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航天器声试验ISO国际标准制定过程及启示

时间:2016年05月11日 信息来源:《航天器环境工程》 点击: 【字体:

 

 

引言


  航天器在发射、飞行和返回过程中经受由发动机噪声和飞行气动噪声激励引起的结构振动响应,可造成结构和有效载荷的过应力或疲劳破坏,还可能造成设备的误操作,为此航天器飞行前在地面进行噪声环境的模拟试验是非常必要的。制定合理的噪声环境水平,不仅可使航天器得到充分的考核,还有助于降低地面试验的成本。因此,制定统一的国际标准可有效地对航天器进行噪声环境的考核,保证飞行器的正常运行。

 国务院印发的《深化标准化工作改革方案》中明确提出,要提高标准国际化水平,要求积极参与国际标准化活动,推广中国标准,使得中国标准在国际上立得住、有权威、有信誉。在欧美航天强国纷纷加快推进其标准全球化战略的新形势下,中国航天在对标国际一流的发展中积极参与国际标准化工作,并在充分展示我国航天技术的成果和能力的同时,将技术成果与国际标准有效结合,参与并主导国际标准的制定,以使中国航天更好更快地实现市场化、产业化和国际化。

 本文结合ISO 19924《空间系统——声试验》航天器试验领域标准的发起和申报制定过程,研究航天技术成果如何向国际标准转化,为航天领域参与制定国际标准项目提供相应的方法和经验。


1 国际标准概况


  国际标准是指由国际标准化组织(简称ISO)等负责组织制定的标准,以及国际标准化组织确认并公布的其他国际组织制定的标准。国际标准在世界范围内统一使用。ISO 是一个全球性的非政府组织,负责目前绝大部分领域(包括军工、石油、船舶等垄断行业)的标准化活动,其日常办事机构是中央秘书处。ISO 通过它的技术机构开展技术活动,设置有技术委员会(简称TC)、分技术委员会(简称SC)和工作组(简称WG),形成一个有机的整体。制定国际标准的工作由TC 和SC 负责,每个TC 和SC 的成员国中包括正式成员国(简称“P 成员国”)和观察员国(简称“O 成员国”)。

 国际标准化工作一般都遵循严格的程序及其相应的阶段要求,在考虑一项ISO 新的工作项目提案时,由TC 或SC 任命一名具备制定标准能力的项目责任人并由其向TC 或SC 报告工作进展。一项ISO 国际标准的制定大致经历如图1 所示的几个阶段[1]。


图1 ISO 国际标准制定程序和阶段
Fig. 1 The proceeding of formulation and revision for ISO
standards


  1)预备阶段(PWI)
  ISO 各技术委员会或分委员会可以将不完全成熟的新工作项目纳入ISO 会议和工作计划中。这一阶段,预备提交的新工作项目将在工作组内进行沟通,即与工作组内专家讨论该工作项目的内容、范围,并根据意见进行相应的修改,争取得到工作组内专家的支持;为新工作项目提案做准备,并制定初始的标准草案。本阶段所用的时间不定。


  2)提案阶段(NP)

 项目负责人组织将新工作项目的内容在工作组内进行反复的讨论、修改,在确认技术内容相对成熟时发起投票,准备新工作项目提案和相关文件给技术委员会秘书处,秘书处分发提案给各P 成员国投票。新项目投票通过准则为:参加工作项目投票的P 成员国中有4 个承诺参与项目制定工作;参加投票的P 成员国简单多数通过。本阶段的投票期限为3 个月。


  3)准备阶段(WD)

 项目负责人组织完成第1 份WD 草案,并与工作组内P 成员国专家进行讨论,经工作组审查同意,完成最终WD 草案;并将其提交给秘书处,作为CD 稿分发给各成员,并在ISO 中央秘书处办公室注册。本阶段时限为12 个月。


  4)委员会阶段(CDC 和CDV)

 各成员国对秘书处分发的CD 稿件提出意见(CDC 阶段)。项目负责人按照意见形成修改后的草案,再由委员会秘书处分发给各成员国进行投票(CDV 阶段)。投票通过准则为:参加投票的P 成员国2/3 多数赞成;计票时弃权票及未附有技术理由的反对票不计算在内。根据投票结果及意见,完成最终CD 稿,进行询问阶段(DIS)稿注册。本阶段时限为12 个月。


  5)询问阶段(DIS)

 ISO 秘书处将DIS 稿交由成员国投票,委员会根据投票结果及意见情况进行处理。DIS 投票通过准则为:2/3 的P 成员国投赞成票并且反对票不超过投票总数的1/4;计票时弃权票及未附有技术理由的反对票不计算在内。项目组负责人根据投票结果及意见,完成DIS 最终稿,进行批准阶段(FDIS)注册。本阶段一般为9 个月。


  6)批准阶段(FDIS)和出版印刷阶段(IS)

 ISO 中央秘书处在3 个月内将FDIS 稿分发给所有成员国进行为期2 个月的投票,投票通过准则为:2/3 的P 成员国投赞成票并且反对票不超过投票总数的1/4;计票时弃权票及未附有技术理由的反对票不计算在内。委员会根据投票结果进行处理,并准备提供出版的标准。本阶段一般为3 个月。

 被批准为国际标准后,中央秘书处会对稿件校正、印刷和分发,在2 个月内出版国际标准。


2 声试验技术制定国际标准的必要性分析


  2.1 现有声试验标准


  国际标准化组织发布了试验方法的相关标准,直接相关的有ISO 15864“Space system:Generaltest methods for spacecraft, subsystem and units”[2],该标准是ISO 在航天器试验方面的顶层标准,相关章节给出了声试验的概括,但不涉及具体的声试验技术要求和试验方法等内容。另编制有国际标准ISO 2671“Environmental tests for aircraft equipment:Part 3.4: Acoustic vibration”[3],该标准是针对航空飞行器的标准,不能完全适用于航天器。国际电工委员会(IEC)制定了IEC 60068-2-65“Environmentaltesting: Part 2 Methods of test, Test Fg: Vibration,acoustically induced”[4],与航天器声试验相比,在混响室容积、控制传声器的数量和位置、支撑系统频率等方面存在不少的差异。
  针对声试验技术,欧美国家都制定了相关标准,代表性的有美国的NASA 7001A、MIL-STD-810F,英国的DEF STAN 00-35,欧空局的ECSS-E-10-03A。美国NASA 戈达德航天飞行中心(GSFC)于1990 年制定了航天器环境规范GEVS-SE《航天飞机(STS)和一次使用运载器(ELV)有效载荷、分系统及组件通用环境检验规范》;由于技术的发展,1996 年和2005 年,GSFC 又对其进行了补充和修订;2013 年将该标准修订为GSFC-STD-7000 A[5],对声环境试验部分也做了较大幅度的修订。美国军用标准MIL-STD-810F[6]于2000 年1 月1 日颁布实施,用于代替使用11 年之久的MIL-STD-810E,主要对标准的层次以及试验条件、控制方法、试验条件允许偏差要求、试验程序进行了重新修订。英国国防部国防设备环境试验手册DEF STAN00-35[7]于1999 年颁布实施,其对国防设备的声环境试验方法以及实施程序有了更为详细的描述,对各种试验方法的适用范围、试验声谱以及声谱的上下限均给出了明确的规定,特别规定了1/3oct 谱的中心频率上、下限,以及1/3oct 声压级的允许偏差。欧空局的ECSS-E-10-03A 也给出了声试验的要求和准则,在1997 年发布之后参照美军标进行了相应的修订[8]。由此可看出,随着国防技术和航天技术日新月异的发展,各国军用标准都进行了不同程度的修订和完善,以满足新的国防事业的需求。


  2.2 制定国际标准是声试验技术推广应用的需要


  随着航天器研制技术的发展,我国的声试验技术已经非常成熟,并逐渐应用到国内及国际商业合作航天器的地面验证试验中,得到了国际航天领域的认可。但只有在国际标准的推动下,我国的声试验技术才能在国际航天领域得到普遍应用。
  在新的国际政治和经济形势下,标准决定了更多的产业链路径和利益分配,其作用和所处的战略地位更加凸显,已经从企事业的层面上升到了国家高度。世界各国都逐步加大了对标准制定和研究的力度,以此作为加强国际技术、贸易和产业竞争的重要手段。据统计,在世界范围内已经制定的国际标准中,99.8%是由国外牵头制定的。在航天领域,欧美等航天大国长期把持着相关标准的制定权。尽管我国已经成为世界上的航天大国,成功完成了整星商业出口,开展了越来越多的国际合作,但是由中国航天领衔制定的国际标准却很少。与美欧等航天强国相比,我们不仅在国际航天标准数量上仍然落后,而且标准的内容也未实现与国际先进水平的全面接轨。截止2014 年,ISO 空间系统及其应用标准化分技术委员会(以下简称ISO/TC20/SC14)共有国际航天标准230 余项,而由中国航天科技集团公司立项和编制的ISO 标准只有8 项。
  在这个背景下,为了将我国航天声试验的技术成果上升为国际标准,项目组在原有的技术成果和行业标准的基础上,从2012 年年底开始,以“提供一种用于在地面试验室模拟进行空间系统声试验的方法,有效对空间飞行器进行噪声环境的考核,保证飞行器的正常运行”为技术支撑,积极向ISO/TC20/SC14 递交相关的申报材料和参与国际会议的技术讨论,历经近2 年的时间,《空间统——声试验》的新工作项目得到国际标准化组织ISO/TC20/SC14 技术委员会各成员国的广泛支持,以高票被批准为新国际标准项目,于2014 年7 月29 日正式立项(ISO 19924),纳入国际标准计划。


3 声试验技术制定国际标准的过程分析


  3.1 国际标准制定背景


  航天器声试验技术所属航天领域的国际标准化工作由ISO/TC20/SC14 负责,该委员会于1993 年4 月成立于美国华盛顿的美国航空航天协会(AIAA)总部,其秘书国是美国,秘书处设在AIAA。SC14 现有P 成员国为巴西、中国、芬兰、法国、德国、印度、意大利、日本、哈萨克斯兰、俄罗斯、乌克兰、英国、美国13 个国家,O 成员国为阿根廷、比利时、以色列、韩国、波兰、罗马尼亚、斯洛伐克、瑞典8 个国家。SC14 下设7 个工作组(WG),涉及的专业领域非常广泛,包括设计工程、接口综合与试验、运行与地面支持、空间环境、项目管理、材料与工艺、空间碎片。其中WG2 工作组的专业领域包括声试验,主要负责接口、综合与试验,以及试验标准(除材料试验外)。
  通常一项国际标准的制定需要经历3 年以上的时间,有的甚至达到10 年。由于航天领域在国际范围内会涉及一些敏感问题,确定编制新的国际标准需要多方协调,所以在声试验技术国际标准的立项、制定、审议等程序的时间历程会比其他标准更长。为了加速声试验技术国际标准的立项和制定进程,项目组通过不断提升技术能力和扩大协作,使得该项目从提案到立项仅用了一年半时间,立项后积极邀请国外专家进行交流,大大地缩短声试验技术成果形成国际标准的时间。


 3.2 声试验国际标准申报过程


  环境试验是航天器考核的重要项目之一,试验类国际标准制定权的争夺也十分激烈,各国专家对技术内容中的指标和细节关注较高。


  1)提出申报
  按照中国航天科技集团公司“力争主导核心领域国际航天标准”的行动路线,自2012 年年底,项目组开展了国际标准项目的专项策划,研究了大量的国内外文件和标准,开展国际标准新工作项目的培育工作;通过研究分析了现有相关国际标准体系以及ISO 15864 的内容,根据实践经验和试验特点,提出了声试验的新标准项目,并通过国际会议和技术活动,与相应领域的专家进行前期的沟通交流。
  2013 年5 月在俄罗斯莫斯科举办的ISO/TC20/SC14 全体会议上,项目组首次向与会专家介绍了声试验新项目提案和标准草案,声试验技术引起了与会专家的关注和认可,并获得了新工作项目提案的编号NWIP2013001。
  从2013 年5 月起,项目组通过邮件与ISO 的各国专家进行讨论,同时邀请国外专家来中国访问,对标准草案的技术内容进行讨论并交换意见。2013 年10 月,在美国科罗拉多举行的第40 届WG2小组会上,对声试验标准草案第二版本再一次向小组内的专家进行了介绍并汇报进展。
  2014 年起,项目组开展了相关试验来验证标准草案中的一些内容,通过仿真分析来验证混响室内的声场分布,并进行了声传感器位置的验证试验,同时对国外专家的意见进行了回复。


  2)充分利用国际会议收集信息和交流意见
  项目组积极争取到每年参加ISO/TC20/SC14全体会议和WG2 小组会的资格,同时,适时邀请各国专家或受邀参与国外研讨会,在会议上进行技术讨论并实地参观试验现场。通过讨论,充分了解各国专家的意向和意见,特别针对引起质疑的一些主要问题,及时做出针对性的解释,确保各国专家对标准项目提案的肯定。
  通过深入研究各国专家广泛关注的技术难点和问题,项目组又提出并增加了混响室容积比、控制点数、试验容差等内容,并与国外专家达成意见统一,修改标准提案和标准草案。


  3)发起新项目投票并顺利通过
  2014 年4 月在日本举办ISO/TC20/SC14 全体会议后,ISO 标准委员会同意该项目进入投票阶段,于4 月25 日至7 月25 日经过为期3 个月的各成员国投票,12 个成员国中8 个国家同意,6 个国家派专家参与标准制定,顺利通过提案阶段(立项)投票,并发布国际标准新工作项目编号ISO/NP19924。该国际标准项目的批准立项,体现了我国在声试验专业的优势地位。
  该标准项目组建了以中国专家为项目负责人,包括美国、德国、法国、日本、俄罗斯、巴西等国一流专业专家参加的国际团队,将开展为期3 年的航天器声试验深入研究和标准制定,该标准项目将规范国际航天器声试验方法,统一各国标准中不一致的技术环节,指导各国进行声试验,使我国在声试验技术方面引领国际先进水平。


  4)开始标准制定


  2014 年10 月,在法国图卢兹召开的WG2 小组会上,项目组代表中国向SC14 提交了ISO/NP19924《空间系统——声试验》的标准草案,供各国专家讨论、修改和完善;12 月,项目组再次向SC14 秘书处提交了修改后的标准草案。
  同时,项目组协同法国、德国、日本等国外专家和中国运载火箭技术研究院、重庆大学等的国内专家,对标准技术内容进行协同研究,其中,对标准技术内容中极少提及的混响场填充效应进行了研究,策划开展了相应的理论分析和试验验证,这将填补国内外空白,体现国际一流水平。


4 结束语


  ISO 19924《空间系统——声试验》是一项基础类的标准,具有很强的实用性,它的制定、后续的发布和推广将有助于提高国际范围内噪声试验的质量,有效避免试验中各种问题的出现,确保航天器在飞行前在地面经过充分的噪声环境的考核,以保证航天器的正常运行和设备、乘员的安全。
  我国提出了提高国际标准化水平的战略决策,为抢占世界技术发展的制高点、为中国制造走出去提供了通行证。声试验技术要求和试验方法已经得到验证并在相关国家和机构的试验规范中有体现,尽管如此,只有在世界范围内获得统一并得到推广和应用,才能体现出现实意义,做到利益最大化。因此,总结声试验技术制定国际标准(ISO 19924)的经验,探讨中国航天将优势技术成果向国际标准转化的途径,具有十分重要的意义。


  上文选自《航天器环境工程》,如有需要请查阅该期刊。

 

 

(作者:孙威 李天野 向树红 齐燕文)
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