陳強(qiáng) 林海波 張興超 林峰
(航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院,北京,100071)
NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系簡析*
陳強(qiáng) 林海波 張興超 林峰
(航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院,北京,100071)
文摘:簡述NASA標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)成、體系結(jié)構(gòu)和材料標(biāo)準(zhǔn)的分布情況,重點(diǎn)介紹NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系的運(yùn)行背景、構(gòu)建思路和體系框架等有關(guān)內(nèi)容,總結(jié)NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系的特點(diǎn),提出我國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)化工作的建議。
NASA;宇航材料;材料標(biāo)準(zhǔn)體系。
材料是宇航型號產(chǎn)品的重要組成部分,是航天科技工業(yè)的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性資源。隨著載人航天、二代導(dǎo)航、高分辨率對地觀測系統(tǒng)、新一代運(yùn)載火箭等國家重大科技專項(xiàng)的實(shí)施,對宇航用材料尤其是新型材料提出了更高的要求。宇航材料保證工作面臨新挑戰(zhàn)和新機(jī)遇,承擔(dān)著為航天型號科研生產(chǎn)和軍工核心能力建設(shè)提供技術(shù)保障的重要職責(zé)。宇航材料標(biāo)準(zhǔn)作為宇航材料保證工作的重要技術(shù)基礎(chǔ),可以為宇航材料的研制、生產(chǎn)和使用提供重要的技術(shù)支持,同時對于材料科學(xué)研究、成果轉(zhuǎn)化具有重要推動作用。及時跟蹤、認(rèn)真研究、積極采用國外航天強(qiáng)國先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)對于提升我國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)化的水平具有重要意義。
NASA(美國國家航空航天局)是美國航空與航天科學(xué)技術(shù)研究的權(quán)威機(jī)構(gòu)和管理機(jī)構(gòu)。在近60年的發(fā)展歷程中,NASA總部及其所屬的研究機(jī)構(gòu)制定和發(fā)布了許多宇航材料標(biāo)準(zhǔn),并通過不斷補(bǔ)充、更新和完善,現(xiàn)已形成一套完整的、科學(xué)的、能滿足其管理和科研需要的宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系。這些標(biāo)準(zhǔn)在美國乃至全世界的宇航材料研究發(fā)展中起到了不可替代的重要作用。本文對NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,旨在借鑒國外航天強(qiáng)國的成熟經(jīng)驗(yàn),推進(jìn)我國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)化水平的提升。
NASA標(biāo)準(zhǔn)體系是在航天領(lǐng)域的實(shí)踐中形成的一個開放式體系,是基于自愿協(xié)調(diào)一致標(biāo)準(zhǔn)、政府標(biāo)準(zhǔn)和自己制定的標(biāo)準(zhǔn)綜合而成的體系。自愿協(xié)調(diào)一致標(biāo)準(zhǔn)是指美國其他工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)、ISO和IEC標(biāo)準(zhǔn)等;政府標(biāo)準(zhǔn)指美國軍用標(biāo)準(zhǔn)、美國聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)等;而自己制定的標(biāo)準(zhǔn)是指NASA本部和NASA各中心制定的標(biāo)準(zhǔn)。NASA在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面,支持最大限度地采用自愿協(xié)調(diào)一致的標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)先于政府標(biāo)準(zhǔn),只有當(dāng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)均不能滿足NASA的技術(shù)和管理要求時,才在這些方面制定NASA標(biāo)準(zhǔn)。
NASA標(biāo)準(zhǔn)體系根據(jù)其權(quán)威性和實(shí)施要求可分為指令文件(Directive)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(Technical Standard)兩種類型,并將這兩類文件按分配的專門編碼號段進(jìn)行分類,如圖1所示。
圖1 NASA標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)
從圖1可以看出,NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)是NASA標(biāo)準(zhǔn)體系的重要組成部分,其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要集中在6000系列中,指令文件相對比較分散。NASA本身沒有單獨(dú)的“宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系”的概念,只是由于NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)占比較多,為便于對宇航材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,本文將NASA標(biāo)準(zhǔn)體系中與宇航材料相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和指令文件等標(biāo)準(zhǔn)化文件整合在一起,以“NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系”之名進(jìn)行研究。
2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系的運(yùn)行背景
a)材料標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)良好。從整體上看,NASA的材料標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)較好,除了具有強(qiáng)大的美國軍用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范(MIL)支持外,還有完善的協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)、民用標(biāo)準(zhǔn)等非政府標(biāo)準(zhǔn),這些標(biāo)準(zhǔn)在一定程度上為NASA材料標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建奠定了良好的基礎(chǔ)。
b)工業(yè)基礎(chǔ)良好。美國材料制造工業(yè)基礎(chǔ)雄厚,材料質(zhì)量與可靠性整體水平較高,原材料、工藝、生產(chǎn)線建設(shè)與維持等控制措施完備,從根本上保障了材料的固有質(zhì)量。同時,隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展,新材料不斷涌現(xiàn),材料性能與可靠性大幅提高,在一定程度上推動了材料的應(yīng)用,尤其是在航天應(yīng)用方面,要求材料強(qiáng)度高、重量輕、耐腐蝕、耐高低溫、適應(yīng)空間特殊環(huán)境要求。另一方面,航天應(yīng)用需求也推動了材料研制技術(shù)的發(fā)展。
c)健全的材料供應(yīng)體系。NASA和美國國防部為宇航材料的生產(chǎn)和應(yīng)用投入大量資金加以支持。為保證軍用材料的質(zhì)量與可靠性,以及保證軍用材料的可獲得性,建立了相應(yīng)的產(chǎn)品供應(yīng)體系。
d)完善的材料保證體系。建立了NASA本部和各個分中心協(xié)調(diào)配套的工作機(jī)制,其材料保證的組織機(jī)構(gòu)健全、責(zé)任明確。NASA由本部負(fù)責(zé)全面的領(lǐng)導(dǎo)和管理工作,材料的主管部門是安全與項(xiàng)目保證辦公室(OfficeofSafetyand Mission Assurance:Office Q,Code Q),并成立了專門的材料與工藝技術(shù)工作組(M&P TWG),全面負(fù)責(zé)NASA宇航材料的質(zhì)量保證工作。NASA所屬的馬歇爾空間飛行中心(MSFC)材料與工藝實(shí)驗(yàn)室、哥達(dá)德空間飛行中心(GSFC)材料工程組和肯尼迪空間中心(KSC)材料科學(xué)部承擔(dān)了材料保證的主要工作。此外,NASA擁有一個很強(qiáng)大的材料工藝技術(shù)信息系統(tǒng)(MAPTIS,materialsandprocessestechnical information system),它是宇航材料選用數(shù)據(jù)庫,包含了30000多種金屬材料和非金屬材料的物理、力學(xué)和環(huán)境特性,確保航天器有效載荷選用的宇航材料均能滿足安全要求。
2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建思路
NASA為保證型號用材料的質(zhì)量,在雄厚的材料工業(yè)基礎(chǔ)和完整的MIL標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上,建立了一套具有宇航特色的相對獨(dú)立的宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系。在標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建中,核心是滿足型號工程需要,即以需求為牽引,優(yōu)先采用已有標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能滿足需要時,NASA自己再制定標(biāo)準(zhǔn)。NASA由本部負(fù)責(zé)發(fā)布材料保證的管理標(biāo)準(zhǔn),各飛行中心按照NASA材料保證的統(tǒng)一要求,各有側(cè)重,制定各自需要的各種類型標(biāo)準(zhǔn),主要從用戶的角度加強(qiáng)對材料的選擇、測試和使用等方面的控制,來滿足工程的需要。
2.3 標(biāo)準(zhǔn)體系框架
NASA材料標(biāo)準(zhǔn)類型包括指令文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。指令文件相當(dāng)于我國的管理標(biāo)準(zhǔn),包括政策、程序和指南、工作詳細(xì)說明、手冊、管理詳細(xì)說明等文件類型;技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊等。
a)指令文件。NASA指令文件是美國法律、聯(lián)邦法律以及總統(tǒng)、航天局局長或其他NASA高級官員所提要求的規(guī)范化文件,主要包括指令、程序、指南、手冊、說明等。根據(jù)指令文件的層級和適用范圍,NASA指令又包括NASA本部指令和各中心的指令,其中,本部指令文件包括NASA政策指令(NPD)、NASA程序與指南(NPG)以及NASA手冊(NHB)等。
在材料領(lǐng)域,NASA的頂層政策文件為NPD 4100.1C《供應(yīng)保障和材料管理》,它是目前NASA關(guān)于材料管理的頂層政策性文件,強(qiáng)制執(zhí)行,其目的是控制航天系統(tǒng)用材料的風(fēng)險和提高其可靠性;控制NASA航天飛行系統(tǒng)與關(guān)鍵地面支持系統(tǒng)、測試系統(tǒng)的風(fēng)險和增強(qiáng)其可靠性。文件規(guī)定了NASA本部和各分中心部門的職責(zé)與任務(wù),體現(xiàn)了NASA致力于建立統(tǒng)一協(xié)調(diào)的材料標(biāo)準(zhǔn)化工作機(jī)制。
除此之外,NASA還發(fā)布了NPD 1000.5B《NASA采辦政策》、NPR 4100.1D《材料庫存管理手冊》、NPR 8735.1 B《交換元器件、材料以及使用政府工業(yè)數(shù)據(jù)交換程序(GIDEP)和NASA咨詢機(jī)構(gòu)的安全問題數(shù)據(jù)的程序》、NPR 9250.1B《財(cái)產(chǎn)、廠房、設(shè)備及操作材料和供應(yīng)》等政策、手冊和程序文件,涉及材料采辦、包裝和運(yùn)輸、信息管理等方面。
在此基礎(chǔ)上,NASA的各飛行中心按照NASA的要求,根據(jù)自身任務(wù)的需求,細(xì)化了管理要求,制定了各自的指令文件。如,約翰遜空間中心制定的管理詳細(xì)說明NASA JPG JSC 27301F《JSC飛行產(chǎn)品用材料工藝選擇、控制與實(shí)施計(jì)劃》,就是對NASA材料政策的具體操作性文件;馬歇爾空間飛行中心的NASA MWI 8730.3F《MSFC材料復(fù)驗(yàn)體系》規(guī)定了馬歇爾空間飛行中心(MSFC)對于材料復(fù)驗(yàn)的具體要求。
b)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。NASA材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括NASA自己制定的標(biāo)準(zhǔn)和采納的自愿協(xié)調(diào)一致標(biāo)準(zhǔn)及政府標(biāo)準(zhǔn)。
在NASA制定的材料標(biāo)準(zhǔn)中,NASA本部制定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量較少,主要在其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中的6000系列,自行發(fā)布,獨(dú)立編號;各中心的標(biāo)準(zhǔn)是其主體,大部分的材料標(biāo)準(zhǔn)由馬歇爾空間飛行中心(MSFC)和肯尼迪空間中心(KSC)制定,除此之外還包括斯坦尼斯空間中心(SSC)等制定的標(biāo)準(zhǔn)。NASA制定的部分材料標(biāo)準(zhǔn)見表1。
除了NASA自己制定的材料標(biāo)準(zhǔn),NASA還大量優(yōu)選采用了其他政府標(biāo)準(zhǔn)和非政府標(biāo)準(zhǔn)。據(jù)我們目前掌握的情況看,NASA采用了23個組織的共計(jì)1409項(xiàng)材料標(biāo)準(zhǔn),具體見表2。在這些標(biāo)準(zhǔn)中,美國軍用標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范(MIL)以及美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(ASTM)、美國自動化工程師協(xié)會(SAE)制定的材料標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最多,占了整個NASA材料標(biāo)準(zhǔn)的80%以上。各組織制定的材料標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目占比如圖2所示。
從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的類別維度上看,NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)主要有基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、保證標(biāo)準(zhǔn)、測試方法標(biāo)準(zhǔn)和材料規(guī)范。按照標(biāo)準(zhǔn)的類別對目前掌握的NASA材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),各類別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量見表3。
從表3中可以看出,在整個NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系中,基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)和保證標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)目較少,而且較為重要的保證標(biāo)準(zhǔn)是由NASA本級制定的。鑒于宇航材料的重要性、廣泛性和管理的復(fù)雜性,NASA材料管理和保證部門通過實(shí)施適合自身管理特色的材料保證標(biāo)準(zhǔn)對宇航材料進(jìn)行有效的管理和控制,即關(guān)鍵的材料保證標(biāo)準(zhǔn)必須由NASA本級來制定。NASA對材料的控制要求體現(xiàn)在NASA-STD-6016《航天器用標(biāo)準(zhǔn)材料與工藝要求》,該標(biāo)準(zhǔn)是NASA開展材料與工藝保證的頂層標(biāo)準(zhǔn)。
表1 NASA制定的部分材料標(biāo)準(zhǔn)
表2 NASA采用的材料標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)
表2 (續(xù))
圖2 各組織制定的NASA材料標(biāo)準(zhǔn)比例圖表3NASA材料標(biāo)準(zhǔn)體系各類別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量
標(biāo)準(zhǔn)化組織基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)保證標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)材料規(guī)范合計(jì)NASA—2464171優(yōu)選MIL——4418422優(yōu)選SAE AMS——380380優(yōu)選ASTM911231191442優(yōu)選其他標(biāo)準(zhǔn)6440115165合計(jì)153928111451480
材料規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最多,達(dá)到77%,優(yōu)先采用了MIL標(biāo)準(zhǔn)、SAE標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)等。測試方法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量次之,主要優(yōu)選了ASTM標(biāo)準(zhǔn)。由于宇航用材料的種類繁多,所以材料規(guī)范和測試方法標(biāo)準(zhǔn)也是材料標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)目最多的,而且專業(yè)性很強(qiáng),好在美國的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織非常發(fā)達(dá)。MIL中的材料規(guī)范主要圍繞著產(chǎn)品的空間應(yīng)用提出材料的性能要求,但不規(guī)定如何達(dá)到性能要求,主要是為供應(yīng)商發(fā)揮自身的創(chuàng)造能力、及時采用高新技術(shù)創(chuàng)造良好的條件。SAE和ASTM在材料及材料測試領(lǐng)域制定的標(biāo)準(zhǔn)水平相當(dāng)高,而且它們是獨(dú)立于材料生產(chǎn)廠商和用戶之外的第三方。NASA優(yōu)先采用這些專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的標(biāo)準(zhǔn),一方面可以充分利用美國發(fā)達(dá)的專業(yè)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)以減少重復(fù)制定標(biāo)準(zhǔn)的人力、物力成本,另一方面又能保證宇航材料的技術(shù)水平,可謂一舉多得。
值得注意的是,除了一個個單獨(dú)的材料規(guī)范,NASA對很大范圍的材料都做過空間性能評價,并建立了相應(yīng)的手冊,這些積累起來的材料技術(shù)數(shù)據(jù),為全球開展宇航活動提供了重要參考。其中最典型的是NASA-HDBK-527《空間硬件系統(tǒng)材料選用目錄》,該標(biāo)準(zhǔn)是NASA根據(jù)白沙試驗(yàn)室、馬歇爾空間飛行中心、戈達(dá)德空間中心、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、歐洲空間局、洛克希德-馬丁動力公司等多家空間機(jī)構(gòu)收錄的材料空間性能數(shù)據(jù)編制而成的,納入了1000多種金屬材料和10000多種非金屬材料,材料的性能指標(biāo)主要包括易燃性、毒性、熱真空穩(wěn)定性、壽命、與液體的相容性(四氧化二氮、肼、液氫、液氧等)等宇航特殊要求。
a)NASA的材料標(biāo)準(zhǔn)化文件體系是一個開放的體系,是基于自愿協(xié)調(diào)一致的標(biāo)準(zhǔn)、政府標(biāo)準(zhǔn)和自己制定的專用標(biāo)準(zhǔn)綜合形成的標(biāo)準(zhǔn)體系。從NASA自己制定和發(fā)布的角度來說,其體系是不完整的,但從其囊括的標(biāo)準(zhǔn)范圍來看,其體系是非常完整的。
b)由NASA本部發(fā)布材料保證的統(tǒng)一要求和管理標(biāo)準(zhǔn),指導(dǎo)各中心的標(biāo)準(zhǔn)化工作,形成了本部和各飛行中心協(xié)調(diào)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化工作機(jī)制。各飛行中心按照NASA本部的要求,根據(jù)各自的任務(wù)特點(diǎn),各有側(cè)重,形成了協(xié)調(diào)統(tǒng)一的材料標(biāo)準(zhǔn)體系。
c)NASA材料標(biāo)準(zhǔn)化文件體系的標(biāo)準(zhǔn)類型包括指令文件和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要涉及基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、材料保證標(biāo)準(zhǔn)、測試方法標(biāo)準(zhǔn)和材料規(guī)范等。其中,材料規(guī)范類標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量最多,優(yōu)選采用了MIL標(biāo)準(zhǔn)、AMS標(biāo)準(zhǔn)、ASTM標(biāo)準(zhǔn)等;測試方法標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量次之,主要優(yōu)選了ASTM標(biāo)準(zhǔn);保證標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)目較少,而且較為重要的保證標(biāo)準(zhǔn)是由NASA本部制定的。
d)宇航材料的特殊要求是NASA材料標(biāo)準(zhǔn)的核心和重點(diǎn)。不論是材料規(guī)范還是為材料規(guī)范服務(wù)的測試方法標(biāo)準(zhǔn),都緊緊圍繞宇航特殊要求展開,在滿足宇航特殊要求的前提下,NASA充分利用本國的工業(yè)基礎(chǔ)和各專業(yè)團(tuán)體的標(biāo)準(zhǔn)。
e)NASA非常重視材料數(shù)據(jù)的積累和總結(jié),建立了強(qiáng)大的材料工藝技術(shù)信息系統(tǒng)MAPTIS,以對材料進(jìn)行正確的選擇、處理、檢測、試驗(yàn)和評估;同時制定了相當(dāng)數(shù)量的材料手冊、選用目錄等。
通過對NASA宇航材料標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究與分析,給我國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展提供了重要的參考和借鑒。建議我國宇航材料標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)做好下列幾個方面的工作。
a)構(gòu)建完善的宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系。以國家航天重點(diǎn)工程的需求為牽引,在借鑒國外經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)國內(nèi)成功實(shí)踐的基礎(chǔ)上,結(jié)合國內(nèi)已有的相關(guān)材料標(biāo)準(zhǔn)體系,通過自主創(chuàng)新,構(gòu)建具有中國特色的先進(jìn)、完善的宇航材料標(biāo)準(zhǔn)體系,為保障中國宇航事業(yè)的發(fā)展保駕護(hù)航。
b)開發(fā)全面的宇航材料性能手冊和數(shù)據(jù)庫。充分借鑒國內(nèi)外已有材料手冊及數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢資源,搜集分析航天用近萬種材料的性能數(shù)據(jù)信息,分批分階段開發(fā)航天材料的性能手冊及專業(yè)數(shù)據(jù)庫,最終形成統(tǒng)一全面的航天材料性能手冊及專業(yè)數(shù)據(jù)庫,為航天工業(yè)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
c)建立健全標(biāo)準(zhǔn)與材料研發(fā)相結(jié)合的互動機(jī)制。深化科技計(jì)劃實(shí)施與標(biāo)準(zhǔn)制修訂的過程互動,建立健全科技成果轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的工作機(jī)制,在實(shí)施關(guān)鍵材料研發(fā)的過程中,將技術(shù)成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提煉固化為標(biāo)準(zhǔn),以科技提升標(biāo)準(zhǔn)水平,以標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)材料研發(fā)成果轉(zhuǎn)化,推動材料研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)研制和產(chǎn)業(yè)發(fā)展一體化。
[1]諸一維,張小達(dá).NASA標(biāo)準(zhǔn)化工作跟蹤研究.航天標(biāo)準(zhǔn)化,2003(1).
[2]高燕.歐美航天材料保證的做法與探討.航天標(biāo)準(zhǔn)化,2009(4).
陳強(qiáng)(1987年—),男,工學(xué)碩士,工程師,現(xiàn)主要從事航天材料及工藝標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。
*本文源于2014年國防科工局技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(課題號JSJC××13203C016)。