袁利平 王錦鋒

（中國運載火箭技術研究院， 北京， 100076）

文 摘： 空天飛行器具有多約束緊耦合復雜系統(tǒng)設計、 高精度自主再入返回控制、 快速周轉可重復使用的特征。 文章圍繞空天領域技術特征、 發(fā)展現狀及標準化需求， 提出空天領域技術標準體系建設設想， 包括建設目標、 總體思路和建設原則， 并進一步確定了技術標準體系一級框架。 結合空天領域技術標準體系建設初步實踐， 對預期效果進行了展望。

空天領域是航天領域與航空領域技術高度交叉融合的新領域， 已經成為世界各國戰(zhàn)略競爭的制高點。 當前， 我國圍繞空天融合類裝備和產品研制及應用的標準規(guī)范嚴重缺乏， 傳統(tǒng)導彈武器、運載火箭和航空飛機的技術標準無法全面支撐空天領域項目全生命周期研制， 迫切需要加強空天領域技術標準體系建設的系統(tǒng)謀劃和科學實施，使其在引領空天技術創(chuàng)新、 推動空天裝備研制和增強空天領域核心競爭力方面發(fā)揮更加強有力的作用， 全面支撐空天領域的快速發(fā)展和創(chuàng)新發(fā)展。

1 空天飛行器技術特征及標準化需求

1.1 空天飛行器技術特征

空天飛行器兼具 “星、 箭、 船、 彈、 機” 特點， 飛行任務跨越航天、 航空多個空域和速域，其天地往返、 自主返回、 重復使用的任務性質決定空天飛行器具有以下技術特征。

空天飛行器需滿足全速域、 全空域下一系列飛行狀態(tài)的需求， 總體設計需要兼顧氣動、 彈道、 防熱、 載荷、 控制、 結構和安全著陸等緊耦合多約束條件， 系統(tǒng)復雜度高， 設計難度大； 任務剖面內需要兼具航空、 航天飛行器的系統(tǒng)功能， 飛行器裝填密度大， 各系統(tǒng)一體化、 集成化要求更高。

返回式衛(wèi)星、 飛船采用彈道式或半彈道式再入返回， 升阻比小， 再入速度高、 過載大、 控制能力較弱， 不能像航空飛行器一樣進行高精度著陸控制。 而空天飛行器采用多執(zhí)行機構主動復合控制方式， 橫向機動能力強、 再入可達域廣、 控制精度要求高。

空天飛行器目標是像常規(guī)飛機一樣通過簡單維修即可再次發(fā)射， 以滿足廉價、 可靠、 快速進入空間和大規(guī)模開發(fā)空間的需要。 空天飛行器設計之初即要全面秉承面向可維修性的可重復使用設計理念， 滿足空天飛行器長時間熱待機、 快速發(fā)射、 便捷維修的需求。

1.2 空天領域技術發(fā)展現狀

從美國航天飛機開始， 世界各國圍繞空天領域關鍵技術開展了持續(xù)多年的技術攻關， 先后突破了以飛行器總體多約束一體化設計、 重復使用熱防護、 健康管理與運行維護保障等為代表的一系列關鍵技術。 我國雖然起步很晚， 一直處于追趕狀態(tài)， 但通過多年不懈努力， 也在空天領域打下了良好的技術基礎。

亞軌道重復使用運載器飛行演示驗證項目首飛圓滿成功， 首次探索升力式運載器亞軌道飛行，全面驗證全剖面飛行關鍵技術， 為空天領域創(chuàng)新發(fā)展和自主可控邁出了堅實一步； 圍繞多種動力類型正在開展組合動力飛行器預先研究工作， 機體推進一體化設計和寬域飛行高精度控制等一系列吸氣式飛行器核心關鍵技術也取得了重大進展。

經過多年的持續(xù)發(fā)展， 我國在空天領域已經積累了較為豐富的理論成果和技術成果， 為空天領域技術標準化實施奠定了良好的基礎。

1.3 空天領域技術標準化需求

技術標準化是支撐服務空天領域技術創(chuàng)新發(fā)展的一項重要工作。 科學構建覆蓋全面、 完整配套、 先進適用、 具有自主知識產權的空天領域技術標準體系， 是規(guī)范空天領域當前項目研制和裝備建設的重要依據， 是夯實空天領域核心競爭力、 助力空天領域主體站位的前提和基礎。

空天飛行器與一次性運載火箭和傳統(tǒng)航天器在設計理念上存在較大差異， 空天飛行器總體設計需滿足重復使用次數、 使用壽命、 測試性、 健康狀態(tài)評估等指標要求， 運行維護體系的設計要與飛行器設計同步開展， 以提高空天飛行器的發(fā)射頻次并減少重復使用的費用。

空天飛行器設計上需綜合考慮： 空間輻照、 原子氧、 單粒子效應等空間環(huán)境， 發(fā)射段、 再入段氣動加熱及在軌段空間溫度交變等熱環(huán)境， 發(fā)射段、再入段力學環(huán)境， 全任務剖面復雜的電磁環(huán)境。 結構產品要確保使用壽命內的結構完整性， 電氣產品需要考慮重復使用與空間長期在軌雙重需求。

空天飛行器的飛行任務剖面決定了其研制試驗項目既要參考火箭的研制試驗項目， 設置力學試驗、 電功能測試、 電磁兼容試驗等， 衛(wèi)星研制還需要考慮熱平衡、 熱真空、 熱循環(huán)、 空間環(huán)境、 磁試驗等， 同時也要參考飛機設置疲勞、 伺服彈性等試驗。 另外， 對再入面臨的嚴峻氣動加熱問題、 高載荷高熱流下的冷熱結構匹配問題，也是傳統(tǒng)一次性航天器和飛機不需要考慮而空天飛行器必須考慮的。

空天飛行器通常采用面對稱、 大翼展升力式雙曲率結構外形布局， 相比錐、 柱式回轉體構型的彈箭體結構， 其外形曲率更復雜、 精度要求更高； 空天飛行器內部高精度配合接口多， 定位精度要求高， 空間開敞性差； 同時， 空天飛行器高結構效率的輕質化要求使得飛行器要大量采用復合材料， 對復合材料大尺寸復雜曲率高精度成型和防熱承載一體化熱結構整體成型提出了極高要求。

2 國內外空天領域技術標準體系調研

2.1 國外空天領域技術標準體系現狀

20 世紀80 年代， 美國國家航空航天局（NASA） 成功研制出航天飛機并投入使用， 實現了火箭動力軌道飛行器的重大突破， 且航天飛機后來逐漸成為美國進出空間所依賴的主要力量。作為重復使用空天飛行器的典型代表， 航天飛機首次實現了航天運輸系統(tǒng)由一次性使用向重復使用的技術突破， 對美國近半個世紀航空航天技術的發(fā)展起到了重要的推動作用。

NASA 作為同時主管航天和航空項目的政府機構， 非常重視標準化工作， 其標準項目作為保障NASA 主要任務及其項目需求的重要手段， 貫穿于戰(zhàn)略計劃的全過程， 是其產品研制生產的重要組成部分。 從1968 年到1980 年， 在航天飛機立項及研制階段， NASA 共組織編寫發(fā)布了123 項空天飛行器設計準則文件， 分為4 大類：環(huán)境類設計準則24 項， 結構類設計準則44 項、制導與控制類設計準則22 項、 化學推進類設計準則33 項。 這些設計準則文件內容豐富， 一方面總結了過去多年的設計經驗和教訓， 另一方面規(guī)定了該類飛行器的設計要求以及工程實踐， 有力地支撐了航天飛機的研制。

在航天飛機退役后， 美國先后開展了X-37B、 XS-1 和追夢者等重復使用空天飛行器的研制， 在關鍵技術、 基礎理論等層面不斷完善空天飛行器技術標準體系， 以實現重復使用空天飛行器技術和項目的科學、 健康發(fā)展。

美國的航天和航空領域相互之間并沒有非常明顯的界限， 在NASA 和波音公司的標準體系中包含大量適用于空天領域裝備及產品研制的標準化文件， 它們支撐研制的航天飛機項目是史上最成功的航天與航空融合的工程項目。

2.2 我國空天領域技術標準體系現狀

我國航天領域與航空領域相對獨立， 航天領域的標準體系主要圍繞導彈、 火箭、 衛(wèi)星、 飛船、 空間站等展開， 而航空領域的標準體系主要圍繞戰(zhàn)斗機、 直升機、 運輸機、 民航客機等各類飛機展開， 相互之間技術重疊少。 空天領域作為航天領域與航空領域的交叉融合領域， 在國內屬于新發(fā)展的領域， 相比于傳統(tǒng)領域研究歷史并不長， 技術基礎薄弱， 可借鑒成果少。

近年來， 國內航天領域圍繞航天企業(yè)標準體系建設、 航天型號標準體系建設、 航天軍工項目標準體系建設都有相關研究， 但是我們圍繞空天融合類裝備和產品研制及應用的標準規(guī)范不多， 且不成體系。 在當前形勢下， 迫切需要針對空天領域發(fā)展規(guī)劃， 構建一套完善的空天領域技術標準體系， 并盡快著手開展相應的技術標準編制工作， 以支撐空天領域快速發(fā)展。

3 技術標準體系建設設想

3.1 建設目標

構建體系完整、 功能完善、 布局合理、 先進適用、 自主創(chuàng)新的空天領域技術標準體系， 用于規(guī)范空天領域裝備設計、 保障項目科學研制、 支撐領域長遠發(fā)展； 通過推進空天領域技術標準體系建設， 提升標準化整體水平， 加強標準化的支撐、 服務和引領作用， 規(guī)范科研生產管理， 服務上下游單位。

3.2 總體思路

以空天領域標準化需求為牽引， 結合航天航空發(fā)展最新技術成果和未來發(fā)展趨勢， 構建空天領域技術標準體系， 全面覆蓋項目立項論證、 方案設計、 工程研制和運行維護全壽命周期， 全面覆蓋系統(tǒng)設計、 試驗驗證、 總裝總測全研制流程， 全面覆蓋系統(tǒng)、 分系統(tǒng)、 單機和部組件全系統(tǒng)產品。

3.3 建設原則

空天領域技術標準體系的建設應注重系統(tǒng)策劃， 充分發(fā)揮各承研承制單位的專業(yè)特長和技術優(yōu)勢， 確保標準體系內容全面覆蓋空天領域科研產生的全壽命周期， 同時要不斷完善、 動態(tài)管理。

空天領域技術標準體建設應加強自主創(chuàng)新，將具有自主知識產權的技術成果和先進的理論實踐等固化形成標準， 納入標準體系； 同時， 為保護核心和關鍵技術秘密， 按照保密要求合理設置體系表中標準項目的級別。

在空天領域技術標準體建設過程中， 要認真梳理各級各類標準， 深入分析各項標準的適用性，圍繞需求合理規(guī)劃標準項目， 確保納入體系表的標準項目符合空天領域科研生產的實際需要和未來發(fā)展趨勢， 使其有較強的針對性和有效性。

空天領域技術標準體系建設應結合空天領域項目研制， 針對研制經驗不足、 相關標準缺乏等問題， 一邊開展技術創(chuàng)新和技術研究， 一邊著手編制標準規(guī)范， 在具備條件時及時將研制經驗固化， 使標準體系建設與空天技術發(fā)展保持同步。

3.4 體系框架

按照建設目標和總體思路， 在借鑒國內外標準體系建設經驗的基礎上， 采取以專業(yè)和產品相結合的方式進行劃分， 形成樹狀層次結構的空天領域技術標準體系初步框架。 以項目研制流程為主線， 提出 “設計類、 試驗類、 制造類、 運維類”； 從項目技術管理角度提出 “質量類”； 從兼顧后續(xù)發(fā)展需求角度提出 “產品類、 數字化類”；將通用和技術基礎標準統(tǒng)一歸為 “基礎類”。 空天領域技術標準體系一級框架如圖1 所示。

圖1 空天領域技術標準體系一級框架

基礎類： 涵蓋空天領域項目研制建設涉及的通用標準和技術基礎標準。

設計類： 圍繞空天領域項目研制建設過程中系統(tǒng)功能、 設計內容進行分類， 涵蓋項目研制建設過程中涉及的總體及分系統(tǒng)專業(yè)設計內容。 考慮未來專業(yè)技術發(fā)展， 以專業(yè)技術為分類依據， 以項目專業(yè)技術為主， 參考不同項目、 不同領域的方式進行劃分。 設計類標準子體系框架如圖2 所示。

圖2 設計類標準子體系框架

試驗類： 圍繞空天領域項目研制建設過程中系統(tǒng)功能、 試驗內容進行分類， 涵蓋空天領域項目研制建設過程中涉及的總體及分系統(tǒng)各種試驗項目。 試驗類標準子體系框架如圖3 所示。

圖3 試驗類標準子體系框架

制造類： 圍繞空天領域項目研制建設過程中與現有航空航天產品生產制造有較大區(qū)別的結構進行分類， 包括： 機構起落架制造、 熱防護制造、 熱控制造、 檢測技術、 裝配集成等； 涵蓋空天領域項目研制建設過程中部組件、 產品生產制造過程相關標準。

產品類： 適應產品體系建設需要， 發(fā)揮總體牽引作用， 涵蓋貨架單機產品和各分系統(tǒng)產品全生命周期相關標準。

質量類： 為保證空天領域項目研制建設質量管理活動而編制或采用的一系列標準及規(guī)范， 是用來規(guī)范實施質量控制、 質量保證和質量改進活動的標準群。

運維類： 針對空天領域項目特點及應用場景， 圍繞裝備交付及列裝階段運行、 維護要求，涵蓋運行管理與任務評估、 運行維護與維修保障等相關標準。

數字化類： 圍繞空天領域項目研制建設過程中數字化應用需求， 涵蓋與數字化應用相關的標準和規(guī)范， 包括數字化設計、 數字化分析、 數字化制造等標準。

4 標準體系建設初步實踐和預期效果

4.1 初步實踐

通過多年的持續(xù)技術攻關和飛行演示驗證，我國在空天領域已經積累了一定的工程經驗和技術成果， 現已形成了一些具有較強指導性和規(guī)范作用的技術手冊、 選用目錄、 設計指南和作業(yè)指導書等崗位作業(yè)文件， 有效助推了空天項目的規(guī)范化快速研制。 同時， 在各級標準化主管部門的持續(xù)支持下， 技術標準的編制工作也取得了很大進展， 現已新編制了百余項空天領域核心技術標準。 這些空天領域技術標準的編制和貫徹實施，對當前空天領域項目切實起到了標準化支撐和引領作用。 但相對來說， 空天領域技術標準體系的建設整體上還是處于起步階段， 標準數量、 覆蓋面和體系性都亟需加強。

4.2 預期效果

空天領域技術標準體系以技術體系和產品體系為主線， 以崗位實施應用為目標， 通過著力提高技術標準的針對性和有效性， 將有力支撐空天領域關鍵技術攻關、 核心產品研發(fā)和市場化、 產業(yè)化發(fā)展能力的全面提升， 也將促進總體牽引輻射作用的發(fā)揮， 帶動配套單位能力水平建設和提升。

以空天領域技術標準體系為基礎， 建立全面、 開放、 動態(tài)更新的標準化信息服務平臺， 服務于空天領域項目研制； 以空天領域技術標準體系為指導， 全面開展急需標準制定工作， 填補空天領域核心技術和產品標準的空白； 通過空天領域技術標準體系的建設與實施， 為空天領域從面向型號成功向面向組織成功的工作模式轉型提供標準支撐。

通過空天領域技術標準體系建設， 規(guī)范空天項目選標、 用標和項目配套單位接口標準， 推動空天項目技術經驗的提煉與固化， 確保空天產品質量，支撐空天項目快速研發(fā)。 依據體系中產品類標準的頂層規(guī)劃， 制定涵蓋產品全生命周期的相關標準，提高標準的通用性和針對性， 提升產品成熟度， 更好地滿足空天領域各項目的產品化選用需求。

空天領域是當今世界航天技術發(fā)展的熱點，空天技術發(fā)展對標準化提出很多新的需求。 我們在加快推進領域技術創(chuàng)新和研究發(fā)展的同時， 需要重視并加快空天技術標準的研究制定工作。 空天技術標準體系的建設， 必將極大助力和服務于空天領域的快速發(fā)展和創(chuàng)新發(fā)展。