硬X射線調(diào)制望遠鏡衛(wèi)星可靠性安全性設(shè)計與保證

宮穎 高潔 師立俠 宋江波 尤睿 汪靜

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094)

硬X射線調(diào)制望遠鏡(HXMT)衛(wèi)星是我國自主創(chuàng)新的重大科學(xué)項目,是我國首個天文衛(wèi)星工程項目。HXMT衛(wèi)星作為我國首顆天文衛(wèi)星,載荷包括高能、中能、低能望遠鏡和空間環(huán)境監(jiān)測器4種。其中,高能、中能、低能望遠鏡的能區(qū)相互重疊,構(gòu)成一個覆蓋1～250 ke V的寬能區(qū),從而實現(xiàn)寬能區(qū)X射線高靈敏度和高空間分辨率成像[1]。

航天器可靠性技術(shù)是航天核心技術(shù)之一,也是航天技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)。作為復(fù)雜多載荷的X射線衛(wèi)星,HXMT衛(wèi)星的載荷產(chǎn)品研制難度大,可靠性安全性要求高,為滿足衛(wèi)星高可靠、長壽命、載荷探測高精度的要求,衛(wèi)星在立項初期就將可靠性安全性保證工作作為一項重要工作進行部署,在研制過程中持續(xù)加強對可靠性安全性設(shè)計分析和驗證工作的跟蹤和管理,尤其針對首次飛行的多載荷X射線產(chǎn)品,開展了全面的策劃、設(shè)計、分析、研制和過程控制等可靠性安全性保證工作,從而有效保證了衛(wèi)星可靠性安全性滿足任務(wù)要求,衛(wèi)星運行至今在軌表現(xiàn)良好。

本文首先從平臺和載荷產(chǎn)品兩個方面,明確了HXMT衛(wèi)星在研制過程中開展可靠性安全性保證的重點,結(jié)合平臺產(chǎn)品和載荷產(chǎn)品的可靠性工作特點,分別從基于過程控制的繼承性產(chǎn)品可靠性保證和面向復(fù)雜多載荷探測目標實現(xiàn)的可靠性安全性設(shè)計保證兩個方面進行了闡述,此外還結(jié)合該衛(wèi)星地面整星貯存的需求,對開展整星貯存保證實踐情況進行了總結(jié)。

1 可靠性安全性保證工作重點

HXMT衛(wèi)星在研制初期就嚴格按照航天器可靠性安全性相關(guān)要求,制定了“可靠性安全性工作計劃”,作為全周期開展可靠性安全性工作的依據(jù)。在該計劃的指導(dǎo)下,完成了可靠性安全性分析、可靠性建模及預(yù)計、環(huán)境防護與環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、可靠性安全性設(shè)計以及試驗與驗證等工作[2]。針對自身任務(wù)特點,確定了以下2項可靠性安全性工作的重點。

(1)平臺繼承性產(chǎn)品可靠性保證,HXMT衛(wèi)星平臺大量選用了在其它型號已有成功應(yīng)用的繼承性產(chǎn)品,因此在明確整星任務(wù)判據(jù)、完成故障模式與影響分析(FMEA)等可靠性分析工作的基礎(chǔ)上,識別影響整星壽命和可靠性的平臺薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對成熟設(shè)計,主要通過對薄弱環(huán)節(jié)研制過程進行嚴格管理,來確保平臺運行的可靠性[3]。

(2)載荷可靠性安全性保證,首次裝星飛行的高能、中能、低能望遠鏡,為滿足在軌空間環(huán)境和運行模式的需要,必須全面開展航天產(chǎn)品可靠性設(shè)計驗證,重點結(jié)合多載荷探測目標進行單機冗余、裕度等方面的設(shè)計分析和驗證。同時,由于X射線載荷的使用,使得整星除了平臺部分衛(wèi)星常見危險源外,新引入了輻射源和高壓模塊等危險源,給衛(wèi)星安全性設(shè)計防護提出了新要求,提前進行危險源的全面識別、開展危險事件及其影響分析、研制過程中進行危險源的防護和過程監(jiān)控等成為整星安全性工作的重點。

除了研制過程中的可靠性安全性設(shè)計與保證外,在衛(wèi)星研制完成后,由于火箭原因需推遲發(fā)射,導(dǎo)致整星需進行地面貯存,因此,為保證貯存期間整星的壽命和可靠性,HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)從分析貯存影響因素、產(chǎn)品貯存狀態(tài)設(shè)置等方面開展了一系列的貯存可靠性保證。

2 基于過程控制的繼承性產(chǎn)品可靠性保證

HXMT衛(wèi)星共有設(shè)備157臺,其中A、B類設(shè)備144臺,占到了近90%,對于衛(wèi)星上如此之多的繼承性產(chǎn)品,在設(shè)計基本不變的情況下,主要通過對產(chǎn)品開展嚴格的過程控制來確保其可靠性滿足在軌使用要求,從以下幾個方面開展了嚴格的過程控制。

(1)加強元器件質(zhì)量保證的過程控制,全部選用符合HXMT衛(wèi)星所需功能、性能、環(huán)境、安全性、質(zhì)量和可靠性要求的元器件;元器件的質(zhì)量等級都確保滿足單機設(shè)計可靠性指標和要求,元器件需進行可靠性預(yù)計,在選不到高質(zhì)量等級的元器件時,則通過更改設(shè)計采取了冗余設(shè)計等措施。

(2)加大產(chǎn)品可靠性把關(guān)力度,對繼承性產(chǎn)品完成HXMT衛(wèi)星上的適應(yīng)性分析、產(chǎn)品完成可靠性驗證等重要節(jié)點,開展可靠性專項把關(guān),對關(guān)鍵項目產(chǎn)品的可靠性6要素設(shè)計分析開展專項復(fù)核復(fù)審,確保繼承性產(chǎn)品在該衛(wèi)星上能完全滿足各項可靠性要求。

(3)強化產(chǎn)品生產(chǎn)、試驗、測試等工作的過程控制,進行測試覆蓋性分析和測試結(jié)果一致性比對,重點控制不可測試項目、強制檢驗點和關(guān)鍵檢驗點,以及接插件插拔次數(shù)的控制,有限壽命部件的加電和工作時間控制等,特別是關(guān)鍵項目的過程控制,落實控制措施,總體設(shè)計師定期或不定期跟蹤檢查控制措施落實情況。

(4)開展全面的可靠性安全性過程確認工作,HXMT衛(wèi)星從單機、分系統(tǒng)到系統(tǒng)產(chǎn)品,在各項可靠性安全性工作完成后,對工作完成情況、控制措施落實情況、可靠性驗證結(jié)果均開展了自確認和上級對下級確認。將研制過程質(zhì)量控制重心前移,以期能盡早、全面識別產(chǎn)品可靠性安全性技術(shù)風(fēng)險,并對風(fēng)險進行量化控制。

3 面向復(fù)雜多載荷探測目標實現(xiàn)的可靠性安全性設(shè)計保證

HXMT衛(wèi)星作為我國首顆實現(xiàn)多載荷、寬譜段的低軌科學(xué)探測衛(wèi)星,復(fù)雜多載荷探測目標任務(wù)的長壽命設(shè)計、產(chǎn)品的可靠性實現(xiàn)、驗證等環(huán)節(jié)均無現(xiàn)有經(jīng)驗可循,必須通過分析、論證,作為整星可靠性設(shè)計的重點工作來開展。在設(shè)計初期就明確規(guī)定了將對影響載荷探測目標任務(wù)實現(xiàn)的平臺功能和載荷產(chǎn)品,全面開展冗余設(shè)計、裕度設(shè)計、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計、熱設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、靜電防護設(shè)計、抗輻射設(shè)計、降額設(shè)計、FMEA、最壞情況分析和故障樹分析等設(shè)計分析和驗證工作項目。

3.1 可靠性關(guān)鍵指標裕度設(shè)計與分析

系統(tǒng)關(guān)鍵指標是衛(wèi)星設(shè)計和驗證的重點,HXMT衛(wèi)星從系統(tǒng)任務(wù)出發(fā),結(jié)合自身特點,從載荷關(guān)鍵指標、平臺-載荷關(guān)聯(lián)指標、平臺保障關(guān)鍵指標和系統(tǒng)關(guān)鍵指標等4個層級進行指標需求及裕度分析。載荷關(guān)鍵指標通過載荷單機設(shè)計予以保證;平臺-載荷關(guān)聯(lián)指標是衛(wèi)星平臺與載荷共同關(guān)聯(lián)實現(xiàn)的指標;平臺保障關(guān)鍵指標是基于載荷的設(shè)計方案,通過衛(wèi)星平臺與載荷迭代設(shè)計,由平臺相關(guān)分系統(tǒng)予以保證;系統(tǒng)關(guān)鍵指標是衛(wèi)星從工程系統(tǒng)角度分解獲得,滿足大系統(tǒng)接口的指標要求。

在特性分析、FMEA等工作的基礎(chǔ)上,HXMT衛(wèi)星共識別關(guān)鍵性能指標17項,包括載荷關(guān)鍵指標4項:有效載荷探測能區(qū)、有效載荷探測面積、有效載荷能量分辨率和有效載荷時間分辨率。平臺-載荷關(guān)聯(lián)指標2項:源定位精度和角分辨率。平臺保障關(guān)鍵指標7項:載荷低溫溫控、時間精度、供電能力、姿態(tài)控制性能、姿態(tài)測量性能、大角度姿態(tài)機動性能和星上存儲能力。系統(tǒng)關(guān)鍵指標4項:推進劑余量、整星剛度、主結(jié)構(gòu)強度和整星質(zhì)量。衛(wèi)星針對所有關(guān)鍵性能指標均開展裕度設(shè)計,并在設(shè)計和試驗驗證等過程中,均進行了關(guān)鍵指標的裕度實現(xiàn)情況分析確認,為整星任務(wù)成功提供了保證。

3.2 平臺關(guān)鍵功能冗余設(shè)計

為消除單點故障,提高系統(tǒng)可靠性,HXMT衛(wèi)星從系統(tǒng)級功能要求和產(chǎn)品特性出發(fā),采取了相應(yīng)的冗余設(shè)計措施?？刂葡到y(tǒng)和數(shù)管系統(tǒng)作為HXMT衛(wèi)星的關(guān)鍵分系統(tǒng),從功能冗余、接口冗余和硬件冗余等方面均采取了相應(yīng)的冗余措施[4]。

(1)控制系統(tǒng)功能級冗余:從任務(wù)需求考慮,控制系統(tǒng)從姿態(tài)測量、姿態(tài)機動和系統(tǒng)級安全處理等重要功能方面均采用相應(yīng)的冗余設(shè)計。控制系統(tǒng)由陀螺、星敏感器組成正常模式下的測量系統(tǒng),相應(yīng)的產(chǎn)品均有冗余配置,從而實現(xiàn)姿態(tài)測量功能冗余;衛(wèi)星方案設(shè)計中采用兩種姿態(tài)機動方式,噴氣機動和動量輪機動,兩種方式均可實現(xiàn)姿態(tài)機動;在系統(tǒng)級安全處理方面,考慮計算機故障情況進行冗余設(shè)計,當(dāng)計算機正常時,系統(tǒng)級故障首先由應(yīng)用軟件進行故障檢測與處理,若計算機發(fā)生故障,則自主切換備份計算機,繼續(xù)完成系統(tǒng)控制,若2臺計算機都發(fā)生故障,則自主切換應(yīng)急線路控制模式,若控制計算機或應(yīng)急線路在一定時間內(nèi)速率阻尼不成功或長時間不能對日定向,則系統(tǒng)進入無控模式,等待地面處理。

(2)控制系統(tǒng)硬件級冗余措施:陀螺作為衛(wèi)星姿態(tài)確定的重要設(shè)備,衛(wèi)星考慮硬件冗余進行產(chǎn)品配置,衛(wèi)星二浮陀螺有6路單體陀螺,光纖陀螺有3路單體陀螺;9個單體陀螺中的任意3個工作即可完成慣性空間姿態(tài)角速度測量任務(wù);其余的6個陀螺任取2個可以用于陀螺的自主故障診斷;衛(wèi)星配置6個動量輪,平時使用4個,另外2個為冷備份;控制計算機作為控制系統(tǒng)核心部件,考慮硬件冗余,采用冷備份的2套獨立單機系統(tǒng)配置,可獨立承擔(dān)控制系統(tǒng)任務(wù);電路部分采用熱備份的2套獨立容錯電路,可獨立承擔(dān)對單機工作狀態(tài)的管理,應(yīng)急線路可作為計算機故障時的執(zhí)行整星對日定向保證能源的備份功能。

(3)數(shù)管系統(tǒng)接口冗余設(shè)計:數(shù)管各設(shè)備雙機均采用不同的電源供電,實現(xiàn)供電接口冗余;數(shù)管中央處理單元、遠置單元均掛載1553B總線上,每臺單機均具有2個冗余的總線接口;數(shù)管遙控相移鍵控(PSK)信號為4路熱備份輸入,分兩路分別與兩臺遙控單元連接,實現(xiàn)應(yīng)答機上行數(shù)據(jù)接口冗余;數(shù)管遙測PSK信號分2路分別輸出至2臺應(yīng)答機,實現(xiàn)應(yīng)答機下行數(shù)據(jù)接口冗余。

(4)數(shù)管系統(tǒng)硬件冗余設(shè)計:數(shù)管中央處理單元采用雙機冷備份冗余設(shè)計,通過切換電路實現(xiàn)雙機切換;中央處理單元內(nèi)部的遙控和遙測的輸入、輸出電路均采用雙通道冗余設(shè)計,熱備份工作方式;數(shù)管遙控單元采用雙機熱備份冗余;兩個遠置單元互為備份。

3.3 載荷產(chǎn)品冗余設(shè)計

首次飛行的載荷產(chǎn)品,為提高其基本可靠性,需對其實現(xiàn)探測任務(wù)的重要組件開展冗余設(shè)計,考慮到平臺的資源約束限制,不能做到載荷產(chǎn)品的設(shè)備級冗余,多采用模塊級冗余設(shè)計措施[5]。

(1)高能望遠鏡:由主探測器、反符合探測器、標定探測器、粒子監(jiān)視器、高能電控箱和高能配電箱等單機模塊組成。18個主探測器單體,保證15個正常工作;18個反符合探測器,保證15個正常工作;18個標定探測器,保證12個正常工作;3個粒子監(jiān)視器,保證2個正常工作;高能電控箱5個模塊均由主備兩個單板組成,主要模塊之間可以進行交叉?zhèn)浞輀5]。

(2)中能望遠鏡:由探測器機箱和電控箱組成。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,包括9個探測單元,每個探測單元包括6個探測模塊,每個探測模塊包括32路Si-PIN探測器,模塊以及探測單元之間相互備份。為滿足可靠性要求,考慮到各模塊元器件的可靠度和復(fù)雜程度,對各探測器單體和探測單元的冗余關(guān)系進行約束,探測單元中的192個探測器單體構(gòu)成一個192選186的表決系統(tǒng),整個中能望遠鏡的9個探測單元構(gòu)成一個9選7的表決系統(tǒng)。

(3)低能望遠鏡:由探測器機箱和電控箱組成。低能望遠鏡采用掃式電荷器件(SCD)作為探測器。SCD及信號處理部分由12個完全相同的電路模塊構(gòu)成,每個模塊包括8路SCD及相應(yīng)的時鐘驅(qū)動的信號處理電路,只要其中的10個模塊可以正常工作就可以滿足80%探測器正常工作的要求[3]。

3.4 載荷高壓模塊的安全控制

HXMT衛(wèi)星高能和中能望遠鏡配置高壓模塊,將約1250 V高壓分配后用于提供R877 MOD型光電倍增管的工作電壓,以保證探測器的穩(wěn)定增益。高壓模塊存在瞬態(tài)高壓沖擊作用,對整星安全有影響;同時高壓模塊失效將會影響探測器的正常探測任務(wù)。針對此,HXMT衛(wèi)星從方案設(shè)計、元器件選用和電裝工藝控制等各個環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的控制措施。

(1)為實現(xiàn)高壓穩(wěn)壓、濾波及高壓瞬態(tài)沖擊,選用耐壓200 V,工作電壓91 V以上的濾波電容。經(jīng)過研究,選用德國IMA公司生產(chǎn)的聚丙烯介質(zhì)脈沖電容,在此基礎(chǔ)上,為確保元器件使用的可靠性,單機裝配前還開展了元器件的升級篩選。

(2)進行電連接器選擇時,根據(jù)選擇電連接器的額定工作電壓來確定最低介質(zhì)耐壓值,介質(zhì)耐壓值滿足為工作電壓的3倍;高壓單機印制板選用金屬芯覆銅箔層壓板以便于散熱,電路板介質(zhì)層厚度不小于2 mm,印制板電路中導(dǎo)線寬度不小于1 mm。

(3)針對元器件電裝、電纜電裝、敷形涂覆、機械裝配和真空灌裝的安裝形式和關(guān)鍵工藝尺寸進行量化控制。并進行過程記錄檢查,保證電路、設(shè)備的安裝滿足安全性要求。

3.5 X射線輻射源的安全控制

有效載荷的能量響應(yīng)矩陣、時間響應(yīng)函數(shù)、空間響應(yīng)函數(shù)等測量標定是探測結(jié)果正確有效的重要保證。但在載荷標定過程中必須使用X光管等設(shè)備,具有一定的輻射危險,HXMT衛(wèi)星將此作為重要危險源。從發(fā)射源選用、存儲運輸和過程使用全過程均提出相應(yīng)的安全防護措施。輻射源選用時,針對各階段探測器精確標定需求,選用低輻射度的輻射源,輻射源選用情況及防護措施情況見表1。

表1 HXMT衛(wèi)星輻射源及防護情況Table 1 The radiant point and protective measures of HXMT satellite

4 整星短期貯存可靠性保證

HXMT衛(wèi)星自2016年12月開始進行包裝箱貯存,2017年3月貯存結(jié)束。在衛(wèi)星整個短期貯存過程中所處環(huán)境穩(wěn)定,貯存后衛(wèi)星各項功能性能均滿足技術(shù)要求,未出現(xiàn)異常變化。為保證貯存期間衛(wèi)星產(chǎn)品的可靠性,主要從貯存狀態(tài)設(shè)置、貯存環(huán)境設(shè)置、貯存環(huán)境監(jiān)測、貯存期測試、貯存后測試及驗證等5個方面開展了保證工作[6]。

HXMT衛(wèi)星在明確要進行整星貯存時,衛(wèi)星為兩艙分離狀態(tài),服務(wù)艙和載荷艙所有外板安裝到位,還有4塊中板、7塊遮陽板沒有安裝,衛(wèi)星對接段、星箭解鎖裝置、太陽翼、所有天線以及蓄電池海沒有裝星。按照盡量保持狀態(tài)不動的原則,確定沒有裝星的設(shè)備,將依據(jù)產(chǎn)品各自的地面貯存要求單獨進行貯存,整星通過分析已裝星設(shè)備的貯存需求,確定整星的貯存環(huán)境和狀態(tài)。

HXMT衛(wèi)星在確定整星貯存狀態(tài)時,根據(jù)產(chǎn)品類別做了如下貯存分析。

(1)一般電子類單機主要受環(huán)境濕度的影響,故障模式主要表現(xiàn)為腐蝕,在保證濕度的前提下,即可保證其貯存期間的有效性和可靠性,無其他特殊存放條件要求。

(2)非金屬材料,星上主要有推進管路二次密封用的橡膠密封圈,其貯存期均在10年以上,可滿足衛(wèi)星貯存需求。

(3)光學(xué)部件主要有光學(xué)敏感器。光學(xué)敏感器除需要保證溫度、濕度和防靜電外,還需保證潔凈度防止污染,如星敏感器頭部自帶軟布罩保留并固定牢靠。

(4)星上活動部件主要包括動量輪、帆板驅(qū)動機構(gòu)等,機構(gòu)在貯存過程中,易受貯存環(huán)境溫濕度和潔凈度的影響,可能會導(dǎo)致活動部件運轉(zhuǎn)不靈活,滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動摩擦增大,一些防冷焊的滑動副或轉(zhuǎn)動副二硫化鉬(MoS2)膜層發(fā)生脫落或變質(zhì)。在滿足溫度和潔凈度的前提下,機構(gòu)產(chǎn)品長期貯存后需進行通電跑合。

(5)推進分系統(tǒng)所用的5 N推力器、20 N推力器、自鎖閥,其閥體材料均為軟磁合金,在要求的溫濕度和潔凈度貯存條件下,地面貯存壽命可達5年。貯存前要保證各推力器保護罩已正確安裝,并且保持各推力器噴口水平或向下放置,禁止推力器噴口向上放置。

(6)由于望遠鏡結(jié)構(gòu)復(fù)雜,集成難度大,不宜將各單機拆下單獨貯存,且主探測器高能探測器晶體對環(huán)境濕度要求就高,且空氣中的不良氣氛污染會導(dǎo)致中能和低能探測器性能下降,因此需在真空或氮氣保護環(huán)境下保存。

通過以上分析,尤其是望遠鏡貯存失效風(fēng)險主要在于高濕度環(huán)境的晶體潮解以及中能和低能探測器的環(huán)境氣氛污染,因此衛(wèi)星貯存期間需保持低濕度含氧少的環(huán)境,再結(jié)合整星目前兩艙分離的狀態(tài)比較適宜分艙包裝箱貯存,因此確定了整星的貯存環(huán)境:將整星分艙貯存于整星包裝箱中,在包裝箱中充入氮氣,以保證包裝箱內(nèi)保持低濕度和高濃度氮氣環(huán)境,并置換包裝箱內(nèi)氣體,減少包裝箱內(nèi)其他氣體的影響。其他沒有裝星的蓄電池、太陽電池翼、天線等產(chǎn)品單獨按其貯存要求貯存。

衛(wèi)星整星貯存期間,安排專人值班對衛(wèi)星貯存包裝箱及危險狀態(tài)進行實時監(jiān)測、嚴格記錄,確保環(huán)境正常。HXMT衛(wèi)星貯存后再次啟用時,完成了各分系統(tǒng)獨立的專項測試和整星模式測試,如推進系統(tǒng)專項檢查及極性測試、火工品專項測試等,重點驗證了貯存后各分系統(tǒng)、單機的主備份軟硬件功能,測試結(jié)果表明,衛(wèi)星經(jīng)過貯存后狀態(tài)良好,各項功能性能滿足技術(shù)指標要求。

5 結(jié)束語

在HXMT衛(wèi)星研制過程中,可靠性安全性保證始終是衛(wèi)星各級產(chǎn)品的一項重點工作,本文介紹了HXMT衛(wèi)星研制過程中開展的平臺繼承性產(chǎn)品可靠性保證、載荷產(chǎn)品可靠性安全性設(shè)計、整星貯存可靠性保證等實踐經(jīng)驗。衛(wèi)星成功發(fā)射后,在軌運行狀態(tài)良好,各項功能和性能指標滿足研制要求,也證明了這些措施的有效性。項目研制過程中針對新型載荷的可靠性安全性工作方法和工作成果可為后續(xù)衛(wèi)星研制提供有益參考。

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