GB∕T 41215-2021 空间材料科学实验 地面匹配试验规范

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犌犅／犜４１２１５—２０２１

空间材料科学实验 地面匹配试验规范

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２０２１１２３１发布 ２０２０７０１实施

发布

国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会

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目 次

前言 Ⅲ

１范围 １

２规范性引用文件 １

３术语和定义 １

４试验分类、目的与试验时机 １

４．１试验分类４．２试验目的４．３试验时机

……………１

……………１

……………２

５试验内容与技术状态 ２

５．１单项匹配试验

５．２整合匹配试验

………………………２

………………………３

６试验要求 ３

６．１一般要求 ３

６．２试验方案裁剪 ４

６．３参加试验的产品、设备等要求 ５

６．４文件要求 ５

６．５环境要求与物资准备 ５

６．６试验值守模式 ６

７试验的组织实施与分工 ６

７．１组织实施方式 ６

７．２工作组组成与分工 ６

８故障预案及处理 ６

８．１故障预案

８．２故障处理

９试验结果评估

……………６

……………７

……………７

９．１总结

…………………７

９．２结果的有效性评估 ７

９．３完成标志 ８

附录Ａ（规范性）空间材料科学实验地面匹配试验大纲编写提纲 ９

Ⅰ

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前 言

本文件按照ＧＢ／Ｔ１．１—２０２０《标准化工作导则 第１部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。

本文件由全国空间科学及其应用标准化技术委员会（ＳＡＣ／ＴＣ３１２）归口。

本文件起草单位：中国科学院物理研究所、中国科学院空间应用工程与技术中心、中国科学院金属研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院国家空间科学中心、中国科学院半导体研究所、中国科学院上海技术物理研究所。

本文件主要起草人：王彬彬、丁大伟、陶新、罗兴宏、温海琴、潘秀红、于强、郑福、尹志刚、陆液。

Ⅲ

空间材料科学实验 地面匹配试验规范

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１范围

本文件规定了开展空间材料科学实验地面匹配试验的分类、目的和试验时机，内容与技术状态，要求，组织实施与分工，故障预案及处理方式和试验结果评估。

本文件适用于开展空间材料科学实验而进行的地面匹配试验。其他相关匹配试验可参照执行。

２规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。

ＧＢ／Ｔ２８７空间科学实验通用要求

ＧＢ／Ｔ３０１４．１空间科学及其应用术语 第１部分：基础通用ＧＢ／Ｔ３０１４．７空间科学及其应用术语 第７部分：微重力科学ＧＢ／Ｔ３７４６９空间材料科学实验 样品管理规范

ＧＢ／Ｔ３７８４ 空间材料科学实验 固体实验样品制备规范

ＧＢ／Ｔ３８２５ 空间科学实验需求分析要求

３术语和定义

ＧＢ／Ｔ３０１４．１和ＧＢ／Ｔ３０１４．７界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

３．１

３．２

材料样品 犿犪狋犲狉犻犪犾狊狊犪犿狆犾犲

能够代表其物理化学等属性，用作具体实验对象的材料实物。

实验样品单元犲狓狆犲狉犻犿犲狀狋狊犪犿狆犾犲狌狀犻狋

用于实验研究的材料样品或样品及其封装结构。

４试验分类、目的与试验时机

４．１试验分类

空间材料科学实验地面匹配试验可分为以下两类：

ａ）单项匹配类试验；

ｂ）整合匹配类试验。

４．２试验目的

空间材料科学实验地面匹配试验的目的如下。

ａ）单项匹配试验：

１

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１）确认材料实验样品单元与空间实验装置之间的物理、化学性质以及光、电、热、磁等环境条件的相容性和适应性；

２）确认多个材料实验样品单元之间在实验过程中的时间、空间及物理、化学和热等性质的相容性和适应性；

３）确定单个实验项目科学实验方案的合理性，优化和确定空间实验参数、工艺及流程；

４）验证材料实验样品单元实验模式的合理性；

５）验证实验样品单元中所测量信号和施加外场作用的有效性。

ｂ）整合匹配试验：

１）验证用确定的完整实验参数和工艺方案开展空间实验的合理性与有效性；

２）验证实验样品单元在装置中按确定的空间全实验流程进行实验的可行性和有效性；

３）验证获取的科学实验和相关工程数据的有效性和完整性；

４）评估材料实验样品单元在实验装置上进行空间实验的目标可实现性。

４．３试验时机

对空间材料科学地面匹配试验的实施阶段及时机要求如下：

ａ）与装置同步进行研制的材料实验样品单元，应在完成设计与加工后组织进行；已有现成装置而独立开展研制的材料实验样品单元，应在确定材料样品的组成与结构和完成样品单元的设计与加工后组织进行；

注：考虑到科学实验的实际情况，宜尽早安排和开展地面匹配试验。

ｂ）应先行开展材料实验样品单元与装置的相容性试验、实验参数试验和工艺试验等单项匹配试验；

ｃ）材料实验样品单元在投产前应完成单项匹配试验验证；

ｄ）整合匹配验证在材料实验样品单元产品完成相应工程阶段要求的其他试验之后进行，在按ＧＢ／Ｔ２８７进行科学实验中期评估前应至少进行过一次整合匹配试验，空间实验用材料实验样品单元产品在出厂交付前应完成整合匹配验证；

ｅ）依据试验的结果，单项匹配试验和整合匹配试验可迭代进行。

５试验内容与技术状态５．１单项匹配试验５．１．１试验内容

单项匹配试验内容如下。

ａ）材料实验样品单元与装置间的相容性和适应性试验：

１）考查材料实验样品单元的膨胀或收缩对实验过程及与实验装置间的匹配性的影响；

２）考查材料实验样品单元在实验装置中实验时产生的气氛的安全性，包括单个样品的单独作用以及多个样品的综合作用；

３）考查材料实验样品单元在实验过程中产生的气氛对实验装置内部环境，如炉丝或炉膛管壁、观察或测量窗口、信号传感器等的影响；

４）考查材料实验样品单元与实验装置间的光、电、热或磁等性质的相容性；

５）考查实验装置内热环境对样品单元信号检测功能的影响；

６）考查带有在线检测功能的样品单元与装置接口连接的有效性；

７）考查在进行多种材料实验样品单元连续实验时，已完成实验对后续实验的开始实验时间

２

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和加载位置等的影响，以及实验顺序对实验过程与结果的影响。

ｂ）考查实验参数对实验结果的影响，并进行优化。

ｃ）考查实验模式对实验结果的影响，如测量材料样品熔态比热容时采用功率调制模式还是仅采用辐射降温模式，温场移动是采用炉体移动、功率移动还是样品移动，加热环境是有背景温场还是无背景温场等。

ｄ）考查样品单元在线检测功能的有效性及其对实验结果的影响。

ｅ）考查样品单元受实验装置所施加的电、磁、声、光等作用的有效性。

ｆ）考查材料实验样品单元按设计的实验流程进行实验的合理性和有效性。

５．１．２试验技术状态

单项匹配试验技术状态要求如下。

ａ）材料实验样品单元：

１）材料样品的化学组成、结构外形和尺寸应满足空间科学实验的目的；

２）应按相应工程阶段的技术要求进行准备或封装。

ｂ）用于试验的实验装置应满足工程研制技术要求所规定的基本功能和性能要求。

ｃ）除微重力环境外，实验装置所处的温度、压力、湿度等地面试验环境条件宜与空间实验平台上实验装置所处的实验环境条件相一致。

５．２整合匹配试验

５．２．１试验内容

整合匹配试验主要内容包括：

ａ）按确定的完整的空间实验参数进行试验，考查实验参数设置的合理性；ｂ）按选定的空间全实验流程进行试验，考查实验流程设计的合理性；ｃ）获取完整的科学实验数据和相关工程数据；

ｄ）依据需要，从装置中回收材料实验样品单元并对其进行全面的解剖分析。

５．２．２试验技术状态

整合匹配试验技术状态要求：

ａ）材料实验样品单元应已通过相应工程阶段所规定的各项考核；

ｂ）用于试验的实验装置应具有与空间实验装置相同的功能，且技术指标满足相应工程阶段的技术要求；

ｃ）用于试验的实验装置与外部的连接方式宜反映空间实验装置在空间实验平台上的安装和连接状态；

ｄ）除微重力环境外，实验装置所处的温度、压力、湿度等地面试验环境条件宜与空间实验平台上实验装置所处的实验环境条件相一致。

６试验要求

６．１一般要求

空间材料科学实验地面匹配试验的一般要求包括：

ａ）应根据空间科学实验项目工程实施要求，明确在工程实施不同阶段所涉及的地面匹配试验具体类型、试验目的和内容；

３

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ｂ）按照ＧＢ／Ｔ３８２５规定，在明确科学实验项目实验需求的基础上，确定与空间材料科学实验相关的单项与整合匹配试验类型，并制定地面匹配试验的实施方案；

ｃ）对单项匹配试验，应基于实验需求设计制定实验工艺和流程，确定实验参数及其调整范围，确定完整的实验参数验证试验矩阵表，明确试验的技术状态要求；

ｄ）对于单项试验中的相容性和适应性验证试验，在试验前，通过分析材料实验样品单元的物理和化学性质及可能的在线检测工作方式、外场施加方式和特性、在实验装置上的安装和拆解方式等，明确具体的试验验证项；

ｅ）进行单项匹配试验时，应明确所施加的光、机、电、热等之间的协调性和性能参数安全可靠性阈值范围；

ｆ）检验实验装置的功能和性能指标对科学实验需求的满足度时，应明确实验装置的地面试验环境条件与空间在轨实验的条件一致性与差异及可能带来的影响；

ｇ）进行实验参数控制精准度的试验，应明确实验装置的实验参数有效调节范围和调节精度、空间与地面设备间及环境间的冗差；

ｈ）对于整合匹配试验，应制定与优化的或最终确定的空间实验方案和流程相一致的试验方案及流程，并使用优化的或最终确定的空间实验参数及工艺执行；

ｉ）应检验航天员参与空间实验的工效学设计及安全可靠性，明确航天员进行相关实验操作的具体内容和参数，准备好航天员手册；

ｊ）多种材料实验样品单元接续实验时，应检验实验时序安排对后续材料实验样品单元的实验资源条件及对实验装置外部环境的影响，明确可能造成影响的参数与时序的可调性及范围；

ｋ）对于使用有别于空间实验装置的其他装置所进行的试验，在试验前应明确用于试验的实验装置与空间实验装置之间功能与性能特性、试验条件等的一致性与差异及对结果的影响；

ｌ）对于需要在一台以上的装置上完成的试验，应明确其对空间实验流程和相关科学实验参数验证的有效性；

ｍ）试验用材料实验样品单元应按ＧＢ／Ｔ３７８４和ＧＢ／Ｔ３７４６９进行准备与管理；

ｎ）试验前应根据试验的具体内容、参试实验装置、辅助试验设备和在线检测及监控设备等确定参试设备的电连接关系，并绘制电连接图。

６．２试验方案裁剪

根据研制工作的进展和实验目的可对地面匹配试验类型及／或相关试验项进行增补或裁剪。

ａ）根据地面匹配试验的目的制定相应的试验实施方案、技术与计划流程：

１）缩短时间的试验：以检验流程为主要目的的试验，可通过调整实验参数值（如保温时间或者晶体生长／凝固时间，或调整生长、提拉速度等）来缩短总的试验时间，但除此之外其他试验项目不可省略，应制定包含完整实验事项的试验流程；

２）减少试验项的试验：以考察不同实验参数为主要目的的试验，制定的试验流程应包含与所考查实验参数相关联的其他试验项；

３）对于规划的专项试验，如气氛安全性试验、控制参数容错试验、主备控制切换试验等，可与其他试验合并进行。

ｂ）可根据科学实验项目地面研究与工程研制工作的成熟度计划安排相应类型的地面匹配试验：对于新立项目（课题），在地面试验阶段，应进行所有类型的匹配试验和所有科学实验项目参与的全流程整合匹配试验。

ｃ）对于已进行过空间实验的项目所开展的后续空间实验，可依据其地面实验准备工作的成熟度和工程要求，对地面匹配试验的方案进行裁剪，但用于空间实验的材料实验样品单元产品在交付前应完成至少一次整合匹配试验。

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ｄ）对于材料实验样品单元产品已经入轨后或完成空间飞行实验后需要继续的或补充（增加）的匹配试验，参照单项或整合匹配试验要求进行。

６．３参加试验的产品、设备等要求

应根据地面匹配试验要求确定试验前的参试产品、设备及其技术状态要求，包括：

ａ）参试材料实验样品单元产品、装置（包括地检设备）及软件产品技术状态、数量和用途；ｂ）参试产品的产品编号或版本号、产品批次号、产品履历书、功能和性能及配套情况；ｃ）用于试验检测的配套仪器／仪表和工具的技术状态、数量及用途；

ｄ）试验用相关辅助材料状态、数量和用途。

６．４文件要求

应根据地面匹配试验类型、内容和要求，编制试验输入和试验输出文件。

ａ）输入文件及相关主要内容：

１）通过评审的匹配试验大纲，按附录Ａ编写；２）通过评审的匹配试验细则；

３）试验工艺数据文件（表）；

４）软件试验（测试）计划和试验（测试）说明；

５）匹配试验总体技术流程及实验日程计划安排；

６）试验用材料实验样品单元产品和装置的软硬件产品的技术、管理和质量文件（含软件文档）；

７）其他相关的技术、管理和质量文件。

ｂ）输出文件相关内容至少包括：

１）试验人员岗位职责与安排；

２）试验产品配套表与辅助监测仪表；

３）试验产品的技术状态表；

４）试验数据注入表；

５）试验内容与值日日程安排表；

６）试验前的技术安全与参试设备准备状态等检查表，应包含参与匹配试验的地面设备技安检查，试验场所供配电安全检查，环境温湿度、洁净度等的检查，参与匹配试验的地面设备自检状态确认和试验工作准备状态检查；

７）试验过程记录；

８）试验问题（记录）报告单；

９）匹配试验总结报告。

ｃ）试验过程记录应由岗位人员签署完整，试验后参试科学实验项目方编写科学实验匹配试验总结报告并上报相关管理方；试验过程中的原始过程记录文件、总结文件等数据包由装置研制方保存，随时备查。

６．５环境要求与物资准备

对试验环境与试验用物资等进行准备与检查，应做到：

ａ）试验场地的温度、湿度、气压、电磁、振动及噪声等应满足试验对环境的要求；

ｂ）试验场地采取必要的防尘、除静电措施，满足试验洁净度、接地、防静电等规范要求；

ｃ）试验所需其他相关物资齐备，配有排气通风等基本保障设施；

ｄ）满足匹配试验大纲中相应的其他要求。

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６．６试验值守模式

应根据试验需要确定对地面匹配试验过程的监控模式，按照大纲规定的三种模式进行选择并要求：

ａ）全程有人值守与干预：应明确值守人员在试验现场的职责，如对岗位交接班、试验状态和过程记录、故障判断和报告及处理等的详细要求；

ｂ）全程无人值守：应明确对试验过程的全程监控、记录和查看方式，故障报警及应对处理方式；

ｃ）部分过程有人值守与干预：如需要相关试验人员到现场进行注入数据、材料实验样品单元更换等操作，应按全程有人值守与干预的模式明确试验人员在现场履行的职责。

７试验的组织实施与分工

７．１组织实施方式

匹配试验由项目管理方、实验装置研制方和科学实验项目方共同组织实施：

ａ）领域专家或责任专家负责空间材料科学实验地面匹配试验大纲和细则的制定，组织科学研究项目方和实验装置研制方共同实施匹配试验，并对实验结果进行总结；

ｂ）科学实验项目方负责实验样品、实验方案（实验流程）和实验参数、试验细则等具体事项的落实，并配合实验装置方实施匹配试验；

ｃ）实验装置研制方负责匹配试验所需的硬件、软件等技术条件保障，并协助科学实验项目方开展匹配试验工作；

ｄ）项目管理方组织专家对匹配试验大纲、细则进行评审，对科学匹配试验过程进行管理和监督，协助领域专家或责任专家实施匹配试验，并对匹配试验中的重大问题进行决策。

７．２工作组组成与分工

应成立地面匹配试验工作组，其组成与分工如下。

ａ）匹配试验工作组负责人应由领域专家或责任专家亦或分系统技术负责人担任。

ｂ）匹配试验工作组成员由科学实验项目方、装置研制方负责人或主要研制人员及项目管理人员组成，由工作组讨论确定参加匹配试验人员的岗位职责。

ｃ）职责分工：

１）试验工作组负责人的职责是组织匹配试验工作的安排与实施，负责对试验中重大技术问题、质量和管理问题做出决策；

２）科学实验项目方负责人或主要研制人员负责匹配试验期间相关实验项目的试验状态监控和记录，协助进行与装置相关的必要试验操作和故障检查及处理；

３）装置研制方的负责人或主要研制人员负责匹配试验前参试软硬件（产品）、实验样品单元

（产品）的准备状态检测、试验期间的软硬件运行情况监控及必要的故障检查和处理，协助科学实验项目方的相关人员处理与实验材料实验样品单元相关的故障；

４）项目管理人员的职责是协助工作组负责人落实试验的组织调度与质量管控，对试验中出现的技术问题进行跟踪和闭环。

８故障预案及处理

８．１故障预案

应对试验中可能出现的故障做出详细的预案，并根据预案要求配备相应的人员和物资。包括以下

６

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方面：

ａ）参加试验的科学实验材料实验样品单元出现异常的处理预案；ｂ）出现与实验参数和工艺流程相关的异常进行处理的预案；ｃ）参加试验的装置出现故障的处理预案；

ｄ）参加试验的配套设备及检测或监控设备出现故障的处理预案；

ｅ）有源（供水、电、气等）试验出现故障的处理预案；

ｆ）其他异常情况，如停水、断电或环境突然变化等的处理预案。

８．２故障处理

应根据故障预案中的故障类型与级别采取相应方式的处置：

ａ）对重大问题或涉及全局性的问题，应由试验工作组确认后进行处理，并将处理过程及结果上报主管部门，由主管部门确定是否启动归零程序；

ｂ）有预案的故障按预案中的对策进行处理；对于不能很快解决的异常情况或没有预案的故障，应将情况报告试验工作组负责人，除特殊情况外，在不影响其他工作的前提下，可保持当时状态，查清并解决问题后继续试验；因查找问题或排除故障而临时增加的一些试验和操作，应由工作组负责人组织有关人员进行充分讨论，在拟定出详细的操作步骤后再执行；

ｃ）试验过程中出现不影响试验结果的一般问题由技术人员现场处理，完成后上报试验工作组。

９试验结果评估

９．１总结

应对试验结果进行总结并编写总结报告。

ａ）阶段小结与最终总结：

１）对于持续时间较长的地面匹配试验，试验工作组应在试验过程中分阶段进行小结，简要报告试验的执行情况，如已完成的试验项及内容、试验过程中出现的现象、实验装置的运行情况等；

２）试验结束后，科学实验项目方应对完成试验的材料实验样品单元进行外观、内部组织结构状态及化学组成等进行由表及里的检查与分析；应对试验完成情况、获取的实验数据进行处理和分析，以及对材料样品的解剖分析结果等进行总结；

３）试验结束后，装置研制方应对试验过程中实验装置的运行情况、已完成的试验项目及获得科学与工程数据完整性与有效性等进行总结；

４）试验结束后，试验工作组应对试验总体情况等进行总结。

ｂ）判断试验是否达到预期