導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的重組技術的設計與實施

導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)采用雙組元統(tǒng)一推進分系統(tǒng)，對該推進分系統(tǒng)的控制都要通過推進分系統(tǒng)中的推進電路盒來完成.

在導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)的總體設計中有A、B兩個完全獨立功能的分支，每個分支分別擁有1路24V二次電源和6路10N推力器電磁閥驅動電路.在正常工作模式下，A分支24V電源僅為A分支的6路10N推力器電磁閥驅動電路供電，B分支24V電源僅為B分支的6路10N推力器電磁閥驅動電路供電.

當推進分系統(tǒng)發(fā)生雙重故障，且故障分別發(fā)生在兩個分支中，為了確保衛(wèi)星推進分系統(tǒng)能夠正常工作，可通過執(zhí)行故障遙控切換指令實現(xiàn)推進分系統(tǒng)重組功能，即A分支24V電源可同時為A分支和B分支的12路10N推力器電磁閥驅動電路供電，B分支24V電源亦可同時為A分支和B分支的12路10N推力器電磁閥驅動電路供電，將故障的模塊隔離，使用正常模塊工作，使當前衛(wèi)星的推進分系統(tǒng)重新組合為一套完整的推進分系統(tǒng)，從而提高了推進分系統(tǒng)的故障應對能力.

1 推進分系統(tǒng)故障模式

以導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)推進電路盒產品為中心，對導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)進行了故障模式影響和危害度分析(FMECA)，梳理出了故障發(fā)生率較高的幾種故障模式，包括10N推力器電源模塊故障、10N推力器驅動模塊故障及10N推力器模塊故障.

10N推力器電源模塊故障為推進電路盒中A分支或B分支24V電源發(fā)生故障后無法正常輸出或無法正常為A分支或B分支10N推力器電磁閥驅動電路供電，導致系統(tǒng)中對應的一路10N推力器無法正常工作，此分支推力器失效；

10N推力器驅動模塊故障為推進電路盒中A分支或者B分支某一路的10N推力器電磁閥驅動電路因元器件失效等原因無法正常工作，導致系統(tǒng)中對應的一路10N推力器無法正常工作，此分支推力器失效；

10N推力器模塊故障為推進分系統(tǒng)中A分支或B分支某一路的10N推力器電磁閥因自身故障(驅動線圈斷路、短路等)無法正常工作，造成此分支推力器失效.

在以往的高軌道衛(wèi)星推進分系統(tǒng)中，A分支10N推力器電源模塊僅為A分支的10N推力器驅動模塊及10N推力器模塊供電，B分支10N推力器電源模塊僅為B分支的10N推力器驅動模塊及10N推力器模塊供電，當A分支或B分支10N推力器電源模塊發(fā)生故障時，與其對應的A分支或B分支的6個10N推力器驅動模塊及10N推力器模塊將完全失效，衛(wèi)星推進分系統(tǒng)一個分支的10N推力器功能喪失.當A分支或B分支某一方向的10N推力器驅動模塊或10N推力器模塊發(fā)生故障時，則B分支或A分支此方向的10N推力器模塊失去備份.當A分支或者B分支10N推力器電源模塊與另一分支某一方向的10N推力器驅動模塊或10N推力器模塊同時發(fā)生故障時，則衛(wèi)星此方向的10N推力器模塊將完全失效.

2 故障狀態(tài)下的重組技術的工作原理

故障狀態(tài)下的重組技術通過對推進分系統(tǒng)24V電源模塊、10N推力器電磁閥驅動電路模塊及10N推力器模塊進行故障隔離和資源再分配，重新組建成一套完整的10N推力器推進分系統(tǒng).

推進分系統(tǒng)故障狀態(tài)下的重組技術使衛(wèi)星推進分系統(tǒng)成為一種可重構的衛(wèi)星推進分系統(tǒng)，從而在推進分系統(tǒng)獨立分支的組件中發(fā)生故障的情況下，實現(xiàn)推進分系統(tǒng)的功能重組.

推進分系統(tǒng)具有A、B兩個分支，當推進分系統(tǒng)中的兩個獨立分支無故障時，利用其中一個分支A或B即可獨立完成推進分系統(tǒng)的功能，其中，每個分支中配備有一個電源模塊、n個推力器驅動模塊和n個與推力器驅動模塊對應的推力器模塊.

當正在工作的A分支發(fā)生故障時，則控制系統(tǒng)啟動B分支并關閉A分支，利用B分支完成推進分系統(tǒng)的功能；

當A和B分支同時發(fā)生故障，則控制系統(tǒng)分別對A、B分支中的各個模塊進行檢測.若A、B分支的不同模塊發(fā)生故障，則控制系統(tǒng)在A、B分支中選取可正常工作的一個電源模塊、m個正常的推力器驅動模塊和m個正常的推力器模塊建立工作連接，形成推進分系統(tǒng)的功能重組，m個推力器模塊選取自A、B兩個分支中共2n個推力器模塊之中，m

在A和B分支同時發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)優(yōu)先選取屬于一個分支中的m個推力器模塊，若一個分支系統(tǒng)中可正常工作的推力器模塊不足m個時，則在另一個分支中選取剩余數(shù)量的正常工作的推力器模塊，組成共m個推力器模塊；若屬于一個分支的推力器模塊的故障被排除，則重新啟用復原的推力器模塊，關閉已經選用的屬于不同分支的推力器模塊.

3 故障狀態(tài)下的重組技術的特點

與以往的推進分系統(tǒng)設計相比，改進了原有推進分系統(tǒng)中單分支單一工作模式，實現(xiàn)了雙分支電源模塊、推力器驅動模塊及推力器模塊的組合多元化，使衛(wèi)星推進分系統(tǒng)的電源模塊、推力器驅動模塊及推力器模塊實現(xiàn)交叉?zhèn)浞?，提高了衛(wèi)星推進分系統(tǒng)故障應對能力.具體表現(xiàn)在：

衛(wèi)星推進分系統(tǒng)推力器模塊可由A、B雙分支二次電源交叉供電，實現(xiàn)了電源模塊的供電.

當A、B分支某一路推力器模塊出現(xiàn)非推進劑泄漏故障或推進劑閥門關不死的故障時，可通過重組技術將這一路的推力器模塊斷開，停止使用，用另一分支相對應的推力器模塊替代工作，實現(xiàn)了推力器模塊的復用.

當因上述故障發(fā)生后斷開的推力器模塊的故障被排除時，可通過重組技術中的恢復功能，將被斷開的推力器模塊重新接通使用，恢復推進分系統(tǒng)初始狀態(tài)，在系統(tǒng)重組后，即可實現(xiàn)故障排除后原推進分系統(tǒng)某分支功能的復原.

4 故障模式下推進分系統(tǒng)重組技術的實現(xiàn)

推進分系統(tǒng)總體設計中有A、B兩個功能完全獨立的分支，其中A分支由一路電源模塊、n個推力器驅動模塊及與n個推力器模塊組成，B分支亦由一路電源模塊、n個推力器驅動模塊及與n個推力器模塊組成.A、B分支的電源模塊、推力器驅動模塊及推力器模塊完全獨立，當A、B分支上述模塊發(fā)生不同類雙重故障時，且故障不在同一分支中時，可通過推進分系統(tǒng)重組功能將A、B分支的各個模塊進行重組，組成一個功能完整的新分支進行工作.

圖1 故障狀態(tài)下重組技術方案示意圖

可重構的衛(wèi)星推進分系統(tǒng)如圖1所示.下面以n=m=6進行說明，但具體實現(xiàn)時，同樣可考慮在n>m的配置情況，其中m代表能滿足衛(wèi)星推進分系統(tǒng)正常工作的推力器模塊數(shù)量.

(1)故障模式1

控制系統(tǒng)通過檢測發(fā)現(xiàn)A分支電源模塊故障和B分支推力器模塊故障.此時控制系統(tǒng)執(zhí)行故障重組指令，完成A分支功放(推力器驅動模塊和推力器模塊)到B分支電源模塊的切換，處理步驟如下：

1)執(zhí)行地面控制，推力器模塊控制端無控制脈沖輸入；

2)接通B分支電源, 斷開A分支電源；

3)關閉B分支自鎖閥;

4)斷開推力器1B～6B；

5)將A分支功放切換到B分支電源；

6)打開A分支自鎖閥；

7)恢復星上系統(tǒng)自主控制.

(2)故障模式2

控制系統(tǒng)通過檢測發(fā)現(xiàn)B分電源模塊故障和A分支推力器模塊故障，此時執(zhí)行故障重組指令，完成B分支功放到A分支電源模塊的切換，處理步驟如下：

1)執(zhí)行地面控制，推力器模塊控制端無控制脈沖輸入；

2)接通A分支電源，斷開B分支電源；

3)關閉A分支自鎖閥；

4)斷開推力器1A～6A；

5)將B分支功放切換到A分支電源；

6)打開B分支自鎖閥；

7)恢復星上系統(tǒng)自主控制.

(3)故障模式3

控制系統(tǒng)通過檢測發(fā)現(xiàn)A、B分支中的電源模塊均正常，但故障發(fā)生在A、B兩個分支的推力器模塊中.此時執(zhí)行系統(tǒng)重組功能的條件是推力器模塊發(fā)生故障不是推進劑泄漏的故障或推進劑閥門關不死的故障，且A、B兩個分支中出現(xiàn)故障的推力器模塊的代號不同，處理步驟如下：

1)執(zhí)行地面控制，推力器模塊控制端無控制脈沖輸入；

2)利用推進分系統(tǒng)遙控指令首先斷開故障的推力器模塊，然后保留每個分支中1A至6A(和1B至6B)中能完成控制功能的6個推力器模塊，組成一個混合分支；

3)恢復星上系統(tǒng)自主控制.

(4)故障模式4

當A分支電源正常，B分支電源有故障，故障發(fā)生在A、B兩個分支的推力器模塊中.此時執(zhí)行系統(tǒng)故障重組功能的條件是推力器模塊故障不是推進劑泄漏的故障或推進劑閥門關不死的故障，且A、B兩個分支種出現(xiàn)故障的推力器模塊代號不同，處理步驟如下：

1)執(zhí)行地面控制，推力器模塊控制端無控制脈沖輸入；

2)接通A分支電源，斷開B分支電源；

3)將B分支功放切換到A分支電源；

4)利用推進分系統(tǒng)遙控指令首先斷開故障的推力器模塊，然后保留每個分支中1A至6A(和1B至6B)中能完成控制功能的6個推力器模塊，組成一個混合分支；

5)恢復星上系統(tǒng)自主控制.

(5)故障模式5

當B分支電源正常，A分支電源有故障，故障發(fā)生在A、B兩個分支的推力器模塊中，此時執(zhí)行系統(tǒng)故障重組功能的條件是推力器模塊故障不是推進劑泄漏的故障或推進劑閥門關不死的故障，且A、B兩個分支種出現(xiàn)故障的推力器模塊代號不應相同，處理步驟如下：

1)執(zhí)行地面控制，推力器模塊控制端無控制脈沖輸入；

2)接通B分支電源，斷開A分支電源；

3)將A分支功放切換到B分支電源；

4)利用推進分系統(tǒng)遙控指令首先斷開故障的推力器模塊，然后保留每個分支中1A至6A(和1B至6B)中能完成控制功能的6個推力器模塊，組成一個混合分支；

5)恢復星上系統(tǒng)自主控制.

5 故障狀態(tài)下的重組技術的推廣應用

本推進分系統(tǒng)故障狀態(tài)下的重組技術可推廣應用于采用雙組元推進分系統(tǒng)的衛(wèi)星中，使衛(wèi)星推進分系統(tǒng)的電源模塊、推力器驅動模塊及推力器模塊實現(xiàn)交叉?zhèn)浞?，從而提高衛(wèi)星推進分系統(tǒng)的故障應對能力.

此技術目前已經成功應用于導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)中， 16顆導航衛(wèi)星均成功發(fā)射，為衛(wèi)星推進分系統(tǒng)出現(xiàn)在軌故障時實現(xiàn)故障定位、故障地面復現(xiàn)及后續(xù)飛行任務保障預案的制定及實施提供支持，并為任務的成功完成做出貢獻.

6 結束語

導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)故障狀態(tài)下的重組技術的成功研制及應用提高了導航衛(wèi)星推進分系統(tǒng)及同類產品的的故障應對能力，提高了整星的可靠性.該技術可推廣應用于其他衛(wèi)星分系統(tǒng)，為后續(xù)衛(wèi)星的可靠性設計奠定了基礎.

參 考 文 獻

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