航天器试验

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为验证航天器的性能、寿命和可靠性而进行的全面检测试验。航天器试验继承火箭试验的程序和技术,并在此基础上发展了空间环境试验,试验对象为零件、部件、分系统和航天器整体。航天器整体试验分为地面试验和飞行试验两个方面。
2020年9月4日,中国在酒泉卫星发射中心,利用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器 [1]  。9月6日,中国可重复使用试验航天器成功着陆 [2] 
中文名
航天器试验
外文名
Spacecraft test

航天器试验基本介绍

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X-37B空天飞机准备进行发射试验 X-37B空天飞机准备进行发射试验
为验证航天器的性能、寿命和可靠性而进行的全面检测试验。航天器试验继承火箭试验的程序和技术,并在此基础上发展了空间环境试验,一般分为研制试验、鉴定试验、验收试验、寿命试验和可靠性试验等。试验对象为零件、部件、分系统和航天器整体。零部件的环境应力筛选试验、回收系统的试验、姿态控制系统的试验、温度控制系统的热真空试验、结构系统的模态试验等,是航天器整体试验的基础。环境试验是航天器整体试验的主要内容,环境试验技术和设备十分复杂。美国和苏联都建有规模庞大、设施完善的航天器环境试验基地。中国自70年代以来,已逐渐建成较完整的航天器环境试验体系,基本能满足各类应用卫星环境模拟试验的需要。其中最大的空间环境模拟器容积约为 400立方米。环境模拟试验技术的研究也有很大进展,并广泛采用微型电子计算机系统,使试验过程的控制、试验数据的采集和处理分析自动化。 [3] 

航天器试验分类

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航天器试验通常要求在模拟的某种地面运输、发射或空间环境下进行,以考核航天器在实际运行环境下的性能。为此必需建立一整套航天器环境试验设施。这些设备分为地面环境模拟设备、力学环境模拟设备和空间环境模拟设备三大类。 [4] 
航天器试验继承了火箭试验的程序和技术,并在此基础上发展了空间环境试验。航天器试验一般分为研制试验、鉴定试验、验收试验、寿命试验和可靠性试验等。试验对象为零部件、分系统和航天器整体。航天器整体试验分为地面试验和飞行试验两个方面。 [3] 

航天器试验地面试验

航天器的地面试验包括环境模拟试验、功能试验和协调试验。
1、环境模拟试验
在模拟使用条件下考核航天器的功能和适应性。试验的主要内容包括振动试验、冲击试验、声学试验(见动力学环境试验)、运输环境试验、地面调温试验、热真空试验磁环境试验等。载人航天器还应进行密闭生态系统试验、航天员舱外生命保障系统综合试验、救生系统试验、载人登月舱试验。行星和行星际探测器还要考虑各种特殊环境,如强太阳光照射、强粒子辐射环境、进入行星大气的特殊热环境、特殊大气环境效应等的影响。航天飞机还须进行返回的防热和着陆试验等。在航天器所处的复杂环境中,有些因素对航天器影响不大,而模拟它们要付很大的代价,有些因素在地面难以模拟,因此在选择模拟试验的原理和方法时,往往只考虑对航天器功能、寿命和可靠性影响较大的那些因素。模拟的工作状态包括:地面运输、发射、在宇宙空间运行、机动变轨、对接、再入大气层、在星球上着陆等。对于航天器环境试验一般都制定有通用的规范和以它为指导的某一航天器环境试验规范。为了试验还须建设通用和专用的环境模拟试验设施,如振动试验系统、冲击试验器、声学试验装置、动力学模拟器、运输环境模拟器、空间环境模拟器、磁环境模拟器、高能粒子辐射模拟器、微流星撞击模拟器、电磁屏蔽吸波室、地面调温试验室等以及与这些设施配套的各种仪器设备。
80年代在航天器的环境试验领域中开展了一些新的技术研究:①费用有效的试验原则:为了节约研制经费,缩短研制周期,费用效果的分析方法日益受到重视。近年来提出用价值工程的概念经系统分析找出试验效果与费用的关系,以便用最少的试验费用获得最好的试验效果,并以此为原则指导修订试验规范和试验计划。如原型飞行模型试验原理和环境试验裁剪原则就是适应这种要求而提出的新方法。②计算机辅助试验技术:充分利用计算机处理分析功能,实时处理和计算分析试验过程的数据和结果,以较短时间得出最终试验结果。也可分段试验,辅以计算分析处理,以推断某些大型航天器的整体试验结果和修正试验误差。③仿真试验技术:将模拟计算机与数字计算机结合,采用航天器的部分真实系统,在试验室内模拟航天器从准备发射到空间运行全过程的状态,用以进行航天系统的协调检查、系统考核和人员训练。 [5] 
2、功能试验
航天器试验 航天器试验 [5]
在模拟的环境下全面检测航天器各系统的功能。一般与环境模拟试验结合进行。在模拟各种极端环境的条件下测定和试验各系统的功能,并与正常状况下的测定结果进行分析比较,以便作出结论。自旋试验、天线展开试验等均属于功能试验,电磁相容性试验既是一种环境试验,也是一种功能试验。
3、协调试验
在飞行试验前进行协调试验,以检查航天器与运载火箭、发射设施、测控跟踪系统之间的协调性,如航天器与火箭对接试验、系统衔接试验、程序性试验等均属此类。在航天器研制后期,有时完全按发射程序和内容在发射场进行航天系统的实际操作演练。在测试区也进行类似的协调试验,但试验的内容和要求有所不同。
航天器正式应用前在真实空间飞行环境下进行的各种试验。目的是考核航天器的功能和实用性,判断它是否符合设计的要求和确定需要改进的项目,借助各种遥测手段获取信息,为航天器的鉴定和发展提供数据。一般航天器的飞行试验(试验性的发射)与应用飞行结合在一起进行,根据需要有时也单独安排。 [5] 

航天器试验力学环境模拟

力学环境模拟设备提供航天器在运输、发射、分离、返回等过程中经历的振动、噪声、冲击、过载等力学环境。主要设备有各种提供振动环境的振动台和运输振动台,用于冲击试验的冲击试验机、用于噪声试验的声学混响室、提供过载环境的离心机。大型的振动台和声学混响室可供航天器整体进行试验。 [4] 

航天器试验空间环境模拟

空间环境模拟设备种类繁多,主要有提供空间高真空、低温背景和外热流的热真空试验设备;提供空间零磁环境或其他磁环境的磁试验设备及提供各种空间辐照、地磁亚暴、原子氧、微流星和空间碎片撞击、微重力等环境条件的试验设备。这些设备中大型热真空设备规模最大、投资最大,也最为重要。这种设备也供航天器整体进行空间热真空试验。设备的主体是真空容器,容器内壁通以液态氮,使其温度保持-196℃的低温;真空机组可使容器维持10-3Pa的真空;太阳模拟器辐射出近似阳光的光谱;容器内的转台可改变航天器的姿态位置。美国宇航局的大型热真空设备容器,直径为19.8m,高达35.6m,已用于阿波罗飞船整体和航天飞机舱段的试验。每小时的运行费用超过1万美元。
我国已经建立了完整、系统的航天器试验设备,能够承担各类卫星和载人航天器的研制试验任务。这些设备已用于我国通信卫星、回收型卫星和气象卫星的整星试验。 [4] 

航天器试验研究情况

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2020年9月4日,中国在酒泉卫星发射中心,利用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器 [1]  。9月6日,中国在酒泉卫星发射中心成功发射的可重复使用航天器,在轨飞行2天后,成功返回预定着陆场 [2] 
2022年8月5日,中国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器,这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。 [6] 
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参考资料