大型载人航天器试验覆盖性分析方法

刘 敏，杨 宏

（中国空间技术研究院 北京空间飞行器总体设计部，北京100094）

0 引言

试验覆盖性，即研制合同、研制总要求、航天器设计和建造规范以及设计报告明确规定的技术指标及产品设计确定需试验的项目在各级试验过程中所达到的覆盖程度。试验项目，即研制合同、研制总要求、航天器设计和建造规范以及设计报告明确规定的技术指标及产品设计确定需测试的参数在本级项目中能直接获取数据的项目，包括力学、热学或者电性能有关参数的试验项目。

为确保航天器飞行任务的成功，通常要求航天器的全部功能、性能均要在地面得到充分有效的试验验证，对于无法通过物理试验验证的项目，则需通过分析或仿真的手段证明其设计满足各项指标要求。对于大型载人航天器而言，地面试验项目的规划来源于对各项技术要求的分析结果，如何确保试验规划的全面性和有效性，对试验覆盖性分析方法提出了极高要求[1-2]。

随着工程规模扩大及研制难度的大幅提高，工程总体对大型载人航天器系统的功能要求和指标要求也更为复杂及多样化。为确保工程总体各项功能要求的准确实现，必须开展技术要求→设计→试验的覆盖性分析，即鉴于大型载人航天器系统的设计必须通过与地面物理试验或数字仿真相结合的方式进行验证，覆盖性分析结果将从源头确保验证的全面性和符合性。

本文提出的试验覆盖性分析方法主要针对大型载人航天器方案设计、初样设计及正样设计阶段的地面验证工作；其他航天器亦可根据其设计特点，在试验覆盖性分析及试验规划制定时加以借鉴。

1 试验覆盖性分析的目的和一般要求

1.1 试验覆盖性分析的目的

1）确定航天器各研制阶段的试验项目规划；

2）确保航天器的所有设计方案均有相应的试验项目覆盖；

3）确保航天器试验项目的充分性、合理性和可行性；

4）通过确认的试验项目验证，为改进设计提供依据。

1.2 多维度多层次试验覆盖性分析的一般要求

1）在航天器方案设计、初样设计和正样设计各阶段分别对航天器技术要求和设计结果等逐项进行验证需求分析，确定地面验证试验项目，提出各阶段试验项目规划[2]；

2）验证试验项目一般采用的手段和方法有全物理试验、半物理试验和数学仿真分析，AIT阶段的检测检查也可以验证部分性能指标；

3）关键技术指标、关键功能性能等验证需求须制定专项验证试验，以保证验证结果的有效性；

4）验证试验项目应能充分验证或考核航天器的功能、性能、技术指标等全部验证需求；

5）相互关联的验证需求应尽量采用系统综合手段进行系统性的验证；

6）每一项要求应规划至少2种试验项目来相互印证试验的正确性和有效性，确保验证充分。

2 试验覆盖性分析方法对比

2.1 传统和多维度多层次试验覆盖性分析方法的差异性

传统的系统级试验覆盖性分析方法（基本流程如图1所示）通常是针对技术要求、功能要求的某一具体条目进行分析，得出对应的试验项目，适用于执行较短飞行任务的单一飞行器，但无法满足多构型多系统的复杂大型载人航天器系统；且传统试验覆盖性分析方法的分析颗粒度过于粗放，不能确保每条技术要求都被分解落实到位，也无法避免因为覆盖性分析不全面而带来的研制风险。

图1 传统试验覆盖性分析方法基本流程Fig.1 Basic flow chart of traditional test coverage analysis

针对传统试验覆盖性分析方法的不足，本文提出一种多维度多层次的试验覆盖性分析方法，重点进行了以下改进：

1）对各项要求对应的条目逐级分解至最小单元，即分解至单一的功能要求和指标要求；

2）针对每项设计至少规划2项验证项目，确保试验项目数据可相互印证。

为提高覆盖性分析工作的效率，采用软件手段实现要求、设计和试验的一一关联，以确保分析工作全面、不漏项。改进后的试验覆盖性分析方法基本流程如图2所示，其具体分析步骤包括：

图2 改进后的试验覆盖性分析方法基本流程Fig.2 Basic flow chart of improved test coverage analysis method

1）对各项要求对应的条目逐级分解至最小单元；

2）确认针对每项具体要求已开展详细设计，并摘录设计要点；

3）针对设计要点规划验证试验项目，且确保针对每项设计规划的验证项目不少于2项，以保证试验项目数据可相互印证；

4）明确规划试验项目可验证的指标或者功能等；

5）利用软件分析工具，形成要求→设计→试验间的关联关系；

6）形成试验覆盖性分析表格；

7）输出试验规划。

每个方面的试验项目确定后，均对其进行汇总形成表格。试验项目汇总表以试验项目为序，对项目的基本方案、主要地面设备、主要参试设备状态以及所验证的功能、指标进行概括。

系统级试验项目确定后要严格进行状态控制，对系统、分系统提出需要取消的试验项目，必须完成影响性分析报告并提交研究室审查或评审，审查通过后再提请项目办进行审查，全部审查通过后才能确认取消。

2.2 具体示例

针对2.1节所述的差异性，以“导航制导与控制要求”中的“飞行模式要求”为例，说明传统试验覆盖性分析方法和多维度多层次试验覆盖性分析方法的差异性。

传统试验覆盖性分析方法流程如图3所示：从飞行模式的总要求出发，开展方案设计，策划GNC分系统级的桌面联合试验，对“飞行模式要求”的各项具体要求进行验证。

图3 传统试验覆盖性分析方法流程Fig.3 Flow of traditional test coverage analysis method

多维度多层次试验覆盖性分析方法流程如图4所示：首先对“飞行模式要求”进行细分，将总要求拆分为若干条分项要求；然后针对每项具体要求开展详细设计，并摘录设计要点；再针对设计要点，结合可靠性要求等特性要求、任务阶段的验证需求，得出相应的试验项目。

图4 多维度多层次试验覆盖性分析方法流程Fig.4 Flow chart of multi-dimensional and multi-level test coverage analysismethod

对比图3和图4可以看出，采用多维度多层次试验覆盖性分析方法，对技术要求的分解颗粒度更细，开展的方案设计更具有针对性，并且可以针对每项设计要点规划2个以上试验项目，确保对技术要求的全面覆盖；且由于规划的试验项目兼顾了可靠性、安全性等特性验证要求或者动态飞行过程的验证要求，规划的试验项目可相互验证，可确保试验结果的有效性。

此外，地面验证试验不仅应覆盖系统级→分系统级→单机级的纵向层级，还应考虑从分系统SA到分系统SB的横向关联，因为当试验覆盖性分析不全面时，隶属于分系统SA的某台设备故障将会导致系统功能的失效。以配电分系统的某台设备DA故障为例，若航天器发射阶段由于设备DA无法适应上升段的力学环境而出现故障，将导致设备DA无法给热控分系统的外回路设备DB供电，使得外回路功能丧失，进而造成载人航天器主动流体回路控温功能丧失；而依靠主动流体回路进行主动控温的设备DC（供电分系统）和DD（推进分系统）则会由于热控故障出现功能失效或性能下降，进而影响系统任务的成败。因此，在进行地面试验验证覆盖性分析时，必须通过多维度多层次的试验覆盖性分析方法识别出不同分系统间的横向关联，并开展充分的试验验证，以避免此类失效模式发生。

3 试验覆盖性分析的范围

3.1 方案设计阶段

方案设计阶段一般对航天器设计方案可行性进行验证，验证需求主要包括决定型号任务成败的关键单机、关键技术及所用新技术、新设计等[3]。该阶段的分析维度、层级以及相互间关联关系如图5所示：开展系统级、分系统级及单机级的试验覆盖性分析工作，技术要求自上而下提出，试验覆盖性分析亦自上而下开展，再通过关键单机指标满足情况来考查分系统级、系统级指标的满足情况。

图5 方案设计阶段试验覆盖性分析范围Fig.5 Scope of test coverage analysis in the preliminary design phase

方案设计阶段通常开展关键技术或新技术攻关，并投产原理样机或工程样机对关键产品功能进行验证，经过覆盖性分析可得出方案设计阶段的试验规划项目，此阶段通常通过仿真分析初步验证各级设计方案。

方案设计阶段系统级的试验验证需求主要包括：

1）航天器整体、局部的强度和刚度以及结构设计裕度；

2）各密封环节漏率指标分配合理性；

3）控制精度、测量精度、推进剂消耗量测算；

4）航天器主动和被动控温设计，飞行全阶段的温度场和流场分布；

5）控制系统、供配电系统、信息数据系统方案设计；

6）复杂和重要指令、遥测和通信接口匹配性；

7）具备返回功能航天器的气动、防热、返回控制设计方案；

8）具备地外天体表面着陆功能航天器的控制、巡视、热控、返回设计方案；

9）重要的医学指标和复杂操作的工效学设计；

10）应用载荷复杂的机、电、热接口设计；

11）运载系统的动/静态包络、力学环境、入轨精度；

12）测控通信系统的测定轨精度、测控覆盖率。

3.2 初样设计阶段

初样设计阶段需对航天器的技术要求和设计结果进行全方位验证，验证需求包括对各级技术要求、大系统间接口要求、建造规范明确规定的任务要求、技术指标等以及各项功能性能、故障模式与对策、可靠性、安全性、测试性、维修性等[3-4]。该阶段的分析维度、层级及相互间关联关系如图6所示：任务需求的分析层级可参见方案设计阶段，通过系统级、分系统级和单机级3个层次分别开展覆盖性分析工作；任务需求和特性分析为对航天器静态功能的分析；工作模式和任务阶段则从任务的动态过程开展分析工作，而针对任务动态过程的分析工作又和静态功能分析工作相辅相成，即针对任务阶段中的每个动态事件都有对应的静态功能要求（指标）的验证需求。

图6 初样设计阶段试验覆盖性分析范围Fig.6 Scope of test coverage analysis in the critical design phase

3.2.1任务要求（系统技术要求）

分析任务研制总要求中所有的任务要求、技术指标和技术要求，对每个分项要求均进行深入的验证需求分析。

3.2.2 航天器整舱（器）功能要求

分析航天器系统、分系统和关键单机、重要单机的功能性能要求和初样详细设计结果，对每项设计结果均进行深入的验证需求分析，验证的主要内容包括：

1）构型和布局；

2）姿态和轨道控制；

3）热管理；

4）返回与着陆（涉及返回式航天器，如载人飞船）；

5）能源管理；

6）信息管理；

7）载人环境控制；

8）应用载荷保障。

3.2.3 大系统间接口要求

分析航天器与各大系统之间的所有机械、电、磁、测控链路和实施协调接口，对每个接口项目均进行深入的验证需求分析，验证的主要内容包括：

1）与航天员系统接口；

2）与应用系统接口；

3）与运载火箭系统接口；

4）与发射场系统接口；

5）与测控通信系统接口；

6）与回收场系统接口；

7）与地面应用系统接口；

8）与其他飞行器系统接口。

3.2.4故障模式与对策

根据航天器失效模式与影响分析结果，对每个故障设计及处理预案的测试平台、整器或产品状态、测试方法进行验证需求分析。

3.2.5 其他

1）环境适应性[5]

根据航天器所在的空间环境，对每项影响因素均进行验证需求分析，验证的主要内容一般包括：

①真空、原子氧、空间粒子、太阳辐射、微流星体与空间碎片、地球磁场、地球引力场等近地空间环境；

②运载火箭的加速度、冲击、噪声、脉动等力学环境；

③地外天体引力、大气、着陆地形地貌、尘土、高低温等深空环境。

2）可靠性

根据航天器分配的可靠性指标，在考虑产品继承性的基础上，对分系统和关键单机的可靠性预计、评估结果进行分析，针对薄弱环节、寿命敏感等部分进行可靠性验证需求分析。

3）安全性

根据航天器风险分析结果，针对风险项目和相应风险源进行安全性验证需求分析。

4）维修性

根据航天器制定的在轨维修方案，对维修程序和方法的可实施性进行验证需求分析。

5）测试性

根据航天器制定的地面和在轨测试监控方案，针对其故障确定和隔离的过程、方法，对其准确性、及时性和有效性进行验证需求分析。

3.3 正样设计阶段

正样设计阶需对航天器的功能性能实现结果进行符合性和确认性验证，验证需求主要包括对航天器重要设计指标、关键参数和项目的满足情况，以及初样技术状态更改在正样设计阶段落实后的验证情况[1,3]。因此正样设计阶段不同于初样设计阶段规划的研制类试验，以单机产品的研制周期为线开展正样设计阶段的试验规划。如图7所示，正样设计阶段系统级的验证需求主要包括技术状态更改、大型试验过程和综合测试过程3个方面。

图7 正样设计阶段试验覆盖性分析范围Fig.7 Scope of test coverage analysis in the final design phase

3.3.1技术状态更改

对于正样阶段航天器，分析飞行任务、飞行试验载荷等方面导致的II类和III类技术状态更改项目，针对更改带来的和可能影响的技术指标、功能性能、飞行程序、技术流程等项目进行验证需求分析。

3.3.2 大型试验过程

根据航天器环境试验要求，针对航天器空间环境设计相关的重要设计指标和参数进行试验验证需求分析，验证的主要内容包括：

1）通过整器振动（含微振）试验验证航天器结构设计方案和工艺方案的合理性与协调性，暴露材料、元器件和工艺等方面的缺陷，检验整器经受验收级振动环境的能力；

2）通过整器真空热试验考核在航天器在轨飞行期间热控系统将器上温度保持在规定范围内的能力，暴露设计、材料和工艺等方面的缺陷，排除设备早期故障失效；

3）通过整器电磁兼容性试验验证航天器自身各个分系统之间、与其他外部系统之间的电磁兼容性；

4）通过整器磁试验验证航天器磁特性指标满足系统的要求。

3.3.3 综合测试过程

根据航天器综合测试技术要求，针对地面测试系统指令发送、遥测处理和数据判断要求以及航天器电性能相关测试指标进行验证需求分析，验证的主要内容包括：

1）航天器总装后供配电实施结果的正确性；

2）航天器各系统之间、与外部系统之间电接口的匹配性；

3）航天器电性能相关的供配电、信息、测控、控制、测量、显示、冗余等功能性能的设计研制正确性；

4）航天器正常和故障工作模式、正常和故障应急飞行程序的正确性；

5）航天器模飞测试可验证的故障模式与对策有效性。

4 结束语

本文通过阐述试验覆盖性分析的目的、范围和具体步骤，提出了一种多维度多层次的大型载人航天器试验覆盖性分析方法，其不仅可以实现试验验证项目对大型载人航天器设计的全面覆盖，也可以对现阶段设计工作的全面性进行复核复查。该方法适用于大型载人航天器开展试验覆盖性分析，也可比照用于各类不同功能和复杂程度的航天器。