(高清版)GBT 40537-2021 航天产品裕度设计指南

ICS49.020CCSV71国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会IGB/T40537—2021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。本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会(SAC/TC425)提出并归口。本文件起草单位：上海宇航系统工程研究所、中国航天标准化研究所。许冬彦。1GB/T40537—2021航天产品裕度设计指南1范围防护裕度设计和软件裕度设计等方面的建议，并给出了相关信息。本文件适用于运载火箭、航天器产品裕度设计。其他航天产品可参照使用。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/T32296航天飞行器常用坐标系GB/T32452航天器空间环境术语GB/T32455运载火箭术语3术语和定义GB/T32296、GB/T32452和GB/T32455界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1裕度margin表征设计值与需求值之间余量的大小程度。3.2产品的抗辐射能力与预示的工作环境辐射剂量之比。4总则4.1基本原则航天产品可靠性裕度设计，是用以补偿产品生产、使用等的各种不确定性，提高产品可靠性。进行裕度设计基本原则一般包括：c)重视应力-强度干涉分析，采用提高平均强度、降低平均应力、避免应力集中、减少强度散布等d)考虑极限设计情况，包括各种参数的最坏情况和组合情况；e)对航天产品的裕度进行有效评估和验证，对未经过充分试验验证的、一致性差的，建议采用较大的裕度。2GB/T40537—2021航天产品广义裕度设计程序一般包括：a)结合航天产品和任务剖面，确定航天产品的关键参数特征量进行裕度设计；b)根据任务要求，按本文件推荐的裕度建议，结合航天产品本身特点确定特征量的设计值；c)对特征量的设计值进行分析、验证，明确裕度设计结果；d)有条件的建议验证到极限裕度，若验证设计裕度过高或不足，可进行优化设计，并对优化结果进行再分析与验证。4.3各研制阶段工作内容航天产品各研制阶段，裕度设计工作包括：a)自方案阶段起，围绕关键特性参数，开展裕度量化分析工作，b)在工程研制结束前，完成关键特性参数的裕度设计验证工作；c)在试样(正样)产品交付前，分别对产品关键特性参数的设计裕度及其试验验证的充分性、有效性开展确认工作。5环境裕度设计航天产品热环境裕度最高、最低工作温度宜外扩5℃~10℃。气动加热热流试验条件通常在分析结果的基础上，建议按不低于1.3倍的裕度进行设计。5.2力学环境航天产品力学环境设计裕度建议考虑下述因素：a)噪声、随机振动试验量级比最高预示环境高4dB;b)冲击试验量级比最高预示环境高6dB;c)正弦振动量级为最高预示环境的1.5倍。5.3辐射环境航天产品辐射设计裕度建议综合考虑太阳活动、辐射环境分析模型、在轨时间等多种因素，确定元对于功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管，建议考虑抗单粒子烧毁、单粒子栅击穿的影响，裕度设计方法包括：a)一般进行单粒子试验，以获得场效应晶体管工作的安全电压，并降额至75%以下；b)对于没有抗单粒子烧毁、单粒子栅击穿数据的功率场效应晶体管，可降额至25%～50%。5.4抗电磁环境航天产品一般采用敏感度门限与环境中的实际干扰信号电平之间的对数值之差表示抗电磁环境裕度。设计时规定的电磁干扰裕度与设备受电磁干扰危害度类别有关，危害度类别以电磁干扰影响及其所承担任务失效的危害程度为依据，航天产品电磁干扰裕度与产品危害度类别关系见表1。3GB/T40537—2021表1航天产品电磁干扰裕度与产品危害度类别关系序号危害度类别危害性裕度1I类能造成本次发射任务推迟或造成航天器严重损伤、寿命缩短、功能丧失及重大的飞行故障等建议取9dB以上若所用的验证方法是根据电磁发射和敏感度特性进行分析估算的，则安全裕度建议增2能造成航天产品性能下降，包括任何自主操作能力的丧失建议取6dB以上3Ⅲ类非基本功能受损建议取0dB以上，以不受正常工作环境的影响来验证4火工装置建议取20dB以上6结构机构裕度设计6.1结构裕度航天产品结构裕度设计原则如下：a)结构强度包络设计：结构承受的载荷宜考虑整个过程的所有工况，并综合考虑安全系数和安全裕度的要求，强度裕度设计可采用安全系数法(具体见附录A);b)结构错频设计：次级结构与主结构之间或有关联的次级结构之间建议有频率隔离设计，避免出现共振耦合的过大振动响应而导致损坏结构及仪器设备。航天产品结构安全裕度建议根据任务特点和可能的失效模式选择不同参数和裕度，裕度量化一般包括：a)运载火箭在设计载荷下不发生结构失效，安全裕度建议大于0;b)在重复性载荷作用下宜考虑寿命，设计寿命意见可取使用寿命的4倍以上为宜；c)航天器不同材料的结构在不同破坏方式下推荐的安全裕度最小值见表2。表2航天器安全裕度最小值材料参数最小安全裕度金属按屈服强度计算0按极限强度计算按稳定性计算复合材料结构按首层破坏计算按承载强度计算按稳定性计算4GB/T40537—20216.2机构裕度驱动机构、无源展开锁定机构静力安全裕度一般取1.0以上，动力矩安全裕度一般取0.25以上。机构寿命试验工作时间或工作循环次数一般为预示的工作寿命期(包括地面试验)内工作时间或工作循环次数的4倍；寿命试验次数或圈数系数也可按照表3进行设计，总试验次数/圈数为预期使用次数/圈数与对应系数乘积，并求和获得。表3寿命试验次数/圈数系数表类型预期使用次数/圈数系数举例1举例2预期使用次数/圈数试验次数/圈数预期使用次数/圈数试验次数地面测试预期地面测试使用次数/圈数2飞行44×(1000—10)=39602—2×(1500—1000)=1000—总试验次数/圈数分段计算总和60+100+360=52010+100+3960+1000=5070若预期地面测试使用次数/圈数与对应系数乘积小于10,则试验次数/圈数取107电子电路裕度设计7.1元器件降额设计7.1.1航天产品元器件降额设计通常用应力比(工作应力与额定应力之比，又称降额因子)和温度来表示。7.1.2航天产品元器件一般采用最大的降额设计，包括：a)降额的本质就是降低半导体器件的结温，可通过降低电功率和降低环境温度来实现；b)大规模集成电路在降低电应力有困难的情况下，可通过降低环境温度来实现降额；c)通过在安全工作区的降额，避免功率晶体管的二次击穿失效故障；d)在选取熔断器时，既要考虑熔断器的降额使用，也要考虑电源能提供足够的电流以便得到较短的熔断时间，一般熔断器额定电流值建议小于负载短路时供电电源最大输出电流的0.5。7.2电路裕度设计航天电子产品建议依据电子元器件的交直流特性、电路开关响应频率、时序特性、负载特性开展电a)考虑工作电压稳定性，一般在额定电压浮动10%范围内，能稳定工作；b)电路设计时充分遵循资源开销最小的原则，实际工作频率宜低于电路的响应频率；c)电路的时序设计依据电子元器件的时序特性要求，并保证在航天产品工作温度范围内满足元5GB/T40537—2021器件最差时序条件，对未明确有温度变化时序特性的电子元器件，其时序设计值宜优于典型工作条件20%的时序裕度；d)接口电路的设计宜考虑驱动负载降额设计，驱动电流一般在饱和电流的50%～70%以下。8热防护裕度设计8.1热不确定裕度8.1.1对于在轨飞行没有热控或仅有被动热控的航天产品，热不确定余量设计的内容一般包括：a)在分析模型未经验证前，产品热不确定余量建议为17℃;b)在热分析模型经热平衡试验验证后，产品热不确定余量建议为11℃;c)经在轨验证、技术状态相同或类似的成熟产品热不确定余量建议取5℃以上；d)对那些运行条件或环境条件有较大不确定性的产品，或者不要求做热平衡试验的产品，热不确定余量可以大于上述值。8.1.2对含有电加热控制的主动热控制产品，加热器功率建议留有25%以上余量。8.1.3对自身带有控温线路的温度敏感产品，低温端的热不确定余量作为控温的加热器功率余量，可不参考8.1.1的推荐附加温度余量。8.1.4发动机底部热流条件建议根据分析和地面试验结果考虑一定的安全余量。8.1.5高空发动机热防护设计建议留有一定余量，一般热防护材料耐温余量建议在15%以上。8.2热控材料和部件降额参数主要热控材料和部件推荐的降额参数及降额因子见表4。表4主要热控材料和部件降额参数及降额因子种类降额参数降额因子热控涂层辐照剂量D/Gy最高工作温度T₁/℃最低工作温度TL/℃Th—30TL+30隔热材料组件最高工作温度Th/℃Th—30导热填料最高工作温度T₁/℃Th—30聚酰亚胺薄膜电加热器件最高工作温度T₁/℃最高工作电压u/V最大热流密度q/(W/cm²)Th—30铠装型电加热器件最高工作温度Th/℃最高工作电压u/V最大热流密度q/(W/cm²)Th—50铝及铝合金轴向槽道热管最高工作温度Th/℃最低工作温度TL/℃最大传热能力Q₁/(W·m)Th—30TL+206GB/T40537—20219软件裕度设计9.1资源分配及裕度设计在软件设计时，航天产品宜确定有关软件模块时间复杂度和空间复杂度，明确输入、输出的响应要求，从而确定软件的工作机制，并保证满足系统规定的余量要求。其中，控制软件建议留有20%的余量。制周期、自诊断周期、输出输入周期等。当各种周期在时间轴上安排不下时，建议采取更高性能的处理器或多处理器并行处理来解决，以确保软件的工作时序之间留有足够的余量。产品软件一般留有不少于20%的处理器时间余量。9.3可编程器件裕度设计a)可编程器件的工作频率宜低于设计静态时序值的80%;b)对于静态随机存取存储器型现场可编程门阵列，总体资源占用率一般不超过70%;输入输出资源占用率原则上不宜超过所有可用输入输出资源的70%;c)反熔丝型现场可编程门阵列资源占用率一般不超过80%,如有需要，也可以提高资源占用率。A.1方法概述A.3