GB∕ T 40537-2021 航天產(chǎn)品裕度設計指南（正式版）

ICS49.020CCSV71GB/T40537—2021國家市場監(jiān)督管理總局國家標準化管理委員會IGB/T40537—2021本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。本文件由全國宇航技術及其應用標準化技術委員會(SAC/TC425)提出并歸口。1GB/T40537—2021航天產(chǎn)品裕度設計指南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系GB/T32452航天器空間環(huán)境術語GB/T32455運載火箭術語3術語和定義GB/T32296、GB/T32452和GB/T32455界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1裕度margin表征設計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示的工作環(huán)境輻射劑量之比。4總則裕度設計基本原則一般包括：2GB/T40537—2021航天產(chǎn)品廣義裕度設計程序一般包括：a)結合航天產(chǎn)品和任務剖面，確定航天產(chǎn)品的關鍵參數(shù)特征量進行裕度設計；進行再分析與驗證。性開展確認工作。5環(huán)境裕度設計航天產(chǎn)品熱環(huán)境裕度最高、最低工作溫度宜外擴5℃~10℃。氣動加熱熱流試驗條件通常在分析結果的基礎上，建議按不低于1.3倍的裕度進行設計。5.2力學環(huán)境航天產(chǎn)品力學環(huán)境設計裕度建議考慮下述因素：a)噪聲、隨機振動試驗量級比最高預示環(huán)境高4dB;b)沖擊試驗量級比最高預示環(huán)境高6dB;c)正弦振動量級為最高預示環(huán)境的1.5倍。設計方法包括：a)一般進行單粒子試驗，以獲得場效應晶體管工作的安全電壓，并降額至75%以下；b)對于沒有抗單粒子燒毀、單粒子柵擊穿數(shù)據(jù)的功率場效應晶體管，可降額至25%～50%。航天產(chǎn)品一般采用敏感度門限與環(huán)境中的實際干擾信號電平之間的對數(shù)值之差表示抗電磁環(huán)境裕度。設計時規(guī)定的電磁干擾裕度與設備受電磁干擾危害度類別有關，危害度類別以電磁干擾影響及其所承擔任務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)品危害度類別序號危害度類別危害性裕度1I類能造成本次發(fā)射任務推遲或造成航天器嚴重損傷、壽命縮短、功能喪失及重大的飛行故障等建議取9dB以上若所用的驗證方法是根據(jù)電磁發(fā)射和敏感度特性進行分析估算的，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)境的影響來驗證4火工裝置建議取20dB以上6結構機構裕度設計航天產(chǎn)品結構裕度設計原則如下：裕度的要求，強度裕度設計可采用安全系數(shù)法(具體見附錄A);現(xiàn)共振耦合的過大振動響應而導致?lián)p壞結構及儀器設備。航天產(chǎn)品結構安全裕度建議根據(jù)任務特點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)運載火箭在設計載荷下不發(fā)生結構失效，安全裕度建議大于0;b)在重復性載荷作用下宜考慮壽命，設計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構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度計算0按極限強度計算按穩(wěn)定性計算復合材料結構按首層破壞計算按承載強度計算按穩(wěn)定性計算4GB/T40537—20216.2機構裕度驅動機構、無源展開鎖定機構靜力安全裕度一般取1.0以上，動力矩安全裕度一般取0.25以上。機構壽命試驗工作時間或工作循環(huán)次數(shù)一般為預示的工作壽命期(包括地面試驗)內(nèi)工作時間或工作循環(huán)次數(shù)的4倍；壽命試驗次數(shù)或圈數(shù)系數(shù)也可按照表3進行設計，總試驗次數(shù)/圈數(shù)為預期使用次數(shù)/圈數(shù)與對應系數(shù)乘積，并求和獲得。表3壽命試驗次數(shù)/圈數(shù)系數(shù)表類型預期使用次數(shù)/圈數(shù)系數(shù)舉例1舉例2預期使用次數(shù)/圈數(shù)試驗次數(shù)/圈數(shù)預期使用次數(shù)/圈數(shù)試驗次數(shù)地面測試預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總試驗次數(shù)/圈數(shù)分段計算總和60+100+360=52010+100+3960+1000=5070若預期地面測試使用次數(shù)/圈數(shù)與對應系數(shù)乘積小于10,則試驗次數(shù)/圈數(shù)取10。7電子電路裕度設計7.1元器件降額設計7.1.1航天產(chǎn)品元器件降額設計通常用應力比(工作應力與額定應力之比，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計，包括：a)降額的本質就是降低半導體器件的結溫，可通過降低電功率和降低環(huán)境溫度來實現(xiàn)；b)大規(guī)模集成電路在降低電應力有困難的情況下，可通過降低環(huán)境溫度來實現(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，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間，一般熔斷器額定電流值建議小于負載短路時供電電源最大輸出電流的0.5。7.2電路裕度設計航天電子產(chǎn)品建議依據(jù)電子元器件的交直流特性、電路開關響應頻率、時序特性、負載特性開展電a)考慮工作電壓穩(wěn)定性，一般在額定電壓浮動10%范圍內(nèi)，能穩(wěn)定工作；b)電路設計時充分遵循資源開銷最小的原則，實際工作頻率宜低于電路的響應頻率；c)電路的時序設計依據(jù)電子元器件的時序特性要求，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%的時序裕度；d)接口電路的設計宜考慮驅動負載降額設計，驅動電流一般在飽和電流的50%～70%以下。8熱防護裕度設計a)在分析模型未經(jīng)驗證前，產(chǎn)品熱不確定余量建議為17℃;b)在熱分析模型經(jīng)熱平衡試驗驗證后，產(chǎn)品熱不確定余量建議為11℃;c)經(jīng)在軌驗證、技術狀態(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對含有電加熱控制的主動熱控制產(chǎn)品，加熱器功率建議留有25%以上余量。8.1.3對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)動機底部熱流條件建議根據(jù)分析和地面試驗結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軟件裕度設計求，從而確定軟件的工作機制，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%的處理器時間余量。a)可編程器件的工作頻率宜低于設計靜態(tài)時序值的80%;b)對于靜態(tài)隨機存取存儲器型現(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)航天器按極限強度設計，金屬結構安全系數(shù)取1.35～1.5,非金屬結構安全系數(shù)取1.4～2.0;A.3.2運載火箭的安全系