李新立 姜水清 劉賓

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

壓緊釋放裝置是為航天器部件提供壓緊約束并按指令解除約束的裝置，其可靠性尤其是釋放可靠性，往往是影響整個(gè)航天器可靠性的重要因素之一［1］。若壓緊釋放裝置不能實(shí)現(xiàn)正常的釋放功能，將給整個(gè)航天器帶來非常嚴(yán)重的影響。因此，壓緊釋放裝置釋放可靠性驗(yàn)證問題一直是航天器研制過程中關(guān)注的重點(diǎn)之一。

目前，航天器常用的壓緊釋放裝置多由火工致動(dòng)，對(duì)于這類壓緊釋放裝置的可靠性驗(yàn)證方法，文獻(xiàn)［2-3］進(jìn)行了專門的論述。本文所提到的熱刀式壓緊釋放裝置，是近年出現(xiàn)的一種低沖擊、無污染的非火工壓緊釋放裝置［4-5］。與火工壓緊釋放裝置一樣，熱刀式壓緊釋放裝置的釋放也是航天器在軌一次性動(dòng)作，其結(jié)果或者是“成功”或者是“失敗”。如果仍按照成敗型二項(xiàng)分布評(píng)估方法來制定熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性評(píng)估方案，不僅需要大量的試驗(yàn)樣本，而且試驗(yàn)周期和試驗(yàn)費(fèi)用也是令人難以接受的。考慮到熱刀式壓緊釋放裝置的核心元件——“熱刀”可以在地面測(cè)試時(shí)反復(fù)使用多次，如何利用“熱刀”可以“重復(fù)使用若干次”這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)壓緊釋放裝置制定合理有效的釋放可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及評(píng)估方法值得探討，這對(duì)于縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約試驗(yàn)費(fèi)用具有重要意義。本文將對(duì)熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性驗(yàn)證及評(píng)估方法進(jìn)行探討，為開展可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)提供一種技術(shù)途徑。

2 產(chǎn)品功能、工作原理及可靠性特征量

熱刀式壓緊釋放裝置主要由熱刀（釋放動(dòng)力源）、承載單元（繩索）、拉桿、螺母、防逃帽、連接件、壓緊座等組成，具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 熱刀式壓緊釋放裝置組成示意圖Fig．1 Hold-down and release mechanism actuated by thermal knife

熱刀式壓緊釋放裝置主要功能是：在航天器發(fā)射時(shí)，通過繩索將航天器附件收攏固定在航天器本體上，使附件可以承受較大載荷而不損壞，并滿足系統(tǒng)收攏狀態(tài)的剛度要求；航天器入軌后，通過熱刀解除附件約束，使其可以正常運(yùn)動(dòng)。

熱刀式壓緊釋放裝置工作原理如下：在航天器地面運(yùn)輸和動(dòng)力飛行時(shí)，由拉桿和承載單元（繩索）的串聯(lián)體通過連接件將航天器附件（如太陽翼、展開天線等）牢固地連接在航天器本體上，使其能夠承受地面運(yùn)輸、航天器發(fā)射時(shí)的載荷環(huán)境；入軌后根據(jù)指令給熱刀加電，加電后熱刀產(chǎn)生的高溫將繩索熔化（或碳化）并最終斷裂，從而解除對(duì)航天器附件的約束。

基于上述對(duì)熱刀式壓緊釋放裝置的功能及工作模式的描述，其能否對(duì)被壓緊的航天器附件成功釋放，主要取決于其核心元件“熱刀”能否可靠工作。因此，熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性R可近似認(rèn)為是“熱刀”工作的可靠性。由于“熱刀”本身能夠反復(fù)使用多次，而在軌工作只需動(dòng)作一次，因此，壓緊釋放裝置的釋放可靠性可以定義為：在規(guī)定的時(shí)間和條件下，“熱刀”能夠完成一次及一次以上規(guī)定動(dòng)作的概率，即釋放可靠性可表示為

式中：N為“熱刀”可使用次數(shù)（即“熱刀”使用壽命），為非負(fù)整數(shù)。

因此，熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性特征量可確定為“熱刀”可使用次數(shù)?！盁岬丁钡氖褂么螖?shù)定義如下：將“熱刀”通電加熱到能夠“割斷”壓緊釋放裝置承載單元所需要的額定溫度并保持一定的時(shí)間，即“熱刀”完成了一次使用。

3 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及評(píng)估方法

可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的目的是，為了考核產(chǎn)品在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率是否滿足可靠性指標(biāo)要求。因此，試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)與產(chǎn)品的功能及工作模式相對(duì)應(yīng)，具體反映在試驗(yàn)方法的選擇、試驗(yàn)件狀態(tài)及試驗(yàn)條件、試驗(yàn)程序、故障判據(jù)的確定及可靠性評(píng)估方法（試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理）等幾個(gè)主要方面。

3．1 試驗(yàn)方法的選擇

可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法的選擇與試驗(yàn)費(fèi)用和周期是密切相關(guān)的，甚至影響到試驗(yàn)的可行性。試驗(yàn)方法的選擇，需遵循既能夠真實(shí)有效驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性，又能節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用和節(jié)省試驗(yàn)周期的基本原則。熱刀式壓緊釋放裝置為在軌一次性動(dòng)作的航天器機(jī)構(gòu)，若按“成敗型”可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法對(duì)其進(jìn)行釋放可靠性評(píng)估，則無論試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)還是試驗(yàn)周期都難以為工程所接受。由于可將“熱刀”的使用次數(shù)確定為該型壓緊釋放裝置釋放可靠性特征量，因此，其釋放可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)可采用“計(jì)量型”試驗(yàn)方法，這樣試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)將大為減少，試驗(yàn)周期亦會(huì)明顯縮短，同樣能夠達(dá)到壓緊釋放裝置釋放可靠性的驗(yàn)證目的。即，在熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)中，按照規(guī)定的試驗(yàn)程序、試驗(yàn)條件及故障判據(jù)，獲取若干“熱刀”試驗(yàn)件的可靠性特征量（“熱刀”可使用次數(shù)）的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通過合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法來評(píng)估釋放可靠性。

3．2 概率分布假設(shè)

對(duì)“熱刀”使用次數(shù)N進(jìn)行合理的概率分布假設(shè)是有效進(jìn)行可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)?？紤]到“熱刀”使用次數(shù)N為非負(fù)整數(shù)離散型隨機(jī)變量，且根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)于一批性能穩(wěn)定合格的“熱刀”產(chǎn)品，“熱刀”的使用次數(shù)應(yīng)通常集中在某一數(shù)值附近，使用次數(shù)遠(yuǎn)離該數(shù)值（過小或過大）的“熱刀”產(chǎn)品數(shù)量應(yīng)較少，即“熱刀”使用次數(shù)N出現(xiàn)的概率P｛N＝k｝先隨著k的增大而增加，當(dāng)k增大到一定范圍時(shí)，相應(yīng)的概率便急劇下降，而這與泊松分布相吻合。因此，本文假設(shè)“熱刀”的使用次數(shù)服從泊松分布［6］，即

式中：pk為熱刀使用次數(shù)k的概率；λ為泊松分布參數(shù)，反映了產(chǎn)品的平均使用次數(shù)。

3．3 試驗(yàn)件狀態(tài)及試驗(yàn)條件

可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)件狀態(tài)及試驗(yàn)條件是試驗(yàn)有效性的重要保證，明確試驗(yàn)件的狀態(tài)及試驗(yàn)條件，是制定可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方案的重要內(nèi)容，所選取的試驗(yàn)件應(yīng)與用于實(shí)際航天飛行任務(wù)的產(chǎn)品狀態(tài)一致，試驗(yàn)條件應(yīng)盡可能模擬產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用時(shí)所經(jīng)歷的發(fā)射環(huán)境及在軌空間環(huán)境。

（1）試驗(yàn)件狀態(tài)：試驗(yàn)件應(yīng)從同一批并經(jīng)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品中隨機(jī)抽取，并在可靠性試驗(yàn)前經(jīng)過振動(dòng)力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，以模擬產(chǎn)品經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射段力學(xué)環(huán)境后的狀態(tài)。

（2）試驗(yàn)條件：“熱刀”產(chǎn)品在軌工作時(shí)，需要經(jīng)歷空間真空環(huán)境以及可能的高低溫環(huán)境。由于“熱刀”在大氣與真空環(huán)境下的使用壽命往往差別很大，因此在地面進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)須模擬空間真空環(huán)境。另外，空間高低溫環(huán)境對(duì)“熱刀”完成釋放動(dòng)作所需要的時(shí)間具有一定影響，空間環(huán)境溫度越低，“熱刀”加熱到釋放溫度所需要的時(shí)間越長，“熱刀”的使用壽命也會(huì)減少，從而影響“熱刀”工作的可靠性。因此，為保證試驗(yàn)結(jié)果的可信度，“熱刀”可靠性試驗(yàn)條件須能夠包絡(luò)“熱刀”真實(shí)使用環(huán)境條件，即“熱刀”工作的空間真空環(huán)境和預(yù)示的極限低溫環(huán)境。

3．4 試驗(yàn)程序

可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)程序需要綜合考慮產(chǎn)品的任務(wù)剖面：首先按照3．3 節(jié)的方法選取n個(gè)“熱刀”試驗(yàn)件，并將試驗(yàn)件在可靠性試驗(yàn)前完成力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。然后，在低溫真空環(huán)境下對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行使用次數(shù)測(cè)試試驗(yàn)，獲得n個(gè)試驗(yàn)件的使用次數(shù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…n）。

3．5 故障判據(jù)

確定合理的試驗(yàn)故障判據(jù)，是保證試驗(yàn)結(jié)果有效性的關(guān)鍵?！盁岬丁贬尫趴煽啃栽囼?yàn)故障判據(jù)如下：若試驗(yàn)過程中，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)“熱刀”加電升溫不能達(dá)到壓緊釋放裝置承載單元所需要的釋放溫度，則判斷為“熱刀”失效，其使用次數(shù)為失效前正常反復(fù)加電升溫次數(shù)。

3．6 可靠性評(píng)估方法

若式（2）中泊松分布參數(shù)λ已知，則由式（1）可知“熱刀”在軌工作的可靠性為

而通常情況下，泊松分布參數(shù)λ是未知的，若對(duì)可靠性R進(jìn)行評(píng)估，需要選取一定數(shù)量試驗(yàn)樣本，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)參數(shù)λ進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而通過公式（3）獲取R的評(píng)估結(jié)果。

已知在“熱刀”可靠性試驗(yàn)中利用n個(gè)熱刀試驗(yàn)件獲得n個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…，n）。

首先，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…，n）的總和記為T，即

然后，根據(jù)所獲取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于給定的置信度1-α，參數(shù)λ的單側(cè)置信下限［7］

式中：χ2α（2T）表示自由度為2T的χ2分布的α分位數(shù)，可通過查表獲得［8］。

最后，將根據(jù)式（5）求得的泊松參數(shù)的置信下限λL替代式（3）中的λ，可求得“熱刀”工作的可靠性（即壓緊釋放裝置的釋放可靠性）置信下限。

根據(jù)上文給出的熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估的一般方法，可對(duì)某具體熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性驗(yàn)證，設(shè)計(jì)專門的試驗(yàn)驗(yàn)證方案。

4 示例

某低軌道航天器太陽翼單個(gè)熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性指標(biāo)為R＝0．999 5，要求按置信度γ＝0．9進(jìn)行評(píng)估。已知該航天器所在軌道真空度為1．3×10-3Pa，所預(yù)示的太陽翼釋放時(shí)刻空間環(huán)境最低溫度為-20 ℃。要求“熱刀”從通電加熱到釋放整個(gè)過程時(shí)間不大于60s。

依據(jù)上述條件，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案如下：

①試驗(yàn)?zāi)康模涸u(píng)估某太陽翼熱刀式壓緊釋放裝置在軌工作的釋放可靠性。②試驗(yàn)對(duì)象：該太陽翼熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性取決于核心元件“熱刀”工作可靠性，試驗(yàn)對(duì)象確定為壓緊釋放裝置的核心元件——“熱刀”。③試驗(yàn)測(cè)試的可靠性特征量：“熱刀”使用次數(shù)。④試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)：試驗(yàn)測(cè)試的參數(shù)為“熱刀”加電60s后的溫度。⑤試驗(yàn)故障判據(jù)：已知“熱刀”加電后溫度升高到800 ℃可確保釋放，若試驗(yàn)中“熱刀”加電60s后溫度低于800 ℃即可判斷“熱刀”失效。⑥試驗(yàn)件狀態(tài)：與在軌飛行應(yīng)用的“熱刀”為同一批次的合格產(chǎn)品，并已完成力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。⑦試驗(yàn)件數(shù)量：10件。⑧試驗(yàn)環(huán)境條件：低溫-20 ℃；真空度：≤1．3×10-3Pa。⑨試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法：基于試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)服從泊松分布，按本文3．6節(jié)的可靠性評(píng)估方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

已知利用測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（4）計(jì)算得到

對(duì)于給定的置信度γ＝0．9和試驗(yàn)樣本數(shù)量n＝10，從χ2分布表［8］中查到

根據(jù)公式（5）計(jì)算得到泊松分布參數(shù)λ的單側(cè)置信下限

將計(jì)算得到的參數(shù)λ的單側(cè)置信下限λL代入公式（3），可獲得該批次“熱刀”產(chǎn)品完成壓緊釋放裝置釋放的可靠性為

從而驗(yàn)證了該批“熱刀”的釋放可靠性滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

本文對(duì)不同于一般成敗型火工壓緊釋放裝置的熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估方法進(jìn)行了探討，將對(duì)熱刀式壓緊釋放裝置在軌一次性動(dòng)作的釋放可靠性考核，轉(zhuǎn)化為對(duì)該型壓緊釋放裝置核心元件“熱刀”可使用次數(shù)不少于1次的可靠性考核。通過轉(zhuǎn)化，將“熱刀”可使用次數(shù)作為可靠性特征量，并基于“熱刀”可使用次數(shù)服從泊松分布基本假設(shè)以及計(jì)量型產(chǎn)品可靠性評(píng)估的基本方法，可以采用較少的試驗(yàn)樣本、較短的試驗(yàn)周期完成對(duì)熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性的評(píng)估。

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