航天發(fā)射場(chǎng)故障失效分析案例研究

趙 晨，李 潔

（總裝備部特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京100028）

航天發(fā)射場(chǎng)故障失效分析案例研究

趙 晨，李 潔

（總裝備部特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京100028）

隨著現(xiàn)代航天產(chǎn)品日趨復(fù)雜，失效分析工作也日益受到重視。本文通過(guò)美國(guó)肯尼迪航天中心的有效載荷箱鋼軌、避雷系統(tǒng)鋼纜、履帶運(yùn)輸車軸承、避雷塔鋼管等地面設(shè)施設(shè)備故障失效案例，論述了故障失效歸于生產(chǎn)制造、環(huán)境條件、操作與維護(hù)、研發(fā)設(shè)計(jì)以及綜合形成的老化等五種成因，綜述了進(jìn)行每類故障失效分析所采用的檢測(cè)儀器與實(shí)驗(yàn)室分析等技術(shù)手段、分析過(guò)程及分析結(jié)果，最后，強(qiáng)調(diào)了故障失效分析對(duì)于預(yù)防失效、確保航天系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性的作用。本文可為我國(guó)航天發(fā)射場(chǎng)地面設(shè)施設(shè)備的可靠性研究提供有利的參考。

航天發(fā)射場(chǎng)；故障失效；分析；檢測(cè)

1 引言

航天活動(dòng)是一項(xiàng)高技術(shù)、高投入、高風(fēng)險(xiǎn)并存的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)又由許許多多的分系統(tǒng)、子系統(tǒng)組成，一個(gè)子系統(tǒng)又由成千上萬(wàn)個(gè)元器件組成，其中某個(gè)產(chǎn)品（或部件）的失效或故障會(huì)造成巨大的災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失［1］。1986年1月28日，在“挑戰(zhàn)者”號(hào)航天飛機(jī)第10次飛行中，因固體助推器密封環(huán)失效而導(dǎo)致機(jī)體在空中爆炸［2］。2003年2月1日，“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)因其左翼前緣的增強(qiáng)碳ˉ碳隔熱板被燃料箱外脫落的泡沫碎塊擊中，返回地球大氣層時(shí)產(chǎn)生的摩擦高溫致使機(jī)體融化解體墜毀［3］。隨著世界空間探索目標(biāo)向更加遙遠(yuǎn)的深空邁進(jìn)，航天系統(tǒng)的規(guī)模愈來(lái)愈龐大，綜合性愈來(lái)愈強(qiáng)，技術(shù)愈來(lái)愈復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品（系統(tǒng)）可靠性的要求日益提高，產(chǎn)品（系統(tǒng)）的故障失效分析工作也愈來(lái)受到重視［1，4］。

美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautic and Space Administration，NASA）與肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC）的各類故障失效分析由其材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)室部下屬的故障失效與材料評(píng)估分部負(fù)責(zé)。該分部下設(shè)材料故障失效實(shí)驗(yàn)室、電氣／電子產(chǎn)品故障失效實(shí)驗(yàn)室和機(jī)械系統(tǒng)／計(jì)量實(shí)驗(yàn)室。根據(jù)故障失效與材料評(píng)估分部幾十年來(lái)對(duì)NASA／KSC航天項(xiàng)目的全部飛行硬件與地面保障設(shè)備的操作過(guò)程、分析研究經(jīng)驗(yàn)，KSC地面設(shè)施設(shè)備的故障失效成因可歸結(jié)為五類：生產(chǎn)制造、應(yīng)用環(huán)境、操作與維護(hù)、研發(fā)設(shè)計(jì)以及前四類成因綜合形成的老化［5?6］。

2 歸因生產(chǎn)制造的故障失效

正確的生產(chǎn)制造對(duì)于一個(gè)部件成功實(shí)現(xiàn)其規(guī)定的功能是非常重要的。當(dāng)某一部件受到不恰當(dāng)?shù)臒崽幚?、非適用的涂料或替換成未經(jīng)授權(quán)的產(chǎn)品時(shí)，就能通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)其中的故障。歸因生產(chǎn)制造的故障失效可以在材料評(píng)估的前期被發(fā)現(xiàn)［7］。

2.1 失效案例

國(guó)際空間站在其旋轉(zhuǎn)處理裝置的有效載荷箱鋼軌安裝過(guò)程中被發(fā)現(xiàn)采用AISI4140鋼的鋼軌（見(jiàn)圖1）頂面出現(xiàn)裂紋［8］。

圖1 出現(xiàn)裂紋的有效載荷箱鋼軌Fig.1 Payload canister rail with crack on the top

圖1 中的藍(lán)色箭標(biāo)為設(shè)在鋼軌頂面的6個(gè)凹槽，用于安裝可固定有效載荷的止推軸承；黃色箭標(biāo)為裂紋的位置，紅色箭標(biāo)為2個(gè)明顯的焊接修復(fù)點(diǎn)。焊接修復(fù)點(diǎn)與距其最近的凹槽之間的間距大致相當(dāng)于兩個(gè)凹槽之間的間距，即10 cm。鋼軌被縱向切開(kāi)，并從其底座上拆除頂部凸緣，對(duì)凸緣底面進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，在凸緣底面靠近焊接修復(fù)點(diǎn)的地方有4處裂紋。

2.2 檢測(cè)與分析

KSC對(duì)此鋼軌裂紋做了如下檢測(cè)與分析［8］：

1）采用“英斯特朗”張力測(cè)試儀并在三點(diǎn)彎曲負(fù)荷狀態(tài)下打開(kāi)裂紋，對(duì)布滿銹蝕的裂紋表面進(jìn)行檢查（圖2）。將銹蝕清除后，在表面邊緣發(fā)現(xiàn)了一個(gè)約1～2 mm寬的裂紋。此外，還對(duì)表面鍍層進(jìn)行了檢測(cè)（圖2右下）。表層顯像工具顯示該裂紋是因機(jī)械加工和磨削操作而形成的（圖2右上）。

2）檢測(cè)儀器一是采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)微孔集聚（MVC，其特點(diǎn)是韌性應(yīng)力過(guò)載）的裂紋表面邊緣進(jìn)行檢測(cè)分析；二是采用定性／半定量能譜儀（EDS）和SEM對(duì)整體金屬表面進(jìn)行檢測(cè)分析，確定裂紋表面的鎳鍍層狀態(tài)。

3）在對(duì)經(jīng)酸蝕后的非裂紋焊接修復(fù)點(diǎn)的橫截面金相試樣進(jìn)行初步觀測(cè)后，認(rèn)為在凹槽基底材料中焊接了一塊滲入深度小于3 mm的不同材料（圖3），但在焊接時(shí)未將填料與基底金屬完全熔合。在對(duì)裂紋焊接修復(fù)點(diǎn)的橫截面金相試樣進(jìn)行檢測(cè)后，認(rèn)為填料呈現(xiàn)冷加工的痕跡，是從較大質(zhì)量的板材上切割下來(lái)的。正是由于插入了這種材料，才使橫截面承受荷載。焊接點(diǎn)處呈現(xiàn)許多孔隙，而試樣的金相分析佐證了立體顯微照片和SEM分析結(jié)論。

圖2 裂紋的立體顯微照片F(xiàn)ig.2 Stereomicroscope image of the revealed service fracture

圖3 焊接修復(fù)點(diǎn)的橫截面Fig.3 Cross?section of the weld repair region

整體金屬金相試樣的微觀檢測(cè)表明，基底微結(jié)構(gòu)是鐵素體與珠光體的樹(shù)枝狀晶體，是一個(gè)4140鋼焊接點(diǎn)。對(duì)填料金相試樣的微觀檢測(cè)表明，基底微結(jié)構(gòu)是粗紋理的鐵素體與珠光體，是焊接的素碳鋼。

4）對(duì)金相試樣進(jìn)行微硬度測(cè)量后，將數(shù)值轉(zhuǎn)換成洛氏硬度B標(biāo)尺（HRB），結(jié)果表明，轉(zhuǎn)換后的整體金屬硬度為92 HRB，而填料的硬度為8292 HRB，大大低于導(dǎo)軌整體金屬硬度。導(dǎo)軌的整體金屬硬度滿足設(shè)計(jì)施工要求，而填料硬度則低于導(dǎo)軌硬度。

5）化學(xué)分析結(jié)果表明，導(dǎo)軌的整體金屬材料是根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖要求而采用AISI4104鋼，但填料則基本確定是一種1000系列鋼材，接近于AI?SI1030鋼。

上述儀器檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)室分析表明：有2個(gè)導(dǎo)軌凹槽沒(méi)有嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工圖要求進(jìn)行生產(chǎn)操作，填入了一種低強(qiáng)度、1000系列的鋼材；填料經(jīng)過(guò)磨削填入切割錯(cuò)誤的凹槽中；鋼條周圍的焊接沒(méi)有得到充分的貫入以使填料與整體導(dǎo)軌金屬進(jìn)行熔合；由于導(dǎo)軌底面缺乏足夠的熔合，導(dǎo)致應(yīng)力過(guò)載，產(chǎn)生裂紋。

3 歸因環(huán)境條件的故障失效

KSC所處的地理位置受到鹽霧、高溫、高濕、日曬、雷電等自然環(huán)境因素的影響，易于形成腐蝕現(xiàn)象；此外，發(fā)射時(shí)所排放的化學(xué)推進(jìn)劑則加快了地面設(shè)施設(shè)備的腐蝕速度，從而導(dǎo)致部件的故障失效［7］。

3.1 失效案例

39號(hào)發(fā)射工位避雷系統(tǒng)的鋼纜通過(guò)型鍛裝置進(jìn)行張力試驗(yàn)，評(píng)定其損傷情況，以便為未來(lái)航天項(xiàng)目采用何種鋼纜提供技術(shù)依據(jù)。該線纜為316型不銹鋼，6×19右向逆絞，7×7的獨(dú)立纜芯，2001年安裝，2008年拆除。

在進(jìn)行張力試驗(yàn)的過(guò)程中，一個(gè)鋼纜試樣產(chǎn)生斷裂，但該斷裂處不是出現(xiàn)在型鍛位置。根據(jù)對(duì)鋼纜斷裂處的目測(cè)結(jié)果表明，該損傷可能是因兩種環(huán)境因素形成的，即：雷電與腐蝕［9］。

3.2 檢測(cè)與分析

3.2.1 雷電性損傷

1）根據(jù)對(duì)鋼纜表面的觀測(cè)，可將其若干處損傷確定為局部熔融，在鋼纜熔化損傷處檢測(cè)到橙色的腐蝕情況。通過(guò)SEM對(duì)損傷處檢測(cè)，其立體顯微照片中反映出因某一局部加熱事件而形成的金屬熔珠（圖4中藍(lán)色箭頭所指）。

圖4 鋼纜繩的SEM照片與橫截面Fig.4 SEM image（top）and cross?section（bottom）of the wire rope

2）將呈現(xiàn)熔化和再凝固的損傷處進(jìn)行橫切，用于金相檢測(cè)（圖4中黃色線）。對(duì)損傷處橫截面的檢測(cè)結(jié)果顯示，19根鋼絲中有5根受到損傷，出現(xiàn)類似焊接的樹(shù)狀微結(jié)構(gòu)，表明該材料曾被熔化并再凝固（圖4中左下角插圖）。主體金屬在在橫向上含有極細(xì)的奧氏體紋理。浸蝕劑擇優(yōu)與熔化和再凝固的金屬發(fā)生反應(yīng)，這說(shuō)明該金屬材料比原鋼纜易受到化學(xué)作用。在鋼纜受損部分觀測(cè)到的腐蝕物就是上述化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。

3）對(duì)鋼纜橫截面進(jìn)行微硬度測(cè)量，結(jié)果顯示鋼纜的受損部分與非受損部分在硬度上無(wú)明顯差異，這表明鋼纜受損部分的熱影響區(qū)非常小。

3.2.2 腐蝕性損傷

1）圖5為通過(guò)肉眼和顯微儀器觀測(cè)到的一些鋼絲內(nèi)部點(diǎn)蝕情況。

一根鋼纜中大約有1／4的鋼絲因點(diǎn)蝕而減小了橫截面。SEM觀測(cè)結(jié)果表明：腐蝕作用不僅限于鋼纜的外部，在某些情況下，會(huì)擇優(yōu)作用于鋼纜的內(nèi)部，從而形成蟲(chóng)蝕孔狀外觀。

2）采用EDS和SEM對(duì)點(diǎn)蝕鋼絲樣本進(jìn)行分析，并觀測(cè)到點(diǎn)蝕部分的球形沉積物中含有鋁和氯（圖5中圓圈），這說(shuō)明該點(diǎn)蝕受到航天飛機(jī)固體助推器（SRB）排放物沉淀的作用。SRB所排放的腐蝕物主要包括：氧、鐵、鉻以及少量的氯和硫磺。該腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生主要?dú)w結(jié)于SRB排放的含氯沉淀物與其他海洋沉積物對(duì)不銹鋼絲造成的氯化物點(diǎn)蝕作用。

圖5 鋼纜橫截面（右）與點(diǎn)蝕顯微照片（左）Fig.5 Cross?section of the wire（top right）and stereodroscope image（top left）

3）將其中一根有點(diǎn)蝕現(xiàn)象的鋼絲安裝在金相檢測(cè)設(shè)備上，對(duì)其縱截面進(jìn)行觀測(cè)。結(jié)果顯示：鋼絲內(nèi)約有2／3的部分都出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象（圖5右上部分）。鋼絲的紋理結(jié)構(gòu)因冷加工作用而被極度拉伸。由于腐蝕機(jī)理對(duì)紋理結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向作用，紋理邊緣的侵蝕導(dǎo)致鋼絲內(nèi)部呈蟲(chóng)蝕孔狀點(diǎn)蝕。

NASA／KSC曾對(duì)發(fā)射臺(tái)避雷系統(tǒng)的鋼纜進(jìn)行了為期8年的金相評(píng)估，結(jié)果表明，鋼纜的局部受損歸結(jié)雷電和腐蝕這兩種不同的環(huán)境因素。在上述兩個(gè)案例中，由于每根鋼纜中只有1／4的鋼絲受損，這種局部受損特性不會(huì)影響到鋼纜的整體強(qiáng)度。因雷電而受損的部分通常都出現(xiàn)在鋼纜的表面，但鋼絲內(nèi)的點(diǎn)蝕情況比較難以通過(guò)目測(cè)檢查出來(lái)。

4 歸因操作與維護(hù)的故障失效

各類發(fā)射設(shè)備部件在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中要不斷承受所施加的設(shè)計(jì)荷載，如何實(shí)施恰當(dāng)?shù)脑O(shè)施設(shè)備維修對(duì)KSC而言一直是一項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)。對(duì)于一些元器件和結(jié)構(gòu)件，其維修操作是無(wú)法在一個(gè)潔凈的環(huán)境中展開(kāi)的，因而實(shí)施一項(xiàng)恰當(dāng)?shù)木S護(hù)操作也是確保任務(wù)成功的關(guān)鍵因素［7］。

4.1 失效案例

KSC的履帶運(yùn)輸車（CT）在進(jìn)行維修時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)球形軸承出現(xiàn)裂紋，因此從CT的操縱汽缸中取出該軸承進(jìn)行失效分析［10］。該球形軸承主要是在操縱CT四個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)向架的其中一個(gè)時(shí)，用于承受水平荷載，因此設(shè)計(jì)施工圖要求采用AISIE 52100軸承鋼材。圖6為操縱汽缸位置（藍(lán)色箭標(biāo)）和出現(xiàn)裂紋軸承的位置（紅色箭標(biāo)）。

4.2 檢測(cè)與分析

KSC對(duì)此軸承裂紋做了如下檢測(cè)與分析［10］：

圖6 CT與球形軸承（右圖中黃色箭標(biāo)處為裂紋）Fig.6 Image of CT and sphere bearing

1）將對(duì)球形軸承進(jìn)行液體貫入的非損傷性評(píng)估與磁粒子檢查。在軸承的圓周線設(shè)置了一個(gè)潤(rùn)滑凹槽，裂紋末梢正位于潤(rùn)滑凹槽的下方。從裂紋所在位置可以直接觀測(cè)到球形軸承內(nèi)表面的一個(gè)參考點(diǎn)，該參考點(diǎn)設(shè)在軸承的較低位置，表明軸承受到不均勻壓力的作用。

2）球形軸承被切割開(kāi)，將裂紋打開(kāi)，呈現(xiàn)出斷裂表面。斷裂表面涂敷了一層油脂，在被打開(kāi)時(shí)散發(fā)出一股燒焦味道，這表明軸承是在操作過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的。將斷裂表面進(jìn)行超聲波清洗并目測(cè)檢查，斷裂表面所呈現(xiàn)的螺旋線狀裂紋痕跡表明該失效是呈遞增式發(fā)展的（圖7）。圖7中的藍(lán)色箭標(biāo)所指的是起始點(diǎn)的位置，即位于球形軸承的弱軸。

圖7 斷裂表面與裂紋標(biāo)記（黃線）Fig.7 The revealed fracture surface displayed crack arrest marks

3）采用SEM對(duì)斷裂表面的分析結(jié)果顯示，斷裂表面主要呈粒間斷裂特性，局部呈微孔集聚狀。斷裂表面還呈現(xiàn)油漬和腐蝕物，這更證明了該軸承的斷裂是在使用過(guò)程中產(chǎn)生的。定性／半定量EDS和SEM的分析結(jié)果顯示：腐蝕物主要包含鐵、氧及少量的硅和硫磺。雖然立體顯微沒(méi)有觀測(cè)到疲勞層理，但斷裂特征符合高強(qiáng)度鋼遞增式失效的特點(diǎn)。

4）斷裂表面橫截面的金相試樣顯示出二次斷裂的粒間特性，其微結(jié)構(gòu)含有回火馬氏體、散布均勻的不溶解碳顆粒及錳硫化物脈紋，而SEM／EDS分析也確定了黑色顆粒是錳硫化物。金相試樣的全厚度微硬度測(cè)量值轉(zhuǎn)換成洛氏C標(biāo)尺（HRC）后為平均56HRC，滿足設(shè)計(jì)所規(guī)定的最低值55HRC。

5）技術(shù)人員從兩個(gè)軸承位置和未用油脂管中提取潤(rùn)滑劑試樣進(jìn)行分析。一是失效軸承處的潤(rùn)滑劑，該處潤(rùn)滑劑在安裝了新軸承后發(fā)生了變化，所以是未用油脂與失效時(shí)油脂的混合物；二是從汽缸中提取了未變化的試樣，以便分析標(biāo)準(zhǔn)的操作性樣本；三是從進(jìn)行軸承維護(hù)時(shí)的油脂容器中提取的未使用油脂。兩種使用過(guò)的樣本顏色均比未使用的樣本要深，并含有各種顆粒，從而降低了油脂的潤(rùn)滑度。

水含量樣本采用傅立葉轉(zhuǎn)換紅外線光譜儀（FT?IR）和卡爾·費(fèi)休法進(jìn)行分析。FT?IR的分析結(jié)果確認(rèn)所有樣本都是鋰皂類油脂，符合設(shè)計(jì)要求的油脂構(gòu)成?？枴べM(fèi)休法的結(jié)果顯示在使用過(guò)程中該油脂吸收了水。未使用的油脂樣本表明增加的水含量是由于老化和存儲(chǔ)時(shí)暴露的結(jié)果。定性／半定量的SEM／EDS對(duì)從兩份已使用油脂中提取的顆粒的分析結(jié)果表明，油脂中含有金屬和非金屬顆粒。各種顆粒的構(gòu)成符合腐蝕物及沙、巖石碎屑等其他雜質(zhì)的特性。

潤(rùn)滑劑的分析結(jié)果表明：由于老化和雜質(zhì)顆粒極大地降低了球形軸承的功能；粗視檢測(cè)則發(fā)現(xiàn)軸承的內(nèi)壁上出現(xiàn)不同軸性，從而導(dǎo)致軸承呈遞增式失效。而不同軸性則是因施加了一定負(fù)荷而使油脂失效所導(dǎo)致的。

5 歸因研發(fā)設(shè)計(jì)的故障失效

一個(gè)部件的設(shè)計(jì)對(duì)其整個(gè)使用壽命周期的順利操作起著決定性作用，絕大部分部件都是一直按照其設(shè)計(jì)要求完成各項(xiàng)功能的。然而在設(shè)計(jì)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)無(wú)法考慮到全部影響因子，如：維修與檢測(cè)的可達(dá)性；在長(zhǎng)達(dá)30多年項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中陸續(xù)開(kāi)展的對(duì)原設(shè)計(jì)的各項(xiàng)改造，都會(huì)導(dǎo)致一定的失效［7］。

5.1 失效案例

在“星座”計(jì)劃實(shí)施期間，檢測(cè)人員在三個(gè)新型避雷塔不同高度的9個(gè)焊接處上發(fā)現(xiàn)了焊趾裂紋［11］。這些9個(gè)焊接點(diǎn)主要位于直徑25.4 cm主水平管與2個(gè)直徑20.3 cm支撐管之間（圖8）。技術(shù)人員從避雷塔30.85m處的裂紋上提取了一個(gè)代表性試樣進(jìn)行分析。在切割操作的過(guò)程中對(duì)部件進(jìn)行了溫度測(cè)量，以確保部件不受到過(guò)熱影響，從而導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)變化。避雷塔的鋼管采用ASTM500 B級(jí)碳鋼材料。技術(shù)人員對(duì)試樣分別進(jìn)行立體顯微取照、SEM分析、化學(xué)分析與金相分析，以確定焊趾裂紋裂紋的成因。

圖8 新型避雷塔的局部示意圖Fig.8 Images of the partially assembled lightning towers

5.2 檢測(cè)與分析

KSC對(duì)此焊趾裂紋檢測(cè)與分析的結(jié)果如下［11］：

1）在完成初步取照后，對(duì)試樣的橫截面進(jìn)行立體顯微以及金相、化學(xué)與斷口組織的分析。圖9左下所示1＃樣本在切割后，整個(gè)裂紋的斷裂表面呈現(xiàn)有腐蝕物。右下所示2＃樣本在打開(kāi)后形成了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室導(dǎo)出的過(guò)載區(qū)，裂紋表面已延伸到25.4 cm水平主管的內(nèi)直徑處，并逐漸變細(xì)。在斷裂表面沒(méi)有觀測(cè)到涂料痕跡，這表明該裂紋是在涂完漆料后產(chǎn)生的，并在取樣前形成了腐蝕物。

2）采用SEM對(duì)放大后的1＃樣本的斷裂表面進(jìn)行斷口組織評(píng)估。斷裂表面經(jīng)過(guò)超生波清潔，以清除腐蝕物?？拷?5.4 cm主管外直徑的斷裂表面有明顯的脆性和韌性（混合形態(tài)）斷裂，呈現(xiàn)粒間與橫斷顆粒開(kāi)裂擴(kuò)張?zhí)匦浴Ａｉg（IG）開(kāi)裂擴(kuò)張區(qū)由橫斷顆粒開(kāi)裂擴(kuò)張區(qū)包裹著。在管子的內(nèi)直徑，觀測(cè)到有韌性應(yīng)力過(guò)載特性的微孔集聚。

3）在對(duì)2＃樣本進(jìn)行評(píng)估后，確定其裂紋擴(kuò)張界線不是與疲勞導(dǎo)致的遞增式裂紋擴(kuò)張?jiān)鲩L(zhǎng)相關(guān)的海灘痕跡，而是因聚集在斷裂表面的腐蝕物所導(dǎo)致的。二次電子（SE）成像沒(méi)有顯示出通常可在海灘痕跡中觀測(cè)到的疲勞紋或塑性橫斷顆粒變形。經(jīng)過(guò)放大后，SE成像顯示出從IG至MVC的斷裂有稍許變化。此外，逆向散射電子（BSE）成像呈現(xiàn)出歸因于腐蝕物跡線（較深色部分）的強(qiáng)大反差，而EDS分析也確證了這點(diǎn)?？梢耘卸ㄔ撌鞘艿綆缀螒?yīng)力限制時(shí)的過(guò)載，該幾何應(yīng)力條件主要用于防止材料產(chǎn)生塑性變形而形成以脆性斷裂特性為主的混合形態(tài)斷裂。

4）技術(shù)人員提取了3＃樣本，并將其橫截面進(jìn)行固定、拋光和酸蝕，展露出焊珠、熱影響區(qū)和基底金屬微結(jié)構(gòu)。金相分析結(jié)果顯示，在接合過(guò)渡部位靠近25.4 cm主管焊趾，由于焊接幾何產(chǎn)生應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋（圖10）。該裂紋與焊接處基本呈垂直狀態(tài)擴(kuò)開(kāi)，幾近長(zhǎng)達(dá)整個(gè)焊點(diǎn)厚度，并在25.4 cm主管的內(nèi)直徑以45°角偏移1 mm（圖10）。裂紋橫截面呈現(xiàn)微結(jié)構(gòu)對(duì)于一個(gè)素碳鋼填料焊接的熱影響區(qū)、焊接金屬和基底金屬而言是容許的。微結(jié)構(gòu)與裂紋形態(tài)分析表明，該失效既非氫誘發(fā)的斷裂，也非其他類型的材料斷裂。

5）通過(guò)光輻射譜測(cè)展開(kāi)的化學(xué)分析表明，20.3 cm和25.4 cm鋼管的碳含量滿足設(shè)計(jì)要求，其化學(xué)特性屬于正常范圍。通過(guò)努氏儀器測(cè)得的微硬度值則轉(zhuǎn)換成洛氏B標(biāo)尺，轉(zhuǎn)換后的硬度值表明，管子的機(jī)械特性達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

6）經(jīng)分析的裂紋剖面和斷裂組織顯示，避雷塔接合部失效主要?dú)w因于應(yīng)力過(guò)載?？拷?5.4 cm管內(nèi)直徑的斷裂表面氧化物量高于該管外直徑最初設(shè)計(jì)值，這表明濕氣侵入到裂紋里并沉積了很長(zhǎng)時(shí)間。

圖9 代表性試樣（呈現(xiàn)斷口的兩個(gè)樣本）Fig.9 Removed coupon，as received，show ing location of tow samples

圖10 焊接橫截面的顯微照片F(xiàn)ig.10 Micrographs of the cross?section of the weld showing the crack at the toe of the weld

7）焊接處及其幾何特性呈現(xiàn)出正常狀態(tài)。沒(méi)有觀測(cè)到任何的焊接不連續(xù)性或瑕疵。在過(guò)渡區(qū)靠近焊趾處（一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)）出現(xiàn)斷裂，并向基底金屬擴(kuò)張，而非沿著焊接熱影響區(qū)。微結(jié)構(gòu)、硬度以及斷裂特性沒(méi)有顯示出氯誘發(fā)的失效機(jī)理。沒(méi)有觀測(cè)到與材料相關(guān)的其他失效機(jī)理。

8）將焊趾作為一個(gè)重要的應(yīng)力集中點(diǎn)加以考慮時(shí)，應(yīng)對(duì)接合區(qū)的載荷配置進(jìn)行評(píng)估，以確定接合區(qū)是否過(guò)載。在實(shí)施下一步組裝與裂紋修復(fù)后，應(yīng)消除可能產(chǎn)生的應(yīng)力過(guò)載情況。

對(duì)上述失效的分類論證主要基于該失效情況中獲取的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。該新型避雷塔建成后，將高達(dá)152.33 m，其頂部避雷針高30.5 m，技術(shù)人員只能通過(guò)設(shè)在塔側(cè)邊的直爬梯進(jìn)入避雷塔進(jìn)行檢修。按照當(dāng)前的進(jìn)入方式，開(kāi)展相應(yīng)的常規(guī)檢測(cè)、維護(hù)與焊接是有一定難度的，因此，對(duì)于一個(gè)有著長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃的航天項(xiàng)目，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行綜合考量。

6 歸因使用老化的故障失效

在航天飛機(jī)事故調(diào)查以及故障失效分析時(shí)，一個(gè)最受關(guān)注和重要的因素就是部件老化問(wèn)題。許多狀況下，老化是產(chǎn)生失效的主要原因，在出現(xiàn)疲勞或銹蝕等失效機(jī)理時(shí)，只能通過(guò)常規(guī)檢測(cè)和部件更換來(lái)減緩這些失效問(wèn)題［12］。

NASA／KSC的材料失效分析部門曾在2010年之前耗用3年時(shí)間，對(duì)50多個(gè)失效案例進(jìn)行檢查，研究部件老化的失效分布情況，其結(jié)果［13］見(jiàn)圖11。

圖11 部件老化的失效分布示意Fig.11 Distribution of the ages of failures

某些地面保障設(shè)備（特別是服役時(shí)間超過(guò)20年的部件）的失效記錄歸入上述研究?jī)?nèi)容中，材料失效分析部門只選取了平均服役年限為17.5年的部件，其中1／3的失效案例為新生產(chǎn)的硬件，另有1／3的失效案例為使用年限超過(guò)20年的硬件。

失效分布情況需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間段才能加以分析確定，本文目前還沒(méi)有收集到最新的KSC失效案例數(shù)據(jù)，但預(yù)計(jì)的老化失效分布情況將接近于雙峰分布，即：部件產(chǎn)生失效的比重要么是在壽命周期之始?xì)w結(jié)于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)制造因素，要么是在多年以后主要?dú)w結(jié)于老化性失效。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)對(duì)五類代表性的KSC故障失效成因的總結(jié)分析，強(qiáng)調(diào)了故障失效分析對(duì)于預(yù)防失效、確保航天系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，產(chǎn)品（系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，引起故障失效的原因也發(fā)生了較大變化?，F(xiàn)在失效分析的研究更重視失效的潛在因素，最終目的是尋找預(yù)防失效的措施，以杜絕事故，實(shí)現(xiàn)由失效變?yōu)榭煽康霓D(zhuǎn)化。分析是基礎(chǔ)，預(yù)防是目的。因此，從這個(gè)意義上講，預(yù)防失效要比分析失效更重要，它對(duì)保證質(zhì)量和可靠性具有更現(xiàn)實(shí)的意義。

［1］ 張宗美.航天故障手冊(cè)［M］.北京：宇航出版社：1994：4?12.

［2］ National Aeronautic and Space Administration.Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Changer Accident［R／OL］.June 6，1986.［2013?05］http：／／science.ksc. nasa.gov／shuttle／missions／51?1／docs／rogers?commission／table?of?contents.html

［3］ Board C A I.Columbia Accident Investigation Board Report［C］／／Vol.1.2003.

［4］ 胡紹林，黃劉生.航天故障的成因分析與診斷技術(shù)［J］.控制工程，2003，10（4）：295?298.

［5］ Katherine Stone.Materials engineering and failure analysis［R／OL］.Engineering and Technology Directorate（NE），／Materials Science Division（NE?L）.［2013?05］.http：／／ntrs.nasa.gov／archive／nasa／casi.ntrs.nasa.gov／20110014576＿2011015129.pdf

［6］ Zamanzadeh M，Larkin E，Gobbin D.Are?examination of failure analysis and root cause determination［J／OL］.Penn?sylvania，2004［2013?05］.Http：／／www.matcoinc.com

［7］ National Aeronautic and Space Administration.Reliability?centered Maintenance Guide［R／OL］.［2013?05］.Http：／／www.hq.nasa.gov／office／codej／codej／assets／...NASARC?MGuide.pdf

［8］ Salazar V L.Suspect crack indications in payload canister trunnion support fittings［R］.KSC?MSL?2006?0409，2006.

［9］ Salazar V L.Analysis of wire rope from launch complexes（LC）39A and 39B［R］.KSC?MSL?2009?0081，2009.

［10］ Salazar V L.Failure analysis of a spherical bearing from crawler／transporter 1（CT?1）D?2 steering cylinder［R］. KSC?MSL?2005?0215，2005.

［11］ Wright M C.Failure Analysis of cracking along welds on the launch complex（LC）39B constellation lightning protection towers［R］.KSC?MSL?2008?0431，2008.

［12］ William C，Hoffman III.Age life evaluation of space shuttle crew escape system pyrotechnic components loaded with hexa?nitrostilbene（HNS）［R］.Lyndon B.Johnson Space Center，1996.

［13］ Salazar VL，Wright C.Failure analysis at the Kennedy space center［R］.AIAA?2010?2030，2010.［2013?05］

［14］ 曾聲奎.可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：6?23.

［15］ 徐克俊，金星，鄭永煌.航天發(fā)射場(chǎng)可靠性安全性評(píng)估與分析技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：138?151.

［16］ 姜云春，劉衛(wèi)東，齊春林.靶場(chǎng)測(cè)發(fā)系統(tǒng)地面設(shè)施設(shè)備可靠性工程的認(rèn)識(shí)與思考［J］.導(dǎo)彈試驗(yàn)技術(shù)，2011（4）：4?5.

［17］ 陳國(guó)宏，朱曼利，鄭明強(qiáng).地面設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)探討與實(shí)例分析［C］／／中國(guó)宇航學(xué)會(huì)發(fā)射工程與地面設(shè)備專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集，2006.

Cases Study on Failure Analysis at Kennedy Space Center

ZHAO Chen，LI Jie
（Center for Engineering Design and Research under the Headquarters of General Equipment，Beijing，100028，China）

With the increase of complexity in modern space system，more and more emphasis was made on the failure analysis.By reviewing several failure cases of the infrastructures and equipment in the Kennedy Space Center，the typical features of failures were analyzed and a comprehensive study was conducted on the failure causes and analysis methods to be used.This may serve as a reference for the reliability research on the infrastructures and equipment in our launch site.

space launch site；failure；analysis；detection

V554

A

1674?5825（2014）01?0082?07

2013?07?17；

2013?12?05

趙晨（1967?），女，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教彀l(fā)射場(chǎng)情報(bào)分析。E?mail：public358666＠163.com