衛(wèi)星動(dòng)量輪異常掉電故障研究

王凱琳，王俊彥，杜黎明，趙鐵軍，耿玉玲

(1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.內(nèi)蒙古軍區(qū)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

1 引 言

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中，一般采用動(dòng)量輪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要組成包括飛輪驅(qū)動(dòng)器和發(fā)電機(jī)、支承(位于軸承上的組合件)、飛輪及其動(dòng)力控制傳動(dòng)線路等。依據(jù)“動(dòng)量矩守恒”定律，當(dāng)隨意改變給定飛輪的旋轉(zhuǎn)角度和動(dòng)量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反作用控制力矩，其大小與飛輪的角動(dòng)量變化率成正比[1]。

某平臺(tái)衛(wèi)星正常模式采用V+L動(dòng)量輪構(gòu)型，由2個(gè)V形安裝的50Nms動(dòng)量輪MW1、MW2和1個(gè)用于備份的25Nms反作用輪RW組成。俯仰和滾動(dòng)軸由V形安裝的動(dòng)量輪或L形結(jié)構(gòu)的偏置動(dòng)量輪和反作用輪進(jìn)行控制，同時(shí)加速、減速動(dòng)量輪實(shí)現(xiàn)對(duì)Y軸的姿態(tài)控制，滾動(dòng)誤差通過(guò)差動(dòng)改變動(dòng)量輪在Z軸上角動(dòng)量進(jìn)行連續(xù)控制，以滿足精度要求。偏航軸采用被動(dòng)控制方式，偏航誤差的修正靠偏置角動(dòng)量與軌道運(yùn)動(dòng)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)。V形輪安裝示意圖如圖1所示，反作用輪的角動(dòng)量方向與MW1或MW2的角動(dòng)量的Z軸分量方向相反，以保證+L、-L形的合成角動(dòng)量方向仍在-Y方向。MW1與本體-Y軸成20°偏向于+Z方向，MW2與本體-Y軸成20°偏向于-Z方向。反作用輪RW(25Nms)沿Z軸安裝。飛輪的測(cè)速電路在姿軌控分系統(tǒng)中，采樣周期為2.56s，測(cè)速精度為1.024rpm，飛輪的轉(zhuǎn)速方向在姿軌控分系統(tǒng)中通過(guò)硬件處理后與轉(zhuǎn)速信號(hào)一起送到OBC計(jì)算機(jī)。

圖1 動(dòng)量輪安裝示意圖

對(duì)于動(dòng)量輪，其遙測(cè)信號(hào)有動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)速、動(dòng)量輪角動(dòng)量、動(dòng)量輪力矩控制電壓、動(dòng)量輪馬達(dá)電流以及動(dòng)量輪的軸承溫度，通?？紤]采用一種劃定監(jiān)測(cè)信號(hào)極限值的方法來(lái)對(duì)上述幾種觀測(cè)量進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

2 衛(wèi)星異?，F(xiàn)象

此衛(wèi)星動(dòng)量輪2發(fā)生掉電現(xiàn)象時(shí)，馬達(dá)電壓由26.33V突變?yōu)?0.53V。5min以后，由于動(dòng)量輪2掉電造成衛(wèi)星滾動(dòng)軸姿態(tài)超差，控制分系統(tǒng)按照預(yù)定設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)入軟件故障報(bào)警模式。應(yīng)用軟件根據(jù)軟件控制報(bào)警模式程控自動(dòng)開(kāi)啟太陽(yáng)敏感器線路盒SSE-A，陀螺線路盒GAE-A，啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，開(kāi)啟電源變換器PVC-B和PVC-C，切換推進(jìn)線路盒至UPSE-A，衛(wèi)星姿態(tài)由正常模式下的動(dòng)量輪控制轉(zhuǎn)為軟件故障報(bào)警模式下的推力器控制。圖2為衛(wèi)星發(fā)生掉電故障時(shí)的動(dòng)量輪2的馬達(dá)電壓、馬達(dá)電流和轉(zhuǎn)速曲線，圖3為姿態(tài)曲線。

3 衛(wèi)星異?，F(xiàn)象原因分析

對(duì)動(dòng)量輪掉電前后的指令發(fā)送情況進(jìn)行復(fù)查，在動(dòng)量輪組件異常斷電前后的過(guò)程中未發(fā)送遙控指令。同時(shí)，復(fù)查了PVC輸出電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)，在軌發(fā)生動(dòng)量輪異常掉電現(xiàn)象前后，PVC輸出電壓在正常范圍內(nèi)，所以并不存在觸發(fā)動(dòng)量輪線路盒欠壓保護(hù)動(dòng)作的條件。若動(dòng)量輪出現(xiàn)短路等故障，會(huì)造成供電電源出現(xiàn)過(guò)流，使過(guò)流保護(hù)電路工作，切斷前置級(jí)電路，這會(huì)使動(dòng)量輪快速制動(dòng)。而遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星動(dòng)量輪2制動(dòng)力矩較小，與動(dòng)量輪的損耗力矩吻合，未出現(xiàn)短路造成的制動(dòng)力矩。

圖2 動(dòng)量輪2轉(zhuǎn)速及馬達(dá)電壓遙測(cè)曲線

圖3 軟件故障報(bào)警模式下的衛(wèi)星姿態(tài)

動(dòng)量輪線路盒產(chǎn)品設(shè)計(jì)有過(guò)流保護(hù)電路，該電路包含輻射敏感器件。若動(dòng)量輪線路盒遭受空間環(huán)境干擾，此時(shí)的輻射敏感器件由于空間單粒子事件發(fā)生輸出誤翻轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作，遙測(cè)顯示為動(dòng)量輪電源狀態(tài)為“斷電”，轉(zhuǎn)速遙測(cè)為“零”，與真正發(fā)生過(guò)流保護(hù)的情況是一致的。

在軌發(fā)生空間單粒子事件的可能性是始終存在的，因此在軌運(yùn)行過(guò)程中可能由于單粒子事件導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)電路中的輻射敏感器件誤翻轉(zhuǎn)。輻射敏感器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，將觸發(fā)過(guò)流保護(hù)電路動(dòng)作，切斷動(dòng)量輪組件供電通路上MOS管的輸出，并引起過(guò)流保護(hù)電路誤鎖定，其最終現(xiàn)象表現(xiàn)為動(dòng)量輪異常斷電。因此，空間干擾極有可能是發(fā)生動(dòng)量輪掉電故障的原因。

4 故障影響分析

4.1 姿態(tài)影響

動(dòng)量輪2掉電后，衛(wèi)星由正常模式轉(zhuǎn)入軟件故障報(bào)警模

式，這兩個(gè)模式的指標(biāo)精度如表1所示。

表1 正常模式和軟件故障報(bào)警模式的指標(biāo)精度

由圖3可知，衛(wèi)星因動(dòng)量輪2掉電故障轉(zhuǎn)入軟件故障報(bào)警模式后，滾動(dòng)和俯仰姿態(tài)誤差只略微增加，但由于偏航軸在轉(zhuǎn)入軟件故障報(bào)警模式后1280s不控(此時(shí)間為陀螺加溫時(shí)間)，偏航軸誤差達(dá)到33°左右，衛(wèi)星的滾動(dòng)和俯仰姿態(tài)未發(fā)生較大變化。

4.2 推進(jìn)劑消耗影響

故障前后，推進(jìn)系統(tǒng)各推力器噴氣時(shí)間見(jiàn)表2。由表可知，衛(wèi)星此次故障10N推力器共噴氣295.61s，多消耗推進(jìn)劑約1182.44g。

表2 衛(wèi)星10N推力器噴氣時(shí)間(單位：秒)

4.3 動(dòng)量輪性能影響

衛(wèi)星動(dòng)量輪組件2再次啟動(dòng)后，升速過(guò)程中的動(dòng)量輪馬達(dá)電壓、電流、轉(zhuǎn)速曲線見(jiàn)圖4。對(duì)該特征參數(shù)曲線進(jìn)行分析可知，衛(wèi)星動(dòng)量輪2功能和性能正常。

圖4 衛(wèi)星動(dòng)量輪2重新加電后啟動(dòng)過(guò)程特征參數(shù)曲線

綜上所述，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入軟件故障報(bào)警模式，其根本原因是動(dòng)量輪組件2掉電引起衛(wèi)星滾動(dòng)軸姿態(tài)超差。從動(dòng)量輪組件的轉(zhuǎn)速、馬達(dá)電壓以及控制分系統(tǒng)供電部件PVC的輸入電流、輸出電壓等遙測(cè)數(shù)據(jù)可知，動(dòng)量輪組件2掉電的原因與其自身有關(guān)，與動(dòng)量輪的供電情況和使用工況無(wú)關(guān)。從動(dòng)量輪重新加電后特征參數(shù)遙測(cè)數(shù)據(jù)判斷可知，衛(wèi)星此次的動(dòng)量輪異常掉電不影響動(dòng)量輪本身的工作特性及性能。

5 解決措施

單粒子翻轉(zhuǎn)是在軌衛(wèi)星出現(xiàn)故障的常見(jiàn)原因。東四平臺(tái)衛(wèi)星同步軌道設(shè)計(jì)了軟件故障報(bào)警安全模式，其是姿態(tài)長(zhǎng)期超差軟件報(bào)警后進(jìn)入的對(duì)地指向安全模式，簡(jiǎn)稱ETM。設(shè)計(jì)安全模式是為了在地面站介入之前星上先進(jìn)行相關(guān)處理，爭(zhēng)取更多的處理時(shí)間。

此外要研究如何提高衛(wèi)星的可靠性，平時(shí)還需要關(guān)注的問(wèn)題是：由于太空中的環(huán)境很復(fù)雜,而且衛(wèi)星太陽(yáng)能軌道的種類繁多，因此需要進(jìn)一步做好對(duì)空間環(huán)境和單粒子效應(yīng)的預(yù)示和防護(hù)措施。除了單粒子效應(yīng)外，充放電效應(yīng)也會(huì)為衛(wèi)星的可靠運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患，這是亟待探索和研究的關(guān)鍵性內(nèi)容。

為了增強(qiáng)和提高衛(wèi)星在軌故障檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的實(shí)時(shí)性和定位精度的準(zhǔn)確率，可設(shè)計(jì)一套對(duì)故障進(jìn)行診斷與預(yù)測(cè)的管理系統(tǒng)。2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳天陽(yáng)基于漏斗模型并結(jié)合DSP的制作工藝，建立了MOS器件的電荷收集機(jī)理，并計(jì)算出了單粒子效應(yīng)的臨界能量?；赟RIM軟件對(duì)地面模擬福射試驗(yàn)中經(jīng)常使用的锎源進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到了锎源的通量與能量的關(guān)系。采用锎源進(jìn)行DSP處理器的單粒子效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)，通過(guò)分析大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到了單粒子翻轉(zhuǎn)截面、單粒子翻轉(zhuǎn)個(gè)數(shù)與芯片距锎源距離的關(guān)系、每個(gè)地址上16個(gè)存儲(chǔ)單元的單粒子翻轉(zhuǎn)頻率，試驗(yàn)研究結(jié)果可為我國(guó)通信衛(wèi)星的空間單粒子效應(yīng)安全防護(hù)管理措施的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)[2]。

6 結(jié) 論

在衛(wèi)星長(zhǎng)期管理中，要重視衛(wèi)星遙測(cè)的異常變化，對(duì)其變化原因要結(jié)合衛(wèi)星相關(guān)遙測(cè)進(jìn)行分析，不能孤立地看待每一個(gè)遙測(cè)。對(duì)于衛(wèi)星測(cè)控要重視衛(wèi)星模擬器的作用，對(duì)衛(wèi)星出現(xiàn)的任何異常，都要在衛(wèi)星模擬器上模擬分析各種可能性，從而有助于找出故障原因。