，并通过评审。

9）试验暴露问题识别与改进

试验中发现和暴露问题是试验验证的主要目的之一，是试验作用和价值的重要体现，是宝贵的技术财富。应专门组织试验结果的判读，保证不漏判；将试验中发现的问题纳入型号管理；对改进措施确定补充的再试验项目，纳入试验验证项目管理；对改进措施的有效性进行闭环管理。

10）补充和再试验项目管理

结合技术状态管理，对系统功能性能、飞行模式、环境条件、方案设计、试验设备工装状态的变化，以及研制和试验发现的问题进行全面的识别，及时组织研究，确定需要补充的试验验证项目；根据被试产品的状态确定补充或再试验条件和方案；对补充和再试验结果组织判读和评估。

11）飞行数据辨识和评定

飞行试验数据是最宝贵的一手材料，是产品性能的真实数据，也是对试验真实性和有效性的权威性评价。结合系统方案设计和试验规划需求，确定需要的飞行数据测量项目；组织开展飞行数据处理和辨识方法研究，确定测量方案；积极组织实施和地面标定；飞行试验过程中，及时对试验测量结果进行判读，发现可能存在的问题和隐患，并制定飞控预案以及后续改进措施；飞行试验后对测量数据进行全面的处理和辨识；根据测量和辨识结果，修正预示模型；结合测量和预示结果修订试验条件、方法和规范。

12）型号验证结果的综合评定

结合型号研制流程，尤其在转阶段等关键节点，组织对系统的试验验证情况进行全面评估，确认试验规划覆盖全面，试验项目（包括补充和再试验项目）全部完成，产品功能、性能和接口验证充分，关键环节裕度满足要求，系统模型经验证完备准确，试验条件充分、合理、有效，试验发现的问题已彻底解决。

13）试验设备技术状态管理

初样研制阶段重点确定试验设备状态和条件基线；正样研制阶段将试验设备状态，尤其是经过初样阶段鉴定试验验证的试验设备和工装，纳入技术状态管理，试验设备状态和条件的任何更改和变化必须识别和上报，根据具体变化确定是否需要补充鉴定试验，以保证试验安全、有效。

14）试验数据管理

试验数据是型号的宝贵财富，必须进行系统的管理。通过建立完善的收集、处理、归档和查询机制，建立功能完备且可查询、比对和扩展的试验数据库，实现对试验数据的管理，提高数据利用效益。

3.2 规范试验覆盖性分析，保证验证全面

从试验目的的角度，验证试验可分为以产品设计功能、性能和环境适应性验证为重点的研制和鉴定试验，以可靠性、安全性和寿命指标验证为重点的可靠性评估试验，以检验飞行产品实现质量为重点的例行测试试验3种类型。其中研制和鉴定试验是试验覆盖性分析和规划的重点。

3.2.1 产品研制与鉴定试验覆盖性分析

型号产品研制与鉴定试验覆盖性分析包括产品功能、性能和接口，任务实施和飞行过程与模式，以及产品经历的环境3个维度。其中：

1）产品功能、性能和接口分析方面，对于面向产品的关键特性分析需要规范和加强；对于具有载人航天特点的医学、卫生学、工效学、维修性分析需要在总结经验的基础上进行规范。

2）任务实施和飞行过程与飞行模式分析方面，正常飞行过程中的关键事件和飞行模式转换，以及故障备份模式、应急飞行模式和故障预案是分析和验证的重点；同时研制和任务实施等产品在地面经历的停放、吊装、储存、包装和运输过程分析需要规范和完善。

3）产品经历环境分析方面，空间诱导环境是目前环境分析的薄弱环节，需要补充和规范。以载人航天研制经验，飞行产品经历的电磁环境、目标反射环境、羽流环境、活动部件产生的噪声和微振动环境、湿度环境以及微生物环境的建模、预示和效应机理研究需要重视和加强。产品研制和任务实施经历的地面力学、热、湿度、腐蚀等环境是容易忽视的薄弱环节，也需要规范。

3.2.2 产品可靠性评估试验

产品可靠性评估试验是指以验证产品可靠性和寿命指标为目的，需要通过产品子样数量、试验和测试时间和试验强度进行验证的项目。一般根据产品特点、重要程度和型号支持能力来确定。其中加速寿命试验方法需要进行研究和规范。

3.2.3 正样产品例行测试试验

正样产品例行测试试验是以检验产品质量，确认飞行产品满足任务要求为目的，通过产品检验、测试、老炼和验收试验等非破坏方法进行的测试和试验。试验项目在研制和鉴定试验的基础上，以不损伤产品前提下有效剔除产品缺陷为原则进行筛选，试验方法、条件和设备需要通过初样研制和鉴定试验验证，同时，需要研究无损伤的试验方法，提高正样测试试验的覆盖性和有效性。

3.3 完善建模仿真与试验的协调机制

随着载人航天产品规模的增加，试验设备设施无法满足试验要求，使得建模仿真分析在验证中的作用不断提高；同时，分析手段的不断发展，使得仿真分析方法验证设计方案成为可能。因此，需要健全仿真分析模型和方法，完善仿真与试验的协调机制。

1）应当将建模和预示作为试验的前提条件，逐渐建立完整的分析模型，以加强对试验的指导，解决试验规模、条件等引起的试验真实性、完整性，以及天地差异问题。

2）应当将模型修正和精度评估作为试验总结工作的内容，以改进分析方法。

3）建立统一、完整、规范、受控的分析模型管理体系。包括：

①以功能和性能为重点的产品分析模型，包括几何模型、结构模型、热模型、机构运动模型、力学模型、控制模型、无线和有线信息传输模型、能源和供电模型等；

②以运行环境和效应为重点的环境模型，包括力学环境、噪声环境、热环境、流场、压力和大气环境、空间环境（辐射、原子氧、紫外等）、羽流环境、目标光学特性、电磁环境、碎片和微流星体环境、再入气动热环境等自然和诱导环境模型；

③以飞行过程和飞行模式为重点的过程分析模型和方法，包括轨道、再入、机构展开、控制，以及稳态环境下系统分析模型、瞬态环境下系统响应分析模型等。

3.4 研究新的试验方法，满足新任务提出的新需求

针对载人航天器后续试验验证需求，开展新的试验方法研究，解决新任务提出的新需求，包括开展组合体试验、维修性试验、疲劳试验、常压热试验、微生物试验、腐蚀试验、在轨舱内噪声试验、失重试验技术、微振动试验等。

1）组合体试验：在地面模拟组合体内部环境，是载人航天研制领域遇到的前所未有的新问题。在试验需求的基础上，需要开发新的试验方法和手段，包括虚拟环境仿真、地面舱段级验证环境，地面组合体验证环境等。

2）维修性试验：维修性设计的地面验证是载人航天器设计中遇到的新问题，维修设计可行性在地面需要通过仿真、地面试验、水下试验多种试验方法进行验证。

3）疲劳试验：长寿命载人航天器各种结构材料的疲劳问题，需要开展针对性的设计并验证设计的合理性。

4）常压热试验：常压热（集成）试验是在常压环境下实施的系统级集成试验[12]，旨在验证载人航天器热管理、地面调温、通风、温湿度控制和有害气体控制能力，验证色彩照明、空间和界面等设计是否符合人机工效学要求。试验边界的处理、模拟对试验实施、试验设备研制，以及试验结果评价有明显影响，亟需开展系统研究。

5）微生物及腐蚀试验：目前国内载人航天器微生物试验尚处于起步阶段[13]，在材料抗菌防霉摸底、消毒剂选型以及微生物控制有效性评价，微生物腐蚀风险，安全性评价方面亟需深入开展试验研究。

6）在轨舱内噪声试验：舱段噪声控制是载人航天器特有的环境因素之一[14-16]，目前在密封舱噪声水平仿真分析模型建模、仿真、关键噪声源专项降噪设计与验证方面尚存在困难，缺少面向载人航天器的噪声测试规范。

7）寿命试验：以往载人航天器地面寿命试验验证主要通过1∶1试验和部分加速试验进行，以空间站为代表的载人航天器在轨寿命达到10年，需要加速试验方法、覆盖性及结果外推技术研究。

8）失重试验：航天员身着充压舱外服之后，体型、关节活动性能、操作域等都会发生很大的变化，后续载人航天任务存在大量、复杂的有人参与空间试验，需要开展失重试验技术研究，完善载人航天器试验支持设计，并预先评价在轨试验项目。

9）微振动试验[17-19]：天文观测等任务提出了亚角秒的微振动抑制需求，微振动具有机理复杂、预示难、验证难的特点，需要针对高精度地面试验参数测量、大承载低刚度边界模拟等需求，发展微振动地面综合试验技术，同时考虑微振动环境的地面预示仍存在不确定性，仍需进行高精度在轨测量方案研究。

3.5 补充完善试验基础设施，增强试验验证能力

后续载人航天任务对地面力、热、水槽试验设施提出了更高的需求，需要补充完善试验基础设施，增强试验验证能力：

1）航天器发射质量有了较大提高，需要建设新的动力学环境试验设备，建立动力学环境试验与仿真分析相结合的试验体系，满足单舱力学试验、系统评估的需求；

2）热试验容积需求以及温度测量、加热要求大幅提高，需要建设新的真空热试验设施，满足舱段试验需求；

3）根据在轨维修等要求，完善中性浮力水槽设施，满足机械臂和航天员出舱试验需求。

4 结束语

本文在总结载人航天一期、二期工程系统级试验技术的基础上，结合载人航天后续任务的特点，对载人航天器试验技术需求进行了分析，提出了载人航天器试验体系和相关技术发展建议，以期推动我国载人航天器试验技术的发展，提升航天产品的研制水平。