航天材料应用验证技术一体化构建思路研究

王志强等＊ /北京跟踪与通信技术研究所

一体化试验鉴定的概念最早由美军提出，最初源于美军武器系统装备采办发展需求，目的是减少冗余、便于管理。一体化试验鉴定要求装备采办全流程链条上的所有相关机构共同参与合作，包括生产厂家、外协承包商以及官方组织机构，对研制鉴定各阶段的试验鉴定进行统一规划、统一实施、数据共享。随着生产技术开发和升级，用户单位对生产要素的参与渗透逐渐加强，一体化试验鉴定的作用已经不仅限于减少重复试验，更能够及早深入前期研制阶段，将选用与保证双双前移，减小试错。同时，一体化试验鉴定拓宽了试验边界，充分暴露出问题与缺陷，这是单项试验结果绝无可能叠加出来的效果。

为保障在轨安全稳定运行，航天器产品均需通过试验鉴定。对于航天材料而言，由于其具有功能性要求高、应用环境严苛、在轨不可维修的三大特点，为了保证材料在技术高度复杂、可靠性要求高的航天系统中成功应用，航天材料在装机发射前的试验鉴定工作至关重要。应用验证作为航天材料试验鉴定的全新形式，能够系统性回答材料“可用”“易用”“好用”的问题，搭建材料“研—产—验—用”桥梁，实现新材料快速应用转化。

我国航天材料应用验证领域在充分借鉴宇航元器件应用验证研究成果的基础上，必须先搭建“一体化”的结构式思维，将材料性能与构件工艺紧密结合，构件工艺与组件功能紧密结合，结合组件构造和性能优化构件设计及构件设计优化材料工艺，在“一体化”统筹、避免冗余试验的同时，节约成本，提高效率，实现指标体系和工作流程的双优化。研究一体化试验鉴定对航天材料应用验证的启示，将航天器产品（联合环境）与组件材料（联合工况）通盘考虑，提出航天材料应用验证的一体化构建思路，从材料设计出发，以优化构件工艺、实现组件功能为目标，逐级识别验证需求并串联，构建一体化验证指标，设计一体化验证试验内容，建立“研制单位—生产厂家—验证实施机构—用户”协同联动的机制，协作开展一体化应用验证。

一、一体化试验鉴定对航天材料应用验证的启示

为保障在轨安全稳定运行，航天器产品均需通过试验鉴定。对于航天材料而言，由于其具有功能性要求高、应用环境严苛、在轨不可维修的三大特点，为了保证材料在技术高度复杂、可靠性要求高的航天系统中成功应用，航天材料在装机发射前的试验鉴定工作至关重要。应用验证作为航天材料试验鉴定的全新形式，能够系统性回答材料“可用”“易用”“好用”的问题，搭建材料“研—产—验—用”桥梁，实现新材料快速应用转化。

通过一体化试验鉴定，实现从基于节点的试验模式向基于过程的试验模式转变，能够对航天器产品的应用功能与性能做出更为有效的评价，避免重复试验。基于军事装备一体化试验鉴定的理念和制度体系，可以推广至我国航天材料应用验证领域，研究航天型号装备的材料—构件—组件（单机—分系统—飞行验证）一体化应用验证新思路。

将材料级应用验证延伸至构件—组件—单机—分系统，将材料性能和航天器产品功能有机结合，最大化验证试验指标和参数的覆盖性，尽早发现问题并解决问题，这样既能够实现早期问题暴露、诊断、改进、提升，又可以避免重复验证试验，节约试验资源和时间成本。同时，规避了常规质量保证中“一试定输赢”“一验定终身”的局限（常规质保适用于针对成熟材料的质量筛选，应用验证适用于针对新研材料的应用评估），将“可用性”“适用性”代替“符合性”作为应用验证的第一目标，以材料为核心推广至组件乃至单机（包含新研产品）的使用性能验证，一次性回答“能否用”“如何用”的问题，提高验证结果的决策价值。

同时，将用户纳入应用验证体系，真正实现从提供技术开发支持的研制单位到批量化生产供货的生产厂家、验证实施机构、用户单位的“一体化”式的“研”“验”协同、数据共享、需求分析、指标设计、试验验证、综合分析（综合评价）。

二、航天材料应用验证一体化设计建设思路

1.组织层面的一体化“研”“验”协同

应用验证一体化是研制单位（高校/研究所提供先进技术支持）—生产厂家（优化工艺、调试生产线，实现批量化生产）—验证实施机构（完善试验能力建设，提供应用验证服务）—用户（作为验证机构是不可分割的有机整体，提出可量化的应用需求）共同参与的协同行为，必须从组织层面进行顶层设计，配合研制进展（研发—试制—鉴定—验收），同时从航天器研制任务分解、分系统单机及组件研制设计、材料选用需求、航天器各研制阶段验证需求、材料应用验证等方面统一规划部署。

（1）设置专门的管理组织机构，从设计研制到生产验收全程组织协调所有航天产品的鉴定和验证工作。

（2）将试验阶段向前延伸，在研制阶段开展基础级应用验证，实现验证试验与鉴定试验有机融合，充分采信或借鉴材料研制阶段鉴定过程中由具备检验资质的第三方出具的信息完整的测试数据。在攻关生产工艺、提升材料性能的同时关注批次质量，以实现生产要素的迭代升级。若在应用验证各环节出现故障问题或发现质量问题，应及时将信息上报管理组织机构，并反馈生产厂家，以促进生产单位尽快完成材料或工艺的改进。由验证实施机构将故障问题或质量问题记录在案，在应用验证试验全部结束后经分析形成材料使用风险及控制要求，编入应用指南，由管理组织机构向参与研发的科研单位、实现批产的生产单位和提出需求的用户单位同时分发宣贯，实现一体化质量控制和提升，促进材料技术升级和应用升级。

（3）将验证需求分析向前延伸，针对无研制基础或成熟度较低的材料，在材料研发、试制阶段就与航天产品应用需求紧密结合，注重材料的应用功能性。

（4）为确保验证数据对所有的产品研制及试验人员而言均有用且可信，管理组织机构应组建应用验证一体化试验小组，包含单机（组件）设计、组件构件装配工艺、材料验证试验、生产厂家技术以及项目管理等所有相关人员，通力协作开展包括需求分析、指标设计、试验验证、综合分析在内的一体化试验工作。

2.机构层面的一体化数据共享

航天材料应用验证一体化的核心是数据，各阶段多源数据的融合是一体化试验的重要任务。在信息化时代，应高度重视分布式、网络化试验数据的共享能力，利用网络平台加速实现材料应用验证在空间、资源和能力上的试验整合（内部）和数据共享（外部），实现一体化应用验证的信息互联。

同时，为了适应新研装备型号发展对应用验证的要求，充分利用小样本、缩比件试验以及建模与仿真技术方法，充分发挥信息采集和数据挖掘的能力，在应用验证中充分采信研制机构研发过程中配方优化的试验数据、生产单位工艺优化和鉴定检验中的试验数据，装备型号研制单位充分采信材料鉴定阶段的试验数据，单机、分系统、整机鉴定试验中充分采信前期材料—组件应用验证环节的试验数据，通过多源数据融合采信，利用各阶段、各种类的试验信息最大化利用试验资源，获取数据信息支持。基于此，构建一体化应用验证体系，以期实现全阶段、全方位综合评价。

航天材料应用验证数据应保证有用、能用且可信，必须通过科学合理的数据整合、分析、存储、转化，提升试验数据结果对航天器研制任务中关键决策的价值。其中，对于试验数据（实测值）、手册数据（典型值）等结构化数据，应尽量通过处理分析实现数据可视化。同时，应重视文档、图形图像等非结构化数据的处理和优化，特别是非结构化数据的结构化存储与转换，在应用验证任务的归档和统计中发挥重要的作用。

3.产品层面的一体化需求分析

（1）一体化需求分析的必要性

需求分析一体化是应用验证一体化的基础，只有将单机产品、组件和材料的工作环境和功能需求相结合进行一体化分析，才能贯通并覆盖材料和组件的验证需求，基于此开展一体化试验设计。在航天材料应用验证工作中，需求分析是识别验证指标、设计验证内容、明确试验参数的最重要输入依据。

伴随着材料设计制造一体化概念的提出，无论从材料的物理状态还是应用状态，均从标准化、单一化向异型化、复杂化发展；而结构创新带来根本的核心创新，一体化结构组元性能评价测试将逐渐替代结构材料本征性能的评价测试，在催生新测试技术的同时也向材料应用验证提出了更高的要求。

基于当前航天领域的轻量化、多功能要求，航天材料从材料、结构、功能的分离式设计向设计制造一体化发展，轻量化多功能复合材料结构是当前也是未来航天器的设计选材趋势。由于材料级试验无法代替结构评价，而且因长期的设计与制造分离造成了结构内部检测和可靠性评价方法缺失的局面，因此亟需打破“材料—结构”的传统认知局限，借由结构组元设计、结构智能集成一体化设计等结构创新，以结构整体性能替代材料个体性能，以构件级/组件级验证丰富材料级验证，扩充验证需求就是拓展应用边界。

（2）一体化需求分析的思路

需求分析是验证的首要前提。在一体化需求分析中，应以航天装备应用要求（含潜在应用需求）为背景，以产品最终状态为导向，基于材料技术攻关需求、组件和材料应用需求，以及组件功能、设计工艺和材料性能特点，分析从材料到组件应用验证需求的交叉覆盖性，并重点识别组件试验无法暴露的材料问题，以及材料试验无法验证的组件应用健壮性问题。

需求分析的具体内容包括：

一是航天工程应用背景分析。充分提炼航天器分系统单机对组件的功能需求、组件对材料的使用需求，包括潜在应用需求，特别是材料的哪些先进性能直接关系到组件的功能实现性，哪些是可能影响组件工作甚至导致产品故障的关键指标。

二是组件工况环境分析。充分识别产品应用的工艺工况条件，综合考虑航天器在轨环境最恶劣、最长寿命服役要求，充分分析产品在轨工作界面和环境界面。

三是材料技术攻关需求分析。基于核心功能需求，充分调研国内相关材料的研制生产现状，包括材料规格、性能指标、产量产能等，特别是整套生产线及工艺技术水平。开展核心性能指标和生产要素的横向对比分析，总结目前已突破的关键技术，提炼亟待攻关的技术难点。特别是通过差异性分析，识别应重点验证的材料性能以及受此影响的工艺性能和环境适应性等。

四是组件及材料设计工艺特点分析。分析组件及材料的设计、工艺、特点，充分调研并分析材料生产工艺过程、构件加工工艺过程、组件装配工艺过程及其中影响材料性能和组件功能的关键技术点；功能及工艺性验证需求分析，基于设计工艺分析，识别材料应用功能性、质量一致性等批次稳定性验证需求，识别材料构件的工艺适用性验证需求；充分识别材料及组件在地面及在轨工作中的环境效应，包括真空环境、极限温度环境、交变温度环境、辐射环境等，结合组件使用工况，分析环境因素引发材料性能及组件功能演变的退化机制；使用工况及环境效应验证需求分析，基于环境效应分析，识别材料的湿热环境适应性、极温环境适应性、交变温度场环境适应性、耐辐射性能等应用可靠性验证需求，识别组件的力学环境适应性、热环境适应性等组件健壮性验证需求；安全问题验证需求分析，识别材料或构件在地面和在轨环境可能带来的真空出气污染、多余物等次生安全问题。

五是工程实践故障案例分析。全面调研以往应用、试验过程中出现的故障或失效案例，对故障或失效模式进行充分分析，有效识别故障来源和失效隐患，分析影响组件功能实现的关键性能和关键技术指标。

4.验证层面的一体化指标设计

根据一体化指标分析，建立应用验证技术指标体系，从覆盖航天器任务需求、覆盖产品设计、覆盖生产要素3个方面出发，兼顾全面性与针对性原则，指标设计过程全面考虑材料生产工艺，构件加工等使用工艺，基础性能一致性和应用功能的稳定性，可靠性、适应性和安全性等服役任务剖面和服役寿命剖面各类要素，以及潜在的失效隐患和故障模式。

经过对材料生产过程、加工工艺、功能特性、应用需求的充分调研，分层次构建指标体系，由定性到定量，在尽可能满足独立不相关、避免冗余的前提下，按可量化程度划分为3个层级的指标体系。根据组件对材料的使用需求、材料以及组件验证需求，分别从材料的批次稳定性、工艺适用性、应用可靠性、服役安全性和组件的应用健壮性5个方面分析，并作为一级指标设计验证指标。在此基础上，基于材料本征性能对组件功能的影响特点、组件装配及材料加工等过程中材料的工艺特点、产品工作界面和环境界面及其对材料性能的影响特点、次生安全问题、组件功能要求和界面环境要求设计二级验证指标，并将二级指标展开后对应的核心关键性能指标设计为三级验证指标。

（1）基于生产要素和功能性能的材料批次稳定性指标设计与分析

基于验证需求分析，通过分析材料基本性能对组件功能的影响特点，将性能稳定性、应用功能性和质量一致性等设计为二级指标，将理化性能、力学性能、热性能、电性能及批次间离散性设计为三级指标。

（2）基于应用适应性的材料工艺适用性指标设计与分析

基于验证需求分析，通过分析组件装配、材料加工等过程中材料的工艺特点，将材料加工工艺性、构件结构工艺性、介质相容性等设计为二级指标，将工艺匹配性、尺寸热匹配性、三温特性、典型结构件工艺制备性等设计为三级指标。

（3）基于可靠性的材料应用可靠性指标设计与分析

基于验证需求分析，通过分析产品在轨工作界面和环境界面及其对材料性能的影响，将极温环境适应性、湿热环境适应性、交变温度适应性、热老化性、耐辐射性等设计为二级指标，将环境适应性试验前后材料关键性能变化等设计为三级指标。

（4）基于可靠性的材料服役安全性指标设计与分析

基于验证需求分析，通过分析材料或构件在地面和在轨环境可能带来的真空出气污染、多余物、腐蚀物等次生安全问题，将真空污染特性等设计为二级指标，将真空挥发性（总质损、可凝挥发物、水蒸气回吸量）等设计为三级指标。

（5）基于应用适应性的组件应用健壮性指标设计与分析

基于验证需求分析，通过分析组件功能要求和空间环境要求，将力学环境适应性、热环境适应性等设计为二级指标，将组件功能特性等设计为三级指标。

5.实施层面的一体化试验验证

应用验证一体化试验验证的实施应以尽早尽快、降本增效为原则。一方面，由于航天产品具有研制成本高、研制发射周期短、入轨使用周期短及在轨问题难定位、难修复的特点，必须将验证前移，在研制初期、材料大批量采购使用前尽早尽快地暴露缺陷、发现问题、解决问题，并及时改进、持续跟进，有效落实风险管控；另一方面，由于造价高、周期短，材料应用验证必须充分分析任务剖面、识别环境效应、提取试验参数、拼接验证需求、裁剪试验项目、搭载试验样品，通过试验验证的一体化来压缩成本、提高效率。同时，分析应用界面和环境界面应采取最大化原则，按照最严苛环境、最长服役寿命设置验证试验条件，争取用一次性验证解决后续所有相同材料的应用问题。

根据验证需求分析，基于材料设计、工艺、特点，结合航天装备应用要求，覆盖验证指标体系。针对批次稳定性验证、工艺适用性验证、应用可靠性验证、服役安全性验证、组件健壮性验证分别设计应用验证内容，根据应用场景设置相匹配的试验条件、参数，明确关键性能指标，确保验证结果充分反映产品性能的应用边界。

基于从材料到组件的应用验证需求的交叉覆盖性分析，以及组件试验无法暴露的材料问题和材料试验无法验证的组件应用健壮性问题，设计针对性验证项目，确保验证内容全面覆盖材料质量问题、工艺性问题、环境适应性问题、安全性问题以及组件应用健壮性问题，且无验证需求重叠项，不做重复验证试验。

完成验证内容设计后，编制应用验证实施方案。实施方案基于总体技术路线设计、构件级及组件级样品设计、试验方法设计、试验流程设计、判据设计、综合分析思路设计，全面覆盖验证指标体系和验证内容。

验证实施应结合一体化试验设计和测试标准样品要求进行样品的分配和管理。明确各牌号规格、各批次材料的批次抽样要求，详细规定各类材料、各项验证试验项目的取样要求及制样要求，并执行相关测试技术标准中对于样品的抽样、制备、保管等相关规定，严控抽样批次和样品有效性，并详细规定组件样品的相关要求。在试验实施中，明确各类材料及组件的各项验证试验执行的标准规范或技术要求，详细规定并严格执行测试条件、测试要求等验证方法，以及单项判据等验证要求。

6.评估层面的一体化综合分析

综合评价必须以材料能否实现规模化应用为第一评价原则。材料应用验证基于现有试验能力，通过设计地面模拟试验，验证评价产品（材料构件—组件—单机—分系统）在实际航天任务中能否有效完成全寿命期内的服役目标，以验证可用性或适用性为目的，而不是单一性地检验材料是否符合技术要求。因此，除非阶段性评价中设置有关键性否决项单指标判据，否则均以最后的综合评价来判断材料的可用度、适用度。

在基于系统工程方法论的宇航元器件应用验证综合评价体系中，综合评价模型构建作为系统评价的核心，是以指标体系及其赋权为输入的，基于此建立判据体系，从而获取评价结论并对之进行决策分析。航天材料应用验证的综合评价工作也遵循此原则，试验测试可以独立实施，但对于验证结果需要综合考核。验证试验数据既不是唯一的客观依据，也不是唯一的判据。在客观依据中，除了试验数据之外，还包括材料成熟度、工艺成熟度、供货稳定性等生产要素评价。

航天材料应用验证涉及生产要素评价、批次稳定性验证、工艺适用性验证、应用可靠性验证、服役安全性验证、组件健壮性验证。各阶段验证试验内容彼此独立且可并行开展，而验证结果可相互印证对比。

综合评价必须以材料能否实现规模化应用为第一评价原则。材料应用验证基于现有试验能力，通过设计地面模拟试验，验证评价产品（材料构件—组件—单机—分系统）在实际航天任务中能否有效完成全寿命期内的服役目标，以验证可用性或适用性为目的，而不是单一性地检验材料是否符合技术要求。因此，除非阶段性评价中设置有关键性否决项单指标判据，否则均以最后的综合评价来判断材料的可用度、适用度。

（1）基于验证内容要素的横向评价。批次稳定性验证中，在验证工艺适用性或应用可靠性时，基础理化性能（应用功能性）验证的试验结果需要与结合工艺或者环境条件测得的试验结果进行比对，用以通过分析工艺方法参数对材料性能的影响来考核工艺方法参数的适用性，通过比对在地面和在轨环境下材料性能与常规条件性能的变化来评价材料的环境适应性。

（2）基于指标类型特点的聚类评价。包括针对某一指标的材料比对分析、基准值研究分析、应用边界条件分析等。

（3）在此基础上，可对材料的成熟度等级和应用风险等级进行研判。

材料可用性以及适用的应用边界条件并非通过单一试验结论能够获取，必须将一体化试验中各阶段的阶段性评价与全部试验结束后的综合评价进行有机结合、交互比对，综合解答航天材料的可用性及应用边界问题。

基于一体化的结构式思维设计我国航天材料应用验证一体化建设思路，将航天器产品（联合环境）与组件材料（联合工况）有机地结合在一起，从材料设计到构件工艺、组件功能，逐级识别验证需求并串联，构建一体化验证指标，设计一体化验证试验内容，建立“研制单位—生产厂家—验证实施机构—用户单位”的协同联动机制，实现航天材料应用验证的“一体化”式的“研”“验”协同、数据共享、需求分析、指标设计、试验验证和综合分析评价，打破常规质量保证中“一试定输赢”“一验定终身”的局限思维，将“可用性”“适用性”代替“符合性”作为应用验证的第一目标，以材料为核心推广至组件乃至单机的使用性能验证，一次性回答“能否用”“如何用”的问题，提高验证结果的决策价值。