航天器环境工程

航天器环境工程综合性学科01发展回顾重要性作用与任务与可靠性工程的关系目录03020405发展趋势总结国内发展展望目录0706基本信息航天器环境工程是研究航天器在制造、发射、运行和返回过程中所经历的环境、环境对航天器的影响及其机理、环境模拟方法及模拟技术、环境试验的方法、技术和理论、环境的利用与防护以及载人航天的环境模拟条件与试验方法等的一门综合性学科。航天器经历的环境条件复杂，有地面环境、发射环境、在轨环境、返回再入环境等。航天器在不同飞行剖面，经受着各种不同组合的环境应力，因此，航天器要做到长寿命、高可靠必须要适应各种环境条件。而“航天器环境工程”的最终目的就是减少或避免航天器产生故障或失效，以便延长航天器的工作寿命，提高航天器发射的可靠性。发展回顾发展回顾在20世纪,随着航天技术发展的需求,航天器环境工程得到了巨大的发展动力。这首先表现在包括中国在内的世界各发展航天技术的国家都建起了试验设备齐全、规模巨大的环境试验中心和试验设施,足以满足各种型号航天器研制的需要;同时,在航天器研制的长期过程中形成了一整套较完整的试验理论和做法,并总结在有关的航天器试验标准中。航天环境工程的发展还表现在以下几个方面:1、明确和突出了航天器研制中环境验证工作的重要性航天器多年研制工作经验证明,为了保证所研制的航天器满足预定的性能要求和使用寿命,虽然精心设计和制造是关键,然而全面、严格的验证工作也是绝对不可少的,为此,各国都十分重视航天器的验证工作,并制定了相应的标准。1999年1月,美国军方发布了MIL-STD-1540D“运载器、顶级飞行器和航天器产品验证要求”。欧空局(ESA)很早就制定了标准ESA-PSS-01-80“ESA载人和无人航天器验证指南”。在此基础上,后来成立的欧洲空间标准化合作组织(ECSS)在工程系列(E系列)标准中有一个详细规定如何进行航天产品验证的标准ECSS-E-10-02A“SpaceEngineering:Verification”(1998年11月颁布)。验证工作不仅是航天器研制单位所必须重视的,同时也是定货方通过研制过程中的各项验证工作来监督航天器研制进程和质量的重要环节。验证工作有多种形式,如MIL-STD-1540D指出的:验证可以通过分析、试验、检验、演示、相似性等方法或它们的组合来实现。由上述标准可以看出,验证工作实质上是环境验证工作,即验证航天器的设计和制造质量是否能够经受住各种环境的考验,并满足合同规定的性能和寿命要求。它是以环境工程为基础,而环境试验是环境验证工作的主要内容和重要手段。作用与任务作用与任务环境工程在各种产品研制中所起的作用越来越被人们所重视。例如,2000年发布的美军标MIL-STD-801F“环境工程考虑和实验室试验”对环境工程的重要性及其内涵作了清楚的阐述。在它的第一部分“环境工程大纲指南”中,对环境工程在武器装备研制中的作用作了进一步的说明,对环境工程专家的作用和任务也作了明确的规定。在航天器研制中,环境工程主要解决如下任务:

1)确定航天产品在整个寿命期将要经受的环境(寿命期环境剖面)及其严酷程度,即进行环境预示工作,并研究这些环境对产品(包括材料、元器件、组件、分系统直至整个系统)产生的效应和影响;2)制定整个产品研制过程中有关环境的工作计划和环境试验大纲,规定在研制各阶段所要进行的环境试验项目,提出产品的环境设计要求与试验要求;

3)进行产品的环境设计、控制和防护,选择适用的材料和电子元器件,确保产品在预定的寿命期内正常工作;4)在研制过程各阶段对产品进行环境试验,检验产品的设计和制造质量,包括所用的电子元器件、材料及制造工艺等,暴露产品中潜在的缺陷,排除早期失效,使其可靠性达到预定的要求。

5)对环境试验结果进行分析评估,对产品的环境可靠性和试验有效性作出评价。由于航天器所经受的环境十分复杂和多样化,同时对航天器的寿命要求不断延长,空间环境的长期和综合作用更不能忽视。重要性重要性众所周知，航天器是由多个分系统、数万个零部件组成的极为复杂的产品，在轨道运行期间一旦出现故障，除了航天飞机和空间站外，一般都不能直接维修，因此要求有很高的可靠性；由于生产批量小，难以实现自动化加工，'产品质量和稳定性难以保证，研制周期长、协作面广，给产品质量控制增添了难度，航天器研制、发射耗资巨大，一般都以数亿元甚至数十亿元人民币计,因此必须做充分的环境试验。充分的地面环境模拟试验，还可以使航天器得到合理的设计，避免过厚的屏蔽与结构，减少备用燃料，降低研制成本，节省经费。所以“航天器环境工程”的研究和试验是航天器设计研制过程中的重要环节。

40多年的航天技术的发展实践证明：几乎所有的航天器环境参数，对航天器都有不可忽视的影响。环境导致的航天器事故举不胜举，据统计，其中空间环境占70%,力学环境占20%,其它环境为10%。因此，世界各航天国家都重视航天器环境工程的发展，作为航天技术的重点来进行研究，它也是发展航天技术的重大基础学科。

与可靠性工程的关系与可靠性工程的关系环境工程是为产品可靠性服务的。由于产品的可靠性与它所经受的环境密切相关，为了保证产品的可靠性，一系列有关环境的问题需要环境工程来解决，大量的环境试验是验证产品设计和制造质量，提高和保证产品可靠性的重要手段.环境工程，正如许多其它的工程学科如：质量保证、人机工程、系统安全性、元件、材料和工艺控制、维修性等，对可靠性工程起着重要的支撑作用，同时它们之间都有着接口关系。忽视了环境工程，就会使产品的可靠性问题得不到很好的解决。

从环境工程的角度来看，在产品的研制过程中，要做各种类型的环境试验，而从可靠性工程的角度来看，要做所谓可靠性试验。环境试验和可靠性试验是什么关系？对这个问题似乎有许多不同的看法。其实，它们在目的和手段上是一致的。从环境工程的角度来看，环境试验是为产品可靠性服务的手段，在产品研制过程中要进行大量各种类型的环境试验，由于不同阶段试验目的不一样，环境试验条件和要求都不相同，试验冠以不同的名称，如研制试验、寿命试验、鉴定试验和验收试验等；另一方面，可靠性标准中提出要进行的各类可靠性试验，如可靠性研制增长试验和环境应力筛选、可靠性鉴定试验和可靠性验收试验，实质上也都是环境试验的应用，二者没有本质的区别。

关于环境试验和可靠性试验的关系和差别有许多不同的看法，这并不奇怪，因为不同部门，由于所研制产品的特点不同或其它原因，如何在产品研制过程中应用试验这一手段来提高和保证产品的可靠性，必然会有很大的差别.发展趋势发展趋势和其它先进复杂的武器装备研制一样，航天器研制也是一项庞大的系统工程。在当前市场竞争激烈的时代，为了提高工作效率，使研制的产品高质量和高可靠性、研制成本低而周期短，充分调动和发挥各有关部门(设计、制造、试验及后勤支持等)的力量协调工作是十分必要的。在产品研制过程中进行全面质量管理，且同时应用并行工程的工作方法是当前产品研制工作的特点。其中，环境工程是不可或缺的重要部分，它也将必然越来越受到重视。应该充分认识到航天器环境问题的重要性和复杂性，即使精心设计和制造，并在地面做了大量环境试验，仍难保证航天器上天后一点问题都不出现。就以美国来说，尽管在航天器研制方面积累了大量的经验，情况也是如此。美国NASA的哥达德航天中心近年来所发射的卫星在轨道运行中仍然发生了许多问题，称为“异常”（anormaly),它包括工作不正常及故障，对任务完成有不同程度的影响。幸而其中绝大部分异常不很严重，对卫星的飞行任务没有造成严重损害。这些问题的出现在一定程度上说明了人们对航天器所处空间环境的复杂性及其综合长期的影响还认识不足，设计上还考虑得不够全面；而另一个原因，地面试验，特别是环境试验做得不够充分或效果有问题，未能暴露应暴露的产品潜在缺陷。由于航天器构造精密复杂，所经受环境十分复杂而且还难以完全掌握，入轨后在其长期运行过程中出现这样那样的问题，越是新的型号，问题可能越多。因此，决不能对环境问题掉以轻心。在环境工程和环境试验方面多投入些，努力提高环境工程和环境试验的水平，比起航天器研制费用或发射上天后出问题所化的代价要小得多。国内发展展望国内发展展望使环境工程更好地为航天器研制服务,进一步提高环境试验的技术水平,使试验条件制定得更合理,更真实地模拟实际的航天环境,并努力在缩短试验时间、降低试验成本的同时提高试验的有效性,将继续是本世纪航天器环境工程发展的努力方向。中国对航天器的环境可靠性问题和环境试验从一开始就相当重视。到目前,中国已经建起了环境试验设备基本配套实验中心和实验室,包括试验控制和数据采集的计算机化,其规模和水平都是世界一流的,已经基本上满足了各类航天器研制的需要。经过多年的实践,在航天器研制中应用环境试验手段已经积累了许多经验,有了自己的一套做法并制定了相应的标准。实践证明,通过环境试验,暴露和检测出了不少设计和制造质量中的缺陷,对保证卫星的正常工作和可靠性起了重要的作用。

21世纪将是中国航天事业进一步发展的时代。应该认真总结中国在各型号研制中环境工程应用的经验和教训,更好了解世界各国在这方面的经验和发展趋势,提出我们自己的奋斗目标和规划,在降低环境试验的费用和时间的同时,提高环境试验的效果,为此,应在以下几个方面作出努力:

1)认真总结各个型号研制过程中环境工程和环境试验应用的经验和教训。2)在载人空间环境试验方面有许多新的技术问题要研究,包括如何设法缩小试验的规模,以舱段试验来代替整船试验从而节约试验经费和时间;在小卫星试验方面要有一套符合小卫星特点的试验原理和方针。3)要充分利用分析手段和计算机仿真技术来进行环境试验的设计和试验方案的优化。总结总结应该充分认识到航天器环境问题的重要性和复杂性,即使精心设计和制造,并在地面作了大量环境试验,仍难保证航天器上天后一点问题都不出现。这些问题的出现一方面说明了人们对航天器所经受环境的复杂性及其综合长期影响还认识不足,设计上还考虑得不全面;另一方面,地面环境试验做得不够充分或效果有问题,未能暴露出应能暴露的产品潜在缺陷也是重要原因。由于航天器构造精密复杂,所经受环境及其长期综合效应十分复杂而且难以完全掌握,入轨后在其长期运行过程中会出现这样那样的问题,因此,决不能对环境问题掉以轻心。

环境试验的费用是相当巨大的。国外估计,对高可靠性航天型号计划,试验的费用可以占到整个航天器费用的35%,这里还不包括实验室建设和环境效应及模拟研究方面的专门投入。现在看来,还需要在航天器环境工程包括空间环境效应及其模拟、试验方法研究和试验技术的提高等方面投入更多经费,增加研究工作的深度和广度,努力提高环境工程和环境试验的水平,这对中国航天技术的发