劉泊天 高鴻 李巖 于利夫 王志強

（1 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

（2 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094）

0 引言

航天器產(chǎn)品在裝機發(fā)射前均需通過地面試驗以確保產(chǎn)品在軌運行的安全性和穩(wěn)定性。材料應(yīng)用驗證是其中的一種重要評估模式，其內(nèi)涵是基于航天器應(yīng)用需求和工況環(huán)境，通過試驗等方式對材料在應(yīng)用場景下的可用性/適用性進行確認(rèn)、分析和評價，包括批次穩(wěn)定性驗證、工藝適用性驗證、環(huán)境適應(yīng)性驗證、服役安全性驗證和組件健壯性驗證［1］。通過應(yīng)用驗證可以評價材料的質(zhì)量一致性和穩(wěn)定性、檢驗材料是否滿足航天應(yīng)用需求，同時可以指導(dǎo)用戶合理使用、提升廠家生產(chǎn)過程質(zhì)量控制能力，確保航天產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性以及供應(yīng)鏈穩(wěn)定性［2］。當(dāng)前航天器材料應(yīng)用驗證工作中的問題主要集中反映在驗證需求的合理性、驅(qū)動性，驗證對象的信息準(zhǔn)確性、功能覆蓋性，以及驗證結(jié)果判讀決策性和可復(fù)用性方面。目前解決上述問題的主要手段是依靠盡可能全面的調(diào)研和嚴(yán)格且繁復(fù)的篩選、審查、評議，消耗大量人力、物力的同時卻并不能確保過程質(zhì)量受控和問題的有效解決。

航天器材料應(yīng)用驗證工作是以“應(yīng)用”為目標(biāo)，包括（但不限于）準(zhǔn)備階段、需求分析階段、方案設(shè)計階段、驗證實施階段、綜合評價階段、成果推廣應(yīng)用階段等。從材料應(yīng)用需求的必要性和可行性論證、生產(chǎn)能力和驗證能力評估，到指標(biāo)體系構(gòu)建，再到驗證試驗結(jié)果分析，直到最終的驗證結(jié)論綜合評價，均離不開對于需求、指標(biāo)、評價、數(shù)據(jù)、結(jié)果、應(yīng)用等過程信息的“研判”。研判的內(nèi)涵在于經(jīng)過必要的調(diào)研分析過程后的研究和判斷，是作出決策的重要依據(jù)。通過研判工作可以解決當(dāng)前航天器材料應(yīng)用驗證工作中較為棘手的驗證需求合理性、驅(qū)動性問題，驗證對象信息準(zhǔn)確性、功能覆蓋性問題，以及驗證結(jié)果判讀決策性和可復(fù)用性問題。

對于材料而言，從不同角度出發(fā)，可以有成分、結(jié)構(gòu)、功能、用途等很多種分類方式；而針對不同的分類方式，可以從生產(chǎn)要素、加工方式、性能指標(biāo)、應(yīng)用場景多個關(guān)注點正向獲取應(yīng)用驗證需求信息。另外，從一種材料在特定應(yīng)用背景下的性能特性薄弱環(huán)節(jié)、質(zhì)量隱患、失效模式、應(yīng)用風(fēng)險等逆向分析，也將提取諸多驗證需求信息。這些信息數(shù)量龐大、內(nèi)容錯綜復(fù)雜，是材料應(yīng)用驗證實施必不可少的輸入，信息挖掘與提取越充分全面，則驗證需求的提煉也就越準(zhǔn)確，驗證指標(biāo)設(shè)計和項目矩陣構(gòu)建層次越清晰，內(nèi)容越合理。

綜上所述，研判工作是材料應(yīng)用驗證工程各階段均涉及的重要環(huán)節(jié)，信息提取與研判方法的制定尤為重要。研究表明信息計量學(xué)等科學(xué)研究方法是實現(xiàn)信息提取、預(yù)判、預(yù)見的有效途徑［3-4］，目前針對宇航元器件應(yīng)用驗證領(lǐng)域已形成一套與科學(xué)計量學(xué)相結(jié)合的研究方法［2］，但其重點是服務(wù)于指標(biāo)權(quán)重和綜合評價。因此，本文旨在利用科學(xué)研究方法建立系統(tǒng)性、原則性的研判要求和研判流程，覆蓋從需求調(diào)研分析到綜合評價結(jié)果判讀的航天器材料應(yīng)用驗證全過程，擬提升材料應(yīng)用驗證精準(zhǔn)性質(zhì)量控制水平。

1 研判工作的階段劃分與方法確立

根據(jù)航天器材料應(yīng)用驗證工程的目標(biāo)和特點，應(yīng)用驗證工作橫跨應(yīng)用需求調(diào)研、生產(chǎn)制備一直到試驗實施和綜合評價的全過程，以實現(xiàn)上裝應(yīng)用為最終目標(biāo)，基于此，在本研究中將應(yīng)用驗證研判工作劃分為預(yù)見階段、生成階段、設(shè)計階段和行動階段。其中，預(yù)見階段對應(yīng)的是應(yīng)用驗證工作中的準(zhǔn)備階段和需求分析階段，結(jié)合了用戶需求調(diào)研和廠家生產(chǎn)能力摸底；生成階段和設(shè)計階段對應(yīng)的是應(yīng)用驗證工作中的方案設(shè)計階段，分別結(jié)合了應(yīng)用場景分析、難點與風(fēng)險分析，以及指標(biāo)和項目設(shè)計；行動階段對應(yīng)的是應(yīng)用驗證工作中的驗證實施階段、綜合評價階段和成果推廣應(yīng)用階段，結(jié)合了試驗數(shù)據(jù)分析、結(jié)果綜合評價、成果復(fù)用和應(yīng)用推廣。

針對上述各研判階段，分別提出了不同的科學(xué)研究方法［2-7］：針對用戶和生產(chǎn)單位等業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的德爾菲問卷調(diào)查法；針對專家審議的頭腦風(fēng)暴法；針對歷史數(shù)據(jù)、調(diào)研信息提取和分析的文本挖掘法和環(huán)境掃描法；針對未來潛在應(yīng)用前景設(shè)計的情景規(guī)劃法；針對預(yù)期愿景實現(xiàn)途徑設(shè)計的回溯預(yù)測法；針對環(huán)境適應(yīng)性驗證環(huán)境試驗數(shù)據(jù)分析的趨勢外推法；針對驗證結(jié)果評估最優(yōu)選用方式的多準(zhǔn)則決策法。

如圖1 所示，通過建立需求&技術(shù)研判、驗證對象研判、難度&風(fēng)險研判、驗證路徑研判、數(shù)據(jù)&結(jié)果研判、推廣&復(fù)用性研判等制度，結(jié)合研判模型研究，以提升驗證質(zhì)量、規(guī)避驗證風(fēng)險、優(yōu)化驗證流程，強化驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性和復(fù)用性。在此基礎(chǔ)上，進一步展開研判策略方法和機制研究。

圖1 航天材料應(yīng)用驗證綜合研判流程Fig.1 Comprehensive research-judgment process of space material application verification

2 預(yù)見階段的需求&技術(shù)研判

2.1 面向用戶的驗證需求背景調(diào)查與必要性研判

2.1.1 德爾菲調(diào)查法

以航天材料應(yīng)用驗證需求為主題、以獲取驗證對象信息為目的，設(shè)計航天材料應(yīng)用驗證需求調(diào)查問卷，面向航天器各分系統(tǒng)、各單機的設(shè)計師和工藝師，從中遴選并確認(rèn)調(diào)查人員（作為用戶單位代表），針對航天器用材料應(yīng)用驗證意向進行全面調(diào)研，包括材料類別、材料名稱、牌號、規(guī)格、狀態(tài)、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)單位、功能指標(biāo)要求、關(guān)鍵性程度、應(yīng)用（部）組件和單機、分系統(tǒng)、擬用航天器產(chǎn)品信息等。將調(diào)研信息回收匯總后，進行統(tǒng)型（針對牌號規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)進行同類項合并）、初篩（針對對象符合性刪除不屬于材料范疇的對象）和去重（針對各有效性信息進行重復(fù)項刪減）的初級研判工作，并再次反饋被調(diào)查人員進行重新確認(rèn)和補充。通過多輪調(diào)查和研判的迭代，促使用戶方意見達成一致，并保證特定材料在航天特定應(yīng)用背景下驗證需求覆蓋性。

2.1.2 頭腦風(fēng)暴法結(jié)合情景規(guī)劃法

以應(yīng)用驗證需求的必要性為主題，結(jié)合歷史沿革與當(dāng)前局勢，通過頭腦風(fēng)暴、會議集同構(gòu)想潛在應(yīng)用和需求模式，分析材料技術(shù)發(fā)展和市場趨勢，識別材料應(yīng)用影響因素、潛在風(fēng)險和驅(qū)動因素，討論材料關(guān)鍵程度、應(yīng)用可行性、需求迫切性、應(yīng)用正確性等，開展應(yīng)用與驗證必要性研判，形成決策并生成航天材料應(yīng)用驗證需求。

2.2 面向生產(chǎn)單位的驗證對象身份識別與生產(chǎn)可行性研判

2.2.1 環(huán)境掃描法結(jié)合德爾菲調(diào)查法

以驗證對象材料生產(chǎn)要素為主題、以完善驗證對象信息為目的，設(shè)計航天材料應(yīng)用驗證對象生產(chǎn)要素調(diào)查問卷，以表格清單的形式，面向材料研究機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)（作為生產(chǎn)單位代表），針對航天器用材料的人、機、料、法、環(huán)、測等相關(guān)生產(chǎn)要素進行全面調(diào)研，包括材料基本情況、生產(chǎn)用物料質(zhì)量、廠家（特指材料生產(chǎn)檢驗中的原料、輔料、耗材生產(chǎn)廠）供貨情況、生產(chǎn)工藝過程、生產(chǎn)工藝設(shè)備、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制情況和管理流程等。將調(diào)研信息回收后，須通過多輪補充確認(rèn)以保證航天材料應(yīng)用驗證對象信息的全面性和準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上開展驗證對象材料信息的挖掘提取，并擴展為同類材料的德爾菲調(diào)查，獲取材料研制基礎(chǔ)、技術(shù)成熟度、技術(shù)水平、功能指標(biāo)、應(yīng)用場景與應(yīng)用目標(biāo)等“身份識別”信息，完成產(chǎn)品技術(shù)摸底。根據(jù)全流程國產(chǎn)化率的具體要求篩除不符合項，生成航天材料應(yīng)用驗證需求及研制進展情況。

2.2.2 頭腦風(fēng)暴法

以會議形式組織航天領(lǐng)域、材料和工藝領(lǐng)域?qū)＜乙约皯?yīng)用驗證實施單位人員針對生產(chǎn)單位調(diào)查問卷回收信息，以材料生產(chǎn)要素評估為主題進行書面或現(xiàn)場評估，識別風(fēng)險并提出改進建議。在此基礎(chǔ)上，專家組結(jié)合應(yīng)用需求和關(guān)鍵程度，集同審查擬驗證對象的生產(chǎn)要素相關(guān)信息，探討材料技術(shù)發(fā)展路線與航天應(yīng)用領(lǐng)域需求相符性，分析材料技術(shù)成熟度、工藝穩(wěn)定性、功能指標(biāo)先進性、樣品可獲得性、供應(yīng)安全性，展開生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性研判，完成生產(chǎn)技術(shù)摸底，形成決策并生成航天材料應(yīng)用驗證需求及研制進展情況。

3 生成階段的難度&風(fēng)險研判

3.1 基于文本挖掘法的材料信息聚類分析與潛在風(fēng)險研判

利用文本挖掘法對國產(chǎn)材料的設(shè)計配方、工藝過程、生產(chǎn)線、性能指標(biāo)等基礎(chǔ)信息進行提取：

（4）開放學(xué)習(xí)環(huán)境。教育的核心理念是創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，校園面臨要從“封閉”走向“開放”的訴求。智慧校園支持拓展資源環(huán)境，讓學(xué)生沖破教科書的限制；支持拓展時間環(huán)境，讓學(xué)習(xí)從課上拓展到課下；支持拓展空間環(huán)境，讓有效學(xué)習(xí)在真實情境和虛擬情境能得以發(fā)生。

（1）根據(jù)材料研制生產(chǎn)過程特點，充分分析材料生產(chǎn)工藝過程、構(gòu)件加工工藝過程、組件裝配工藝過程及其中影響材料性能和組件功能的關(guān)鍵技術(shù)點；

（2）總結(jié)目前已突破的關(guān)鍵技術(shù)，提煉亟待攻關(guān)的技術(shù)難點，特別是通過與國際領(lǐng)先產(chǎn)品技術(shù)的差異性分析，識別應(yīng)重點驗證的材料性能以及受此影響的工藝性能和環(huán)境適應(yīng)性等。

全面挖掘分析材料過程控制、使用工藝環(huán)節(jié)、功能和性能、可靠性和安全性等服役任務(wù)/壽命剖面各類影響材料應(yīng)用的因素，提煉材料生產(chǎn)工藝過程要素、構(gòu)件加工工藝過程要素、組件裝配工藝過程要素，研究材料應(yīng)用模式、失效模式、潛在質(zhì)量問題，對各要素開展聚類分析，綜合研判材料構(gòu)件及（部）組件潛在的失效隱患和故障風(fēng)險。如圖2所示，基于材料復(fù)雜度研判潛在風(fēng)險。

圖2 復(fù)雜度研判模型Fig.2 Research-judgment model of complexity

3.2 基于情景規(guī)劃法的應(yīng)用背景歸集與應(yīng)用場景研判

開展應(yīng)用背景及其影響因素的梳理、整合和歸集：以在研在制的航天器應(yīng)用為背景，兼顧潛在的航天工程應(yīng)用作為上裝應(yīng)用需求，從材料基礎(chǔ)產(chǎn)品對型號關(guān)鍵程度出發(fā)，總結(jié)材料部組件級上裝應(yīng)用要求；從航天器任務(wù)特點和潛在應(yīng)用需求出發(fā)，充分提煉航天器分系統(tǒng)單機對組件的功能需求、組件對材料的使用需求，特別是直接關(guān)系到組件功能實現(xiàn)性的材料性能、影響組件工作甚至導(dǎo)致產(chǎn)品故障的關(guān)鍵指標(biāo)；充分識別材料應(yīng)用的工藝工況條件，結(jié)合部組件在地面及在軌服役工況，綜合考慮航天器在軌環(huán)境最惡劣、最長壽命服役要求，充分分析產(chǎn)品在軌工作界面和環(huán)境界面（圖3）。綜上，通過情景規(guī)劃法完成應(yīng)用場景歸集和研判。

圖3 應(yīng)用場景研判模型Fig.3 Research-judgment model of application scenarios

3.3 基于文本挖掘法結(jié)合環(huán)境掃描法的驗證難度&風(fēng)險研判

通過文本挖掘法結(jié)合環(huán)境掃描法，對擬驗證材料對象開展多維信息提取，聚類整合成身份識別信息、材料復(fù)雜度信息、應(yīng)用環(huán)境信息，如圖4 所示，則對于材料的研制基礎(chǔ)（成熟度）、當(dāng)前驗證需求、驗證難度和使用難度（應(yīng)用風(fēng)險）等的分布情況可以一目了然，分析識別材料加工、驗證、應(yīng)用中質(zhì)量問題可靠性的“驗證難度&風(fēng)險”，獲得對于航天器用材料應(yīng)用驗證工作開展更科學(xué)宏觀的認(rèn)知和預(yù)判。

圖4 難度&風(fēng)險研判模型Fig.4 Research-judgment model of difficulties &risks

基于對材料驗證工作背景和門檻的客觀分析，梳理出幾種緊迫度、需求度、難度、風(fēng)險等偏高的典型類型，接下來須有針對性地開展國產(chǎn)材料驗證指標(biāo)和項目設(shè)計的研判工作。

（1）針對X1Y1/2 類材料：是應(yīng)用驗證重點對象。以下列舉皆在此類別中。

（2）針對X1/2Y1/2 類材料：新研材料具有較高的批次內(nèi)和批次間質(zhì)量一致性風(fēng)險。重點開展批次穩(wěn)定性驗證指標(biāo)和試驗項目設(shè)計，考慮增加平行試樣數(shù)、批次數(shù)量。

（3）針對A 和B 類材料：材料成型復(fù)雜度較高。重點開展工藝適用性驗證指標(biāo)和試驗項目設(shè)計，考慮覆蓋所有可能的工藝條件的適用性、所有可能的裝配界面的相容性。

（4）針對W1和W2類材料：應(yīng)用環(huán)境苛刻。重點開展環(huán)境適應(yīng)性驗證指標(biāo)和試驗項目設(shè)計，考慮覆蓋所有可能任務(wù)/潛在應(yīng)用的工作界面和環(huán)境界面。

4 設(shè)計階段的驗證路徑研判

4.1 基于文本挖掘法結(jié)合環(huán)境掃描法的應(yīng)用環(huán)境效應(yīng)耦合分析

在3.2應(yīng)用場景研判的基礎(chǔ)上，利用文本挖掘法結(jié)合環(huán)境掃描法：充分挖掘各研判階段收集的數(shù)據(jù)，分別從不同維度提取、整合材料信息與應(yīng)用信息，并進行歸集和聚類分析；按照地面儲存、發(fā)射和在軌各階段，以及軌道高度、材料所處位置（艙內(nèi)或艙外）等歸納服役環(huán)境特點，分別針對材料、材料構(gòu)件和（部）組件開展環(huán)境效應(yīng)分析，如地面濕熱環(huán)境、發(fā)射入軌的振動環(huán)境、在軌運行的真空環(huán)境、極限溫度環(huán)境、交變溫度環(huán)境、輻射環(huán)境等；結(jié)合（部）組件使用工況，識別環(huán)境因素可能引發(fā)的材料構(gòu)件性能及（部）組件功能退化效應(yīng)；識別材料或構(gòu)件可能帶來的真空出氣污染、多余物等次生安全問題。綜上，完成環(huán)境效應(yīng)耦合分析。

4.2 基于回溯預(yù)測法的指標(biāo)項目方法研判

以實現(xiàn)航天應(yīng)用場景驗證為目標(biāo)，采用回溯預(yù)測法，建立應(yīng)用場景—環(huán)境效應(yīng)—材料類型—失效模式—關(guān)鍵控制指標(biāo)之間的共現(xiàn)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，以產(chǎn)品最終狀態(tài)為導(dǎo)向設(shè)計驗證指標(biāo)；根據(jù)應(yīng)用驗證指標(biāo)體系，基于驗證項目的覆蓋性和代表性，在避免冗余重復(fù)的原則下，通過生產(chǎn)要素關(guān)鍵控制點識別、功能性能關(guān)鍵需求分析、應(yīng)用適應(yīng)性關(guān)鍵界面提煉，雙向識別組件驗證試驗中無法暴露的材料問題以及材料構(gòu)件驗證試驗中無法驗證的組件應(yīng)用健壯性問題，以最大包絡(luò)原則設(shè)計驗證試驗內(nèi)容（包括試驗項目、方法和條件等）。綜上，完成驗證指標(biāo)項目方法研判。

5 行動階段的綜合分析研判

5.1 基于趨勢外推法的試驗數(shù)據(jù)分析研判

航天器在地面儲存、發(fā)射、在軌運行、返回的全壽命周期內(nèi)將經(jīng)歷嚴(yán)苛的環(huán)境，為了驗證材料的環(huán)境耐受性，須在地面進行環(huán)境模擬試驗。然而，地面模擬試驗并不能100%反映真實環(huán)境狀態(tài)，特別是有時即便是加速模擬試驗依然無法測定材料某項性能的邊界閾值。因此在環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗完成后，須針對試驗數(shù)據(jù)進行分析，在數(shù)據(jù)趨勢連續(xù)的前提下，可利用趨勢外推法通過數(shù)學(xué)模型（函數(shù)曲線）擬合延伸軌跡，推測研判材料應(yīng)用邊界，為材料的未來應(yīng)用場景規(guī)劃提供支撐。

5.2 基于多準(zhǔn)則決策法的驗證結(jié)果分析研判

航天材料性能指標(biāo)之間既存在相互聯(lián)系，又存在相互制約；特別是多家生產(chǎn)單位之間的同種材料比對時，不同驗證項目中其相互間的優(yōu)劣關(guān)系幾乎不可能完全一致。因此，針對航天材料應(yīng)用驗證的批次穩(wěn)定性、工藝適用性、環(huán)境適應(yīng)性、服役安全性、組件健壯性等驗證結(jié)果，須交叉進行多屬性決策（MADM）和多目標(biāo)決策（MODM），采用簡單加權(quán)和法（SAW）對每一個驗證項目主觀賦權(quán)，或利用層次分析法（AHP）構(gòu)建判斷矩陣并計算得到總排序權(quán)重，形成評價體系，再對不同生產(chǎn)單位同種材料的某一項驗證的結(jié)果進行優(yōu)劣排序，對同一生產(chǎn)單位某項材料的各項驗證結(jié)果的應(yīng)用滿足程度進行優(yōu)化組合，從而獲取航天器某一應(yīng)用環(huán)境下某組件產(chǎn)品材料選用的最優(yōu)方案，包括材料牌號規(guī)格、生產(chǎn)單位、使用狀態(tài)、應(yīng)用條件等。

5.3 基于情景規(guī)劃法和回溯預(yù)測法的應(yīng)用推廣分析研判

面向材料目標(biāo)應(yīng)用場景，利用構(gòu)建級差分布圖等方式評估材料應(yīng)用風(fēng)險等級、質(zhì)量薄弱環(huán)節(jié)及其影響力，結(jié)合材料復(fù)雜度、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜度等多層面研究并提出國產(chǎn)材料應(yīng)用風(fēng)險控制要求。通過情景規(guī)劃和回溯預(yù)測的方法，從規(guī)?；瘧?yīng)用的前景、情境和適用性的角度，開展材料應(yīng)用推廣和驗證技術(shù)體系復(fù)用性的研判，指導(dǎo)后續(xù)工程應(yīng)用和驗證工作。

6 結(jié)語

根據(jù)航天器材料應(yīng)用驗證工程目標(biāo)及工程各階段工作特點，將應(yīng)用驗證研判工作劃分為預(yù)見階段、生成階段、設(shè)計階段和行動階段。結(jié)合科學(xué)研究方法提出了針對研判四階段的信息提取與研判方法，確立了系統(tǒng)性、原則性的研判要求和研判流程，設(shè)計了研判制度和模型，可覆蓋用戶需求調(diào)研和廠家生產(chǎn)能力摸底，應(yīng)用場景、難點與風(fēng)險分析，指標(biāo)和項目設(shè)計，以及試驗數(shù)據(jù)分析、結(jié)果綜合評價、成果復(fù)用和應(yīng)用推廣等各項研判工作內(nèi)容。通過航天器材料應(yīng)用驗證信息提取與研判方法的研究，可有效優(yōu)化驗證流程、提升驗證質(zhì)量，避免對象重復(fù)、信息錯誤、項目冗余，規(guī)避驗證風(fēng)險，強化驗證工作輸出成果的準(zhǔn)確性和可復(fù)用性，提升材料應(yīng)用驗證精準(zhǔn)性質(zhì)量控制水平。