[科普中國]-航天器試驗(yàn)

基本介紹

為驗(yàn)證航天器的性能、壽命和可靠性而進(jìn)行的全面檢測(cè)試驗(yàn)。航天器試驗(yàn)繼承火箭試驗(yàn)的程序和技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了空間環(huán)境試驗(yàn)，一般分為研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)等。試驗(yàn)對(duì)象為零件、部件、分系統(tǒng)和航天器整體。零部件的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)、回收系統(tǒng)的試驗(yàn)、姿態(tài)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)、溫度控制系統(tǒng)的熱真空試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)試驗(yàn)等，是航天器整體試驗(yàn)的基礎(chǔ)。環(huán)境試驗(yàn)是航天器整體試驗(yàn)的主要內(nèi)容，環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)和設(shè)備十分復(fù)雜。美國和蘇聯(lián)都建有規(guī)模龐大、設(shè)施完善的航天器環(huán)境試驗(yàn)基地。中國自70年代以來，已逐漸建成較完整的航天器環(huán)境試驗(yàn)體系，基本能滿足各類應(yīng)用衛(wèi)星環(huán)境模擬試驗(yàn)的需要。其中最大的空間環(huán)境模擬器容積約為 400立方米。環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)的研究也有很大進(jìn)展，并廣泛采用微型電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使試驗(yàn)過程的控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理分析自動(dòng)化。1

分類航天器試驗(yàn)通常要求在模擬的某種地面運(yùn)輸、發(fā)射或空間環(huán)境下進(jìn)行，以考核航天器在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的性能。為此必需建立一整套航天器環(huán)境試驗(yàn)設(shè)施。這些設(shè)備分為地面環(huán)境模擬設(shè)備、力學(xué)環(huán)境模擬設(shè)備和空間環(huán)境模擬設(shè)備三大類。2

航天器試驗(yàn)繼承了火箭試驗(yàn)的程序和技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了空間環(huán)境試驗(yàn)。航天器試驗(yàn)一般分為研制試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、驗(yàn)收試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)等。試驗(yàn)對(duì)象為零部件、分系統(tǒng)和航天器整體。航天器整體試驗(yàn)分為地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)兩個(gè)方面。1

地面試驗(yàn)航天器的地面試驗(yàn)包括環(huán)境模擬試驗(yàn)、功能試驗(yàn)和協(xié)調(diào)試驗(yàn)。

1、環(huán)境模擬試驗(yàn)

在模擬使用條件下考核航天器的功能和適應(yīng)性。試驗(yàn)的主要內(nèi)容包括振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、聲學(xué)試驗(yàn)（見動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)）、運(yùn)輸環(huán)境試驗(yàn)、地面調(diào)溫試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、磁環(huán)境試驗(yàn)等。載人航天器還應(yīng)進(jìn)行密閉生態(tài)系統(tǒng)試驗(yàn)、航天員艙外生命保障系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、救生系統(tǒng)試驗(yàn)、載人登月艙試驗(yàn)。行星和行星際探測(cè)器還要考慮各種特殊環(huán)境，如強(qiáng)太陽光照射、強(qiáng)粒子輻射環(huán)境、進(jìn)入行星大氣的特殊熱環(huán)境、特殊大氣環(huán)境效應(yīng)等的影響。航天飛機(jī)還須進(jìn)行返回的防熱和著陸試驗(yàn)等。在航天器所處的復(fù)雜環(huán)境中，有些因素對(duì)航天器影響不大,而模擬它們要付很大的代價(jià),有些因素在地面難以模擬，因此在選擇模擬試驗(yàn)的原理和方法時(shí)，往往只考慮對(duì)航天器功能、壽命和可靠性影響較大的那些因素。模擬的工作狀態(tài)包括：地面運(yùn)輸、發(fā)射、在宇宙空間運(yùn)行、機(jī)動(dòng)變軌、對(duì)接、再入大氣層、在星球上著陸等。對(duì)于航天器環(huán)境試驗(yàn)一般都制定有通用的規(guī)范和以它為指導(dǎo)的某一航天器環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范。為了試驗(yàn)還須建設(shè)通用和專用的環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)施，如振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)、沖擊試驗(yàn)器、聲學(xué)試驗(yàn)裝置、動(dòng)力學(xué)模擬器、運(yùn)輸環(huán)境模擬器、空間環(huán)境模擬器、磁環(huán)境模擬器、高能粒子輻射模擬器、微流星撞擊模擬器、電磁屏蔽吸波室、地面調(diào)溫試驗(yàn)室等以及與這些設(shè)施配套的各種儀器設(shè)備。

80年代在航天器的環(huán)境試驗(yàn)領(lǐng)域中開展了一些新的技術(shù)研究：①費(fèi)用有效的試驗(yàn)原則：為了節(jié)約研制經(jīng)費(fèi),縮短研制周期,費(fèi)用效果的分析方法日益受到重視。近年來提出用價(jià)值工程的概念經(jīng)系統(tǒng)分析找出試驗(yàn)效果與費(fèi)用的關(guān)系，以便用最少的試驗(yàn)費(fèi)用獲得最好的試驗(yàn)效果，并以此為原則指導(dǎo)修訂試驗(yàn)規(guī)范和試驗(yàn)計(jì)劃。如原型飛行模型試驗(yàn)原理和環(huán)境試驗(yàn)裁剪原則就是適應(yīng)這種要求而提出的新方法。②計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)技術(shù)：充分利用計(jì)算機(jī)處理分析功能，實(shí)時(shí)處理和計(jì)算分析試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)和結(jié)果，以較短時(shí)間得出最終試驗(yàn)結(jié)果。也可分段試驗(yàn),輔以計(jì)算分析處理,以推斷某些大型航天器的整體試驗(yàn)結(jié)果和修正試驗(yàn)誤差。③仿真試驗(yàn)技術(shù)：將模擬計(jì)算機(jī)與數(shù)字計(jì)算機(jī)結(jié)合，采用航天器的部分真實(shí)系統(tǒng)，在試驗(yàn)室內(nèi)模擬航天器從準(zhǔn)備發(fā)射到空間運(yùn)行全過程的狀態(tài)，用以進(jìn)行航天系統(tǒng)的協(xié)調(diào)檢查、系統(tǒng)考核和人員訓(xùn)練。3

2、功能試驗(yàn)

在模擬的環(huán)境下全面檢測(cè)航天器各系統(tǒng)的功能。一般與環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行。在模擬各種極端環(huán)境的條件下測(cè)定和試驗(yàn)各系統(tǒng)的功能，并與正常狀況下的測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析比較，以便作出結(jié)論。自旋試驗(yàn)、天線展開試驗(yàn)等均屬于功能試驗(yàn)，電磁相容性試驗(yàn)既是一種環(huán)境試驗(yàn)，也是一種功能試驗(yàn)。

3、協(xié)調(diào)試驗(yàn)

在飛行試驗(yàn)前進(jìn)行協(xié)調(diào)試驗(yàn)，以檢查航天器與運(yùn)載火箭、發(fā)射設(shè)施、測(cè)控跟蹤系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，如航天器與火箭對(duì)接試驗(yàn)、系統(tǒng)銜接試驗(yàn)、程序性試驗(yàn)等均屬此類。在航天器研制后期，有時(shí)完全按發(fā)射程序和內(nèi)容在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行航天系統(tǒng)的實(shí)際操作演練。在測(cè)試區(qū)也進(jìn)行類似的協(xié)調(diào)試驗(yàn)，但試驗(yàn)的內(nèi)容和要求有所不同。

航天器正式應(yīng)用前在真實(shí)空間飛行環(huán)境下進(jìn)行的各種試驗(yàn)。目的是考核航天器的功能和實(shí)用性，判斷它是否符合設(shè)計(jì)的要求和確定需要改進(jìn)的項(xiàng)目，借助各種遙測(cè)手段獲取信息，為航天器的鑒定和發(fā)展提供數(shù)據(jù)。一般航天器的飛行試驗(yàn)（試驗(yàn)性的發(fā)射）與應(yīng)用飛行結(jié)合在一起進(jìn)行，根據(jù)需要有時(shí)也單獨(dú)安排。3

力學(xué)環(huán)境模擬力學(xué)環(huán)境模擬設(shè)備提供航天器在運(yùn)輸、發(fā)射、分離、返回等過程中經(jīng)歷的振動(dòng)、噪聲、沖擊、過載等力學(xué)環(huán)境。主要設(shè)備有各種提供振動(dòng)環(huán)境的振動(dòng)臺(tái)和運(yùn)輸振動(dòng)臺(tái)，用于沖擊試驗(yàn)的沖擊試驗(yàn)機(jī)、用于噪聲試驗(yàn)的聲學(xué)混響室、提供過載環(huán)境的離心機(jī)。大型的振動(dòng)臺(tái)和聲學(xué)混響室可供航天器整體進(jìn)行試驗(yàn)。2

空間環(huán)境模擬空間環(huán)境模擬設(shè)備種類繁多，主要有提供空間高真空、低溫背景和外熱流的熱真空試驗(yàn)設(shè)備；提供空間零磁環(huán)境或其他磁環(huán)境的磁試驗(yàn)設(shè)備及提供各種空間輻照、地磁亞暴、原子氧、微流星和空間碎片撞擊、微重力等環(huán)境條件的試驗(yàn)設(shè)備。這些設(shè)備中大型熱真空設(shè)備規(guī)模最大、投資最大，也最為重要。這種設(shè)備也供航天器整體進(jìn)行空間熱真空試驗(yàn)。設(shè)備的主體是真空容器，容器內(nèi)壁通以液態(tài)氮，使其溫度保持-196℃的低溫；真空機(jī)組可使容器維持10-3Pa的真空；太陽模擬器輻射出近似陽光的光譜；容器內(nèi)的轉(zhuǎn)臺(tái)可改變航天器的姿態(tài)位置。美國宇航局的大型熱真空設(shè)備容器，直徑為19．8m，高達(dá)35．6m，已用于阿波羅飛船整體和航天飛機(jī)艙段的試驗(yàn)。每小時(shí)的運(yùn)行費(fèi)用超過1萬美元。

我國已經(jīng)建立了完整、系統(tǒng)的航天器試驗(yàn)設(shè)備，能夠承擔(dān)各類衛(wèi)星和載人航天器的研制試驗(yàn)任務(wù)。這些設(shè)備已用于我國通信衛(wèi)星、回收型衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星的整星試驗(yàn)。2