于利夫 高鴻 何端鵬 邢焰 李巖 劉泊天 樊彥艷

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

隨著航天領(lǐng)域大量國產(chǎn)化材料應(yīng)用，傳統(tǒng)的以產(chǎn)品為主的可靠性驗(yàn)證方法已經(jīng)難以通過型號產(chǎn)品小樣本量、短周期局限下，開展大量國產(chǎn)化高可靠性評估要求，即使采用加速壽命試驗(yàn)，也存在驗(yàn)證不充分、試驗(yàn)覆蓋不全的風(fēng)險。近幾年發(fā)展起來的材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)，搭建了國產(chǎn)材料研制攻關(guān)向型號應(yīng)用推進(jìn)的“橋梁”，打通了國產(chǎn)基礎(chǔ)產(chǎn)品從“生產(chǎn)下線”到“成熟應(yīng)用”的“最后一公里”，是航天器材料技術(shù)和裝備可靠性評估的重要補(bǔ)充。材料應(yīng)用驗(yàn)證是以國產(chǎn)材料為研究對象，通過開展系列的試驗(yàn)、評估、測試以及綜合評價工作，確定材料性能狀態(tài)、工藝特性和服役風(fēng)險，并提出必要的改進(jìn)措施，實(shí)現(xiàn)材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展使航天器產(chǎn)品滿足高可靠設(shè)計(jì)、制造和在軌安全要求。材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化是應(yīng)用驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)的核心；是保證驗(yàn)證試驗(yàn)科學(xué)合理、綜合評價準(zhǔn)確有效的前提條件；也為有效銜接好應(yīng)用需求與驗(yàn)證試驗(yàn)、客觀全面呈現(xiàn)材料狀態(tài)和準(zhǔn)確獲得驗(yàn)證結(jié)論提供方法與依據(jù)。

當(dāng)前，國內(nèi)外在航天領(lǐng)域材料應(yīng)用轉(zhuǎn)化均存在轉(zhuǎn)化周期長、成本高的壁壘。美國航空航天局（NASA）在“2040 愿景：材料體系多尺度模擬仿真與集成路徑”（“Vision 2040：a roadmap for integrated，multiscale modeling and simulation of materials and systems”）中［1］，提出通過材料計(jì)算技術(shù)打破新材料在軍工領(lǐng)域應(yīng)用轉(zhuǎn)化周期長、轉(zhuǎn)化效率慢的壁壘。該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)就是完善的材料試驗(yàn)驗(yàn)證體系和測試技術(shù)，以及通過大量的數(shù)據(jù)分析而構(gòu)建的材料多尺度仿真評價方法。在我國航天領(lǐng)域，元器件應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)已成功展示了應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)推動國產(chǎn)元器件快速應(yīng)用轉(zhuǎn)化的示范作用，而航天器材料的應(yīng)用驗(yàn)證工作開展得較少。

本文研究我國航天器材料需求和應(yīng)用特點(diǎn)，闡釋材料驗(yàn)證任務(wù)特點(diǎn)，提出航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化需遵從的五項(xiàng)原則，研究建立三層級五要素指標(biāo)設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法。

1 材料需求與應(yīng)用驗(yàn)證特點(diǎn)分析

材料技術(shù)的不斷突破、制備工藝水平的不斷提高及新技術(shù)新設(shè)計(jì)的不斷更迭應(yīng)用帶動了空間探測技術(shù)快速發(fā)展［2-4］。為滿足航天器從地面裝配到在軌全部任務(wù)剖面高可靠服役需求，需要全面認(rèn)識材料在給定應(yīng)用環(huán)境和服役狀態(tài)下的性能演變規(guī)律。航天器“材料應(yīng)用驗(yàn)證”是通過一系列的試驗(yàn)、分析、評估和綜合評價手段，用數(shù)據(jù)、圖譜、曲線來定量化、可視化地展示材料服役退化規(guī)律，以回答材料是否滿足或適應(yīng)航天器產(chǎn)品應(yīng)用。所以，航天器材料需求的特點(diǎn)也將決定材料應(yīng)用驗(yàn)證任務(wù)的特點(diǎn)。

1.1 材料需求特點(diǎn)

1.1.1 滿足空間探測技術(shù)發(fā)展對高性能材料需求

航天器真正能力的體現(xiàn)不僅是展示對地、對空、對天的觀測、通信、感知、定位等多種復(fù)雜功能，更是展示了對各類材料的應(yīng)用，使材料能夠滿足多種任務(wù)工作需求和復(fù)雜空間軌道適應(yīng)能力。隨著北斗導(dǎo)航、載人工程、深空探測等重大工程任務(wù)順利實(shí)施，我國空間探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)了飛越式發(fā)展［5］。電推進(jìn)、激光、紅外成像、大尺寸復(fù)合結(jié)構(gòu)、空間大型網(wǎng)狀天線、大口徑相機(jī)等先進(jìn)技術(shù)以高集成化、大功率、構(gòu)型多樣化、多功能化的特點(diǎn)不斷提升衛(wèi)星在軌綜合服務(wù)能力?？臻g高功率散熱碳材料、輕量化復(fù)合材料、高收納比柔性材料、增材制造材料等高性能材料逐步成為衛(wèi)星選材應(yīng)用重點(diǎn)［6］。

1.1.2 滿足航天器不同型號、不同產(chǎn)品多樣化需求

依據(jù)航天器空間探測任務(wù)和在軌運(yùn)營需求不同，北斗導(dǎo)航、對地觀測、深空探測和通信遙感等各類衛(wèi)星具有不同的載荷體制、功率要求、軌道要求和壽命約束。而同一種航天器又由結(jié)構(gòu)、熱控、電源、姿軌控、測控、中心處理單元等各類不同功能的航天器分系統(tǒng)組成?；诟鞣窒到y(tǒng)功能需求不同，輕量化金屬材料、高強(qiáng)合金、金屬基復(fù)合材料、高分子材料、化工材料、無機(jī)材料、非金屬復(fù)合材料、陶瓷材料及光學(xué)材料多種類材料被廣泛使用［7］。比如：油脂類材料可作為展開機(jī)構(gòu)潤滑劑、全氟烷烴化工品可作為熱控工質(zhì)、高純氙氣可作為推進(jìn)劑工質(zhì)、纖維紡織品可作為回收傘主材、光學(xué)玻璃可作為反射鏡、鎳箔可作為耐高溫?zé)峥貙拥鹊?。即便是同類材料，在不同產(chǎn)品中其應(yīng)用需求也不盡相同，比如，聚酰亞胺薄膜既可用作柔性印制基板材料，又可用作熱控多層基底材料，還可用作太陽翼基板絕緣層材料。綜上，多樣化的材料應(yīng)用需求成為航天器驗(yàn)證指標(biāo)體系構(gòu)建的難點(diǎn)。

1.1.3 滿足型號發(fā)展的新材料快速應(yīng)用轉(zhuǎn)化需求

自“東方紅一號”衛(wèi)星發(fā)射成功以來，我國已經(jīng)研制并發(fā)射了近300顆衛(wèi)星?！笆濉逼陂g我國完成北斗導(dǎo)航30星組網(wǎng)［8］；嫦娥二號到嫦娥五號研制，實(shí)現(xiàn)月球繞、落、回工程任務(wù)［9］；火星巡視器、探測器、著陸器三器同時研制與發(fā)射，一次實(shí)現(xiàn)環(huán)繞、著陸和巡視的探測任務(wù)［10］；其他軍民商衛(wèi)星也展示了快速研制與在軌服務(wù)實(shí)力。近十年，我國衛(wèi)星年研制與發(fā)射總數(shù)以及任務(wù)難度均呈現(xiàn)激增的趨勢，為適應(yīng)衛(wèi)星研制的質(zhì)量和周期需求，新材料應(yīng)用轉(zhuǎn)化需從五到十年周期縮短到一年甚至數(shù)月?；A(chǔ)產(chǎn)品快速應(yīng)用轉(zhuǎn)化能力已然成為我國航天強(qiáng)國建設(shè)的前提條件。

1.2 材料應(yīng)用驗(yàn)證任務(wù)特點(diǎn)

基于我國航天器任務(wù)對材料需求，為加快國產(chǎn)化材料從研制到應(yīng)用的轉(zhuǎn)化速率，同時滿足高端裝備在軌高可靠服役的剛性要求，材料應(yīng)用驗(yàn)證作為復(fù)雜產(chǎn)品可靠性評價技術(shù)的重要補(bǔ)充，具備五個特點(diǎn)。

1.2.1 匹配復(fù)雜工程任務(wù)的多指標(biāo)驗(yàn)證

航天器是由部組件、分系統(tǒng)到系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜功能性能的一類產(chǎn)品，部組件的性能不僅決定所在分系統(tǒng)，也決定相關(guān)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求；而各個分系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與優(yōu)化，才能滿足衛(wèi)星產(chǎn)品的綜合性能。例如，載荷單機(jī)的功率決定電源分系統(tǒng)供配電需求，也對熱控分系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)和熱防護(hù)提出需求；而結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)又需要依據(jù)單機(jī)安裝部位及尺寸精度、熱控系統(tǒng)的熱輻射要求乃至供配電系統(tǒng)太陽翼及電池設(shè)計(jì)等作為輸入，才能明確衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的尺寸、質(zhì)量、構(gòu)型及承載等設(shè)計(jì)要求。所以，應(yīng)用于衛(wèi)星的材料必然是多指標(biāo)體系協(xié)同應(yīng)用驗(yàn)證，以滿足單機(jī)到整星的服役需求。

1.2.2 匹配各軌道服役需求的通用性驗(yàn)證

盡管服役于航天器各個分系統(tǒng)材料選用特點(diǎn)不盡相同，但是針對于不同地球軌道航天器，應(yīng)用于同一分系統(tǒng)的材料型譜差異不大。如結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，碳纖維材料、結(jié)構(gòu)膠黏劑、聚酰亞胺薄膜及鋁蜂窩是各類型號衛(wèi)星結(jié)構(gòu)平臺的通用材料，通用性的航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證不僅需考慮一顆或一類衛(wèi)星需求，更需要兼顧服務(wù)于低軌（LEO）、中軌道（MEO）、地球同步軌道（GEO）和傾斜同步軌道（IGSO）等各類軌道需求，以確保材料驗(yàn)證工作滿足后續(xù)各類型號規(guī)?；瘧?yīng)用，滿足優(yōu)化選材、縮減型譜及降低成本的材料體系建設(shè)需求。

而針對于特殊使用需求的材料，例如低軌道原子氧防護(hù)材料、載人密封艙體用密封類材料、載人艙降噪隔音材料及返回艙燒蝕防熱材料等，不具備多軌道、多型號通用性特征，材料應(yīng)用驗(yàn)證需要充分考慮經(jīng)濟(jì)性、在軌服役周期性和可維修性等實(shí)際應(yīng)用需求，也需要避免過試驗(yàn)、冗余試驗(yàn)造成對材料的不科學(xué)考核評估。

1.2.3 匹配型號研制進(jìn)度的短周期驗(yàn)證

材料應(yīng)用驗(yàn)證工作一般是在明確型號任務(wù)背景需求下開展的一項(xiàng)工作，其結(jié)論需要為型號產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造提供數(shù)據(jù)輸入，以便項(xiàng)目組決策材料是否可用或通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可滿足應(yīng)用要求。材料驗(yàn)證任務(wù)須早于型號設(shè)計(jì)，或與設(shè)計(jì)并行開展、協(xié)同優(yōu)化。當(dāng)前，我國衛(wèi)星產(chǎn)品從方案論證到初樣設(shè)計(jì)周期僅為1年甚至更短，為能更好服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造，3～5個月完成材料的試驗(yàn)驗(yàn)證工作是科學(xué)匹配型號任務(wù)的必要條件。所以應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)需要在試驗(yàn)結(jié)論有效的前提下兼顧驗(yàn)證周期。

1.2.4 匹配型號低成本研制的集約型驗(yàn)證

我國航天器核心競爭力不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品功能性能和在軌服務(wù)能力，也體現(xiàn)在低成本研制與發(fā)射，低成本已成為近年航天器在國際合作與競爭的重要因素。材料應(yīng)用驗(yàn)證的優(yōu)勢之一是通過對材料級或構(gòu)件級開展的小子樣、小型試驗(yàn)達(dá)到識別工程應(yīng)用風(fēng)險，提升設(shè)計(jì)可靠性的目標(biāo)，進(jìn)而可以縮減大型試驗(yàn)樣品和大型試驗(yàn)量與試驗(yàn)周期，這與衛(wèi)星型號低成本研制任務(wù)需求相匹配。材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)需要針對試驗(yàn)樣品可復(fù)用、試驗(yàn)數(shù)據(jù)可繼承、試驗(yàn)結(jié)論可覆蓋等多種要素進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，以滿足低成本驗(yàn)證需求。

1.2.5 匹配型號應(yīng)用目標(biāo)的閉環(huán)式驗(yàn)證

航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證目標(biāo)是以“用”為主，特別是近年我國國產(chǎn)材料替代應(yīng)用需求迫切，利用材料應(yīng)用驗(yàn)證工作所發(fā)揮的積極作用，銜接好我國國產(chǎn)材料基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展與高端裝備建設(shè)，是我國航天裝備自主創(chuàng)新發(fā)展的源動力。所以，航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證工作不僅是通過試驗(yàn)開展應(yīng)用可行性評估，也需要針對所識別的材料質(zhì)量或應(yīng)用風(fēng)險提出材料配方優(yōu)化、加工工藝優(yōu)化、型號設(shè)計(jì)優(yōu)化等建議，必要時需要通過指標(biāo)體系二次優(yōu)化再次進(jìn)行驗(yàn)證評估。

2 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則

基于上述航天器材料需求特點(diǎn)及其所帶來的材料應(yīng)用驗(yàn)證特點(diǎn)，航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)需依從五個原則。

（1）應(yīng)用需求覆蓋性

航天器材料所有被驗(yàn)證的指標(biāo)應(yīng)全面覆蓋預(yù)定背景下的應(yīng)用需求。包括單機(jī)、部組件乃至分系統(tǒng)所有要實(shí)現(xiàn)的功能性能對材料需求，地面加工裝配工藝、地面儲存運(yùn)輸環(huán)境、發(fā)射與在軌服役環(huán)境對材料需求，以及其他涉及人體功效、環(huán)境污染等安全保障需求。

（2）驗(yàn)證指標(biāo)關(guān)重性

盡管材料具有多參數(shù)指標(biāo)特點(diǎn)，但針對特定的部組件產(chǎn)品的應(yīng)用需求需突出材料關(guān)鍵重要性能。一般包括：關(guān)鍵質(zhì)量特性，也就是通過某個指標(biāo)可直接或間接反映材料質(zhì)量控制水平的特性；重要功能特性，即直接反應(yīng)材料被需求的應(yīng)用指標(biāo)；工藝特性，如符合加工、制造、裝配及成型等工藝條件；工作工況下穩(wěn)定性，如復(fù)雜的空間輻射、真空及溫度環(huán)境下關(guān)鍵性能指標(biāo)穩(wěn)定性。

（3）驗(yàn)證參數(shù)精準(zhǔn)性

能夠精確表達(dá)材料性能的應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)參數(shù)，且是與實(shí)際使用需求關(guān)聯(lián)度高的性能參數(shù)。比如，關(guān)于機(jī)械承載能力評價項(xiàng)目中，結(jié)構(gòu)膠黏劑突出剪切性能，復(fù)合材料突出彎曲和層間剪切性能。

（4）驗(yàn)證項(xiàng)目獨(dú)立性

應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目是通過驗(yàn)證的技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)而確立的，所以進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)時應(yīng)兼顧對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獨(dú)立性。過度的指標(biāo)體系不僅增加驗(yàn)證任務(wù)工作量，而且會給后續(xù)綜合評價帶來困難。

（5）驗(yàn)證試驗(yàn)經(jīng)濟(jì)性

驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)關(guān)系到后續(xù)驗(yàn)證樣品需求、試驗(yàn)項(xiàng)目需求和試驗(yàn)周期需求，需結(jié)合材料固有特性，科學(xué)合理設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)，既要達(dá)到工程應(yīng)用需求的驗(yàn)證目標(biāo)，也要滿足驗(yàn)證試驗(yàn)低成本要求。

3 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法

3.1 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)設(shè)計(jì)主要依據(jù)

從航天器產(chǎn)品研制到在軌服務(wù)，材料將經(jīng)歷工藝加工、試驗(yàn)、儲存、運(yùn)輸、發(fā)射到在軌運(yùn)行各種環(huán)境工況，評估材料及其所裝配的產(chǎn)品關(guān)鍵性能指標(biāo)穩(wěn)定性及環(huán)境適應(yīng)能力是航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證的目的。圍繞這個目的，所構(gòu)建的指標(biāo)體系設(shè)計(jì)依據(jù)主要由三個部分構(gòu)成。

3.1.1 材料關(guān)鍵應(yīng)用性能指標(biāo)是材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)設(shè)計(jì)的核心

航天器工程是在地球大氣層以外的宇宙空間執(zhí)行探測任務(wù)的一類復(fù)雜系統(tǒng)工程。在其制造過程中，所有部組件、單機(jī)產(chǎn)品甚至零部件的功能性能、約束條件和接口條件等指標(biāo)均是從衛(wèi)星系統(tǒng)建造指標(biāo)逐級分解而形成的。而組成單機(jī)、部組件產(chǎn)品的材料，其性能指標(biāo)直接來自于產(chǎn)品功能對材料提出的需求，例如材料承載性能、密封性能、導(dǎo)電/絕緣性能、導(dǎo)熱/絕熱性能、電磁特性及光學(xué)特性等等。此外，航天器系統(tǒng)工程特點(diǎn)，使得同一分系統(tǒng)內(nèi)其他產(chǎn)品也將對該產(chǎn)品所用材料提出性能指標(biāo)需求，而這類指標(biāo)多以熱適配、相容性、多余物及污染行為為主。受限于航天器一次在軌發(fā)射且在軌不可維修性的特點(diǎn)，所有應(yīng)用于航天器材料關(guān)鍵功能必須滿足其質(zhì)量一致、批次穩(wěn)定，進(jìn)而才能確保通過應(yīng)用驗(yàn)證的材料滿足后續(xù)航天器研制應(yīng)用的高質(zhì)量供應(yīng)要求。

3.1.2 空間環(huán)境適應(yīng)性是材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)

空間射線輻射、高低溫和高真空環(huán)境、原子氧侵蝕環(huán)境、深空極端低溫和強(qiáng)電磁場環(huán)境等構(gòu)成航天器產(chǎn)品特殊且復(fù)雜的服役條件。所有用于航天器材料均須依據(jù)其服役軌道特點(diǎn)，有無防護(hù)措施等實(shí)際的應(yīng)用條件，考核所用材料或其組成的零部件產(chǎn)品耐受特殊空間服役環(huán)境的能力?？臻g環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)是所有應(yīng)用于航天器產(chǎn)品應(yīng)用驗(yàn)證的重要部分。

3.1.3 地面加工、儲存、運(yùn)輸條件適應(yīng)性是材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)的重要組成

航天器材料性能與在軌服役適應(yīng)性的好壞不僅與材料本身有關(guān)，也受產(chǎn)品加工工藝條件約束及地面儲存運(yùn)輸環(huán)境影響。在加工工藝適用性方面，金屬材料焊接、熱處理、機(jī)械加工、表面涂鍍等工藝；復(fù)合材料成型、熱固化工藝；非金屬材料注塑及消應(yīng)力處理工藝；橡膠硫化工藝；膠黏劑固化工藝等均受制備工藝影響而帶來材料應(yīng)用特性改變，使得實(shí)際使用的材料狀態(tài)存在二次加工特性。地面儲存和運(yùn)輸條件，特別是海南沿海發(fā)射場的儲存與運(yùn)輸條件，造成的材料吸濕及鹽霧腐蝕敏感問題也將影響材料最終服役性能。

3.2 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)三層級五要素設(shè)計(jì)

通過航天器材料應(yīng)用特點(diǎn)和指標(biāo)設(shè)計(jì)依據(jù)分析，材料應(yīng)用驗(yàn)證一級指標(biāo)凝練為材料批次穩(wěn)定性、工藝適用性、環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性、組件健壯性五個要素（圖1）。首先識別材料關(guān)鍵性能的批次穩(wěn)定性，確定材料性能基線；再通過典型樣件、縮比件或模擬件的加工工藝評估工藝適用性，必要時可通過優(yōu)化工藝參數(shù)獲得最優(yōu)的工藝條件，發(fā)揮材料最佳性能；環(huán)境適應(yīng)性是對原材料或經(jīng)過工藝加工的材料構(gòu)件產(chǎn)品開展地面儲存、發(fā)射、在軌等各類環(huán)境下材料性能退化規(guī)律、失效模式或機(jī)理的驗(yàn)證；服役安全性針對人體功效學(xué)、高精密儀器設(shè)備等需特殊防護(hù)的應(yīng)用需求，開展應(yīng)用安全性評估；當(dāng)部分單機(jī)、部組件產(chǎn)品存在材料級性能無法驗(yàn)證的功能指標(biāo)，需通過組件級試驗(yàn)對材料影響的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，同時佐證材料驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果的符合性，必要時評估設(shè)計(jì)或工藝更改方案的可行性。

圖1 航天器材料五要素應(yīng)用驗(yàn)證目的Fig.1 Purposes of application verification of five elements for spacecraft materials

應(yīng)用驗(yàn)證五要素作為一級指標(biāo)體系以確保滿足應(yīng)用驗(yàn)證需求全覆蓋的原則，在一級指標(biāo)體系下，對二級指標(biāo)進(jìn)行分解，從性能關(guān)重性原則和精準(zhǔn)性原則出發(fā)形成二級應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系。二級應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系明確驗(yàn)證關(guān)鍵性能指標(biāo)范圍，關(guān)鍵考核工藝，關(guān)鍵服役環(huán)境，與材料有關(guān)的關(guān)鍵組件性能驗(yàn)證，進(jìn)而精準(zhǔn)地確定指標(biāo)參數(shù)；三級指標(biāo)體系在二級指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，通過經(jīng)濟(jì)性原則和獨(dú)立性原則，進(jìn)行二級指標(biāo)細(xì)化，進(jìn)一步形成標(biāo)準(zhǔn)化或通用化的試驗(yàn)指標(biāo)體系，確立每一個驗(yàn)證要素驗(yàn)證指標(biāo)重點(diǎn)，以及可支撐驗(yàn)證結(jié)論分析的技術(shù)指標(biāo)（圖2）。

圖2 航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證三級指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of three-level index system for spacecraft material application verification

3.3 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系優(yōu)化

航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系優(yōu)化主要針對所設(shè)計(jì)的指標(biāo)初始值從補(bǔ)充完善、冗余刪減、優(yōu)化調(diào)整三個步驟實(shí)施指標(biāo)體系，依從指標(biāo)體系優(yōu)化原則進(jìn)行優(yōu)化（圖3）。

圖3 材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系優(yōu)化過程與重點(diǎn)Fig.3 Optimization process and key points of materials application verification index system

指標(biāo)體系初始值設(shè)置。一般，按照上述“三層級五要素”指標(biāo)體系設(shè)計(jì)方法，航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)初始值設(shè)定主要來自材料研制生產(chǎn)中確立的基本性能指標(biāo)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及應(yīng)用提出的材料功能指標(biāo)、生產(chǎn)加工過程工藝特性指標(biāo)以及應(yīng)用環(huán)境適用性指標(biāo)。此外，結(jié)合材料應(yīng)用場景，組件或單機(jī)產(chǎn)品實(shí)際性能需求，初始值也應(yīng)涵蓋與安全性、組件產(chǎn)品健壯性有關(guān)的性能指標(biāo)。

指標(biāo)體系補(bǔ)充完善。在已設(shè)置的指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，開展材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)補(bǔ)充與完善。一方面，可利用頭腦風(fēng)暴法組織材料專家、工藝師、產(chǎn)品設(shè)計(jì)師及測試專業(yè)技術(shù)人員針對初始設(shè)置指標(biāo)體系對五要素分別提出補(bǔ)充建議；另一方面，采用失效物理方法，從材料失效模型或退化模式等失效信息，建立壽命與應(yīng)力關(guān)系，補(bǔ)充完善材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)。另外，還可借鑒同類或同種材料歷史使用質(zhì)量案例或失效案例，以及與之有關(guān)的型號常見質(zhì)量問題，達(dá)到質(zhì)量風(fēng)險和應(yīng)用風(fēng)險驗(yàn)證的目的。

指標(biāo)體系冗余刪減。三層級五要素指標(biāo)體系中，針對每個要素或要素間存在的同一驗(yàn)證目標(biāo)，而開展的不同受驗(yàn)樣品或不同試驗(yàn)項(xiàng)目，可采用因子分析方法或冗余分析法［11］，對冗余指標(biāo)進(jìn)行刪減。須依據(jù)驗(yàn)證指標(biāo)精準(zhǔn)性和驗(yàn)證項(xiàng)目獨(dú)立性原則，綜合權(quán)衡標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目和非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)項(xiàng)目，單一環(huán)境模擬試驗(yàn)項(xiàng)目與多環(huán)境模擬試驗(yàn)項(xiàng)目，對產(chǎn)品工作工況試驗(yàn)項(xiàng)目與服役工況試驗(yàn)項(xiàng)目間存在疊加或關(guān)聯(lián)的指標(biāo)體系，按照經(jīng)濟(jì)性原則和關(guān)重性原則對冗余指標(biāo)進(jìn)行刪減。

指標(biāo)體系優(yōu)化調(diào)整。指標(biāo)體系優(yōu)化調(diào)整根據(jù)試驗(yàn)樣本量、試驗(yàn)時間、測試頻率或時間間隔、試驗(yàn)應(yīng)力水平或試驗(yàn)費(fèi)用等綜合分析，在不影響驗(yàn)證準(zhǔn)確性和真實(shí)性前提下，盡量以樣本量最小、試驗(yàn)時間或周期最優(yōu)及試驗(yàn)成本最低為原則進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化。重點(diǎn)協(xié)調(diào)好工程類試驗(yàn)（即暴露材料缺陷類的試驗(yàn)）與統(tǒng)計(jì)類試驗(yàn)（即表達(dá)可靠性或壽命趨勢類的試驗(yàn)）統(tǒng)籌優(yōu)化；協(xié)調(diào)好模擬實(shí)驗(yàn)（即模擬產(chǎn)品真實(shí)使用條件的試驗(yàn)）與激發(fā)類試驗(yàn)（即設(shè)計(jì)更為嚴(yán)酷的應(yīng)力以激發(fā)潛在失效模式的試驗(yàn)）擇優(yōu)。

航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化過程既是航天器產(chǎn)品故障樹的分解過程，也是航天器產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)分析過程，指標(biāo)體系設(shè)計(jì)過程中應(yīng)秉承覆蓋性、精準(zhǔn)性、關(guān)重性、獨(dú)立性和經(jīng)濟(jì)性五個原則，以確保該項(xiàng)工作滿足型號匹配產(chǎn)品研制對材料技術(shù)的綜合要求。

4 結(jié)語

航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化，將與材料應(yīng)用驗(yàn)證需求分析方法、材料應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)技術(shù)和材料應(yīng)用驗(yàn)證綜合評價技術(shù)共同構(gòu)成航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)體系，是航天器研制領(lǐng)域選材、用材的關(guān)鍵技術(shù)，將為我國航天器基于國產(chǎn)材料自主發(fā)展的質(zhì)量保障提供理論基礎(chǔ)。本文以材料為核心，從材料到零部件，延伸至產(chǎn)品，基于應(yīng)用需求和潛在產(chǎn)品失效物理行為開展材料應(yīng)用驗(yàn)證指標(biāo)體系設(shè)計(jì)，從系統(tǒng)工程角度提出指標(biāo)體系設(shè)計(jì)原則、構(gòu)建內(nèi)容及優(yōu)化方法。當(dāng)前，我國航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)處于起步階段，建立健全配套方法理論，研究構(gòu)建驗(yàn)證技術(shù)方法體系，是扎實(shí)做好應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)施、推動工程材料領(lǐng)域科學(xué)發(fā)展的前提。通過航天器材料應(yīng)用驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)與優(yōu)化，能夠?yàn)榭茖W(xué)準(zhǔn)確開展國產(chǎn)化材料應(yīng)用驗(yàn)證試驗(yàn)實(shí)施提供準(zhǔn)確的依據(jù)，為國產(chǎn)材料在航天器應(yīng)用開展準(zhǔn)確的綜合評價提供前提條件，為發(fā)現(xiàn)或者識別國產(chǎn)材料在特定應(yīng)用背景下存在缺陷或者質(zhì)量隱患、應(yīng)用風(fēng)險提供理論方法。該技術(shù)將提升國產(chǎn)材料應(yīng)用水平，提升航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造水平，提高航天器產(chǎn)品可靠性保障的能力，為穩(wěn)步推進(jìn)我國國產(chǎn)材料在航天裝備領(lǐng)域應(yīng)用轉(zhuǎn)化效率起到積極的促進(jìn)作用。