航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法

劉志全 夏祥東 宮穎

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

1 引言

開關(guān)類機(jī)構(gòu)在航天器艙段分離或兩航天器間的交會(huì)對(duì)接與分離中有著廣泛的應(yīng)用。航天器艙段分離開關(guān)、艙門壓點(diǎn)開關(guān)、對(duì)接機(jī)構(gòu)上的行程開關(guān)等都屬于航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)。航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)行程轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而為航天員或地面飛行控制指揮中心提供航天器的部分狀態(tài)信息。若航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)工作不可靠，則可能會(huì)出現(xiàn)狀態(tài)判讀錯(cuò)誤，對(duì)航天員完成在軌任務(wù)及地面飛行控制都有不利的影響。因此，在地面開展航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，是保證航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)可靠工作和航天員順利完成在軌任務(wù)的重要措施之一。本文將對(duì)航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，為開展航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)途徑。

2 可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)方法選擇

航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性可以用在規(guī)定的環(huán)境條件，在正常開關(guān)操作的前提下，航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的壽命大于任務(wù)時(shí)間的概率來表征，故將壽命確定為該類機(jī)構(gòu)的可靠性特征量[1-2]。考慮到航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)每進(jìn)行一次通斷切換（由“通”切換為“斷”為一次，由“斷”切換為“通”為另一次）所用的時(shí)間是恒定的，則壽命末的通斷切換次數(shù)乘以每通斷切換一次所用的時(shí)間就是壽命，所以用通斷切換次數(shù)T 來表征壽命。同理，用任務(wù)要求的工作次數(shù)t來表征任務(wù)時(shí)間。航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性R=P（T ＞t）。

驗(yàn)證航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性有多種試驗(yàn)方法。但是，在選擇試驗(yàn)方法時(shí)，必須要考慮航天器產(chǎn)品小批量生產(chǎn)、研制進(jìn)度緊和試驗(yàn)費(fèi)用較高的特點(diǎn)，否則，所選擇的試驗(yàn)方法將難以在工程中實(shí)施。在滿足驗(yàn)證可靠性水平的前提下，應(yīng)盡可能選擇試驗(yàn)件數(shù)少、試驗(yàn)時(shí)間短、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)少的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法。

航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)是多次動(dòng)作進(jìn)行通斷狀態(tài)轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品，它不屬于一次性動(dòng)作的成敗型產(chǎn)品（如火工機(jī)構(gòu)），因而不宜采用類似成敗型的火工機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)[3]。開關(guān)類機(jī)構(gòu)的輸出的信號(hào)不是接通就是斷開，而不同于某些所測(cè)輸出性能參數(shù)符合正態(tài)分布的機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，因而也不宜采用如文獻(xiàn)[4-6]所述的計(jì)量型（正態(tài)分布）可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

考慮到航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)（壽命型產(chǎn)品）的工作特點(diǎn)，其特征量用開關(guān)類機(jī)構(gòu)的通斷切換次數(shù)T 來表征，故選擇定時(shí)截尾無替換方式的壽命試驗(yàn)方法作為航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法。

在n個(gè)樣品的壽命試驗(yàn)中，若失效時(shí)間（用通斷切換次數(shù)來表征）按由小到大排序?yàn)閠1，t2，…，tr相互獨(dú)立，且壽命分布類型均為指數(shù)分布，預(yù)定在通斷切換次數(shù)為τ次時(shí)停止試驗(yàn)，產(chǎn)品失效數(shù)為r（r≤n），則試驗(yàn)總通斷切換次數(shù)[7]為

R 的近似單側(cè)置信下限[7]為

式中：t為任務(wù)要求的工作次數(shù)；1-α＝γ（γ為置信度）；χ2分布的分位數(shù)可查閱有關(guān)統(tǒng)計(jì)方面的數(shù)表獲得。

由式（2）得，總通斷切換次數(shù)T為

由式（3）可知，制定可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方案時(shí)，總通斷切換次數(shù)T 需要根據(jù)任務(wù)要求的工作次數(shù)t、失效數(shù)r和待驗(yàn)證的可靠性指標(biāo)RL來決定。其中t、γ和RL一般由產(chǎn)品的上級(jí)設(shè)計(jì)師或用戶在技術(shù)要求中下達(dá)，而失效數(shù)r在試驗(yàn)前是未知的，所以需要根據(jù)r可能的數(shù)值，按式（3）來計(jì)算幾種可能情況下的試驗(yàn)總通斷切換次數(shù)T，制定幾種試驗(yàn)截尾預(yù)案，若r＝0，則試驗(yàn)截尾通斷切換次數(shù)τ為

若0＜r＜n，則需根據(jù)r值按公式（3）來具體控制總通斷切換次數(shù)T 和試驗(yàn)截尾通斷切換次數(shù)τ。

2.2 試驗(yàn)件狀態(tài)、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)程序

航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)試驗(yàn)件應(yīng)是通過驗(yàn)收試驗(yàn)考核的合格產(chǎn)品，與交付安裝在航天器上的開關(guān)機(jī)構(gòu)具有相同的技術(shù)狀態(tài)。

產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的環(huán)境條件應(yīng)當(dāng)覆蓋產(chǎn)品工作環(huán)境中最惡劣的條件。

先將n（n≥3）個(gè)同種開關(guān)機(jī)構(gòu)按照規(guī)定的安裝要求，固定到可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)工裝上，并進(jìn)行初始狀態(tài)確認(rèn)，當(dāng)環(huán)境條件符合規(guī)定的試驗(yàn)條件時(shí)，在通電的情況下反復(fù)開閉航天器開關(guān)機(jī)構(gòu)，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置自動(dòng)記錄各個(gè)開關(guān)機(jī)構(gòu)的開閉次數(shù)。最終完成如上文所述的定時(shí)截尾無替換方式壽命試驗(yàn)。

2.3 故障判據(jù)

在試驗(yàn)過程中，若出現(xiàn)開關(guān)機(jī)構(gòu)的開關(guān)電信號(hào)不能切換的現(xiàn)象，則判定為出現(xiàn)故障，需要暫停試驗(yàn)，進(jìn)行故障分析。

若確認(rèn)故障屬于非關(guān)聯(lián)故障[8]，則剔除該試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備采取改進(jìn)措施后，可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，之前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效。

若確認(rèn)故障屬于關(guān)聯(lián)故障[8]，則需要改進(jìn)開關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)或工藝，重新進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)生故障前的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)于可靠性評(píng)估無效。

2.4 可靠性評(píng)估方法

根據(jù)試驗(yàn)獲得的實(shí)測(cè)值ti（i＝1，2，…，r）、失效數(shù)r和總通斷切換次數(shù)T 數(shù)據(jù)，查閱有關(guān)統(tǒng)計(jì)方面的數(shù)表獲得χ2分布的分位數(shù)，利用式（2）即可計(jì)算出開關(guān)機(jī)構(gòu)可靠性的評(píng)估值。

3 示例——某載人航天器艙門壓點(diǎn)開關(guān)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 功能及工作原理

圖1為某載人航天器艙門壓點(diǎn)開關(guān)的示意圖。

圖1 某艙門壓點(diǎn)開關(guān)示意圖Fig.1 Aswitch gear for manned spacecraft hatches

該艙門壓點(diǎn)開關(guān)主要由杠桿齒輪、滾輪、軸、觸桿、殼體、箱蓋和微動(dòng)開關(guān)等組成。

當(dāng)艙門處于打開狀態(tài)時(shí)，艙門壓點(diǎn)開關(guān)處于圖1所示的自由狀態(tài)，杠桿齒輪上的滾輪不被艙門壓緊，杠桿齒輪在內(nèi)部扭簧的作用下保持初始位置，內(nèi)部微動(dòng)開關(guān)發(fā)出艙門打開狀態(tài)電信號(hào)。

當(dāng)關(guān)閉艙門時(shí)，艙門上的壓塊與艙門壓點(diǎn)開關(guān)的滾輪接觸并壓緊，滾輪按圖1中的箭頭方向運(yùn)動(dòng)，杠桿齒輪繞軸旋轉(zhuǎn)，通過一對(duì)齒輪副將力矩傳遞到觸桿上。這樣，杠桿齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使得觸桿壓縮微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)，當(dāng)艙門關(guān)閉到位時(shí)，微動(dòng)開關(guān)的通斷狀態(tài)由絕緣狀態(tài)切換到導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)出艙門關(guān)閉的信號(hào)。當(dāng)關(guān)閉狀態(tài)的艙門要實(shí)現(xiàn)開啟時(shí)，杠桿齒輪軸上的扭簧釋放彈性力，使得觸桿與微動(dòng)開關(guān)逐漸脫離，當(dāng)艙門打開到位時(shí)，微動(dòng)開關(guān)通斷狀態(tài)切換，發(fā)出艙門打開的信號(hào)。

分析艙門壓點(diǎn)開關(guān)的組成和工作原理后可知，艙門壓點(diǎn)開關(guān)的可靠性主要取決于微動(dòng)開關(guān)能否可靠切換通斷狀態(tài)。

3.2 可靠性指標(biāo)、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

該載人航天器艙門壓點(diǎn)開關(guān)任務(wù)要求的工作次數(shù)t＝10次，該艙門壓點(diǎn)開關(guān)的可靠性指標(biāo)R＝0.999，要求按置信度γ＝0.7進(jìn)行可靠性評(píng)估。

為了驗(yàn)證艙門壓點(diǎn)開關(guān)的可靠性，從驗(yàn)收合格的一小批艙門壓點(diǎn)開關(guān)中隨機(jī)抽取3件艙門壓點(diǎn)開關(guān)作為試驗(yàn)件，試驗(yàn)件技術(shù)狀態(tài)與安裝在載人航天器上的艙門壓點(diǎn)開關(guān)具有相同技術(shù)狀態(tài)。艙門壓點(diǎn)開關(guān)與試驗(yàn)設(shè)備的安裝接口與飛行狀態(tài)下的安裝接口一致。

將3個(gè)艙門壓點(diǎn)開關(guān)同時(shí)固定在試驗(yàn)工裝上并放置在試驗(yàn)環(huán)境中，利用試驗(yàn)工裝上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)“凸輪-擺桿”機(jī)構(gòu)作周期性擺動(dòng)（如圖2所示），同時(shí)壓動(dòng)3個(gè)艙門壓點(diǎn)開關(guān)作開或關(guān)的動(dòng)作。在艙門壓點(diǎn)開關(guān)通電的情況下反復(fù)開閉壓點(diǎn)開關(guān)，利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置自動(dòng)記錄各個(gè)艙門壓點(diǎn)開關(guān)的開閉次數(shù)。一旦第i個(gè)艙門壓點(diǎn)開關(guān)不能正常切換通斷狀態(tài)，則此前記錄的開閉次數(shù)即為式（1）中的ti（i＝1，2，…，r）。

圖2 載人航天器艙門壓點(diǎn)開關(guān)試驗(yàn)件及試驗(yàn)工裝Fig.2 Switch gears for a manned spacecraft hatch and their test device

艙門壓點(diǎn)開關(guān)的環(huán)境條件與對(duì)應(yīng)的艙門門框附近的環(huán)境條件接近。在載人航天器艙門中，航天員出艙活動(dòng)艙門的工作環(huán)境較為惡劣。對(duì)應(yīng)的艙門壓點(diǎn)開關(guān)所處的最惡劣的環(huán)境為真空低溫，因此選擇真空低溫環(huán)境（真空度≤1.3×10-3Pa；溫度-45℃～-48℃）作為艙門壓點(diǎn)開關(guān)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的環(huán)境條件。

按照本文2.2節(jié)的試驗(yàn)程序進(jìn)行定時(shí)截尾無替換方式壽命試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及可靠性評(píng)估結(jié)果

從上述定時(shí)截尾無替換方式壽命試驗(yàn)中得到試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

根據(jù)t＝10，r＝2，T＝37 927，γ＝1-α＝0.7，查統(tǒng)計(jì)數(shù)表得：將 這些數(shù)據(jù)代入式（2）得到艙門壓點(diǎn)開關(guān)的可靠性評(píng)估結(jié)果：這表明艙門壓點(diǎn)開關(guān)的可靠性滿足指標(biāo)R＝0.999 的要求。

表1 試驗(yàn)結(jié)果Table1 Test results

4 結(jié)束語

本文給出了航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)的方法，并以載人航天器艙門壓點(diǎn)開關(guān)為例，示范了其可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法的應(yīng)用，可為航天器開關(guān)類機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)途徑。

作者衷心感謝上海航天電子有限公司李其隆、楊惠良、張建等同志給予的支持和幫助。

（References）

[1]劉志全.航天器機(jī)械可靠性特征量裕度的概率設(shè)計(jì)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2007，27（4）：34-43

Liu Zhiquan.Probability design method of margins of safty for reliability characteristic parameters of space mechanical products[J].Chinese Space Science and Technology，2007，27（4）：34-43（in Chinese）

[2]劉志全.航天器機(jī)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2007，27（3）：39-45

Liu Zhiquan.Reliability test methods of spacecraft mechanisms[J].Chinese Space Science and Technology，2007，27（3）：39-45（in Chinese）

[3]劉志全，陳新華，孫國(guó)鵬.航天器火工機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)及評(píng)估方法[J].航天器工程，2008，17（4）：62-66

Liu Zhiquan，Chen Xinhua，Sun Guopeng.Reliability validation tests and evaluation methods for pyrotechnic mechanisms of spacecraft[J].Spacecraft Engineering，2008，17（4）：62-66（in Chinese）

[4]劉志全，滿劍鋒.載人飛船座椅緩沖機(jī)構(gòu)的可靠性試驗(yàn)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2009，29（2）：33-37

Liu Zhiquan，Man Jianfeng.Reliability test methods for seat buffer in manned spacecraft[J].Chinese Space Science and Technology，2009，29（2）：33-37（in Chinese）

[5]劉志全，夏祥東.載人航天器密封艙門的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2010，30（1）：60-64

Liu Zhiquan，Xia Xiangdong.Reliability verification test methods of a hatch for manned spacecraft[J].Chinese Space Science and Technology，2010，30（1）：60-64（in Chinese）

[6]劉志全，孫國(guó)鵬，宮穎.載人飛船某連接分離機(jī)構(gòu)的可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2011，31（1）：56-61

Liu Zhiquan，Sun Guopeng，Gong Ying.Reliability verification test methods of a connecting/separating mechanism for manned spaceship[J].Chinese Space Science and Technology，2011，31（1）：56-61（in Chinese）

[7]周正伐.航天可靠性工程[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2006：193-196

Zhou Zhengfa，Space reliability engineering[M].Beijing.China Astronautics Press，2006：193-196（in Chinese）

[8]中華人民共和國(guó)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn).可靠性維修性保障性術(shù)語，GJB 451A-2005[S].中國(guó)人民解放軍總裝備部，2005

National Military Standard of PRC.Reliability，maintainability and supportability terms，GJB 451A-2005[S].General Armament Department of Chinese People’s Libration Army，2005（in Chinese）