CN106383922A - 一种载人航天器初样试验规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种载人航天器初样试验规划方法，属于载人航天器总体设计技术领域。规划方法如下：(1)对载人航天器进行功能分析和分解，将系统功能分解过若干可相对独立的功能模块，将各功能模块进一步分解成为子功能；载人航天器初样阶段需对每一项功能进行试验验证；(2)对分解出的各功能按照力学、热学、电性能、专项验证等初步的类别划分对功能验证进行分类；(3)对各类试验进行归纳，梳理出初步的试验项目，并进行试验设计；(4)根据试验设计进行初样航天器投产以及试验流程的规划；(5)按照流程开展初样航天器及产品的生产、总装和试验；(6)试验后对试验结果进行评估，提出对总体方案的修正和完善意见，进行方案迭代。

Description

一种载人航天器初样试验规划方法

技术领域

本发明涉及一种载人航天器初样试验规划方法，属于载人航天器总体设计技术领域。

背景技术

航天器的研制一般经历方案阶段、初样阶段和正样阶段。方案阶段制定型号的总体设计方案；初样研制阶段通过研制初样航天器开展系统级大型试验，对总体方案的可行性、正确性进行验证，并确定正样技术状态；正样阶段进行发射型号的研制。

因此，系统、合理地规划初样试验，对于型号研制有非常重要的作用。

发明内容

本发明的目的是提供一种初样试验的系统规划方法，确保初样试验全面、合理、有效。

初样试验是对总体设计方案的全面验证，规划方法如下：

(1)对载人航天器进行功能分析和分解，将系统功能分解过若干可相对独立的功能模块，将各功能模块进一步分解成为子功能；载人航天器初样阶段需对每一项功能进行试验验证；

(2)对分解出的各功能按照力学、热学、电性能、专项验证等初步的类别划分对功能验证进行分类；

(3)对各类试验进行归纳，梳理出初步的试验项目，并进行试验设计；

(4)根据试验设计进行初样航天器投产以及试验流程的规划；

(5)按照流程开展初样航天器及产品的生产、总装和试验；

(6)试验后对试验结果进行评估，提出对总体方案的修正和完善意见，进行方案迭代。

附图说明

图1初样试验规划示意图

图2载人航天器功能分解图

图3典型载人航天器初样试验流程图

具体实施方式

(1)系统功能分解

载人航天器的基本功能一般包括结构支持功能、姿态与轨道控制功能、信息传输与控制功能、热环境控制功能、能源与供配电管理功能、对接与分离功能、多航天器组合体管理功能及空间试验支持功能，基本功能进一步分解为详细子功能，如图2所示。

(2)功能验证试验分类

根据功能分解的结果，按照力学性能验证、热性能验证、电性能验证、专项性能验证进行分类，各功能的验证途径如表1所示。

表1功能验证分类

(3)初样试验分析

初样阶段的系统级大型试验，除了力学性能验证试验、热学性能验证试验、电性能验证试验和专项性能验证试验这类功能验证试验外，还要开展与大系统的接口验证，以及可靠性、安全性设计的试验验证。

●力学性能验证

力学试验验证载人航天器的支撑、连接及承载功能，包括密封舱承压能力、结构承载能力、主动段的响应及经历主动段后的机构性能等。

(i)载人航天器需配置密封舱，供航天员工作和生活，为了考核密封舱承受内压的能力及密封设计的正确性，需要按照在轨承压条件进行水压试验和气密性试验。

(ii)为了验证结构的承载能力，需要在舱体结构上模拟正常飞行时最大过载工况下舱体结构的受载，考虑到加载的方便，一般静力试验在单舱状态下进行。

(iii)为了验证舱体承受主动段振动和噪声环境的能力，需测试舱体的固有模态，获取各部位的响应，模态试验、振动试验和噪声试验在单舱及整器状态下进行，为验证系统设计余量，最大量级要做到鉴定级，试验后需要验证电池翼等机构能否正常动作。

●热特性验证

热特性试验验证待发段的地面调温方案、在轨自主飞行段和组合体段热控方案验证等。

(i)为验证待发段地面调温方案设计的合理性，通过地面冷源进行地面调温，模拟整器待发段热状态。

(ii)为验证航天员在轨生活的密封舱内热环境，开展地面通风环境模拟试验，测定密封舱内的流场分布。

(iii)为考核和验证载人航天器在轨飞行自主飞行期间和组合体期间的热设计正确性，进行标准工况、高温工况、低温工况、泄复压工况下的真空热试验。

●电性能验证

电性能试验综合验证载人航天器的姿态与轨道控制、信息传输与控制、热环境控制、能源与供配电、对接与分离、多航天器组合体管理、空间试验支持功能等，同时还要进行EMC特性、磁特性考核。

(i)为验证系统软硬件设计的正确性、信息传输的正确性、电接口的匹配性飞行程序的合理性，进行系统功能综合电性能测试，分为软连接测试和刚性连接测试，测试项目包括供电检查、分系统检查、分系统接口匹配、正常和故障模式模飞等。

(ii)为验证航天器的电磁兼容性，及与其它相关飞行器的电磁兼容性，在EMC试验室进行EMC试验。

(iii)为测试载人航天器本体剩磁、磁力矩器工作时的磁感应强度和磁场变化梯度、关键敏磁仪器设备的电性能，在零磁试验室进行整器磁试验。

●系统级专项验证试验

从系统功能出发，需要通过专项试验验证单机、子系统、系统的重要功能设计。不同用途的载人航天器、载人航天技术的不同发展阶段，专项试验的需求也不同。

以某一载人航天器为例，初样阶段开展的典型专项试验有：以数管、测控分系统为核心的分系统间接口匹配试验(整器测试前)；交会对接主被动设备的匹配试验；生命保障系统地面模拟试验；整器天线方向图试验；测控设备与测控船/站/中继星的对接试验等。

多项专项试验可并行开展，不依赖于初样航天器主线工作安排，具有较好的灵活性和针对性，试验时重点要对试验条件进行准确设定以真实反映飞行器的接口，确保验证充分、有效。

●与其它飞行器的使用、支持系统的接口验证

不同载人航天器与其它飞行器的使用、支持系统的接口会有区别，以某典型载人航天器为例，初样阶段需要验证其与航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统等的接口关系。

(i)与航天员系统接口验证项目：密封舱内环境工效学评价、医学评价，人工操作、环境体验、人器接口程序。

(ii)与空间应用系统接口验证项目：随初样航天器的总装、测试、大型试验验证试验载荷的机械、供电、信息、热控接口。

(iii)与载人飞船系统接口验证项目：船器联合测试、组合体工况热试验、交会对接设备匹配性测试等接口。

(iv)与运载火箭系统接口验证项目：器箭对接试验、器箭电接口匹配测试、器箭联合力学试验。

(v)与发射场系统接口验证项目：多个大系统参加的发射场合练，验证航天器与发射场的机械、保障及测发流程的匹配性。

(vi)与测控通信系统接口验证项目：进行与测控通信系统联试，验证通信链路匹配性。

●可靠性安全性验证

针对载人航天器的任务特点，初样阶段需对关键单机、对寿命敏感、对安全性有潜在影响的部件或单机进行可靠性、长寿命和安全性考核。

(i)单机、组件和分系统级的可靠性试验：定性、定量验证重要单机的可靠性指标，验证重要组件的可靠性，验证重要分系统的性能。

(ii)寿命试验：重点验证在轨多次活动的泵、风机、阀、驱动机构等部件，重要电子设备，气液工质及管路，以及性能及稳定性随长时间工作有变化风险的敏感器、陀螺、热控材料等。

(iii)安全性试验：通过高压气瓶、火工品点火及非金属释气等试验，重点考核对平台及航天员的安全性影响。

(4)初样载人航天器

初样阶段的大型验证，通过设计和研制初样航天器产品完成。根据结构与力学试验、热试验和电性能测试[1-4]的需求，初样航天器产品一般包括结构器(星)、热控器(星)和电性器(星)及其试验件，以及专项性能试验、可靠性安全性试验的试验件。

进行初样载人航天器产品设计时，要综合考虑载人航天器设计及技术的成熟程度，以及初样载人航天器的研制目的、研制成本投入和时间进度要求，对某些功能可进行适当合并，给出初样载人航天器产品的优化方案。比如，将结构器、热控器合并成为结构热控器，同时完成力学试验和热控试验的验证，该方案的好处是节约成本、提高效率，付出的代价是由于两项功能验证串行、试验周期增加。

(5)初样试验流程

根据初样试验项目规划、初样载人航天器产品方案，进行初样试验流程的设计。

一般先安排舱段级试验，再安排系统级试验；对于系统级试验，先安排系统内部试验，再安排大系统间接口匹配试验；试验过程中尽量减少转运和改装次数；几条试验线并行展开，不同试验线上设备具有互换性，试验时根据实际情况进行资源互享。

初样系统级试验流程规划时，以结构器(星)、热控器(星)和电性器(星)为主线(与其它飞行器和使用、支持系统的接口验证安排在内)，专项验证试验、可靠性安全性试验作为辅线并行实施。寿命试验等需时较长的试验项目要先行部署，部分试验项目可能会从初样阶段延续到正样阶段方可完成，需要适时进行阶段总结指导研制。

(6)试验结果评估

初样大型试验完成后，要对试验结果进行评估和分析，确保试验结果真实、有效，通过试验结果验证设计的正确性，暴露设计上的不足和缺陷，指导系统总体方案的改进和完善。

本发明中未说明部分属于本领域的公知技术。

Claims (5)

1.一种载人航天器初样试验规划方法，其特征是：包括如下步骤：

(1)对载人航天器进行功能分析和分解，将系统功能分解过若干可相对独立的功能模块，将各功能模块进一步分解成为子功能；载人航天器初样阶段需对每一项功能进行试验验证；

(2)对分解出的各功能按照力学、热学、电性能、专项验证等初步的类别划分对功能验证进行分类；

(3)对各类试验进行归纳，梳理出初步的试验项目，并进行试验设计；

(4)根据试验设计进行初样航天器投产以及试验流程的规划；

(5)按照流程开展初样航天器及产品的生产、总装和试验；

(6)试验后对试验结果进行评估，提出对总体方案的修正和完善意见，进行方案迭代。

2.根据权利要求1所述的一种载人航天器初样试验规划方法，其特征是：在所述的步骤(2)和步骤(3)中，初样试验分析为：

初样阶段的系统级大型试验，除了力学性能验证试验、热学性能验证试验、电性能验证试验和专项性能验证试验这类功能验证试验外，还要开展与大系统的接口验证，以及可靠性、安全性设计的试验验证；

●力学性能验证

力学试验验证载人航天器的支撑、连接及承载功能，包括密封舱承压能力、结构承载能力、主动段的响应及经历主动段后的机构性能等；

(i)载人航天器需配置密封舱，供航天员工作和生活，为了考核密封舱承受内压的能力及密封设计的正确性，需要按照在轨承压条件进行水压试验和气密性试验；

(ii)为了验证结构的承载能力，需要在舱体结构上模拟正常飞行时最大过载工况下舱体结构的受载，考虑到加载的方便，一般静力试验在单舱状态下进行；

(iii)为了验证舱体承受主动段振动和噪声环境的能力，需测试舱体的固有模态，获取各部位的响应，模态试验、振动试验和噪声试验在单舱及整器状态下进行，为验证系统设计余量，最大量级要做到鉴定级，试验后需要验证电池翼等机构能否正常动作；

●热特性验证

热特性试验验证待发段的地面调温方案、在轨自主飞行段和组合体段热控方案验证等：。

(i)为验证待发段地面调温方案设计的合理性，通过地面冷源进行地面调温，模拟整器待发段热状态；

(ii)为验证航天员在轨生活的密封舱内热环境，开展地面通风环境模拟试验，测定密封舱内的流场分布。

(iii)为考核和验证载人航天器在轨飞行自主飞行期间和组合体期间的热设计正确性，进行标准工况、高温工况、低温工况、泄复压工况下的真空热试验；

●电性能验证

电性能试验综合验证载人航天器的姿态与轨道控制、信息传输与控制、热环境控制、能源与供配电、对接与分离、多航天器组合体管理、空间试验支持功能等，同时还要进行EMC特性、磁特性考核。

(i)为验证系统软硬件设计的正确性、信息传输的正确性、电接口的匹配性、飞行程序的合理性，进行系统功能综合电性能测试，分为软连接测试和刚性连接测试，测试项目包括供电检查、分系统检查、分系统接口匹配、正常和故障模式模飞等；

(ii)为验证航天器的电磁兼容性，及与其它相关飞行器的电磁兼容性，在EMC试验室进行EMC试验；

(iii)为测试载人航天器本体剩磁、磁力矩器工作时的磁感应强度和磁场变化梯度、关键敏磁仪器设备的电性能，在零磁试验室进行整器磁试验；

●系统级专项验证试验

从系统功能出发，需要通过专项试验验证单机、子系统、系统的重要功能设计；不同用途的载人航天器、载人航天技术的不同发展阶段，专项试验的需求也不同；

以某一载人航天器为例，初样阶段开展的典型专项试验有：以数管、测控分系统为核心的分系统间接口匹配试验-整器测试前；交会对接主被动设备的匹配试验；生命保障系统地面模拟试验；整器天线方向图试验；测控设备与测控船/站/中继星的对接试验等；

多项专项试验可并行开展，不依赖于初样航天器主线工作安排，具有较好的灵活性和针对性，试验时重点要对试验条件进行准确设定以真实反映飞行器的接口，确保验证充分、有效；

●与其它飞行器的使用、支持系统的接口验证

不同载人航天器与其它飞行器的使用、支持系统的接口会有区别，以某典型载人航天器为例，初样阶段需要验证其与航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统等的接口关系；

(i)与航天员系统接口验证项目：密封舱内环境工效学评价、医学评价，人工操作、环境体验、人器接口程序；

(ii)与空间应用系统接口验证项目：随初样航天器的总装、测试、大型试验验证试验载荷的机械、供电、信息、热控接口；

(iii)与载人飞船系统接口验证项目：船器联合测试、组合体工况热试验、交会对接设备匹配性测试等接口；

(iv)与运载火箭系统接口验证项目：器箭对接试验、器箭电接口匹配测试、器箭联合力学试验；

(v)与发射场系统接口验证项目：多个大系统参加的发射场合练，验证航天器与发射场的机械、保障及测发流程的匹配性；

(vi)与测控通信系统接口验证项目：进行与测控通信系统联试，验证通信链路匹配性；

●可靠性安全性验证

针对载人航天器的任务特点，初样阶段需对关键单机、对寿命敏感、对安全性有潜在影响的部件或单机进行可靠性、长寿命和安全性考核；

(i)单机、组件和分系统级的可靠性试验：定性、定量验证重要单机的可靠性指标，验证重要组件的可靠性，验证重要分系统的性能；

(ii)寿命试验：重点验证在轨多次活动的泵、风机、阀、驱动机构等部件，重要电子设备，气液工质及管路，以及性能及稳定性随长时间工作有变化风险的敏感器、陀螺、热控材料等；

(iii)安全性试验：通过高压气瓶、火工品点火及非金属释气等试验，重点考核对平台及航天员的安全性影响。

3.根据权利要求1所述的一种载人航天器初样试验规划方法，其特征是：在所述的步骤(4)中，初样载人航天器试验为：

(1)初样阶段的大型验证，通过设计和研制初样航天器产品完成；根据结构与力学试验、热试验和电性能测试的需求，初样航天器产品一般包括结构星、热控星和电性星及其试验件，以及专项性能试验、可靠性安全性试验的试验件；

(2)进行初样载人航天器产品设计时，要综合考虑载人航天器设计及技术的成熟程度，以及初样载人航天器的研制目的、研制成本投入和时间进度要求，对某些功能可进行适当合并，给出初样载人航天器产品的优化方案；比如，将结构星、热控星合并成为结构热控星，同时完成力学试验和热控试验的验证，该方案的好处是节约成本、提高效率，付出的代价是由于两项功能验证串行、试验周期增加。

4.根据权利要求1所述的一种载人航天器初样试验规划方法，其特征是：在所述的步骤(5)中，初样试验流程为：

(1)根据初样试验项目规划、初样载人航天器产品方案，进行初样试验流程的设计；

(2)一般先安排舱段级试验，再安排系统级试验；对于系统级试验，先安排系统内部试验，再安排大系统间接口匹配试验；试验过程中尽量减少转运和改装次数；几条试验线并行展开，不同试验线上设备具有互换性，试验时根据实际情况进行资源互享；

(3)初样系统级试验流程规划时，以结构星、热控器星和电性星为主线-与其它飞行器和使用、支持系统的接口验证安排在内，专项验证试验、可靠性安全性试验作为辅线并行实施；寿命试验等需时较长的试验项目要先行部署，部分试验项目可能会从初样阶段延续到正样阶段方可完成，需要适时进行阶段总结指导研制。

5.根据权利要求1所述的一种载人航天器初样试验规划方法，其特征是：在所述的步骤(6)中，试验结果评估为：

初样大型试验完成后，要对试验结果进行评估和分析，确保试验结果真实、有效，通过试验结果验证设计的正确性，暴露设计上的不足和缺陷，指导系统总体方案的改进和完善。