月面高溫下推力器可靠性試驗(yàn)

于杭健，彭兢，舒燕，趙京，蔣凡

1. 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094 2. 上海空間推進(jìn)研究所，上海 201112

1 引言

在航天工程中考慮的月球環(huán)境，通常指月球著陸器、月球巡視器、月球上升器等探測器在月面上所遭遇的各種自然環(huán)境，包括太陽電磁輻射、熱輻射、月球真空大氣、月面地形地貌等[1-2]。月球表面復(fù)雜的熱環(huán)境，可使探測器處于深冷或深熱環(huán)境中，對航天器正常工作產(chǎn)生很大影響[3-5]。

嫦娥五號(CE-5)探測器著陸上升組合體著陸于月球北緯43°±2°、西經(jīng)59°±10°的位置，月面太陽高度角30°～50°，落月后組合體在月面工作約48 h，將經(jīng)歷月面復(fù)雜的熱輻射環(huán)境，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，組合體在月面工作過程中，上升器受太陽照射一側(cè)，推力器噴管受太陽輻射及月表紅外的共同影響，同時(shí)對空輻射角系數(shù)較小，導(dǎo)致推力器電磁閥溫度持續(xù)升高，120 N推力器電磁閥最高溫度可達(dá)到約110℃，與電磁閥連接的推進(jìn)管路的最高溫度約100℃。電磁閥在高溫與氧化劑強(qiáng)氧化性環(huán)境條件下，閥芯產(chǎn)生溶脹效應(yīng)，堵死或者減小閥芯運(yùn)動行程，導(dǎo)致推力器穩(wěn)態(tài)與脈沖工作性能下降甚至推力器無法正常可靠工作。此外，推進(jìn)劑管路內(nèi)的氧化劑在100℃高溫條件下發(fā)生汽化反應(yīng)，當(dāng)汽化后的氧化劑與正常狀態(tài)的燃料結(jié)合后，將發(fā)生不穩(wěn)定燃燒，影響推力器正常的工作性能[6]。因此，上升器月面起飛垂直上升的姿態(tài)控制將因推力器工作性能的改變受到影響，甚至將導(dǎo)致垂直上升段姿控?zé)o法正常完成，上升器存在失控的風(fēng)險(xiǎn)。

對于推力器在高溫和強(qiáng)氧化性條件下性能降低的問題，國外做過一些研究工作,提出特氟倫密封圈長期暴露在高溫氧化劑中會產(chǎn)生溶脹和變形，導(dǎo)致推力器流量變小，未詳細(xì)公開研究的過程及詳細(xì)的結(jié)果[7]。推力器工作性能變化對航天器在月面起飛上升姿態(tài)控制的影響，尚未查閱到國內(nèi)外相關(guān)的研究工作。目前研究工作是在一定認(rèn)知基礎(chǔ)上，結(jié)合具體航天器任務(wù)，解決實(shí)際科技工程中推力器應(yīng)用的難題。因此，開展月面高溫下推力器可靠性試驗(yàn)研究具有一定的創(chuàng)新性，并且對CE-5重大科技專項(xiàng)任務(wù)的順利完成具有重要的支撐作用。

文章形成了一套解決電磁閥高溫問題的試驗(yàn)方法及在軌應(yīng)用方法，解決了推進(jìn)劑汽化及電磁閥閥芯溶脹效應(yīng)帶來的推力器工作性能改變對起飛上升任務(wù)的影響，圓滿完成了嫦娥五號上升器月面起飛上升任務(wù)，對于后續(xù)在高溫條件下推力器工作的火星探測、小行星及彗星探測等任務(wù)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 問題分析

CE-5上升器月面起飛垂直上升的目標(biāo)是脫離著陸器上升到安全高度，通過安裝于上升器器表的120 N推力器和10 N推力器組合完成噴氣姿態(tài)控制，校正飛行姿態(tài)的偏斜。在俯仰和偏航控制通道，在控制力矩小于120 N推力器單分支提供的姿控力矩條件下，進(jìn)行120 N單分支推力器脈寬調(diào)制；在控制力矩不小于120 N推力器單分支提供的姿控力矩條件下，進(jìn)行120 N雙分支推力器的脈寬調(diào)制。若120 N推力器工作性能達(dá)不到額定工作性能，將導(dǎo)致上升器月面垂直上升段姿控?zé)o法正常完成[8]。

正如前文所述，組合體在月面工作過程中，120 N推力器噴管受太陽輻射及月表紅外的共同影響，導(dǎo)致電磁閥及推進(jìn)管路溫度水平偏高，電磁閥及推進(jìn)管路的溫度主要取決于噴管的溫度水平，而噴管的溫度主要受組合體姿態(tài)及月面太陽高度角、方位角的影響，而且不同推力器的極端高溫工況并不出現(xiàn)在同一時(shí)刻及同一姿態(tài)。在組合各種姿態(tài)及太陽高度角、方位角情況下，推力器電磁閥溫度結(jié)果如表1所示，從表中可以看出，上升器受到照射一側(cè)4臺120 N推力器月面極端高溫均超過100℃，推力器電磁閥最高溫度達(dá)到105.2℃。

據(jù)國外的研究結(jié)果表明，推力器電磁閥閥芯的密封材料氟塑料在高溫和氧化性條件下會產(chǎn)生溶脹和變形效應(yīng)，導(dǎo)致推力器流量降低，推力變小。另外，氧化劑與氟塑料的相容性與溫度有密切的關(guān)系，在室溫或50℃以下時(shí)，氧化劑與氟塑料相容性較好，隨著溫度升高，氧化劑滲透到非金屬材料中，造成非金屬材料分子鍵破壞，發(fā)生溶脹、軟化現(xiàn)象。通過氟塑料試片及電磁閥閥芯部件在120℃浸泡24 h后，發(fā)生了材料膨脹現(xiàn)象，而且在溫度恢復(fù)至常溫后，材料的膨脹效應(yīng)降低，即材料有恢復(fù)最初狀態(tài)的趨勢。溶脹效應(yīng)并非僅因熱變形所致，由于氟塑料的分子鍵已發(fā)生了破壞，是一種綜合作用效應(yīng)。目前國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ陔姶砰y閥芯材料氟塑料在高溫氧化劑下的相容性和推力器工作性能的變化還缺乏深入的認(rèn)識，因此有必要開展相關(guān)試驗(yàn)對CE-5上升器120 N推力器的高溫適應(yīng)性進(jìn)行分析及研究。

表1 組合體不同位姿狀態(tài)下推力器極端溫度水平

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

針對高溫和氧化劑強(qiáng)氧化性條件下120 N推力器穩(wěn)態(tài)與脈沖工作性能下降，甚至推力器無法正?？煽抗ぷ鞯娘L(fēng)險(xiǎn)，首先需要確認(rèn)目前配置的FMD200-2電磁閥行程是否可以滿足高溫條件下使用的需求。在無法滿足使用需求的情況下，研究多少行程的電磁閥可以滿足高溫條件下使用的需求，即研究溫度與電磁閥行程的關(guān)系。然后，行程滿足條件的電磁閥組裝成推力器后，推力器的工作性能需要在高空模擬環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證。最后，上升器在軌起飛前設(shè)計(jì)了高溫排氣程序，增加系統(tǒng)的可靠性與健壯性。

3.1 推力器可靠設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

為了研究溫度與電磁閥閥芯行程的關(guān)系，確保推力器性能可靠，確定了電磁閥可靠性增長與可靠性驗(yàn)證相結(jié)合的可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[9]，從電磁閥與推力器兩個(gè)層面開展可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證。在電磁閥層面，首先通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證FMD200-2電磁閥的溫度適應(yīng)性，研究溫度與可正常開啟電磁閥閥芯行程的關(guān)系。在FMD200-2電磁閥無法滿足任務(wù)高溫條件的情況下，通過設(shè)計(jì)改進(jìn)采用行程滿足溫度條件的FMD200-11電磁閥，進(jìn)一步通過可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證FMD200-11電磁閥的溫度適應(yīng)性，使推進(jìn)系統(tǒng)可靠性獲得增長。在推力器層面，通過FMD200-11電磁閥行程拉偏、溫度環(huán)境拉偏開展高空模擬熱試車可靠性驗(yàn)證考核驗(yàn)證。最終，通過電磁閥飛行產(chǎn)品批抽檢試驗(yàn)及高空模擬熱試車考核，驗(yàn)證飛行產(chǎn)品的可靠性。

電磁閥可靠性增長試驗(yàn)針對暴露高溫條件下FMD200-2電磁閥無法開啟或者流量下降的問題，研究FMD200-2電磁閥在確定閥門行程下可以正常開啟的最高溫度條件；在將FMD200-2電磁閥設(shè)計(jì)改進(jìn)為FMD200-11電磁閥后，研究電磁閥開關(guān)特性與實(shí)際使用溫度或拉偏溫度環(huán)境的關(guān)系；設(shè)計(jì)了4輪電磁閥氧化劑高溫開啟試驗(yàn)，確定電磁閥開關(guān)特性與溫度、保溫時(shí)間及閥門行程之間的關(guān)系。

1)第1輪試驗(yàn)研究FMD200-2電磁閥開關(guān)特性與溫度環(huán)境的關(guān)系。FMD200-2電磁閥行程范圍為0.17～0.27 mm，覆蓋產(chǎn)品最小行程和最大行程。溫度從閥門常規(guī)鑒定溫度70℃開始，每工況遞增10℃直至110℃，然后每工況遞減10℃至初始溫度70℃。第1輪試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的上升，閥門能打開的最小行程逐步增大，F(xiàn)MD200-2電磁閥設(shè)計(jì)行程范圍內(nèi)在高溫110℃均已無法開啟。

2)第2輪試驗(yàn)設(shè)計(jì)改變電磁閥技術(shù)狀態(tài)，研究FMD200-11電磁閥開關(guān)特性與溫度環(huán)境的關(guān)系。其中在120℃和135℃保溫時(shí)間按照任務(wù)實(shí)際使用的48 h進(jìn)行驗(yàn)證。FMD200-11電磁閥行程為0.33～0.38 mm，覆蓋產(chǎn)品最小行程。閥門溫度從70℃開始，每工況遞增10℃或15℃至135℃，然后每工況遞減10℃或15℃至初始溫度70℃。第2輪試驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)MD200-11電磁閥在高溫135℃可正常開啟。

3)第3輪試驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)境拉偏考核驗(yàn)證，研究FMD200-11電磁閥開關(guān)特性與拉偏溫度環(huán)境的關(guān)系。電磁閥行程為0.35 mm，為產(chǎn)品最小行程，閥門溫度控制與第2輪試驗(yàn)一致，在120℃和135℃保溫時(shí)間按照72 h進(jìn)行拉偏考核。第3輪結(jié)果表明，F(xiàn)MD200-11電磁閥最小行程在120℃和135℃保溫72 h可正常開啟。

4)第4輪試驗(yàn)進(jìn)一步全面考核驗(yàn)證，研究FMD200-11電磁閥開關(guān)特性與溫度環(huán)境的關(guān)系。電磁閥行程覆蓋最小行程和最大行程，閥門溫度為120℃/135℃兩種工況。通過第4輪試驗(yàn)進(jìn)一步表明，F(xiàn)MD200-11電磁閥在120℃和135℃高溫條件下可正常開啟。

通過4輪可靠性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：FMD200-2電磁閥有效行程小于0.27 mm、溫度高于120℃時(shí)，推力器氧化劑路電磁閥存在無法打開的風(fēng)險(xiǎn)；FMD200-11電磁閥有效行程大于0.35 mm、溫度高于120℃時(shí)，氧化劑路電磁閥均正常打開。電磁閥高溫狀態(tài)后恢復(fù)到常溫的測試情況和試驗(yàn)后的行程復(fù)測結(jié)果表明：由高溫和強(qiáng)氧化性環(huán)境引起的閥芯行程變化是可逆的，當(dāng)溫度降低到常溫時(shí)，電磁閥行程將向初始狀態(tài)恢復(fù)。因此當(dāng)推力器處于高溫環(huán)境時(shí)，一旦電磁閥正常開啟，隨著推力器的點(diǎn)火工作，當(dāng)?shù)蜏匮趸瘎┲饾u補(bǔ)充上來，電磁閥的溫度會逐步降低并恢復(fù)到正常狀態(tài)。

除了研究氧化劑電磁閥開關(guān)特性與溫度環(huán)境關(guān)系外，設(shè)計(jì)了電磁閥燃料高溫開啟試驗(yàn)，覆蓋閥門行程范圍及工作溫度環(huán)境范圍，研究在月面高溫條件下，燃料路電磁閥開關(guān)特性與溫度環(huán)境、保溫時(shí)間的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，電磁閥閥芯氟塑料在高溫燃料中未發(fā)現(xiàn)有明顯的溶脹，F(xiàn)MD200-2閥門在燃料135℃情況下可以正常工作。

電磁閥可靠的情況下，推力器的性能將成為下一步研究的重點(diǎn)。在電磁閥可靠性增長分析研究基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)120 N推力器(配置FMD200-11電磁閥)在高溫120℃和135℃不同環(huán)境條件及不同保溫時(shí)長下研究推力器穩(wěn)態(tài)及脈沖工作性能，綜合考慮到電磁閥行程約束，設(shè)計(jì)了3輪高空模擬熱試車，獲取120 N推力器穩(wěn)態(tài)和脈沖工作的各項(xiàng)性能。具體性能數(shù)據(jù)在本文第4節(jié)中具體分析。具體電磁閥及推力器可靠性增長試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 電磁閥及推力器可靠性增長試驗(yàn)流程Fig.1 Flow chart of solenoid valve and thruster reliability growth test

可靠性批抽檢及驗(yàn)證試驗(yàn)方面，通過同批次電磁閥驗(yàn)收試驗(yàn)，驗(yàn)證該批次閥門滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。通過抽取一定數(shù)量電磁閥開展批抽檢試驗(yàn)，驗(yàn)證鑒定量級試驗(yàn)條件下，電磁閥性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。通過開展高溫氧化劑電磁閥開啟可靠性試驗(yàn)及高空模擬熱試車，驗(yàn)證電磁閥及推力器可靠性設(shè)計(jì)有效，性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，證明同批次電磁閥未因生產(chǎn)過程中各種因素影響可靠性，確認(rèn)該批電磁閥及推力器可靠性滿足任務(wù)飛行要求。具體電磁閥及推力器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電磁閥及推力器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)流程Fig.2 Flow chart of solenoid valve and thruster reliability verification test

3.2 高溫排氣設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

電磁閥在高溫條件下可以可靠開啟，推力器的工作性能得到了驗(yàn)證，如果能將推進(jìn)管路內(nèi)汽化的推進(jìn)劑排出，將進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性與健壯性，因此，設(shè)計(jì)了高溫排氣程序并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)推力器的組成和工作原理分析可以得出，電磁閥在高溫下可以正常開啟的情況下，影響推力器工作性能的主要是推進(jìn)劑在高溫下的狀態(tài)。當(dāng)推進(jìn)劑溫度高于90℃時(shí)，氧化劑存在汽化的現(xiàn)象，當(dāng)汽化后的氧化劑與正常狀態(tài)的燃料甲基肼混合時(shí)，將產(chǎn)生不穩(wěn)定的燃燒效應(yīng)，推力器的工作性能將發(fā)生下降。但隨著推力器的持續(xù)工作，電磁閥的溫度隨供應(yīng)的推進(jìn)劑溫度降低，其狀態(tài)將逐漸恢復(fù)到常溫時(shí)的狀態(tài)。因此，為了減小月面高溫條件下推力器工作性能變化對起飛姿態(tài)控制的影響，開展了高溫排氣設(shè)計(jì)。并且設(shè)計(jì)了一輪高空模擬熱試車，獲取月面高溫條件下上升器排氣程序及排氣后推力器的脈沖工作性能。

CE-5上升器月面起飛前，地面根據(jù)120 N推力器氧化劑入口管路溫度遙測判斷是否需要執(zhí)行排氣操作，當(dāng)溫度高于80℃時(shí)，說明氧化劑已存在汽化的可能性，由地面控制推力器以脈沖形式工作，排出管路中汽化的推進(jìn)劑，確保上升器起飛前，推力器脈沖工作性能滿足使用要求。

地面高溫排氣程序可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證方面，推力器分別在120℃和135℃溫度環(huán)境下，對應(yīng)保溫時(shí)長72 h和36 h條件下，設(shè)計(jì)了“長脈寬排氣+典型脈寬檢驗(yàn)”的試驗(yàn)方法，依次通過5組128 ms脈寬進(jìn)行排氣。排氣后緊接著開展10組40 ms典型脈寬檢驗(yàn)排氣后推力器的脈沖工作性能，來檢驗(yàn)高溫排氣的效果。之后，通過30 ms /40 ms/70 ms/108 ms脈寬檢驗(yàn)推力器脈沖工作性能。在120℃溫度條件下，推力器進(jìn)行5組128 ms脈寬排氣后40 ms脈寬性能如圖3所示，推力器進(jìn)行7組128 ms脈寬排氣后40 ms脈寬性能如圖4所示。

圖3 推力器進(jìn)行5組128 ms脈寬排氣后40 ms脈寬性能Fig.3 The 40 ms pulse width performance after thruster performed 5 sets of 128 ms pulse width exhaust

圖4 推力器進(jìn)行7組128 ms脈寬排氣后40 ms脈寬性能Fig.4 The 40 ms pulse width performance after thruster performed 7 sets of 128 ms pulse width exhaust

通過可靠性試驗(yàn)，從圖3和圖4中可以總結(jié)出在120℃溫度條件下：5組128 ms程序、5個(gè)40 ms脈寬程序后，脈沖推力基本穩(wěn)定；而7組128 ms程序、2個(gè)40 ms脈寬程序后，脈沖推力基本穩(wěn)定。因此經(jīng)分析認(rèn)為7組128 ms排氣程序后，推進(jìn)管路內(nèi)汽化的推進(jìn)劑基本排凈，經(jīng)推力器排氣程序后，推力器工作性能可以滿足起飛姿態(tài)控制的需求。

4 結(jié)果分析

4.1 推力器性能分析

下面主要針對上文中推力器高空模擬熱試車點(diǎn)火結(jié)果進(jìn)行分析，對推力器的工作性能進(jìn)行評價(jià)。推力器的性能分為穩(wěn)態(tài)工作性能和脈沖工作性能。

推力器穩(wěn)態(tài)工作方面，通過10 s穩(wěn)態(tài)點(diǎn)火工作的結(jié)果可以總結(jié)出，在高溫120℃/135℃環(huán)境狀態(tài)下，120 N推力器的真空推力相比常溫條件下點(diǎn)火變化低于1.5%。高溫狀態(tài)下點(diǎn)火推力器真空比沖相比常溫條件下點(diǎn)火變化低于1.5%。經(jīng)分析認(rèn)為，高溫下推力器點(diǎn)火的推力、比沖等穩(wěn)態(tài)性能均滿足對推力器性能指標(biāo)的要求，與常溫條件下推力器點(diǎn)火的推力、比沖性能的差異由試驗(yàn)測量、產(chǎn)品差異等因素造成，但開啟/關(guān)機(jī)響應(yīng)特性中，高溫條件下推力器開機(jī)響應(yīng)時(shí)間T90明顯延長，相比常溫條件下延長約10倍，而關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間T10基本不變。

推力器脈沖工作方面，在135℃、120℃、105℃、90℃和80℃高溫條件下，推力器均可實(shí)現(xiàn)脈沖模式工作，推力器脈沖沖量值與溫度條件、脈寬大小相關(guān)。同樣脈寬大小情況下，溫度越低，推力器脈沖沖量值越接近常溫條件下脈沖沖量值。80℃高溫條件下，各種脈寬下脈沖沖量約占常溫脈沖沖量的90%；135℃高溫條件下，40 ms脈寬的脈沖沖量約占常溫脈沖沖量60%。同等高溫條件情況下，推力器不同脈寬的脈沖沖量存在差異。脈寬越小，高溫條件下脈沖沖量與常溫脈沖相比差值越大；脈寬越寬，高溫條件下脈沖沖量越接近常溫沖量值。70 ms脈寬情況下：80℃高溫條件下，脈沖沖量約占常溫脈沖沖量的92%；135℃高溫條件下，約占62%。不同高溫條件下，推力器各類脈沖沖量及占常溫脈沖沖量的比值如圖5和圖6所示。經(jīng)仿真分析認(rèn)為，推力器脈沖工作性能可以滿足上升器起飛上升姿態(tài)控制的使用要求。

圖5 高溫條件下不同脈寬的脈沖沖量Fig.5 Impulse of different pulse widths at high temperature

圖6 高溫條件下不同脈寬沖量占常溫沖量的比值Fig.6 Ratio of impulse of different pulse width at high temperature to impulse of normal temperature

4.2 系統(tǒng)可靠性評估

針對月面高溫條件下，推力器脈沖沖量降低，可能影響上升器月面起飛姿態(tài)控制的問題，開展月面起飛推進(jìn)系統(tǒng)可靠性評估。首先，基于高溫條件下小樣本推力器可靠性試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合前期推力器試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)，計(jì)算推力器可靠度，然后根據(jù)起飛任務(wù)對推進(jìn)系統(tǒng)工作狀態(tài)要求，計(jì)算起飛狀態(tài)下推進(jìn)系統(tǒng)的可靠度。

推力器的制造和試驗(yàn)成本非常高，導(dǎo)致型號研制過程中可承受的試驗(yàn)子樣數(shù)量有限，另外受到研制周期的影響，因此推力器可靠性及壽命試驗(yàn)無法長時(shí)間進(jìn)行。在月面高溫條件下推力器可靠性試驗(yàn)中，除了額定工況試驗(yàn)外，還在溫度拉偏等惡劣工況下進(jìn)行可靠性試驗(yàn)。因此，將不同試驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合開發(fā)利用，來有效提高推力器可靠性評估的精度[10-11]。由于推力器在高溫工況下更容易發(fā)生失效，因此可以認(rèn)為，若推力器在較為惡劣工況下經(jīng)歷一定的試驗(yàn)量級后沒有發(fā)生失效，則其在額定工況下經(jīng)歷相同試驗(yàn)量級則不會發(fā)生失效。利用該信息轉(zhuǎn)換原則，可以將高溫工況下未失效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成額定工況下未失效數(shù)據(jù)，從而增加額定工況下試驗(yàn)信息量。

推力器屬于機(jī)電設(shè)備，失效率并非恒值，壽命符合威布爾分布[12]，失效分布密度函數(shù)為：

式中：m為形狀參數(shù)；δ為尺度參數(shù)，又稱特征壽命；η為位置參數(shù)，又稱保證壽命。

因高溫下推力器工作一開始就有可能失效，因此δ=0，三參數(shù)威布爾分布變?yōu)殡p參數(shù)威布爾分布。推力器失效模式為燃燒室或者喉部燒壞，美國波音公司通過對大量威布爾分布試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建議m=2.5。下面繼續(xù)討論雙參數(shù)威布爾分布下推力器可靠性估計(jì)問題。當(dāng)推力器可靠性試驗(yàn)連續(xù)成功時(shí)，設(shè)試驗(yàn)截尾時(shí)間為t1

(1)

(2)

式中：γ為置信度；n為推力器數(shù)量；t0為規(guī)定任務(wù)時(shí)間；tR為試驗(yàn)截止時(shí)間，即可靠壽命。高溫環(huán)境下推力器壽命試驗(yàn)匯總情況見表2，推力器均未發(fā)生失效，因此可以將表2中脈沖壽命的結(jié)果作為子樣開展可靠性評估[14-16]。

表2 推力器壽命試驗(yàn)結(jié)果(高溫工況)

經(jīng)分析計(jì)算，根據(jù)式(1)(2)，推力器在置信水平為60%的可靠性單側(cè)置信下限為：

結(jié)合月面起飛過程中對推進(jìn)系統(tǒng)的任務(wù)及工作模式要求，推進(jìn)系統(tǒng)可靠性模型為串聯(lián)模型，如圖7所示。

圖7 月面起飛推進(jìn)系統(tǒng)可靠性模型Fig.7 Reliablity model of lunar take-off propulsion system

經(jīng)分析計(jì)算，推進(jìn)系統(tǒng)可靠度為0.988 3，可以滿足起飛上升任務(wù)的要求。

5 結(jié)論

針對月面高溫環(huán)境下CE-5上升器存在無法正常完成起飛姿態(tài)控制的問題，通過設(shè)計(jì)電磁閥可靠性增長及推力器可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，證明了閥芯溶脹與溫度存在關(guān)系，電磁閥行程大于0.35 mm，溫度高于120℃時(shí)，推力器可以正常開啟。高溫條件下，推力器穩(wěn)態(tài)工作開機(jī)響應(yīng)時(shí)間延長，關(guān)機(jī)響應(yīng)時(shí)間基本不變。推力器脈沖工作，溫度越高推力器脈沖沖量值越低，80℃條件下，脈沖沖量約占常溫脈沖沖量的90%，135℃條件下，占比約占60%。

研究表明，推力器穩(wěn)態(tài)及脈沖工作性能滿足使用要求，通過月面高溫排氣程序設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可靠性與健壯性更佳。本文研究思路和方法有助于從機(jī)理上探尋推力器工作性能與使用環(huán)境的關(guān)系，解決高溫環(huán)境下推力器可靠工作的問題，對后續(xù)火星探測推力器面臨長期高溫問題、小行星及彗星探測面臨的高低溫交變等環(huán)境均具有一定的指導(dǎo)意義。