朱煒 張國(guó)斌 陳鳳熹 于龍江

(1 中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京 100071) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

現(xiàn)代漢語(yǔ)大辭典中壽命的定義為“生存的年限，后也比喻存在的期限或使用的期限”。艦船、飛機(jī)、導(dǎo)彈等一般都采用耐久性描述壽命，其定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的使用、貯存與維修條件下，達(dá)到極限狀態(tài)之前，完成規(guī)定功能的能力。極限狀態(tài)是指由于耗損(如疲勞、磨損、腐蝕、變質(zhì)等)使產(chǎn)品從技術(shù)上或從經(jīng)濟(jì)上考慮，都不宜再繼續(xù)使用而必須大修或報(bào)廢的狀態(tài)?！盵1-2]衛(wèi)星不可維修的特點(diǎn)決定了不能直接照搬其他領(lǐng)域耐久性的理論方法，需要針對(duì)衛(wèi)星研制的特點(diǎn)，研究探索壽命工作方法和技術(shù)[3-4]。

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)是我國(guó)民用航天科研工程項(xiàng)目支持的遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)開發(fā)項(xiàng)目，目的是統(tǒng)一后續(xù)應(yīng)用衛(wèi)星平臺(tái)和產(chǎn)品的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)能力和研制能力的大幅提升，滿足后續(xù)“高分”業(yè)務(wù)衛(wèi)星和我國(guó)空間基礎(chǔ)設(shè)施等建設(shè)項(xiàng)目對(duì)遙感衛(wèi)星性能和產(chǎn)能的需求。長(zhǎng)壽命是平臺(tái)能力提升的重要體現(xiàn)，平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命為8年，這對(duì)于之前低軌衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命一般為3～5年有了大幅提升。高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星是我國(guó)首個(gè)低軌8年長(zhǎng)壽命對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。它采用系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，明確活動(dòng)部件、蓄電池、熱控涂層等產(chǎn)品為壽命薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證等一系列工作；但它是在衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)階段工作基本完成后才將壽命指標(biāo)從5年提高到8年的，因此其壽命工作是在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上修改完善，與中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)從立項(xiàng)開始就系統(tǒng)策劃8年壽命工作的方式有所區(qū)別。

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)8年壽命工作，充分借鑒前期“高分”衛(wèi)星壽命工作的成果和經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)策劃、實(shí)施了壽命工作項(xiàng)目。高分多模衛(wèi)星作為采用該平臺(tái)的首顆衛(wèi)星，全面應(yīng)用了平臺(tái)壽命工作成果，為衛(wèi)星8年設(shè)計(jì)壽命指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 壽命工作策劃

1.1 界定壽命工作范圍

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)軌道周期短、在軌設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)，對(duì)關(guān)鍵單機(jī)工作時(shí)間、次數(shù)要求非常高，例如蓄電池充放電循環(huán)次數(shù)48 000次，控制力矩陀螺側(cè)擺141萬(wàn)次，這給單機(jī)壽命設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工作帶來(lái)了很大的難度。平臺(tái)高敏捷機(jī)動(dòng)能力、高定位精度與高成像質(zhì)量支持等，對(duì)壽命末期性能提出了更高的要求?？紤]上述特點(diǎn)和難點(diǎn)，平臺(tái)改變了以往“單機(jī)壽命指標(biāo)等同于平臺(tái)壽命指標(biāo)”、壽命工作主要側(cè)重于單機(jī)壽命試驗(yàn)驗(yàn)證等做法，采用自上向下分析，自下而上驗(yàn)證評(píng)估的方式全面、系統(tǒng)地開展壽命工作。

為提高工作效率，重點(diǎn)針對(duì)影響中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命的產(chǎn)品開展相關(guān)工作，界定了開展壽命工作的系統(tǒng)級(jí)和單機(jī)級(jí)產(chǎn)品范圍，系統(tǒng)級(jí)主要包括電源分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)，單機(jī)級(jí)主要針對(duì)有限壽命單機(jī)[5]，不考慮火工品、純機(jī)械結(jié)構(gòu)、無(wú)活動(dòng)部件的天線類產(chǎn)品、低頻和高頻電纜、管路等。經(jīng)梳理，平臺(tái)有限壽命單機(jī)為51種，分為電子類、機(jī)電類、電池類、機(jī)械類、光電類、熱控組件、推力器類7類。典型有限壽命單機(jī)如表1所示。

表1 典型有限壽命單機(jī)Table 1 Typical life-limited items

1.2 制定工作流程

壽命工作貫穿于中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)各研制階段，如圖1所示。方案設(shè)計(jì)階段，開展壽命設(shè)計(jì)、壽命分析工作，并制定壽命試驗(yàn)方案，確定壽命評(píng)估方法。方案設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)采集主要針對(duì)繼承性產(chǎn)品，可利用已有數(shù)據(jù)對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)估[6]。由于壽命試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，在初樣研制階段可以開展壽命試驗(yàn)，在初樣研制階段后期可針對(duì)壽命試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)開展壽命評(píng)估計(jì)算。高分多模衛(wèi)星正樣研制階段則應(yīng)根據(jù)技術(shù)狀態(tài)更改情況開展壽命工作，并繼續(xù)收集壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，更新壽命評(píng)估計(jì)算結(jié)果，在衛(wèi)星出廠前給出壽命指標(biāo)是否滿足要求的結(jié)論。

圖1 壽命工作流程Fig.1 Lifetime workflow

2 壽命設(shè)計(jì)分析

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)壽命設(shè)計(jì)分析是在可靠性設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建立了平臺(tái)壽命與單機(jī)壽命之間的量化關(guān)系，并重點(diǎn)針對(duì)累積損傷型故障模式開展全面分析，為驗(yàn)證評(píng)價(jià)工作提供依據(jù)。

2.1 壽命建模

為識(shí)別性能退化過(guò)程的影響，為后續(xù)在軌運(yùn)行管理提供支持，針對(duì)不同后果狀態(tài)建立了中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)精細(xì)化壽命模型。

首先，將平臺(tái)狀態(tài)等級(jí)分為任務(wù)正常、任務(wù)降級(jí)和失效3類。

(1)任務(wù)正常：平臺(tái)所有功能、性能均正常，所有技術(shù)指標(biāo)均滿足衛(wèi)星任務(wù)要求，能夠確保整星和有效載荷正常工作，滿足用戶各種使用要求。

(2)任務(wù)降級(jí)：平臺(tái)部分非關(guān)鍵的或有備份的功能喪失(例如對(duì)地測(cè)控和中繼測(cè)控?fù)p失一種)，或者部分性能指標(biāo)產(chǎn)生退化，不能滿足衛(wèi)星常規(guī)使用要求，但可以確保整星不失效、不與地面失去聯(lián)系；有效載荷不能全負(fù)荷滿足全部成像質(zhì)量指標(biāo)要求工作，但仍然能夠降低時(shí)長(zhǎng)工作，或者降低成像質(zhì)量工作，并能夠?qū)⑻綔y(cè)數(shù)據(jù)下傳至地面。

(3)失效：平臺(tái)關(guān)鍵的功能喪失(例如測(cè)控或姿態(tài)控制)，或者性能出現(xiàn)大幅衰退(例如供配電)，從而導(dǎo)致衛(wèi)星無(wú)法生存或無(wú)法支持有效載荷工作。

在此基礎(chǔ)上，分別確定了平臺(tái)任務(wù)正常和任務(wù)降級(jí)的具體判據(jù)，并分析不同后果狀態(tài)下產(chǎn)品的冗余備份關(guān)系，建立了壽命模型。下面以控制分系統(tǒng)為例，說(shuō)明不同后果狀態(tài)壽命模型的差異。在任務(wù)成功狀態(tài)下，平臺(tái)要求具有3軸對(duì)地控制能力、高精度姿態(tài)測(cè)量和控制能力，要求有至少2個(gè)星敏感器、4個(gè)陀螺和4個(gè)控制力矩陀螺及3個(gè)磁力矩器正常工作，如圖2所示。在任務(wù)降級(jí)狀態(tài)下，平臺(tái)要求保持3軸對(duì)地姿態(tài)控制，可以只有1個(gè)星敏感器或紅外地球敏感器，以及3個(gè)陀螺、3個(gè)CMG和2個(gè)磁力矩器正常工作，如圖3所示。

圖3 控制分系統(tǒng)壽命模型(任務(wù)降級(jí))Fig.3 AOCS lifetime model (task degradation)

2.2 壽命指標(biāo)分配

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)壽命指標(biāo)分配是基于壽命模型，將平臺(tái)壽命要求量化分解給有限壽命單機(jī)的過(guò)程[7]。分配給有限壽命單機(jī)的參數(shù)為壽命均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ。其中：σ可依據(jù)單機(jī)成熟度、在軌考核驗(yàn)證經(jīng)歷、繼承性等級(jí)等因素分析確定，對(duì)低軌衛(wèi)星，σ一般取值范圍為0.3～3.0年。

2.3 壽命設(shè)計(jì)復(fù)查

除了抗電離總劑量設(shè)計(jì)、原子氧防護(hù)設(shè)計(jì)、耐太陽(yáng)紫外輻照設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、裕度設(shè)計(jì)、(機(jī)械/熱)疲勞壽命設(shè)計(jì)分析、潤(rùn)滑壽命設(shè)計(jì)、密封壽命設(shè)計(jì)等工作之外，為全面掌握中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)各單機(jī)壽命設(shè)計(jì)情況，還開展了壽命設(shè)計(jì)復(fù)查，重點(diǎn)針對(duì)故障模式分析是否全面，設(shè)計(jì)裕度是否滿足要求，已有數(shù)據(jù)是否能支撐壽命指標(biāo)驗(yàn)證，擬開展的壽命試驗(yàn)是否充分等幾個(gè)方面開展復(fù)查。通過(guò)單機(jī)壽命設(shè)計(jì)復(fù)查工作，暴露了關(guān)于單機(jī)壽命設(shè)計(jì)分析的200多個(gè)問(wèn)題，包括部分器件抗輻照能力不滿足要求、壽命設(shè)計(jì)余量不足、壽命試驗(yàn)方案不合理等。通過(guò)對(duì)暴露的問(wèn)題進(jìn)行閉環(huán)落實(shí)，提高了平臺(tái)壽命設(shè)計(jì)工作的有效性。

注：n為相同產(chǎn)品的個(gè)數(shù)。圖2 控制分系統(tǒng)壽命模型(任務(wù)成功)Fig.2 AOCS lifetime model (task success)

2.4 壽命故障模式分析

壽命故障模式與影響分析(FMEA)是分析產(chǎn)品中每一個(gè)可能的耗損故障模式并確定其對(duì)該產(chǎn)品及上層產(chǎn)品壽命所產(chǎn)生的影響，以及把每一個(gè)故障模式按其影響的嚴(yán)重程度予以分類的一種分析技術(shù)。在傳統(tǒng)FMEA工作的基礎(chǔ)上，分析耗損故障的原因及故障不同累積損傷程度對(duì)中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)后果狀態(tài)的影響，對(duì)不同程度造成的影響分析嚴(yán)酷度及在軌補(bǔ)償措施，例如故障模式為“性能退化”，退化10%導(dǎo)致平臺(tái)任務(wù)降級(jí)，而退化50%可能就會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)任務(wù)失效，這兩種情況應(yīng)分別分析。

通過(guò)開展壽命FMEA工作，梳理出導(dǎo)致中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)壽命終止的故障模式共3個(gè)，如表2所示；導(dǎo)致平臺(tái)任務(wù)降級(jí)的故障模式共10個(gè)，如表3所示。壽命FMEA工作為確定平臺(tái)壽命薄弱環(huán)節(jié)、開展壽命驗(yàn)證等工作提供了依據(jù)。

表2 導(dǎo)致平臺(tái)壽命終止故障模式清單Table 2 List of failure modes caused to Platform end-of-life

表3 導(dǎo)致平臺(tái)任務(wù)降級(jí)故障模式清單Table 3 List of failure modes caused to Platform degradation

3 壽命試驗(yàn)

壽命驗(yàn)證主要包括分析驗(yàn)證、在軌驗(yàn)證和試驗(yàn)驗(yàn)證3種方式。分析驗(yàn)證指根據(jù)故障物理或工程經(jīng)驗(yàn)在一定的分析計(jì)算的基礎(chǔ)上判定產(chǎn)品壽命滿足要求。在軌驗(yàn)證指已在軌應(yīng)用，且應(yīng)用條件和工作時(shí)間都能覆蓋平臺(tái)要求，只適用于繼承性產(chǎn)品。試驗(yàn)驗(yàn)證是最普遍的一種方式，通常，具有耗損故障模式的單機(jī)產(chǎn)品應(yīng)開展壽命試驗(yàn)，例如存在“泄漏”故障模式，則需要開展長(zhǎng)期漏率驗(yàn)證試驗(yàn)。

為保證壽命試驗(yàn)的有效性，提高壽命試驗(yàn)的效率，在壽命試驗(yàn)之前制定壽命試驗(yàn)方案，在分析產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)、可采用的試驗(yàn)方式和試驗(yàn)周期的基礎(chǔ)上，確定試驗(yàn)樣本、試驗(yàn)剖面、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)檢測(cè)方式等。在不改變故障機(jī)理的前提下，可采取加速壽命試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品的壽命，但需要分析確認(rèn)加速因子的合理性[8]。

中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)重點(diǎn)針對(duì)影響平臺(tái)敏捷機(jī)動(dòng)性能的太陽(yáng)電池電路、鋰離子蓄電池組、大量程三浮陀螺、125 N·m·s控制力矩陀螺、高穩(wěn)定度太陽(yáng)翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減隔振裝置6類關(guān)鍵單機(jī)開展了壽命試驗(yàn)，并規(guī)范了試驗(yàn)對(duì)象、試驗(yàn)方式、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)實(shí)施、故障信息確定原則等要求。

4 壽命評(píng)估

考慮衛(wèi)星小子樣特點(diǎn)，應(yīng)充分融合多種來(lái)源的數(shù)據(jù)對(duì)衛(wèi)星壽命進(jìn)行評(píng)估。中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)開展了3輪壽命數(shù)據(jù)采集工作。第1次數(shù)據(jù)采集主要對(duì)各單機(jī)歷史數(shù)據(jù)積累情況進(jìn)行摸底，基于數(shù)據(jù)積累情況研究單機(jī)壽命評(píng)估方法，確保壽命評(píng)估工作的可實(shí)施性。第2次數(shù)據(jù)采集主要采集各單機(jī)壽命與可靠性要求、故障模式、故障判據(jù)，分析故障模式發(fā)生規(guī)律，研究提出單機(jī)壽命評(píng)估模型。第3次數(shù)據(jù)采集是根據(jù)各單機(jī)壽命與可靠性評(píng)估模型，采集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相似產(chǎn)品在軌飛行數(shù)據(jù)。在3次數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上，開展壽命評(píng)估工作。

借鑒GPS衛(wèi)星的經(jīng)驗(yàn)，采用平均壽命估計(jì)(MLE)方法開展衛(wèi)星壽命評(píng)估[9]。在中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)研制工作結(jié)束時(shí)，由于CMG和減隔振裝置壽命試驗(yàn)尚未完成，按當(dāng)時(shí)的數(shù)據(jù)評(píng)估得到平臺(tái)壽命估計(jì)值為7.61年，壽命末期可靠度為0.52。不過(guò)，同時(shí)也給出了CMG和減隔振裝置壽命試驗(yàn)完成后的預(yù)估值，即平臺(tái)壽命8.1年，壽命末期可靠度0.76，可以滿足平臺(tái)的壽命與可靠性指標(biāo)要求。該評(píng)估結(jié)果為高分多模衛(wèi)星出廠評(píng)審提供了依據(jù)。

在壽命評(píng)估的基礎(chǔ)上，開展了中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)有限壽命單機(jī)壽命重要度分析[10]。壽命重要度即單機(jī)壽命變化對(duì)系統(tǒng)壽命的影響，可以用系統(tǒng)壽命θ對(duì)單機(jī)壽命θi(i=1,2,…,m)的偏導(dǎo)數(shù)表征，即Ii=?θ/?θi，其中m為系統(tǒng)中單機(jī)的數(shù)量。壽命重要度分析可以用于支持后續(xù)衛(wèi)星開展設(shè)計(jì)優(yōu)化。如表4所示，影響平臺(tái)壽命的主要單機(jī)有控制力矩陀螺、鋰離子蓄電池、太陽(yáng)電池電路等，可進(jìn)一步在后續(xù)研制工作中加強(qiáng)這些產(chǎn)品的壽命設(shè)計(jì)及驗(yàn)證工作。

表4 平臺(tái)有限壽命單機(jī)壽命重要度分析Table 4 Importance analysis of Platform life-limited items

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在中型敏捷遙感衛(wèi)星公用平臺(tái)壽命工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了衛(wèi)星壽命工作項(xiàng)目及壽命設(shè)計(jì)分析、試驗(yàn)和評(píng)估的方法，為高分多模衛(wèi)星壽命工作提供了管理和技術(shù)手段。在后續(xù)衛(wèi)星研制、應(yīng)用過(guò)程中，還需要結(jié)合在軌飛行數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正壽命模型，完善技術(shù)方法，逐步建立系統(tǒng)、科學(xué)的衛(wèi)星壽命工作規(guī)范。