国外航天领域结构标准综述

尹玉梅 郭晋媛 王维鑫

（北京空间科技信息研究所， 北京， 100094）

1 概述

航天器是指在地球大气以及外宇宙空间 （太空） 执行探索、 开发和利用太空以及地球以外天体的特定任务的飞行器， 又称空间飞行器。 航天器按照是否载人， 可分为无人航天器和载人航天器； 无人航天器包括人造地球卫星和空间探测器； 载人航天器包括载人飞船、 空间站等[1]。航天器结构主要功能包括以下内容。

a）承受和传递器上的所有载荷， 包括地面、发射、 空间轨道、 再入大气层和着陆冲击的各种载荷。

b）为器上有效载荷和其他分系统提供所需的安装空间、 安装位置和安装方式， 把器上所有有效载荷和各分系统连接成一个整体； 所提供的安装可满足相应有效载荷和各分系统的工作要求， 并且便于整器和相关零部件在地面的装卸、操作和维护。

c）为器上有效载荷和其他分系统提供有效的环境保护， 包括在地面、 发射、 空间轨道、 和再入大气层等工作环境下的环境保护。

d）为器上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的刚性支撑条件， 例如： 保证天线组件、光学部件和传感器所需的位置精度或尺寸精度。

e）为器上某些特殊的有效载荷或其他分系统提供所需的物理性能， 例如： 导热或绝热性能、 导电或绝缘性能等[1]。

航天器结构对整个航天器至关重要， 通过标准途径对航天器结构从设计、 分析、 仿真、 试验等各个阶段进行规范， 进一步确保航天器结构发挥其作用， 保证器上设备和人员安全（针对载人航天器）。

2 国外航天领域结构标准情况

航天领域结构国外标准中比较典型且具有代表性的标准， 主要是ECSS （欧洲空间标准化合作组织） 标准和NASA （美国宇航局） 标准。

2.1 ECSS 标准

ECSS 是欧洲空间局 （ESA）、 欧洲各国航天局和欧洲工业协会的标准化合作组织， 其主要任务就是建立起一套用户满意的、 固有的、 单一的、能满足ECSS 各成员国意图的标准体系， 以统一的标准化手段消除合作障碍， 提高欧洲空间项目的竞争力。 结构标准主要分布在ECSS 标准中的空间工程子体系 （ECSS-E） 中， 包括系统工程、光电工程、 机械工程、 软件工程、 通信工程、 控制工程、 地面系统和操作等7 个专业领域。

在空间工程 （ECSS-E） 子体系中的机械工程 （E-30） 分支中， 包括热控、 结构、 机构、环境控制与生命保障、 推进等5 个方面， 目前共有7 项结构标准， 详见表1。

表1 ECSS 中结构标准

2.2 NASA 标准

NASA 技术标准按照领域划分为11 个不同系列， 与航天结构相关标准主要分布在5000 系列中和7000 系列中， 共计9 项。 NASA 的各个中心也根据自己的专业及特点制定了一套与NASA文件相对应的文件。 NASA 现行中心标准主要来自戈达德航天中心 （GSFC）、 约翰逊航天中心（JSC）、 肯尼迪航天中心 （KSC）、 兰利研究中心（LaRC）、 马歇尔航天飞行中心 （MSFC）、 斯坦尼斯航天中心 （SSC）， 现行有效标准231 项， 其中， 结构标准6 项[2]。 在航天结构方面， NASA技术标准及中心标准共有15 项， 详见表2。

表2 NASA 标准中的结构标准

3 国外航天领域结构典型标准内容

3.1 顶层要求标准

针对航天器结构顶层通用要求标准共计2 项。

a）ECSS－E－ST－32C Rev.1 《结构通用要求》规定了航天器的结构通用要求， 包括任务、 功能、 接口、 设计、 验证、 产品与组装等方面。

b）NASA-STD-5002A 《航天器及有效载荷的载荷分析》 给出了航天器及有效载荷设计所用载荷界定的通用要求。 在项目与程序层级建立了指引， 以便于规范相关工程及技术要求， 包括工艺、过程、 实践、 方法以及零件选用及设计标准等。该标准描述了开展航天器与有效载荷中载荷分析的一般实践及要求， 对载荷状况 （load regimes）进行了界定， 对建立加力函数 （forcing functions）及数学模型、 开展分析及模型的测试验证等明确了要求， 对主要的分析方法、 时间及过程进行了界定。 该标准仅适用于航天器有效载荷硬件分析，而飞行器发射装置 （LV）、 探空火箭发射的有效载荷、 航空器及气球、 地面支持设备 （GSE） 等不包含在内。 标准主要适用于NPR 8705.4《NASA 有效载荷的风险分类》 中规定的A、 B、 C这3 类有效载荷， 对D、 I-E 类有效载荷仅作为指导性文件 （可使用该标准1.3 的剪裁原则）。

3.2 结构设计与分析标准

结构设计与分析标准共计6 项。

a）KSC-STD-Z-0004G 《结构设计标准》 为肯尼迪航天中心 （KSC） 的结构设计建立适用的定义和一般设计要求。 该标准适用于常规和非常规结构、 地面支持设备 （GSE） 以及临时结构和外壳的框架。

b）ECSS－E－ST－32－02C Rev.1 《承压硬件结构设计与验证》 规定了金属和非金属加压硬件的结构设计验证， 包括压力容器、 加压结构、 压力部件 （如阀门、 泵、 管线、 配件和软管） 和特殊加压设备 （如电池、 热管、 低温恒温器、 密封容器、 危险流体容器）， 但加压硬件的外部支架和结构接口及固体推进剂发动机壳体。 该标准适用于所有航天产品， 尤其是运载火箭、 运载工具、再入飞行器、 航天器、 空间站、 着陆探测器和探测器、 探空火箭、 有效载荷和仪器。

c）ECSS-E-ST-32-10C Rev.2 Corr.1 《空间飞行硬件结构安全性因素》 规定了航天器硬件的结构安全性要素， 以及鉴定与验收试验要求。 该标准需要与ECSS-E-ST-32 《结构通用要求》、ECSS-E-ST-32-02 《承压硬件结构设计与验证》和ECSS-E-ST-33-01 《机构》 结合使用。

d）NASA-STD-5001B 《航天硬件结构设计与试验安全因素》 给出了航天器硬件结构设计和安全试验因子， 以及用于航天硬件研制和验证的使用寿命因素。 该标准主要目标是确定安全可靠结构设计因素， 其次是通过加强NASA 飞行项目、 中心及其承包商之间硬件设计使用的通用性来降低空间项目成本和进度。 该标准中提出的要求将被视为最低可接受值。

e）JSC 65828B 《航天硬件结构设计要求和安全系数》 规定了载人航天硬件的结构要求， 包括运载火箭、 航天器和有效载荷。 该标准适用于政府提供的设备活动以及所有相关承包商、 分包商和商业活动； 不适用于除载人航天器以外的系统， 如地面测试物品， 但可针对谨慎使用的特定情况进行定制。 该标准中提出的要求侧重于设计， 而非验证。 将在结构验证计划 （SVP） 中规定需求的实施过程， SVP 针对需求， 规定了每个结构项目的验证方法。

f）JSC 29353B 《航天器应用中的可燃性结构分析》 描述并解释了控制易燃材料 （和潜在易燃材料） 的配置及解决方案， 以便有效载荷客户和其他组织可以在设计安全且经济高效的飞行硬件时使用它们。 该标准将为位于国际空间站任何隔间或其他计划载人飞行器和栖息地的硬件提供可接受的可燃性配置。 航天器防火控制的基础是最大限度地减少潜在的火源， 消除可能传播火灾的材料。 “消除可能传播火灾的材料” 并不意味着仅使用不可燃材料设计和建造航天器， 这样的成本非常高， 而且没有必要。 这意味着需控制不可燃材料的数量和配置， 以消除潜在的火灾传播路径， 从而确保任何火灾都是小型的、 局部的和隔离的， 并且会在不伤害航天员的情况下自行熄灭。 多年来， NASA 已经开发出许多控制易燃材料 （和潜在易燃材料） 的配置及解决方案， 以便在载人航天器中空气和富氧环境中安全使用。

3.3 结构断裂控制及无损评估标准

结构断裂控制及无损评估共计7 项。

a）ECSS－E－ST－32－01C Rev.1 《断裂控制》规定了断裂控制程序、 易损部件的识别与评估、断裂力学分析、 材料的选择、 质量保证和无损检测、 减少断裂控制方案等内容。 空间系统的空间段及其相关地面支持设备的结构失效可能导致灾难性危险系统或有效载荷。 该标准规定了对空间系统的空间段及其相关GSE （地面支持设备） 施加的断裂控制要求。 该标准中包含的要求也适用于NASA 和国际空间站硬件的断裂控制。

b）NASA-STD-5019A 《航天硬件断裂控制要求》 确定了所有人类航天系统的断裂控制要求，包括有效载荷、 推进系统、 轨道支持设备等。

c）NASA-HDBK-5010 《有效载荷， 实验和类似硬件的断裂控制实施手册》 提供适用于各种硬件设计和实验的断裂控制实施。

d）JSC 25863B 《JSC 航天硬件断裂控制计划》， 该断裂控制计划 （FCP） 介绍了约翰逊航天中心 （JSC） 的实施方法， 用以满足所有NASA 人类太空飞行项目以及接近或停靠NASA航天器 （如国际空间站 （ISS） 或猎户座） 的载人或非载人飞行器的断裂控制要求。

e）MSFC-RQMT-3479 《复合材料和粘结运载器及有效载荷结构断裂控制要求》 提供了用于制造MSFC 载人飞行器和有效载荷硬件的复合材料、 粘结结构的断裂控制要求， 包括载人发射、回收、 转移和着陆器以及在载人飞行的任何阶段发射、 回收、 储存或操作的有效载荷或太空飞行实验任务。 纤维增强聚合物基复合材料、 夹层结构 （粘结金属和非金属） 以及金属或复合零件之间的粘结属于该标准的范围。 金属和陶瓷基体结构、 泡沫、 柔性充气结构、 液体燃料火箭发动机和固体推进剂除外。 此外， 该标准未具体涵盖金属零件/结构的断裂控制， 但如果金属与复合材料或粘合剂结合使用， 则应满足该标准的所有规定。 该标准的目的是提供用于设计和评估复合材料和粘结结构的最低断裂控制要求。

f）NASA-STD-5009B 《断裂临界金属元件的无损评估要求》 规定了对于飞行或地面系统及组件在需要进行断裂控制时的无损评估 （NDE） 要求。 主要内容包括对NDE 过程、 标准及方法的一般要求， 如裂缝、 材料审查委员会、 NDE 过程文件控制等； 标准化的NDE 方法及特殊NDE的应用； NDE 的文件记录等方面。

g）JSC 67203 《无损评估程序鉴定指南》 演示了NDE 程序认证方法， 为满足特定条件的NDE 程序提供了最低要求。 该文件旨在符合NASA-STD-5009B。 此外， 它还提供了NASASTD-5009B 未涵盖的NDE 程序认证方法指南，但在使用该指南中的方法之前需要经过批准。 该指南不涵盖NDE 程序。

3.4 结构建模仿真标准

结构建模仿真标准共计3 项。

a）ECSS－E－ST－32－03C 《结构有限元模型》规定了航天器结构分析中用到的有限元模型要求。

b）NASA-STD-7009A 《模型和仿真标准》提供了一套经批准的要求、 建议和准则， 可用于模型和仿真的开发， 并支持NASA 活动。

c）NASA-HDBK-7009 《NASA 建模和仿真手册： NASA-STD-7009 实施指南》 主要针对如何在工作过程中使用NASA-STD-7009 进行说明。 NASA-HDBK-7009 针对建模的整个工作流程， 对每个阶段的工作要求进行了详细说明， 并给出大量示例。

4 结论与建议

综上所述， ECSS 和NASA 在航天器结构领域建立了较为完整的标准， 近几年在重点修订标准， 无新增标准。 在结构标准方面： 共有22 项标准， 覆盖结构设计、 分析、 建模、 试验验证等多个阶段。 近年来， 主要是修订标准， 无新增标准， 这说明航天器结构标准建设较为完整， 只需要根据技术发展和工作需要， 对已有标准进行修订， 即可满足标准使用需求。 另一方面， 从2018年至今， ECSS 和NASA 从结构安全性出发，对于长寿命 （国际空间站、 深空探测器等） 或重复使用的航天器， 重点开展了结构断裂控制相关内容标准的制修订工作， 更重视结构安全性。根据我国航天器结构领域技术发展， 结合我国标准建设现状， 应重点考虑针对长寿命航天器（空间站、 深空探测器）、 可重复使用航天器（如新飞船） 等， 开展结构寿命预估、 结构损伤评估以及断裂控制等标准的研究工作。