航天器热平衡试验方法国内外标准比较分析

孙玉玮，李西园，谢吉慧，贾瑞金

（1. 航天机电产品环境可靠性试验技术北京市重点实验室； 2. 北京卫星环境工程研究所：北京 100094）

0 引言

航天器的研制必须按照研制流程和规范进行设计、生产和考核，并经过空间环境试验验收。航天器的工作环境包括从地球表面大气层到预定轨道的过渡环境、轨道空间环境以及返回地面时的气动热环境。为适应发射段和外太空的高真空和冷黑的工作环境，航天器在发射前需要在地面模拟的空间环境中进行各种环境模拟试验，其中热平衡试验是在模拟空间热环境条件下验证航天器热分析模型、考核航天器热控性能的试验。

我国航天器研制中的环境试验早期主要参考国外标准进行，如：美国的SMC-S-016《运载器、上面级和航天器试验要求》、MIL-STD-1540E《运载器、上面级和航天器试验要求》、GSFC-STD-7000《GSFC 飞行计划与项目通用环境验证标准》，欧洲的ECSS-E-ST-10-03C《空间工程：试验》以及日本的JERG-2-130A《航天器一般试验标准》等。随着我国航天技术的发展和航天国际合作的不断深化，国家标准化管理委员会于2017 年发布了GB/T 34515—2017《航天器热平衡试验方法》。该标准借鉴国外航天器环境试验最新技术成果，同时系统总结、提炼我国航天50 多年来的技术发展经验，可有效指导航天器试验要求制定和方案设计。

本文从技术角度对这项标准及与之密切相关的国外标准进行对比分析，明确国内外标准异同，以期为该标准的实施应用和推广提供参考。

1 标准概述

1.1 标准框架

SMC-S-016、 ECSS-E-ST-10-03C、 MIL-STD-1540E 和GSFC-STD-7000 都非常有针对性地介绍了航天器热平衡试验的试验条件、试验容差和试验稳定判据，但由于这些标准规范的试验项目不只针对某一项试验，而是涵盖产品研制全流程，所以对航天器热平衡试验介绍并不详细，主要介绍试验要求的内容，不涉及试验设备及试验程序。日本的JERG-2-130-HB005B《热真空试验手册》是在JERG-2-130A 基础上专门对热试验进行阐述的试验手册，其将航天器热平衡试验与热真空试验一起进行规范，标准框架包括概述、试验目的、模拟方法、试验设备、测量系统及产品的安全防护等。

我国的GB/T 34515—2017 是专门针对航天器热平衡试验编制的试验方法规范，除了试验要求，还包括实现试验要求所采用的实施方法，主要框架为试验目的、试验要求、模拟方法、试验工况、数据测量、试验设备、试验程序、试验中断及处理、试验评价与数据利用等。

1.2 GB/T 34515—2017 特点

1）通用性。根据国内航天器热平衡试验的经验总结编制，在参考和充分吸收国内外相关标准及文献资料的基础上，结合国内各单位在实际热平衡试验中的经验做法，提出原则性要求和建议，力求科学严谨、覆盖面广，同时具有普适性和通用性。

2）实用性。将航天器热平衡试验的试验方法和工程经验加以总结和提炼，涵盖了各试验单位在实践中普遍运用的试验方法；部分条款由于各试验单位具体实施方法的不同，只阐述原则性要求，使标准条款具有较强的实用性。

3）可操作性。标准编制过程中，编制人员与热控技术人员、试验领域专家进行多次沟通以完善标准内容，最终标准中规定的条款均已经历大量航天器热平衡试验的验证，具有可操作性。

2 国内外标准对比分析

2.1 适用范围

美国的SMC-S-016、MIL-STD-1540E 和GSFCSTD-7000 都按照航天器的研制过程将试验要求划分为系统级试验项目及条件、分系统级试验项目及条件、组件级试验项目及条件。而ECSS-E-ST-10-03C 则与美国标准存在差异，标准中并未包含分系统试验，而是在第1 章中指明“分系统的验证通常仅仅限于功能性的测试，在某些情况下，甚至还需要使用一些特定的模拟件，因此对于分系统试验的规定应该放在相关的专业标准中”，故ECSS 将对热控系统热平衡试验的要求放在了ECSS-E-ST-31C《空间工程热控制通用要求》中。JERG-2-130-HB005B 将热平衡试验划分为系统级和分系统级。

GB/T 34515—2017 参考了美国环境试验标准的划分方法，以及国内导航、通信、遥感、深空探测、载人航天器及小卫星等各平台的系统级、分系统级热平衡试验要求及方法，在第1 章中说明了标准的适用范围是航天器系统级、分系统级和舱段级热平衡试验，对航天器系统级、分系统级热平衡试验的试验条件和试验方法做出规定。除了航天器系统级（整星/船/器/舱）、分系统级热平衡试验外，部分航天器组件和单机也需开展热平衡试验，但组件的试验模型要求、工况稳定判据都与本标准规定的内容不同，因此目前GB/T 34515—2017 的适用范围不包括航天器组件和单机的热平衡试验。

2.2 试验目的

ECSS-E-ST-10-03C 规定航天器热平衡试验的目的是验证热设计和航天器热分析模型的正确性，并为修正热分析模型提供数据。SMC-S-016 的规定则更为细致，按照研制热平衡试验和验收热平衡试验分别规定：研制热平衡试验的目的是取得与热数学模型相关的试验数据，验证航天器的热分析模型；验收热平衡试验的目的是在航天器真实热耗情况下进一步验证热分析模型的正确性以及航天器热控分系统将组件、分系统和整个航天器保持在规定的工作温度范围内的能力。JERG-2-130A 按照系统级热平衡试验和分系统级热平衡试验分别规定了试验目的，增加了对热控系统硬件的考核。

GB/T 34515—2017 同样规定航天器热平衡试验的目的是验证热设计和航天器热分析模型的正确性，并为修正热分析模型提供数据。

2.3 技术状态

SMC-S-016、ECSS-E-ST-10-03C 以及JERG-2-130A 均只对试验模型技术状态做了简单描述。

GB/T 34515—2017 第5.1 节规定了热平衡试验中试验模型的技术状态，与SMC-S-016 和ECSSE-ST-10-03C 的规定一致，但更为详细，规定：试验模型的外形结构、材料、仪器设备布局、电缆网、各种热控措施及产品应符合研制状态要求；仪器设备的外形尺寸、表面状态、安装连接方式、内部发热量和热容量应符合研制状态要求；考虑到试验设备能力、安全性及仪器设备的特殊要求，允许个别仪器设备使用热性能参数符合要求的工艺件、鉴定件或模拟件来代替；外表面涂层的热性能应与研制状态相同；大型天线、太阳电池阵等外部组件可以不参加试验，但对试验的影响应予以评估，并根据需要在热边界模拟中采取相应措施；有密封舱段的试验模型在试验时应抑制密封舱内气体自然对流的影响；与试验模型有换热但不参加试验的部分，可采用替代结构参加试验并模拟热边界；推进剂贮箱内一般应充注保护气体，等等。GB/T 34515—2017还在其他试验模型要求中补充了对舱段级和有密封舱的试验模型的特殊要求；并规定航天器试验和贮存的接地要求为通过专用地线将航天器主接地桩与空间环境模拟室的信号地接地桩连接。

2.4 外热流模拟方法

SMC-S-016 将外热流模拟方法分为吸收热流法、入射热流法、等效辐射热沉温度法和组合法。ECSS-E-ST-10-03C 和GB/T 34515—2017（6.1.1）均按照外热流模拟装置的不同分为入射热流法、吸收热流法和组合法。

入射热流法利用太阳模拟器模拟太阳光谱能量分布，研究太阳辐照在航天器上产生的光谱能量效应和热效应。除受太阳模拟器设备技术指标制约外，在模拟太阳辐射的准直性、均匀性和光谱特性方面，该方法可以真实有效检验航天器表面热光学性能、遮挡及内部光学汇聚影响等，尤其适用于具有大型光学相机、星外单机以及复杂构型的航天器。

吸收热流法利用红外模拟器（红外阵、红外灯、红外棒等）模拟航天器表面吸收的空间外热流，研究空间外热流环境在航天器上产生的热效应。该方法可以全面模拟空间外热流，且简单、方便、成本低，但由于在应用中包含了某些近似和假设条件，一般只用于外形简单、表面光学性质变化不大的航天器，难以模拟具有复杂外形航天器的阴影效应和表面间相互作用效应。

组合模拟法同时利用上述2 种方法，例如，用太阳模拟器模拟太阳辐照，用红外模拟器模拟地球反照和红外辐照。

美国和欧洲的航天器热试验的外热流模拟装置使用太阳模拟器和运动模拟器进行模拟，而我国的航天器热平衡试验主要是使用红外加热装置进行模拟。太阳模拟器主要用来进行太阳辐照环境模拟，要求具有尽可能直接再现外层空间太阳辐照环境及其效应的能力，可较真实模拟外层空间太阳光谱分布，且出射光线具有尽可能小的准直角。

在SMC-S-016、MIL-STD-1540E、GSFC-STD-7000、ECSS-E-ST-10-03C 和ECSS-E-ST-31C 中均介绍了入射热流模拟方法，在模拟太阳热流时主要推荐使用太阳模拟器。但各航天机构的太阳模拟器和运动模拟器的性能不同，使用方法也不尽相同，因此美国标准和欧洲标准都未对它们的性能和使用提出具体要求或进行详细规定。GSFC-STD-7000更关注于试验的具体实施，规定：模拟太阳热流可以通过水银-氙灯、氙灯、碳弧灯、冷板、加热器等；模拟太阳和行星反照必须考虑光谱和均匀性问题，尽管光谱失谐不会明显影响发射率，但对吸收率有很大影响，因此在试验或分析中必须进行确定或补偿；模拟行星和地球辐射可以采用加热片、冷板/加热板、石英灯等手段；试验中的支撑装置需要与试验模型间进行绝热处理，也可以使用加热片、热电偶建立等温绝热面；对小热流也高度敏感的试验模型，允许用导热系数较低的线缆悬吊之。

红外模拟无法再现空间太阳热流准直性和光谱特性，不适用于模拟复杂外形航天器的阴影效应、辐射换热中的几何因子变化效应和表面间相互作用效应等，仅适用于外形简单、表面光学性质变化不大的航天器。如果只考虑试验可达到的热流量或大辐照区域要求，没有光谱、准直角等要求时，选择红外模拟方法比较合适；如考虑光的准直性，或以热光学表面特性等作为关键参数，或针对复杂结构的外热流模拟，就应该使用太阳模拟器。随着航天器外形的复杂化发展，材料热光学性质变化大，对太阳模拟器的需求越来越迫切。目前我国研制的太阳模拟器和运动模拟器已投入应用，虽然相关试验技术还不够成熟，但在GB/T 34515—2017 中列入了入射热流模拟法，并对太阳模拟器和运动模拟器的性能和使用提出了要求。

2.5 试验工况稳定判据

对于试验工况稳定判据，SMC-S-016 中的描述是各分系统的热时间常数和任务剖面两者都会影响飞行器到达热平衡所需时间，因而也会影响试验持续时间，当具有最大热时间常数的组件温度在5 h 内温度变化率小于1 ℃/h 时可视为温度稳定。

国内热平衡试验的稳定判据更为严格，GB/T 34515—2017 的7.3.2 中要求连续4 h 内温度变化不超过±0.5 ℃，或温度单调变化率小于0.1 ℃/h。这些数值的选定是源于经验，可能会导致试验时间比国外的长一些。

2.6 温度测量

在SMC-S-016 和ECSS-E-ST-10-03C 中，仅对试验产品温度测量提出要求，没有对试验设备温度测量提出要求；但试验设备的温度测量也很重要，尤其对于试验产品的安全、温度边界的控制、参试试验装置的温度测量和安全控制。因此，GB/T 34515—2017 的8.2.3 节规定了包括热沉温度测量、与试验模型有接口关系设备的温度测量、低温系统管路及设备的温度测量以及其他试验装置的温度测量，等等。

2.7 试验压力

SMC-S-016 中规定空间环境模拟室压力不高于1.33×10Pa，ECSS-E-ST-10-03C 中规定空间环境模拟室压力不高于1×10Pa，此时对流换热的影响可以忽略。我国对空间环境模拟室压力的要求较为严格，一般要求非充气密封航天器或舱段压力不高于1.3×10Pa，充气密封航天器或舱段压力不高于6.0×10Pa。因此，GB/T 34515—2017 按照我国工程实际，在9.1 节中规定空间环境模拟室压力不高于6.65×10Pa，并考虑到未来深空探测航天器的发展，补充了试验要求的其他压力值，如火星表面大气压力。

2.8 防污染

SMC-S-016 和ECSS-E-ST-10-03C 中都提到了对空间环境模拟室、产品操作空间的洁净度控制，以及试验过程中产品的污染控制，采用微量天平和污染收集板进行污染测量和污染物收集。GSFCSTD-7000 中也规定了防污染的要求：试验后容器进行高温烘烤，试验从高温开始，回温中保持航天器温度高于环境温度；试验中使用石英晶体微量天平、残余气体分析仪、取样镜等设备进行污染监测。

GB/T 34515—2017 按照工程实际，在9.1 节和9.5 节中给出了试验阶段对真空热试验防污染控制的要求：连续空载运行24 h 后，空间环境模拟室内的有机污染物一般不得超过1×10g/cm；严格控制进罐材料；对参加试验的高出气率材料预先进行真空烘烤处理。

2.9 试验辅助设备

GSFC-STD-7000 中规定，为防止通过电缆漏热，通常在电缆等可能引起漏热部位包裹多层隔热组件，甚至使用加热片、热电偶进行主动温控，使用等温方法建立绝热边界。对于热管或两相流体回路等产品一般选取水平放置以便产品能够正常工作，航天器放置的姿态需要在试验抽气前确认。

在美国其他标准和ECSS-E-ST-10-03C 中均没有提到对试验辅助设备的具体要求，这可能是由于其标准涵盖航天器研制全部流程的试验项目，而每个试验产品对试验辅助设备的需求不尽相同，每个模拟容器的辅助设备配置也不同。

GB/T 34515—2017 考虑到航天器热平衡试验中升降温或热边界的特殊需求，在9.6 节介绍了根据试验模型特点而单独配备的辅助结构或设备，包括但不限于水平调节装置、水工质收集装置、辅助降温装置（冷板）、电缆控温装置、微波负载冷却装置、吸波装置、波导控温装置和真空摄像装置。

2.10 试验程序

美国及欧洲标准中没有提到这部分内容。

GB/T 34515—2017 第10 章规定了2 种外热流模拟方法的试验程序，包括：入射热流法中太阳模拟器和运动模拟器的启动和停止；吸收热流法中红外辐射加热器和接触式电加热器的使用。

2.11 试验数据利用

SMC-S-016 和ECSS-E-ST-10-03C 提到了利用试验数据进行热分析模型修正的要求。

GB/T 34515—2017 第12 章中提出了试验评价与数据利用的要求。利用试验获取的热沉温度、外热流实测值、热边界测量值等数据作为边界条件，开展热分析模型与试验相关性验证、热分析模型修正，并将修正参数配置到热分析模型中以预测在轨飞行状态。

3 结束语

本文对比的美国和欧洲的标准涉及航天器研制全流程的环境试验项目及要求，是用于航天器产品采购，建立基线测试和试验的要求文件。试验目的主要集中在设计验证和暴露工艺缺陷上。测试和试验需求要同时考虑设计复杂性、设计余量、缺陷、技术水平、过程控制、任务重要性、生命周期成本 、航天器数量、以往使用经验和可接受的风险，对航天器的试验基线进行剪裁。但是，剪裁后的试验基线应达到与顾客的风险预估相一致的验证水平。即，国外标准不是针对某项环境试验的专项标准，而是涵盖航天器研制全流程的环境试验标准，而且一般非国家标准，仅限于某个航天机构应用。

我国GB/T 34515—2017 是单项试验标准，重点关注航天器研制过程中涉及的热平衡试验的试验要求和试验方法，以及环境试验设备和实施。不仅推荐国内所有航天器研制单位使用，对航天器热平衡试验进行规范，而且可与国际接轨，推动国际合作，避免由于试验要求不明确不适用、试验方法不完善或试验实施不到位而导致航天器任务失败，达到节省航天器研制成本的目的。美国标准和欧洲标准接近，均为面向运载器、上面级、航天器的通用标准，试验范围覆盖一般航天器，不适合同时也不必要覆盖所有航天器和所有类型试验。我国在这方面可以借鉴美国和欧洲相关经验，形成一套以主要试验标准为中心，多套型号标准、特殊试验标准相结合的标准体系。

另外，目前我国航天产品试验标准的量级多参考了美国标准和欧洲标准，但美国和欧洲标准中的量级是通过理论分析及大量试验数据分析得出的，适用于美国和欧洲的航天器材料和工艺流程，不一定适用于我国。因此，我国应该深入研究各种失效机理的影响，分别制定有针对性的试验量级，并对试验参数的基础数据进行积累和分析。