国家标准 GB/T40537一2021 航天产品裕度设计指南 Guidelinesfordesignmarginofaerospaeeproduets 2021-08-20发布 2022-03-01实施国家市场监督管理总局发布国家标涯花管理委员会国家标准
GB/40537一2021 前言本文件按照GB/T1.1一2020<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、航天标准化研究所本文件主要起草人:韩冬梅、王义元、柳征勇、冯淑红、胡迪科、陈晓强、吕箴、李鹏、张华、施斐、许冬彦
GB/T40537一2021 航天产品裕度设计指南范围本文件提供了航天产品裕度设计的总则、环境裕度设计、结构机构裕度设计,电子电路裕度设计,热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 辐射设计裕度radiationdesignmargin;RDM 产品的抗辐射能力与预示的工作环境辐射剂量之比总则 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综合航天产品的设计、制造、试验、使用、维护等全寿命周期下的约束,兼顾先进性 a b 考虑航天产品不同特性,采用相应的广义裕度设计，一般考虑环境含防热,抗力学,抗辐射,抗电磁干扰等)裕度、强度裕度、驱动裕度,寿命裕度、电子电路裕度、软件设计裕度等重视应力-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,减少强度散布等方法,找出应力与强度最佳匹配考虑极限设计情况,包括各种参数的最坏情况和组合情况 d 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
GB/T40537一2021 4.2程序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; 对特征量的设计值进行分析、验证,明确裕度设计结果， c 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 d 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,裕度设计工作包括自方案阶段起,围绕关键特性参数,开展裕度量化分析工作,并明确裕度的量化要求 a 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环境裕度设计 5 5.1热环境航天产品热环境裕度最高,最低工作温度宜外扩5C~10C 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噪声、随机振动试验量级比最高预示环境高4dB; a 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,确定元器件,原材料的辐射设计裕度,给出的最小RDM宜适中,一般取23. 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; a 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
GB/T40537一2021 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建议取9dB以上若所用的验证方法是根据电 I类磁发射和敏感度特性进行分故障等析估算的,则安全裕度建议增能造成航天产品性能下降,包括任何自主操加6dBB I类建议取6dB以上作能力的丧失建议取0dB以上,以不受正常工作环境的影响来类非基本功能受损验证火工装置建议取20dB以上结构机构裕度设计 6.1结构裕度 6.1.1原则航天产品结构裕度设计原则如下结构强度包络设计;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 a 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) 5 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,避免出现共振合的过大振动响应而导致损坏结构及仪器设备 6.1.2结构安全裕度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最小安全裕度参数按屈服强度计算 0.15 按极限强度计算金属按稳定性计算 0.25 按首层破坏计算 0.25 复合材料结构按承载强度计算 0.25 按稳定性计算 0.30
GB/T40537一2021 6.2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/圈数系数表举例1 举例2 预期使用预期使用类型预期使用次数/圈数系数次数/ 试验次数/圈数次数试验次数圈数圈数预期地面测试使用地面测试 15 15×4=60 10 次数/圈数 10 1~10 10×10=100 10×10=100 ll1000 90×4=360 4×(1000一10)=3960 1500 飞行 100 1001l00000 2×1500-1000)=l000 >100000 1.25 总试验次数分段计算总和 60十100十360=520 10十100十3960十1000=5070 圈数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10. 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 a bb 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; e 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、负载特性开展电路裕度设计,一般包括下述内容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; a 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; 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 c
GB/T40537一2021 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在分析模型未经验证前,产品热不确定余量建议为17笔; a 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l1C; 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笔以上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 d 定余量可以大于上述值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 8.1.2 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 8.1.3 的推荐附加温度余量不参考8.l.1 8.1.4 发动机底部热流条件建议根据分析和地而试验结果考虑一定的安全余量 8.15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辐照剂量D/Gy 0.7 热控涂层最高工作温度T/ T一30 最低工作温度TL/ T十 -30 隔热材料组件最高工作温度T/ T一30 导热填料最高工作温度T/ T一30 最高工作温度T/ T一30 聚酷亚胺薄膜电加热器件最高工作电压u/八N 0.7 9/(w/emi) 最大热流密度" 0,5 最高工作温度T/ Th一50 铠装型电加热器件最高工作电压u/八 0,7 最大热流密度q/w/em' 0.5 最高工作温度T/ T一30 T,+20 铝及铝合金轴向槽道热管最低工作温度T,/c 最大传热能力QL/(wm) 0.
GB/T40537一2021 G 软件裕度设计 g.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,明确输人、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 g.2时序裕度产品软件的工作时序,建议结合具体的被控对象确定各种周期,如采样周期、数据计算处理周期、控制周期自诊断周期、输出输人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米解决,以确保软件的工作时序之间留有足够的余量产晶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可编程器件裕度设计主要考虑资源占用率,时序等,宜考虑如下内容可编程器件的工作频率宜低于设计静态时序值的80% a 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%;输人输出资源占用率原则上不宜超过所有可用输人输出资源的70%，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
GB/T40537一2021 附录 A 资料性) 安全系数设计方法 A.1方法概述结构产品设计使用安全系数设计方法进行裕度设计时,一般需结合验证措施来保证航天产品结 A.1.1 构的可靠性,最常用的验证方法有分析法和试验法 A.1.2明确航天产品结构的设计载荷,用分析法按照各种载荷工况对航天产品结构或部件进行静力和动力分析,获得航天产品结构的应力和位移根据各类材料的强度准则,验证结构的强度 A.1.3用试验法模拟飞行中最严酷的环境,进行静力、动力载荷试验,通过试验方法验证航天产品结构的强度,安全裕度设计载荷和试验载荷 A.2 全面考虑航天产品在整个研制过程的所有载荷工况,包括;航天产品结构在地面操作、发射、轨道或返回环境产生的所有载荷工况如果航天产品结构飞行中具有多种不同构型时,建议分别考虑每种构型下的载荷工况在每种载荷工况中,宜考虑同一时刻作用在航天产品结构上可能有不同包括热)环境引起的各种载荷的合理组合或综合作用效果通常是以飞行载荷作为航天产品结构设计的载荷依据来分析结构的强度在地面操作(停放支承,起吊,翻转,运输等)环境引起的载荷可作为校核航天产品结构强度的补充条件,当地面操作载荷会影响航天产品结构强度时,通常用改善地面操作环境或用地面工装改善航天产品结构的受载情况,以确保航天产品结构的安全在航天产品结构研制中规定了三种载荷:飞行载荷使用载荷,试验载荷和设计载荷飞行载荷是航天产品正常运行时可能经受的最大载荷; aa b) 试验载荷是结构作强度考核的地面试验载荷,它是飞行载荷与试验系数的乘积; 设计载荷是飞行载荷与安全系数的乘积推荐的安全系数 A.3.1航天器的安全系数航天器安全系数取值建议如下航天器按极限强度设计,金属结构安全系数取1.351.5,非金属结构安全系数取1.42.0; aa 结构按屈服强度设计,安全系数取1.25~1.5; b 吊装按极限强度设计,安全系数取2.0; 特殊结构或载荷的安全系数可适当增加,单体蓄电池壳体的安全系数建议取2.5以上,压力容 d 器的安全系数建议取2倍2.5倍,管路结构安全系数建议取4 A.3.2运载火箭的安全系数 A.3.2.1运载火箭结构建议采用的安全系数如表A.1所示
GB/T40537一2021 表A.1运载火箭采用的安全系数结构和材料失效模式设计安全系数内压爆破 1.251.3 屈服 1.0l.1 金属破坏 1.252.0 屈曲 1.4~2.0 屈曲 1.5一2.0 复合材料首层失效/破坏 1.42.0 A.3.2.2对于紧固件、舱段对接处或高载荷作用点等关键部位，一般设计载荷宜额外乘上附加系数通常取1.15~1.25(附加系数建议与原安全系数采用连乘 A.3.2.3特殊结构的安全系数一般可适当增加;贮箱安全系数可取1.4一2轴压),1.25~1.3(纯内压);对于加筋结构安全系数可取1.31.5;发动机导管屈服安全系数建议取1.5以上;气瓶破坏压力安全系数建议取2以上 A.4安全裕度安全裕度是结构设计中评估结构的强度是否满足要求的指标安全裕度采用结构失效载荷与设计载荷之比减1 建议考虑如下情况 a)在考虑材料破坏的强度时,对于金属材料结构件,可参照不同的强度理论,计算其强度安全裕度在考虑材料破坏强度时,对于复合材料结构件,可参照叠层材料首层破坏的强度分析方法,确 b 定最先破坏的单层,然后相似于上述金属材料方式,根据复合材料的不同强度理论,计算强度安全裕度在考虑结构件失稳破坏强度时,失稳临界载荷可按航天器结构静力分析方法或航天产品结构有限元等方法获得对于复合材料结构件,计算方法与金属材料结构件相同,但在计算失稳临界载荷中,建议考虑采用复合材料所特有的刚度计算方法

航天产品裕度设计指南GB/T40537-2021解读

航天产品的裕度设计是保障其可靠性和安全性的重要手段之一。而针对航天产品的裕度设计，国家标准化委员会于2021年5月发布了新版的《航天产品裕度设计指南GB/T40537-2021》标准。

该标准涵盖了航天器、卫星、火箭、推进剂和推进系统等航天产品的裕度设计内容，并详细阐述了相关技术规范和要求。

航天产品裕度设计原则

在进行航天产品的裕度设计时，需要遵循以下几个原则：

根据具体情况确定裕度系数；
充分考虑不确定因素对裕度系数的影响；
保证裕度系数的可靠性和有效性；
根据裕度系数确定产品的合理参数。

航天产品裕度设计内容

航天产品的裕度设计主要包括以下内容：

飞行器结构裕度设计；
飞行器热环境裕度设计；
飞行器电子设备裕度设计；
飞行器推进系统裕度设计；
飞行器其他重要部件（如降落伞等）裕度设计。

航天产品裕度设计方法

在进行航天产品的裕度设计时，需要使用一定的裕度设计方法。常见的裕度设计方法包括：

统计分析法；
有限元分析法；
可靠性分析法；
试验验证法。

航天产品裕度设计标准化

通过制定与发布《航天产品裕度设计指南GB/T40537-2021》标准，可以将航天产品的裕度设计规范化、标准化，提高其可靠性和安全性。

同时，该标准为航天产品的研发、设计、生产和测试等环节提供了一套全面的裕度设计规范，为航天事业的发展注入新的动力。

结论

《航天产品裕度设计指南GB/T40537-2021》标准的发布，对于我国航天事业的长远发展具有重要意义。我们应当在实践中运用该标准，不断提升我国航天产品的质量和可靠性。