目標(biāo)飛行器紅外地球敏感器壽命分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

閆 峰,王舒雁,黃明寶,于文考

(北京控制工程研究所,北京100190)

目標(biāo)飛行器紅外地球敏感器壽命分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

閆 峰,王舒雁,黃明寶,于文考

(北京控制工程研究所,北京100190)

針對紅外地球敏感器受其壽命影響未能進(jìn)行壽命驗(yàn)證，通過進(jìn)行可靠性分析，確定了薄弱環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了壽命試驗(yàn)，開展了地面試驗(yàn)驗(yàn)證.壽命試驗(yàn)采取實(shí)時壽命試驗(yàn)和進(jìn)程加速壽命試驗(yàn)相結(jié)合的方法，模擬在軌工作環(huán)境，考核產(chǎn)品的實(shí)際工作壽命，對極端工況下(壽命末期產(chǎn)品密封功能失效)試驗(yàn)件的運(yùn)轉(zhuǎn)性能及失效模式進(jìn)行摸底.分析了壽命試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)和極端工況下試驗(yàn)件軸系運(yùn)轉(zhuǎn)測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)件工作正常，已運(yùn)行在穩(wěn)定工作期.由可靠性分析和壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：目標(biāo)飛行器紅外地球敏感器實(shí)際壽命相對3年壽命要求有較大的裕量，壽命試驗(yàn)的開展可以進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)品實(shí)際壽命.

紅外地球敏感器；壽命分析；壽命試驗(yàn)；極端工況；試驗(yàn)驗(yàn)證

紅外地球敏感器(IRES,infrared earth sensor)是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)重要的姿態(tài)測量設(shè)備,廣泛應(yīng)用于各類衛(wèi)星以及飛船.其原理是通過電機(jī)驅(qū)動的圓錐掃描視場,利用熱敏探測器,敏感地球地平和太空間的紅外輻射差并對所獲取的信息進(jìn)行處理,得到地入角和地球弦寬信息,經(jīng)計(jì)算后直接輸出航天器本體坐標(biāo)系中當(dāng)?shù)卮咕€的方位,即俯仰和滾動姿態(tài)角.目標(biāo)飛行器IRES采用聚酰亞胺多孔儲油保持器自潤滑軸承,結(jié)構(gòu)整體密封,在神舟一號到神舟七號飛船共使用了25件產(chǎn)品,技術(shù)指標(biāo)滿足任務(wù)要求.但要滿足目標(biāo)飛行器3年以及未來中低軌衛(wèi)星5～8年的壽命要求,需要進(jìn)行壽命分析和壽命試驗(yàn),驗(yàn)證產(chǎn)品壽命.為此設(shè)計(jì)了IRES長壽命試驗(yàn),開展了長壽命驗(yàn)證與評估工作,本文介紹了IRES產(chǎn)品的壽命分析、試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及驗(yàn)證情況.

1 產(chǎn)品組成及可靠性分析

目標(biāo)飛行器IRES由鍺窗口、旋轉(zhuǎn)視線掃描系統(tǒng)、光柵編碼系統(tǒng)、紅外探測器、偏置與前置放大電路、時鐘電路、電機(jī)控制電路等部分組成.產(chǎn)品的主要失效原因可以歸納為3類部組件的失效,包括電子元器件失效,光學(xué)組件失效和掃描軸系失效.所以產(chǎn)品的可靠性分析基于此3個方面進(jìn)行.

1.1 電子元器件可靠性分析

電子元器件的可靠性分為固有可靠性和使用可靠性.IRES使用的元器件均為優(yōu)選目錄內(nèi)宇航級元器件,經(jīng)過了可靠性篩選,元器件的使用滿足Ⅰ級降額要求,單元電路均為經(jīng)過飛行試驗(yàn)考核過的成熟電路,所以IRES電子元器件的主要失效模式屬于偶然性失效.

1.2 光學(xué)件可靠性分析

IRES光學(xué)系統(tǒng)包括:鍺窗口、掃描反射鏡、紅外探測器、光柵角度傳感器以及太陽保護(hù)探頭等,光學(xué)件失效主要是在力學(xué)環(huán)境下破裂而失效,這種失效可能發(fā)生在火箭起飛和船箭分離過程中,在設(shè)計(jì)時考慮了一定的裕量,并在產(chǎn)品驗(yàn)收級和鑒定級試驗(yàn)中開展力學(xué)試驗(yàn),同類產(chǎn)品經(jīng)過了二十幾次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證.

1.3 掃描軸系可靠性分析

軸承是IRES掃描系統(tǒng)的關(guān)鍵部分,作用是支承掃描軸傳遞掃描驅(qū)動力矩,軸承的疲勞壽命和軸承潤滑狀況是影響軸承可靠性的重要因素,所以掃描軸系失效模式主要為軸承本身的疲勞失效以及產(chǎn)品內(nèi)氣體泄漏引起潤滑油揮發(fā)導(dǎo)致的潤滑失效.

1.3.1 軸承的疲勞壽命分析

IRES掃描軸系的特點(diǎn)是低轉(zhuǎn)速、低載荷、旋轉(zhuǎn)精度及平穩(wěn)性要求較高,因此采用一對單排徑向角接觸滾動軸承,背-背安裝.滾動軸承的實(shí)際壽命,一般認(rèn)為服從威布爾(Weibull)分布,疲勞壽命的計(jì)算公式是［1］:

式中:Lh-軸承的正常工作時間(h)

α-可靠度壽命修正系數(shù)

C-軸承額定動載荷(N)

P-軸承工作載荷(N)

n-軸承轉(zhuǎn)速(r/min)

IRES所使用的軸承額定動載荷為2.4×103N；極限轉(zhuǎn)速為20400 r/m in；在實(shí)際使用中,軸承工作載荷為軸向預(yù)載50N；轉(zhuǎn)速為60 r/m in；如果軸承可靠度為0.99,則可靠度壽命修正系數(shù)［1］取0.21,把以上數(shù)據(jù)代入式(1)得:

軸承疲勞壽命可以滿足產(chǎn)品的長壽命要求.

1.3.2 軸承潤滑狀況分析

由于IRES的工作環(huán)境為空間環(huán)境,所以潤滑油和產(chǎn)品的密封性能是決定軸承潤滑狀況的主要因素.在目前的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)中,油潤滑仍然是應(yīng)用最廣泛的.油潤滑的作用是在摩擦副表面應(yīng)用潤滑油,使得表面之間形成具有法向承載能力而剪切強(qiáng)度低的潤滑油膜,可以獲得低而穩(wěn)定的摩擦因數(shù),顯著減小摩擦阻力和降低材料磨損,保證相對運(yùn)動的部件長期穩(wěn)定工作［2］.IRES軸承潤滑方式為多孔聚酰亞胺保持器儲油自潤滑,含油率大于20%,軸承潤滑油為合成烴潤滑油.該種油品特點(diǎn)是:具有良好的潤滑性能、熱氧化穩(wěn)定性、剪切穩(wěn)定性、粘溫特性、低的飽和蒸氣壓、一定的耐輻照性能、對紅外光學(xué)系統(tǒng)污染較小.油品的良好性能為軸承的潤滑提供了最為重要的保證.

產(chǎn)品良好的密封保證了軸承潤滑的長壽命, IRES密封設(shè)計(jì)采用O型圈密封.根據(jù)氣體漏率計(jì)算公式［3］,假設(shè)產(chǎn)品內(nèi)充氣體在泄漏全過程中溫度不變,漏率恒定,則:

式中:Q-氣體漏率(Pa·L/s)

pt-初始?xì)怏w壓強(qiáng)(Pa)

p-末端氣體壓強(qiáng)(Pa)

V-容器體積(L)

t-泄漏時間(s)

IRES內(nèi)充120kPa氮?dú)夂秃獾幕旌蠚怏w；末端壓強(qiáng)為產(chǎn)品工作環(huán)境(近地軌道)大氣壓強(qiáng),為了便于計(jì)算近似取0；產(chǎn)品經(jīng)氦質(zhì)譜檢漏儀測定的漏率不大于2×10-4Pa·L/s；產(chǎn)品容積約為2.35 L,按填充系數(shù)為0.5估計(jì),則產(chǎn)品有效容積約1.18 L.將以上數(shù)據(jù)代入式(2)得:

產(chǎn)品內(nèi)氣體的泄漏是一個復(fù)雜的過程,漏率與容器內(nèi)外壓差成正比,計(jì)算時所選漏率 2×10-4Pa·L/s是在產(chǎn)品內(nèi)外壓差最大的情況下測得的,實(shí)際漏率會隨壓差的減小而降低,所以由公式計(jì)算出的泄漏時間是相當(dāng)保守的,可以作為產(chǎn)品密封性能的估計(jì).

通過對軸承疲勞壽命和密封性能的分析, IRES掃描軸系的可靠性可以滿足整機(jī)長壽命對可靠性的要求.對于油潤滑長壽命航天器機(jī)構(gòu),美國通常將滾動軸承作為壽命試驗(yàn)考核的重點(diǎn)［4］,所以軸承的可靠性是IRES長壽命試驗(yàn)考核的一項(xiàng)重要內(nèi)容.

2 壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

油潤滑長壽命航天器機(jī)構(gòu)的失效模式較為復(fù)雜,開展有效的加速壽命試驗(yàn)比較困難,工程上多數(shù)還依據(jù)1:1的“任務(wù)時間考核驗(yàn)證試驗(yàn)”結(jié)果來定性評價航天器機(jī)構(gòu)油潤滑軸承的壽命［4］,所以IRES壽命試驗(yàn)采用1:1的整機(jī)壽命試驗(yàn),以驗(yàn)證產(chǎn)品滿足目標(biāo)飛行器3年壽命要求的能力；同時為了縮短試驗(yàn)時間,掌握產(chǎn)品實(shí)際壽命能力,采取進(jìn)程加速的方法,在試驗(yàn)開始時模擬產(chǎn)品在軌長期工作密封失效的極端工況,去除試驗(yàn)件密封措施開展極端工況壽命試驗(yàn).

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過真空條件下1:1整機(jī)壽命試驗(yàn)和極端工況壽命試驗(yàn),對整機(jī)進(jìn)行考核,重點(diǎn)考核產(chǎn)品軸系的工作情況；觀察產(chǎn)品密封情況的變化及其對產(chǎn)品性能的影響,驗(yàn)證產(chǎn)品壽命,同時考察產(chǎn)品的最終失效模式及積累相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù),為進(jìn)一步改進(jìn)IRES設(shè)計(jì),提高產(chǎn)品可靠性,提供依據(jù).

2.2 試驗(yàn)件狀態(tài)

為了真實(shí)的驗(yàn)證IRES在軌壽命,選取4件整機(jī)試驗(yàn)件進(jìn)行1:1壽命試驗(yàn),1件整機(jī)進(jìn)行極端工況壽命試驗(yàn).試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)與正樣產(chǎn)品一致,按照正樣要求進(jìn)行生產(chǎn)加工,組裝成整機(jī),經(jīng)過測試,達(dá)到正樣產(chǎn)品性能指標(biāo)要求,通過正樣產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)條件的考核.

為了考核產(chǎn)品的密封性能,需要在長壽命試驗(yàn)過程中實(shí)時監(jiān)視IRES內(nèi)的氣壓變化,方法是在試驗(yàn)件上安裝基于壓阻原理的半導(dǎo)體壓力傳感器.壓力傳感器測量范圍0～150kPa；測量精度:優(yōu)于 ±0.5% (10kPa～150kPa),優(yōu)于±1%(0Pa～10kPa)；穩(wěn)定度:不大于0.25%/年.為了提高傳感器的可靠性,每件試驗(yàn)件上安裝兩路壓力傳感器,互為備份.

2.3 試驗(yàn)條件

2.3.1 真空條件的選取

IRES內(nèi)充120kPa氮?dú)夂秃獾幕旌蠚怏w,大氣壓強(qiáng)約為100kPa,產(chǎn)品安裝在目標(biāo)飛行器上,工作在距離地面約300km的軌道高度,軌道壓強(qiáng)約為1.86×10-5Pa［3］,產(chǎn)品驗(yàn)收級熱真空試驗(yàn)壓強(qiáng)為不大于1.3×10-3Pa.根據(jù)真空區(qū)域的劃分［5］:

IRES產(chǎn)品內(nèi)充氣體在軌泄漏過程:初始壓力(120kPa)→低真空→高真空→軌道大氣壓力.氣體流動的物理特性取決于分子碰撞的平均自由程與泄漏通道特征尺寸間的關(guān)系,可以分為分子流和粘滯流,分子流和粘滯流的劃分［3］:

式中,p-容器壓力,d-泄漏通道幾何尺寸.

在IRES內(nèi)充氣體壓力較高情況下,泄漏氣體的流動主要是粘滯流,此時低真空條件可以滿足試驗(yàn)環(huán)境要求；在內(nèi)充氣體壓力低的情況下,泄漏氣體的流動主要是分子流,此時高真空環(huán)境才能滿足試驗(yàn)環(huán)境要求.為了降低試驗(yàn)成本,根據(jù)氣體分子流和粘滯流的劃分,將本次壽命試驗(yàn)分為:低真空壽命試驗(yàn)階段和高真空壽命試驗(yàn)階段.低真空壽命試驗(yàn)階段選取試驗(yàn)壓力為10Pa；當(dāng)試驗(yàn)中壓力傳感器指示產(chǎn)品內(nèi)部壓力降為100Pa左右時,試驗(yàn)轉(zhuǎn)為高真空壽命試驗(yàn)階段,選取產(chǎn)品驗(yàn)收級熱真空條件:不大于1.3×10-3Pa,作為試驗(yàn)壓力.

2.3.2 試驗(yàn)溫度

IRES安裝在飛船外艙壁,在軌有主動溫控措施.通過分析神舟二號到神舟六號飛船上使用的IRES在軌溫度數(shù)據(jù),產(chǎn)品最低溫度0.407℃,最高溫度18.694℃,在軌大部分時間溫度在10℃附近,接近常溫,所以本次長壽命試驗(yàn)環(huán)境溫度確定為常溫.

2.4 試驗(yàn)設(shè)備組成

IRES壽命試驗(yàn)設(shè)備由長壽命試驗(yàn)真空設(shè)備、壓力測量裝置和試驗(yàn)件測試設(shè)備組成,試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備組成如圖1所示.

圖1 長壽試驗(yàn)試驗(yàn)件及試驗(yàn)設(shè)備組成示意圖Fig.1 Sketch of lifetime test sample and equipment

長壽命真空設(shè)備可以模擬在軌真空條件,負(fù)載情況下真空度可以達(dá)到5×10-5Pa；壓力測量裝置可以實(shí)時檢測IRES內(nèi)部壓力；試驗(yàn)件測試設(shè)備可以完成試驗(yàn)件供電、測試和數(shù)據(jù)采集.

2.5 測試項(xiàng)目

IRES長壽命試驗(yàn)測試項(xiàng)目包括了試驗(yàn)件的主要性能指標(biāo)、故障判別監(jiān)測項(xiàng)目和試驗(yàn)設(shè)備的性能參數(shù),測試項(xiàng)目及指標(biāo)范圍見表1.

表1 IRES長壽命試驗(yàn)測試項(xiàng)目及指標(biāo)范圍Tab.1 IRES lifetime test items and specification

其中,前置直流電位、光柵消隱幅值和光柵基準(zhǔn)幅值表征了試驗(yàn)件的性能指標(biāo)；光柵基準(zhǔn)周期、電機(jī)電流遙測信號和壓力傳感器壓力值直接反映了產(chǎn)品的運(yùn)轉(zhuǎn)性能和密封性能；電源狀態(tài)和真空度則表明了試驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài).

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

目標(biāo)飛行器IRES產(chǎn)品1:1壽命試驗(yàn)于2010年5月20日正式開始,截止2011年6月30日,已連續(xù)正常運(yùn)行約9780h,試驗(yàn)件工作正常；極端工況壽命試驗(yàn)于2011年1月27日正式開始,截止2011年6月30日,已連續(xù)正常運(yùn)行約3650h,試驗(yàn)件工作正常.壽命試驗(yàn)運(yùn)行配置見圖2.

圖2 IRES長壽命試驗(yàn)運(yùn)行配置Fig.2 Configuration of lifetime test

3.1 試驗(yàn)件密封性能數(shù)據(jù)分析

長壽命試驗(yàn)過程中通過壓力傳感器實(shí)時監(jiān)視IRES內(nèi)的壓力變化,評估產(chǎn)品的密封性能,每件試驗(yàn)件安裝2路壓力傳感器互為備份,將兩路傳感器輸出數(shù)值取平均,則分別得到A-F、A-G、B-F、B-G 4件試驗(yàn)件內(nèi)壓力變化曲線如圖3所示.

從圖3可以看出,試驗(yàn)件內(nèi)壓力隨壽命試驗(yàn)的進(jìn)行有下降趨勢,但泄漏過程非常緩慢,與2.3.2節(jié)理論分析的基本一致.由于試驗(yàn)中試驗(yàn)件需要安裝壓力傳感器,產(chǎn)品泄露點(diǎn)由原來的4個增加到7個,所以完全由產(chǎn)品(4個泄漏點(diǎn))產(chǎn)生的泄漏量要小于試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),產(chǎn)品的密封性能可以滿足長壽命要求.

3.2 試驗(yàn)件軸系運(yùn)轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)分析

IRES軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)是由無刷直流永磁電機(jī)驅(qū)動的.在額定轉(zhuǎn)速下,電機(jī)工作電流的變化直接反映了電機(jī)負(fù)載特性即軸系運(yùn)轉(zhuǎn)性能的變化.鑒于直接測量電流值較困難,采用流壓轉(zhuǎn)化的方法,利用采樣電阻得到工作電流對應(yīng)的電機(jī)電流遙測信號(電壓值),可以更好地體現(xiàn)軸系運(yùn)轉(zhuǎn)性能隨時間的變化特性.A-F、A-G、B-F、B-G 4件試驗(yàn)件電機(jī)電流遙測信號變化曲線如圖4.

圖3 IRES長壽命試驗(yàn)件壓力變化曲線Fig.3 Curve of pressure for IRES lifetime test sample

圖4 IRES長壽命試驗(yàn)件電機(jī)電流遙測信號變化曲線Fig.4 Curve of telemetric motor current for IRES lifetime test sample

從圖4可以看出,電機(jī)電流遙測信號數(shù)據(jù)在試驗(yàn)過程中從逐漸下降到趨于穩(wěn)定,說明IRES軸系經(jīng)過試驗(yàn)初期的磨合階段后,逐漸進(jìn)入了穩(wěn)定磨損期,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、性能穩(wěn)定.

3.3 極端工況壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

產(chǎn)品在軌長期運(yùn)行時,隨著內(nèi)充氣體的泄漏,內(nèi)部壓力將會隨之下降,潤滑油的揮發(fā)增加,更易導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)失效,當(dāng)氣體完全泄漏時達(dá)到極端工況,為了模擬這一工況,采用進(jìn)程加速的方法,去除IRES的密封措施,在真空度5×10-5Pa條件下進(jìn)行試驗(yàn),直至產(chǎn)品堵轉(zhuǎn)失效為止.極端試驗(yàn)件電機(jī)電流遙測信號變化曲線如圖5.

圖5 極端工況壽命試驗(yàn)件電機(jī)電流遙測信號變化曲線Fig.5 Curve of telemetric motor current for IRES lifetime test sample in extreme circumstance

從圖5可以看出,去除密封措施的試驗(yàn)件電機(jī)電流遙測信號數(shù)據(jù)在試驗(yàn)過程中波動較小,說明在極端工況下產(chǎn)品仍可穩(wěn)定運(yùn)行.目前試驗(yàn)仍在正常進(jìn)行中.(試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理截止到2011年4月6日)

4 結(jié) 論

本文分析了影響目標(biāo)飛行器IRES可靠性及壽命的主要因素,介紹了壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證情況.壽命試驗(yàn)初步結(jié)果與理論分析結(jié)果基本吻合.通過對已得到的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理可以得出:目標(biāo)飛行器IRES壽命滿足任務(wù)要求3年壽命有較大裕量；在極端工況下,即使IRES內(nèi)部氣體全部泄漏,產(chǎn)品仍可長期穩(wěn)定運(yùn)行.目前,目標(biāo)飛行器IRES壽命試驗(yàn)仍在進(jìn)行之中,隨著試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累,未來能夠得出更多有意義的結(jié)論.

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Life Analysis and Experim ental Verification of the Infrared Earth Sensor for Target Spacecraft

YAN Feng,WANG Shuyan,HUANG Mingbao,YU Wenkao (Beijing Institute of Control Engineering,Beijing 100190,China)

The life of infrared earth sensor can not be validated because of its life limitation,weak parts are confirmed through reliability analysis and a life test is designed to carry out test verification on the ground.The combination of real life test and accelerated life test is taken to simulate the working environment in orbit,in order to assess the actual life of the product and know the real situation of operating performance and failure mode of tested pieces in the extreme condition product sealing function failure at the end of its life.It is shown that test pieces are working in a stable period,by analyzing key parameters of the life test and test data of shafting run in the extreme condition.It can be drawn from reliability analysis and life test data that the 3 years practical lifetime of infrared earth sensor for the target spacecraft has a greater margin and the life test can be used to verify the actual life of the product further.

infrared earth sensor；life analysis；life test；extreme condition；experimental verification

V448

A

1674-1579(2012)01-0052-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.01.009

閆 峰(1977-),男,工程師,研究方向?yàn)楹教炱鞴鈱W(xué)敏感器；王舒雁(1972-),女,高級工程師,研究方向航天器電機(jī)控制；黃明寶(1938-),男,研究員,研究方向航天器光學(xué)敏感器；于文考(1984-),男,助理工程師,研究方向航天器光學(xué)敏感器.

2011-07-19