GB∕ T 40537-2021 航天產(chǎn)品裕度設(shè)計(jì)指南（正式版）

ICS49.020CCSV71GB/T40537—2021國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)IGB/T40537—2021本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定請(qǐng)注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由全國宇航技術(shù)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC425)提出并歸口。1GB/T40537—2021航天產(chǎn)品裕度設(shè)計(jì)指南2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文GB/T32296航天飛行器常用坐標(biāo)系GB/T32452航天器空間環(huán)境術(shù)語GB/T32455運(yùn)載火箭術(shù)語3術(shù)語和定義GB/T32296、GB/T32452和GB/T32455界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1裕度margin表征設(shè)計(jì)值與需求值之間余量的大小程度。3.2產(chǎn)品的抗輻射能力與預(yù)示的工作環(huán)境輻射劑量之比。4總則裕度設(shè)計(jì)基本原則一般包括：2GB/T40537—2021航天產(chǎn)品廣義裕度設(shè)計(jì)程序一般包括：a)結(jié)合航天產(chǎn)品和任務(wù)剖面，確定航天產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)特征量進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)；進(jìn)行再分析與驗(yàn)證。性開展確認(rèn)工作。5環(huán)境裕度設(shè)計(jì)航天產(chǎn)品熱環(huán)境裕度最高、最低工作溫度宜外擴(kuò)5℃~10℃。氣動(dòng)加熱熱流試驗(yàn)條件通常在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，建議按不低于1.3倍的裕度進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.2力學(xué)環(huán)境航天產(chǎn)品力學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)裕度建議考慮下述因素：a)噪聲、隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)比最高預(yù)示環(huán)境高4dB;b)沖擊試驗(yàn)量級(jí)比最高預(yù)示環(huán)境高6dB;c)正弦振動(dòng)量級(jí)為最高預(yù)示環(huán)境的1.5倍。設(shè)計(jì)方法包括：a)一般進(jìn)行單粒子試驗(yàn)，以獲得場效應(yīng)晶體管工作的安全電壓，并降額至75%以下；b)對(duì)于沒有抗單粒子燒毀、單粒子?xùn)艙舸?shù)據(jù)的功率場效應(yīng)晶體管，可降額至25%～50%。航天產(chǎn)品一般采用敏感度門限與環(huán)境中的實(shí)際干擾信號(hào)電平之間的對(duì)數(shù)值之差表示抗電磁環(huán)境裕度。設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定的電磁干擾裕度與設(shè)備受電磁干擾危害度類別有關(guān)，危害度類別以電磁干擾影響及其所承擔(dān)任務(wù)失效的危害程度為依據(jù)，航天產(chǎn)品電磁干擾裕度與產(chǎn)品危害度類別關(guān)系見表1。3GB/T40537—2021表1航天產(chǎn)品電磁干擾裕度與產(chǎn)品危害度類別序號(hào)危害度類別危害性裕度1I類能造成本次發(fā)射任務(wù)推遲或造成航天器嚴(yán)重?fù)p傷、壽命縮短、功能喪失及重大的飛行故障等建議取9dB以上若所用的驗(yàn)證方法是根據(jù)電磁發(fā)射和敏感度特性進(jìn)行分析估算的，則安全裕度建議增2能造成航天產(chǎn)品性能下降，包括任何自主操作能力的喪失建議取6dB以上3Ⅲ類非基本功能受損建議取0dB以上，以不受正常工作環(huán)境的影響來驗(yàn)證4火工裝置建議取20dB以上6結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)裕度設(shè)計(jì)航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裕度設(shè)計(jì)原則如下：裕度的要求，強(qiáng)度裕度設(shè)計(jì)可采用安全系數(shù)法(具體見附錄A);現(xiàn)共振耦合的過大振動(dòng)響應(yīng)而導(dǎo)致?lián)p壞結(jié)構(gòu)及儀器設(shè)備。航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)安全裕度建議根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)和可能的失效模式選擇不同參數(shù)和裕度，裕度量化一般a)運(yùn)載火箭在設(shè)計(jì)載荷下不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效，安全裕度建議大于0;b)在重復(fù)性載荷作用下宜考慮壽命，設(shè)計(jì)壽命意見可取使用壽命的4倍以上為宜；c)航天器不同材料的結(jié)構(gòu)在不同破壞方式下推薦的安全裕度最小值見表2。表2航天器安全裕度最小值材料參數(shù)最小安全裕度金屬按屈服強(qiáng)度計(jì)算0按極限強(qiáng)度計(jì)算按穩(wěn)定性計(jì)算復(fù)合材料結(jié)構(gòu)按首層破壞計(jì)算按承載強(qiáng)度計(jì)算按穩(wěn)定性計(jì)算4GB/T40537—20216.2機(jī)構(gòu)裕度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、無源展開鎖定機(jī)構(gòu)靜力安全裕度一般取1.0以上，動(dòng)力矩安全裕度一般取0.25以上。機(jī)構(gòu)壽命試驗(yàn)工作時(shí)間或工作循環(huán)次數(shù)一般為預(yù)示的工作壽命期(包括地面試驗(yàn))內(nèi)工作時(shí)間或工作循環(huán)次數(shù)的4倍；壽命試驗(yàn)次數(shù)或圈數(shù)系數(shù)也可按照表3進(jìn)行設(shè)計(jì)，總試驗(yàn)次數(shù)/圈數(shù)為預(yù)期使用次數(shù)/圈數(shù)與對(duì)應(yīng)系數(shù)乘積，并求和獲得。表3壽命試驗(yàn)次數(shù)/圈數(shù)系數(shù)表類型預(yù)期使用次數(shù)/圈數(shù)系數(shù)舉例1舉例2預(yù)期使用次數(shù)/圈數(shù)試驗(yàn)次數(shù)/圈數(shù)預(yù)期使用次數(shù)/圈數(shù)試驗(yàn)次數(shù)地面測試預(yù)期地面測試使用次數(shù)/圈數(shù)2飛行10×10=10010×10=100490×4=3604×(1000-10)=39601001～10000022×(1500-1000)=1000>100000總試驗(yàn)次數(shù)/圈數(shù)分段計(jì)算總和60+100+360=52010+100+3960+1000=5070若預(yù)期地面測試使用次數(shù)/圈數(shù)與對(duì)應(yīng)系數(shù)乘積小于10,則試驗(yàn)次數(shù)/圈數(shù)取10。7電子電路裕度設(shè)計(jì)7.1元器件降額設(shè)計(jì)7.1.1航天產(chǎn)品元器件降額設(shè)計(jì)通常用應(yīng)力比(工作應(yīng)力與額定應(yīng)力之比，又稱降額因子)和溫度來表示。7.1.2航天產(chǎn)品元器件一般采用最大的降額設(shè)計(jì)，包括：a)降額的本質(zhì)就是降低半導(dǎo)體器件的結(jié)溫，可通過降低電功率和降低環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)；b)大規(guī)模集成電路在降低電應(yīng)力有困難的情況下，可通過降低環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)降額；c)通過在安全工作區(qū)的降額，避免功率晶體管的二次擊穿失效故障；d)在選取熔斷器時(shí)，既要考慮熔斷器的降額使用，也要考慮電源能提供足夠的電流以便得到較短的熔斷時(shí)間，一般熔斷器額定電流值建議小于負(fù)載短路時(shí)供電電源最大輸出電流的0.5。7.2電路裕度設(shè)計(jì)航天電子產(chǎn)品建議依據(jù)電子元器件的交直流特性、電路開關(guān)響應(yīng)頻率、時(shí)序特性、負(fù)載特性開展電a)考慮工作電壓穩(wěn)定性，一般在額定電壓浮動(dòng)10%范圍內(nèi)，能穩(wěn)定工作；b)電路設(shè)計(jì)時(shí)充分遵循資源開銷最小的原則，實(shí)際工作頻率宜低于電路的響應(yīng)頻率；c)電路的時(shí)序設(shè)計(jì)依據(jù)電子元器件的時(shí)序特性要求，并保證在航天產(chǎn)品工作溫度范圍內(nèi)滿足元5GB/T40537—2021作條件20%的時(shí)序裕度；d)接口電路的設(shè)計(jì)宜考慮驅(qū)動(dòng)負(fù)載降額設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電流一般在飽和電流的50%～70%以下。8熱防護(hù)裕度設(shè)計(jì)a)在分析模型未經(jīng)驗(yàn)證前，產(chǎn)品熱不確定余量建議為17℃;b)在熱分析模型經(jīng)熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證后，產(chǎn)品熱不確定余量建議為11℃;c)經(jīng)在軌驗(yàn)證、技術(shù)狀態(tài)相同或類似的成熟產(chǎn)品熱不確定余量建議取5℃以上；定余量可以大于上述值。8.1.2對(duì)含有電加熱控制的主動(dòng)熱控制產(chǎn)品，加熱器功率建議留有25%以上余量。8.1.3對(duì)自身帶有控溫線路的溫度敏感產(chǎn)品，低溫端的熱不確定余量作為控溫的加熱器功率余量，可不參考8.1.1的推薦附加溫度余量。8.1.4發(fā)動(dòng)機(jī)底部熱流條件建議根據(jù)分析和地面試驗(yàn)結(jié)果考慮一定的安全余量。8.2熱控材料和部件降額參數(shù)主要熱控材料和部件推薦的降額參數(shù)及降額因子見表4。表4主要熱控材料和部件降額參數(shù)及降額因子種類降額參數(shù)降額因子熱控涂層輻照劑量D/Gy最高工作溫度T?/℃最低工作溫度TL/℃隔熱材料組件最高工作溫度T?/℃導(dǎo)熱填料最高工作溫度T?/℃聚酰亞胺薄膜電加熱器件最高工作溫度T?/℃最高工作電壓u/V最大熱流密度q/(W/cm2)鎧裝型電加熱器件最高工作溫度Th/℃最高工作電壓u/V最大熱流密度q/(W/cm2)鋁及鋁合金軸向槽道熱管最高工作溫度Th/℃最低工作溫度T?/℃最大傳熱能力QL/(W·m)6GB/T40537—20219軟件裕度設(shè)計(jì)求，從而確定軟件的工作機(jī)制，并保證滿足系統(tǒng)規(guī)定的余量要求。其中，控制軟件建議留有20%的器或多處理器并行處理來解決，以確保軟件的工作時(shí)序之間留有足夠的余量。產(chǎn)品軟件一般留有不少于20%的處理器時(shí)間余量。a)可編程器件的工作頻率宜低于設(shè)計(jì)靜態(tài)時(shí)序值的80%;b)對(duì)于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器型現(xiàn)場可編程門陣列，總體資源占用率一般不超過70%;輸入輸出資源占用率原則上不宜超過所有可用輸入輸出資源的70%;c)反熔絲型現(xiàn)場可編程門陣列資源占用率一般不超過80%,如有需要，也可以提高資源占用率。A.1方法概述A.3推薦的安全系數(shù)A.3.1航天器的安全系數(shù)a)航天器按極限強(qiáng)度設(shè)計(jì)，金屬結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.35～1.5,非金屬結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.4～2.0;A.3.2運(yùn)載火箭的安全系