航天器設計中的環境要素與效應研究

吳永亮 張小達 朱鳳梧 泉浩芳 陳建平

(1中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083)(2中國航天標準化與產品保證研究院,北京 100071)(3中國空間技術研究院通信衛星事業部,北京 100094)

航天器設計中的環境要素與效應研究

吳永亮1,2張小達2朱鳳梧3泉浩芳2陳建平1

(1中國地質大學(北京)地球科學與資源學院,北京 100083)(2中國航天標準化與產品保證研究院,北京 100071)(3中國空間技術研究院通信衛星事業部,北京 100094)

航天器在全生命周期內經歷各種各樣的環境,用戶和工程研制方需要根據任務活動定義所遇到的環境,設計人員則需要根據這些環境對產品的影響進行設計,以滿足航天器的功能、性能、可靠性、安全性和環境適應性等要求。文章從環境工程角度分析了環境剖面的制定、分析和環境條件的演化過程,從產品設計角度研究了航天器在任務過程中遇到的各種環境要素,給出了典型的航天器環境要素以及需要考慮的特殊環境,總結了單一環境和組合環境對航天器的典型效應,可為我國航天器設計和試驗提供參考。

航天器;環境剖面;環境要素;環境效應

1 引言

航天器在地面、發射、在軌運行及主動返回等階段,要分別經歷復雜的地面環境、發射環境、空間環境和返回環境,這些環境統稱為航天器環境,其具體化是環境要素[1-2]。航天器工程關心所有對航天器設計和運行有影響的環境要素。在航天器研制的總體方案階段,工程總體進行環境分析,制定《航天器系統要求》文件,其中的環境要求包含了產品主要考慮的環境要素[3-4]。設計人員依據文件確定航天器全生命周期中所遇到的任務剖面/任務事件,按任務剖面將所遇到的環境要素逐一識別并形成環境剖面,分析環境剖面中每個環境要素對航天器的影響,找出需要考慮的環境要素,制定環境條件,驗證航天器在這樣的環境下完成任務目標的可行性,以保證最終研制的航天器在這些環境中能夠符合其各項功能、性能、可靠性、安全性等要求[5-7]。

NASA、美軍、英軍均根據其產品特點編制了環境要素及效應的標準、手冊等技術文件,用于定義裝備環境。NASA編制的PD-EC-1101《環境要素》,描述了航天器的主要環境要素及其效應,為設計人員開展環境設計工作提供重要的參考依據,美國的通信衛星、空間實驗室、運載火箭、空間動力系統和空間站等均執行該文件[8]。馬歇爾航天飛行中心(MSFC)編寫的《自然空間環境:對航天器效應》(NASA-RP-1350)[9]和《自然空間環境導致的航天器系統失效與異常》(NASA-RP-1390)[10],是自然空間環境效應的頂層參考文件。NASA-RP-1350全面地總結了航天器所經歷的自然空間環境及其典型效應。NASA-RP-1390給出了自然空間環境主要的定義,以及其作用在各種航天器系統上的效應,提供了100余起由自然空間環境效應導致的航天器失效和異常事件。英國國防標準《Def Stan-00-35 國防裝備環境手冊》[11]的自然環境(第四部分)、誘發機械環境(第五部分)和誘發氣候環境(第六部分),給出了裝備經歷的環境要素及每個環境要素對應的效應。美軍《AMCP-706工程設計手冊》[12]的《自然環境要素》(第二冊)和《誘發環境要素》(第三冊)詳細、定量地介紹了13個自然的氣候環境要素和8個誘發的機械和電磁方面的環境要素,給出了避免或減少這些環境要素有害效應的方法。這些技術文件可指導設計人員更好地掌握航天器所經歷的空間環境及其效應,有效地降低項目風險和經費,優化設計質量并實現最終任務目標。

本文從環境工程角度討論了環境剖面的制定、分析和環境條件的演化過程,從產品設計角度研究了航天器遇到的各種環境要素,分析了環境效應的確定步驟,給出了單個環境和組合環境對航天器的效應,可幫助用戶和工程研制方定義任務活動遇到的環境,指導設計人員了解航天器的使用環境、設計環境及試驗環境,最終確保航天器順利完成任務。

2 環境剖面

航天器環境剖面是航天器在全生命周期各階段所經歷事件過程中遇到的各種環境要素排列。為滿足航天器的可靠性、環境適應性等要求,應給出航天器環境的初始要求,確定航天器主要考慮的環境要素,制定合理的全生命周期環境剖面。

2.1 環境剖面的制定

制定航天器全生命周期環境剖面時,首先要明確產品在不同的任務階段經歷的環境要素,分析產品在制造、裝配、檢驗、測試、運輸和使用過程中,各種環境要素可能對產品的功能、性能、可靠性和環境適應性產生的影響。

制定產品全生命周期環境剖面的一般步驟為:

(1)確定產品從最終的制造廠驗收到生命周期結束所經歷的事件。

(2)識別和確定用于產品設計和試驗的自然和誘導環境或組合環境。

(3)按不同的任務階段繪制環境剖面圖,注明主要的環境要素、經歷時間。描述產品在生命周期內遇到的環境要素(以敘事和統計的形式),其數據可以根據計算、試驗或運行時測量得到。

2.2 環境剖面的分析

航天器環境剖面分析是以所有產品任務剖面為基線,識別產品在任務各階段會遇到的環境要素或環境要素的組合,確定相應環境條件。一般要考慮的內容如下。

(1)依據使用剖面,給出生命周期內可能在航天器上的每個具體事件,如運輸平臺類型(飛機、地面車輛、船舶、運載火箭等)、地理位置(運行軌道、發射場等)、氣候特性,以及每個事件大致的持續時間。

(2)航天器生命周期每個階段預期環境要素(及其環境要素的組合)出現的頻度或可能性。

(3)航天器生命周期每個階段暴露于某環境下的相對和絕對持續時間,以及發生任何其他情況的相對和絕對持續時間。

(4)如果航天器的技術狀態有變更,應考慮航天器環境影響的更改。

(5)由于航天器的設計或客觀自然環境,應考慮環境對航天器的限制或各類臨界值,如霧或其他沉降物會限制紅外測頭的效能。

(6)與相關系統的接口及相關系統的工作情況。

(7)識別運行使用狀態(如運行、備用、試驗、非運行)在生命周期中每個階段的預期功能和相關性能。

2.3 環境條件演化過程

根據任務目標,確定任務剖面;依據工程目標,分析環境剖面并制定對應的環境條件。評估環境條件變化可能帶來的影響,用于產品的環境適應性設計與試驗,并為將來的相同項目或其他項目提供可追溯的基本依據。環境條件是在航天器產品研制中需要考慮的環境要素量化表達形式,隨著環境條件演化過程依次為使用環境條件、設計環境條件和試驗環境條件。對于使用環境已經明確,并確定應考慮其對航天器的影響時,可以定義設計環境條件,進行產品設計。如果使用環境不明確,可通過實測環境數據(含相似環境實測數據)、分析環境(含環境預示計算)和采用標準中推薦的環境數據等方法,得到初步的使用環境,確定應考慮其對航天器的影響時,再定義設計環境條件。最后,根據設計環境條件和試驗任務需求,確定試驗環境條件。

航天器環境條件的確定,從確定任務目標時開始,經歷工程目標、使用環境、設計環境、環境試驗等階段,每個階段不斷發展和深入,演化過程如圖1所示。

3 環境要素

航天器在全生命周期內經歷各種環境,環境要素是構成整體環境的基本要素。環境要素及其效應對航天器完成空間任務帶來了嚴峻的挑戰。考慮到航天器各裝配級產品的功能、性能、可靠性、安全性、環境適應性等要求,對全生命周期內所遇到使用條件的依賴性,在設計開始時必須準確地識別環境要素,考慮產品從出廠到整個工作期間的各種事件(如裝卸、運輸、貯存、發射、在軌運行、返回)相對應的環境要素及其效應。

航天器在全生命周期內遇到的主要環境如下。

(1)地面/氣候環境。它是由地面/氣候環境要素及其綜合構成的環境。例如:(高、低)溫度、(高、低)濕度、(高、低)氣壓、污染、雨淋、砂塵、鹽霧、霉菌等。

(2)力學環境(機械環境、誘發機械環境)。它是由于裝備的使用、平臺的運行、運輸、貯存、搬運產生的機械環境,主要包括產品機械環境和平臺機械環境。產品機械環境是指產品自身誘發的機械環境;平臺機械環境是指產品裝載于某一平臺后經受的機械環境,如隨機振動、正弦振動、加速度、沖擊、噪聲等。

(3)空間環境。它是指航天器在飛行過程中遇到的來自地球、太陽、行星和星際空間等的自然和誘發環境的總和。例如:空間背景環境、熱環境、中性大氣、離子輻射(高能粒子)、空間碎片與微流星體等。

(4)電磁(兼容性)環境。航天器要能在所處的電磁環境中正常工作。這里的電磁環境包括由自然界產生的電磁輻射(如雷電、電暈、靜電)和由設備產生的電磁輻射。

以經歷地月環境的航天器為例,各任務階段的主要環境要素見表1。航天器試驗驗證應根據產品全生命周期(從出廠開始經過運行使用直到結束服務)的環境剖面開展,包括裝卸、運輸、貯存、發射前合格檢驗、發射、軌道運行、備份使用和由軌道返回等。在方案設計階段、初樣研制階段早期,參照表1確定并完成研制試驗項目;在初樣階段后期和正樣階段,參考表1確定試驗矩陣,進行環境試驗驗證。

表1 航天器不同任務階段的環境要素(以地月環境為例)Table 1 Environmental factors of spacecraft on different mission phases(typical examples of earth and moon environment)

試驗矩陣分別按照組件、分系統和航天器系統給出試驗基線要求,試驗基線是用試驗來驗證產品滿足設計要求和制造要求的最低標準。在實際應用中,還應根據航天器情況對表1進行剪裁或補充。例如:月面巡視探測器要驗證月面環境(如月塵、月壤),火星探測器應考慮火星大氣環境(如溫度循環),高分辨率遙感衛星、通信衛星應考慮影響有效載荷指向精度的微振動環境,載人飛船、空間站應著重考慮空間高能粒子環境、微重力環境,月球軌道器應考慮近月環境(如磁場的變化),低軌航天器應考慮大西洋磁場異常環境。表1中各個選項僅是初步需要考慮的,應根據航天器任務剖面中要執行的具體任務及其在不同軌道的環境情況,綜合確定需要考慮的環境要素。

4 環境效應

4.1 環境效應對航天器的影響分析

了解和掌握航天器全生命周期內遇到的各種環境要素及其對航天器的影響,是一個長期總結和改進的積累過程。環境效應對航天器產生的影響曾經導致了很多問題,實例如下。

(1)2003年10月,航天員楊利偉搭乘神舟五號飛船升空時,曾在一個短暫的時間內感到非常不適。技術人員發現,火箭從起飛126 s開始,出現了逐漸增大的縱向單頻振動,其振動頻率為8 Hz,與人體心肌的固有頻率相近。這就是因為設計人員不清楚在運載火箭起飛階段會產生8 Hz的振動環境,以及這個振動環境會引起航天員身體不適的效應造成的。為了深入了解空間環境及其對航天器的影響,NASA在長期跟蹤研究的基礎上開展了“空間環境及其效應的專項研究”,并編制了多項標準[9-10]。

(2)波音公司發現波音衛星系統-601(BSS-601)衛星平臺長期存在“晶須”現象導致的故障。經過對多顆衛星的故障分析,確定出現了“晶須”現象,也就是鍍錫(鋅)零件在長期軌道環境下會生長出比頭發還細長的結晶。如果繼電器的2個斷開觸點被“晶須”搭接,就會發生短路。在停止使用鍍錫(鋅)零件后,衛星不再出現故障。

(3)太陽活動頻繁可以導致航天器的部分或全部功能喪失。2003年10月24日,太陽活動異常頻繁,導致日本先進地球觀測衛星-2(ADEOS-2)報廢,美國地球靜止環境業務衛星-9、10(GOES-9、10)磁力矩器停止工作,此外還有20多顆衛星受到影響,僅ADEOS-2就損失約6億美元。

經驗表明,大量的航天器問題往往都是未充分考慮環境效應導致的。經統計,等離子體環境引起的故障約占39.0%;電離輻射環境引起的故障約占38.0%;溫度引起的故障約占11.0%;太陽粒子環境引起的故障約占5.7%;中性大氣引起的故障約占2.8%;地磁場環境引起的故障約占1.9%。引起故障的環境效應如此之多,必須在設計時全面考慮其影響。但是,把每個航天器的具體環境效應都預見到且分析清楚,幾乎是不可能的。因此,只能在不斷積累已有故障問題的基礎上,總結通用的環境效應來幫助設計人員針對具體航天器開展環境設計工作。

4.2 確定步驟

《GJB 6117-2007 裝備環境工程術語》中規定,環境效應是“裝備在其生命期的各種單一或組合環境作用下,引起裝備的材料、元器件和機構疲勞、磨損、腐蝕、老化、性能退化或降級,造成裝備性能下降乃至功能喪失的現象”,這一術語對航天器產品同樣適用。研究某一環境對航天器的影響,可能帶來研究不充分、效應誤差較大等問題,因此,要分析多環境對航天器的效應,考慮提供預示的單一和/或組合環境的設計/試驗準則,用于識別在任務剖面中硬件能力所承受的風險。確定全生命周期環境效應的步驟如下。

(1)對某一產品,分析從出廠驗收到最后結束服務各階段所能遇到的各個事件。

(2)指出在所遇到的各個事件中,有哪些環境在起主要的作用,這些環境包括自然環境、誘導環境和它們的組合。

(3)通過試驗、實測或分析來確定這些環境對產品造成的主要環境效應。

在航天器研制中,應在有限的時間和經費前提下,通過試驗來驗證是否滿足完成任務的可靠性、環境適應性等要求,這是一個綜合性、系統性的設計過程。其中,環境效應直接影響整個試驗驗證計劃的確定,應根據產品任務剖面和失效模式來綜合確定是否需要考慮各環境因素,明確在各種環境下是考慮單一環境效應還是考慮組合環境效應。

4.3 單一環境及其效應

在進行設備材料和零部件的功能、性能、可靠性和環境適應性設計時,要確定每個環境要素對其的影響。根據提供的環境要素,采用必要的防護技術,降低其影響。表2給出了典型的單一環境效應。

表2 典型的單一環境效應Table 2 Typic single environmental effects

4.4 組合環境及其效應

航天器在軌期間遭受的環境是復雜的,這些環境不僅單獨對航天器敏感材料及器件產生影響,還可能誘發次生環境,對航天器的作用可能引發另一個環境對航天器的效應,還可能對其他環境產生的效應具有增強或減弱作用,不利于產品的功能、性能、可靠性、安全性、環境適應性。組合環境效應對航天器可靠性的危害可能比單個環境效應更大。

典型的組合環境效應矩陣關系如圖2所示[8],它說明了組合環境的總破壞效果比單個環境作用的累積效應更大。例如,一個產品在運輸時,可能會暴露于溫度、濕度、高度、沖擊和振動的組合環境。驗收一個產品項目的全生命周期歷程時必須考核這些效應。

5 結束語

航天器環境要素及其效應是一項重要的基礎研究工作,是航天器設計與試驗工作的基本依據,合理的環境要素及效應文件可以幫助有關人員方便快捷地掌握航天器將要遇到的環境及其效應,既不缺項、漏項,也不過度考慮環境要素。NASA、美軍、英軍均編制了與環境要素及其效應相關的標準或手冊,用于定義產品環境,幫助項目管理人員、設計人員更好地掌握產品所經歷的環境及其效應。本文基于上述國外標準、技術文件,結合考慮國內航天器研制的實際情況,總結了環境剖面的制定、分析和環境條件的演化過程,研究了主要的航天器環境要素和典型效應,可以幫助航天器用戶和工程研制方定義任務活動所遇到的環境。本文提出的航天器環境要素與效應的研制考慮,可為后續編制我國航天環境要素及效應標準提供技術基礎和參考,指導設計人員開展航天器環境設計工作,提升航天器的總體設計水平,滿足未來航天任務的需求。

References)

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Analysis of Environmental Factors and Their Effects in Spacecraft Design

WU Yongliang1,2ZHANG Xiaoda2ZHU Fengwu3QUAN Haofang2CHEN Jianping1
(1 School of Earth Sciences and Resources,China University of Geosciences,Beijing 100083,China)(2 China Academy of Aerospace Standardization and Product Assurance,Beijing 100071,China)(3 Institute of Telecommunication Satellite,China Academy of Space Technology,Beijing 100094,China)

The spacecraft has to encounter kinds of environment in it’s life-cycle.The user and manufacturer shall define the environments according to the mission activities,and the designer shall consider the environmental effects on products to ensure that the function,performance,reliability,safety and environmental worthiness of spacecraft meet the requirements.Based on the above ideas,the development of environmental conditions and the evolutionary process of environmental profile for spacecraft are analyzed from the perspective of environmental engineering.The encounter environmental factors of spacecraft in the missions are discussed from the perspective of product design.The single environmental factor effect and combined environmental factor effects on spacecraft are given which can provide a reference for spacecraft design and test.

spacecraft;enviromental profile;enviromental factor;enviromental effect

V416;N65

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.05.013

2017-05-08;

2017-07-31

國家國防科工局技術基礎科研課題“航天器環境試驗基線與剪裁技術”(JSJC2013203B002)

吳永亮,男,博士研究生,從事地球探測與信息技術、航天標準化研究工作。Email:andyloveti@163.com。

(編輯:夏光)