硬X射線調制望遠鏡衛星可靠性安全性設計與保證

宮穎 高潔 師立俠 宋江波 尤睿 汪靜

(1北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)(2北京衛星環境工程研究所,北京 100094)

硬X射線調制望遠鏡(HXMT)衛星是我國自主創新的重大科學項目,是我國首個天文衛星工程項目。HXMT衛星作為我國首顆天文衛星,載荷包括高能、中能、低能望遠鏡和空間環境監測器4種。其中,高能、中能、低能望遠鏡的能區相互重疊,構成一個覆蓋1～250 ke V的寬能區,從而實現寬能區X射線高靈敏度和高空間分辨率成像[1]。

航天器可靠性技術是航天核心技術之一,也是航天技術水平的綜合體現。作為復雜多載荷的X射線衛星,HXMT衛星的載荷產品研制難度大,可靠性安全性要求高,為滿足衛星高可靠、長壽命、載荷探測高精度的要求,衛星在立項初期就將可靠性安全性保證工作作為一項重要工作進行部署,在研制過程中持續加強對可靠性安全性設計分析和驗證工作的跟蹤和管理,尤其針對首次飛行的多載荷X射線產品,開展了全面的策劃、設計、分析、研制和過程控制等可靠性安全性保證工作,從而有效保證了衛星可靠性安全性滿足任務要求,衛星運行至今在軌表現良好。

本文首先從平臺和載荷產品兩個方面,明確了HXMT衛星在研制過程中開展可靠性安全性保證的重點,結合平臺產品和載荷產品的可靠性工作特點,分別從基于過程控制的繼承性產品可靠性保證和面向復雜多載荷探測目標實現的可靠性安全性設計保證兩個方面進行了闡述,此外還結合該衛星地面整星貯存的需求,對開展整星貯存保證實踐情況進行了總結。

1 可靠性安全性保證工作重點

HXMT衛星在研制初期就嚴格按照航天器可靠性安全性相關要求,制定了“可靠性安全性工作計劃”,作為全周期開展可靠性安全性工作的依據。在該計劃的指導下,完成了可靠性安全性分析、可靠性建模及預計、環境防護與環境適應性設計、可靠性安全性設計以及試驗與驗證等工作[2]。針對自身任務特點,確定了以下2項可靠性安全性工作的重點。

(1)平臺繼承性產品可靠性保證,HXMT衛星平臺大量選用了在其它型號已有成功應用的繼承性產品,因此在明確整星任務判據、完成故障模式與影響分析(FMEA)等可靠性分析工作的基礎上,識別影響整星壽命和可靠性的平臺薄弱環節和關鍵環節。針對成熟設計,主要通過對薄弱環節研制過程進行嚴格管理,來確保平臺運行的可靠性[3]。

(2)載荷可靠性安全性保證,首次裝星飛行的高能、中能、低能望遠鏡,為滿足在軌空間環境和運行模式的需要,必須全面開展航天產品可靠性設計驗證,重點結合多載荷探測目標進行單機冗余、裕度等方面的設計分析和驗證。同時,由于X射線載荷的使用,使得整星除了平臺部分衛星常見危險源外,新引入了輻射源和高壓模塊等危險源,給衛星安全性設計防護提出了新要求,提前進行危險源的全面識別、開展危險事件及其影響分析、研制過程中進行危險源的防護和過程監控等成為整星安全性工作的重點。

除了研制過程中的可靠性安全性設計與保證外,在衛星研制完成后,由于火箭原因需推遲發射,導致整星需進行地面貯存,因此,為保證貯存期間整星的壽命和可靠性,HXMT衛星系統從分析貯存影響因素、產品貯存狀態設置等方面開展了一系列的貯存可靠性保證。

2 基于過程控制的繼承性產品可靠性保證

HXMT衛星共有設備157臺,其中A、B類設備144臺,占到了近90%,對于衛星上如此之多的繼承性產品,在設計基本不變的情況下,主要通過對產品開展嚴格的過程控制來確保其可靠性滿足在軌使用要求,從以下幾個方面開展了嚴格的過程控制。

(1)加強元器件質量保證的過程控制,全部選用符合HXMT衛星所需功能、性能、環境、安全性、質量和可靠性要求的元器件;元器件的質量等級都確保滿足單機設計可靠性指標和要求,元器件需進行可靠性預計,在選不到高質量等級的元器件時,則通過更改設計采取了冗余設計等措施。

(2)加大產品可靠性把關力度,對繼承性產品完成HXMT衛星上的適應性分析、產品完成可靠性驗證等重要節點,開展可靠性專項把關,對關鍵項目產品的可靠性6要素設計分析開展專項復核復審,確保繼承性產品在該衛星上能完全滿足各項可靠性要求。

(3)強化產品生產、試驗、測試等工作的過程控制,進行測試覆蓋性分析和測試結果一致性比對,重點控制不可測試項目、強制檢驗點和關鍵檢驗點,以及接插件插拔次數的控制,有限壽命部件的加電和工作時間控制等,特別是關鍵項目的過程控制,落實控制措施,總體設計師定期或不定期跟蹤檢查控制措施落實情況。

(4)開展全面的可靠性安全性過程確認工作,HXMT衛星從單機、分系統到系統產品,在各項可靠性安全性工作完成后,對工作完成情況、控制措施落實情況、可靠性驗證結果均開展了自確認和上級對下級確認。將研制過程質量控制重心前移,以期能盡早、全面識別產品可靠性安全性技術風險,并對風險進行量化控制。

3 面向復雜多載荷探測目標實現的可靠性安全性設計保證

HXMT衛星作為我國首顆實現多載荷、寬譜段的低軌科學探測衛星,復雜多載荷探測目標任務的長壽命設計、產品的可靠性實現、驗證等環節均無現有經驗可循,必須通過分析、論證,作為整星可靠性設計的重點工作來開展。在設計初期就明確規定了將對影響載荷探測目標任務實現的平臺功能和載荷產品,全面開展冗余設計、裕度設計、抗力學環境設計、熱設計、電磁兼容設計、靜電防護設計、抗輻射設計、降額設計、FMEA、最壞情況分析和故障樹分析等設計分析和驗證工作項目。

3.1 可靠性關鍵指標裕度設計與分析

系統關鍵指標是衛星設計和驗證的重點,HXMT衛星從系統任務出發,結合自身特點,從載荷關鍵指標、平臺-載荷關聯指標、平臺保障關鍵指標和系統關鍵指標等4個層級進行指標需求及裕度分析。載荷關鍵指標通過載荷單機設計予以保證;平臺-載荷關聯指標是衛星平臺與載荷共同關聯實現的指標;平臺保障關鍵指標是基于載荷的設計方案,通過衛星平臺與載荷迭代設計,由平臺相關分系統予以保證;系統關鍵指標是衛星從工程系統角度分解獲得,滿足大系統接口的指標要求。

在特性分析、FMEA等工作的基礎上,HXMT衛星共識別關鍵性能指標17項,包括載荷關鍵指標4項:有效載荷探測能區、有效載荷探測面積、有效載荷能量分辨率和有效載荷時間分辨率。平臺-載荷關聯指標2項:源定位精度和角分辨率。平臺保障關鍵指標7項:載荷低溫溫控、時間精度、供電能力、姿態控制性能、姿態測量性能、大角度姿態機動性能和星上存儲能力。系統關鍵指標4項:推進劑余量、整星剛度、主結構強度和整星質量。衛星針對所有關鍵性能指標均開展裕度設計,并在設計和試驗驗證等過程中,均進行了關鍵指標的裕度實現情況分析確認,為整星任務成功提供了保證。

3.2 平臺關鍵功能冗余設計

為消除單點故障,提高系統可靠性,HXMT衛星從系統級功能要求和產品特性出發,采取了相應的冗余設計措施。控制系統和數管系統作為HXMT衛星的關鍵分系統,從功能冗余、接口冗余和硬件冗余等方面均采取了相應的冗余措施[4]。

(1)控制系統功能級冗余:從任務需求考慮,控制系統從姿態測量、姿態機動和系統級安全處理等重要功能方面均采用相應的冗余設計。控制系統由陀螺、星敏感器組成正常模式下的測量系統,相應的產品均有冗余配置,從而實現姿態測量功能冗余;衛星方案設計中采用兩種姿態機動方式,噴氣機動和動量輪機動,兩種方式均可實現姿態機動;在系統級安全處理方面,考慮計算機故障情況進行冗余設計,當計算機正常時,系統級故障首先由應用軟件進行故障檢測與處理,若計算機發生故障,則自主切換備份計算機,繼續完成系統控制,若2臺計算機都發生故障,則自主切換應急線路控制模式,若控制計算機或應急線路在一定時間內速率阻尼不成功或長時間不能對日定向,則系統進入無控模式,等待地面處理。

(2)控制系統硬件級冗余措施:陀螺作為衛星姿態確定的重要設備,衛星考慮硬件冗余進行產品配置,衛星二浮陀螺有6路單體陀螺,光纖陀螺有3路單體陀螺;9個單體陀螺中的任意3個工作即可完成慣性空間姿態角速度測量任務;其余的6個陀螺任取2個可以用于陀螺的自主故障診斷;衛星配置6個動量輪,平時使用4個,另外2個為冷備份;控制計算機作為控制系統核心部件,考慮硬件冗余,采用冷備份的2套獨立單機系統配置,可獨立承擔控制系統任務;電路部分采用熱備份的2套獨立容錯電路,可獨立承擔對單機工作狀態的管理,應急線路可作為計算機故障時的執行整星對日定向保證能源的備份功能。

(3)數管系統接口冗余設計:數管各設備雙機均采用不同的電源供電,實現供電接口冗余;數管中央處理單元、遠置單元均掛載1553B總線上,每臺單機均具有2個冗余的總線接口;數管遙控相移鍵控(PSK)信號為4路熱備份輸入,分兩路分別與兩臺遙控單元連接,實現應答機上行數據接口冗余;數管遙測PSK信號分2路分別輸出至2臺應答機,實現應答機下行數據接口冗余。

(4)數管系統硬件冗余設計:數管中央處理單元采用雙機冷備份冗余設計,通過切換電路實現雙機切換;中央處理單元內部的遙控和遙測的輸入、輸出電路均采用雙通道冗余設計,熱備份工作方式;數管遙控單元采用雙機熱備份冗余;兩個遠置單元互為備份。

3.3 載荷產品冗余設計

首次飛行的載荷產品,為提高其基本可靠性,需對其實現探測任務的重要組件開展冗余設計,考慮到平臺的資源約束限制,不能做到載荷產品的設備級冗余,多采用模塊級冗余設計措施[5]。

(1)高能望遠鏡:由主探測器、反符合探測器、標定探測器、粒子監視器、高能電控箱和高能配電箱等單機模塊組成。18個主探測器單體,保證15個正常工作;18個反符合探測器,保證15個正常工作;18個標定探測器,保證12個正常工作;3個粒子監視器,保證2個正常工作;高能電控箱5個模塊均由主備兩個單板組成,主要模塊之間可以進行交叉備份[5]。

(2)中能望遠鏡:由探測器機箱和電控箱組成。系統采用模塊化設計,包括9個探測單元,每個探測單元包括6個探測模塊,每個探測模塊包括32路Si-PIN探測器,模塊以及探測單元之間相互備份。為滿足可靠性要求,考慮到各模塊元器件的可靠度和復雜程度,對各探測器單體和探測單元的冗余關系進行約束,探測單元中的192個探測器單體構成一個192選186的表決系統,整個中能望遠鏡的9個探測單元構成一個9選7的表決系統。

(3)低能望遠鏡:由探測器機箱和電控箱組成。低能望遠鏡采用掃式電荷器件(SCD)作為探測器。SCD及信號處理部分由12個完全相同的電路模塊構成,每個模塊包括8路SCD及相應的時鐘驅動的信號處理電路,只要其中的10個模塊可以正常工作就可以滿足80%探測器正常工作的要求[3]。

3.4 載荷高壓模塊的安全控制

HXMT衛星高能和中能望遠鏡配置高壓模塊,將約1250 V高壓分配后用于提供R877 MOD型光電倍增管的工作電壓,以保證探測器的穩定增益。高壓模塊存在瞬態高壓沖擊作用,對整星安全有影響;同時高壓模塊失效將會影響探測器的正常探測任務。針對此,HXMT衛星從方案設計、元器件選用和電裝工藝控制等各個環節提出相應的控制措施。

(1)為實現高壓穩壓、濾波及高壓瞬態沖擊,選用耐壓200 V,工作電壓91 V以上的濾波電容。經過研究,選用德國IMA公司生產的聚丙烯介質脈沖電容,在此基礎上,為確保元器件使用的可靠性,單機裝配前還開展了元器件的升級篩選。

(2)進行電連接器選擇時,根據選擇電連接器的額定工作電壓來確定最低介質耐壓值,介質耐壓值滿足為工作電壓的3倍;高壓單機印制板選用金屬芯覆銅箔層壓板以便于散熱,電路板介質層厚度不小于2 mm,印制板電路中導線寬度不小于1 mm。

(3)針對元器件電裝、電纜電裝、敷形涂覆、機械裝配和真空灌裝的安裝形式和關鍵工藝尺寸進行量化控制。并進行過程記錄檢查,保證電路、設備的安裝滿足安全性要求。

3.5 X射線輻射源的安全控制

有效載荷的能量響應矩陣、時間響應函數、空間響應函數等測量標定是探測結果正確有效的重要保證。但在載荷標定過程中必須使用X光管等設備,具有一定的輻射危險,HXMT衛星將此作為重要危險源。從發射源選用、存儲運輸和過程使用全過程均提出相應的安全防護措施。輻射源選用時,針對各階段探測器精確標定需求,選用低輻射度的輻射源,輻射源選用情況及防護措施情況見表1。

表1 HXMT衛星輻射源及防護情況Table 1 The radiant point and protective measures of HXMT satellite

4 整星短期貯存可靠性保證

HXMT衛星自2016年12月開始進行包裝箱貯存,2017年3月貯存結束。在衛星整個短期貯存過程中所處環境穩定,貯存后衛星各項功能性能均滿足技術要求,未出現異常變化。為保證貯存期間衛星產品的可靠性,主要從貯存狀態設置、貯存環境設置、貯存環境監測、貯存期測試、貯存后測試及驗證等5個方面開展了保證工作[6]。

HXMT衛星在明確要進行整星貯存時,衛星為兩艙分離狀態,服務艙和載荷艙所有外板安裝到位,還有4塊中板、7塊遮陽板沒有安裝,衛星對接段、星箭解鎖裝置、太陽翼、所有天線以及蓄電池海沒有裝星。按照盡量保持狀態不動的原則,確定沒有裝星的設備,將依據產品各自的地面貯存要求單獨進行貯存,整星通過分析已裝星設備的貯存需求,確定整星的貯存環境和狀態。

HXMT衛星在確定整星貯存狀態時,根據產品類別做了如下貯存分析。

(1)一般電子類單機主要受環境濕度的影響,故障模式主要表現為腐蝕,在保證濕度的前提下,即可保證其貯存期間的有效性和可靠性,無其他特殊存放條件要求。

(2)非金屬材料,星上主要有推進管路二次密封用的橡膠密封圈,其貯存期均在10年以上,可滿足衛星貯存需求。

(3)光學部件主要有光學敏感器。光學敏感器除需要保證溫度、濕度和防靜電外,還需保證潔凈度防止污染,如星敏感器頭部自帶軟布罩保留并固定牢靠。

(4)星上活動部件主要包括動量輪、帆板驅動機構等,機構在貯存過程中,易受貯存環境溫濕度和潔凈度的影響,可能會導致活動部件運轉不靈活,滾珠絲杠的轉動摩擦增大,一些防冷焊的滑動副或轉動副二硫化鉬(MoS2)膜層發生脫落或變質。在滿足溫度和潔凈度的前提下,機構產品長期貯存后需進行通電跑合。

(5)推進分系統所用的5 N推力器、20 N推力器、自鎖閥,其閥體材料均為軟磁合金,在要求的溫濕度和潔凈度貯存條件下,地面貯存壽命可達5年。貯存前要保證各推力器保護罩已正確安裝,并且保持各推力器噴口水平或向下放置,禁止推力器噴口向上放置。

(6)由于望遠鏡結構復雜,集成難度大,不宜將各單機拆下單獨貯存,且主探測器高能探測器晶體對環境濕度要求就高,且空氣中的不良氣氛污染會導致中能和低能探測器性能下降,因此需在真空或氮氣保護環境下保存。

通過以上分析,尤其是望遠鏡貯存失效風險主要在于高濕度環境的晶體潮解以及中能和低能探測器的環境氣氛污染,因此衛星貯存期間需保持低濕度含氧少的環境,再結合整星目前兩艙分離的狀態比較適宜分艙包裝箱貯存,因此確定了整星的貯存環境:將整星分艙貯存于整星包裝箱中,在包裝箱中充入氮氣,以保證包裝箱內保持低濕度和高濃度氮氣環境,并置換包裝箱內氣體,減少包裝箱內其他氣體的影響。其他沒有裝星的蓄電池、太陽電池翼、天線等產品單獨按其貯存要求貯存。

衛星整星貯存期間,安排專人值班對衛星貯存包裝箱及危險狀態進行實時監測、嚴格記錄,確保環境正常。HXMT衛星貯存后再次啟用時,完成了各分系統獨立的專項測試和整星模式測試,如推進系統專項檢查及極性測試、火工品專項測試等,重點驗證了貯存后各分系統、單機的主備份軟硬件功能,測試結果表明,衛星經過貯存后狀態良好,各項功能性能滿足技術指標要求。

5 結束語

在HXMT衛星研制過程中,可靠性安全性保證始終是衛星各級產品的一項重點工作,本文介紹了HXMT衛星研制過程中開展的平臺繼承性產品可靠性保證、載荷產品可靠性安全性設計、整星貯存可靠性保證等實踐經驗。衛星成功發射后,在軌運行狀態良好,各項功能和性能指標滿足研制要求,也證明了這些措施的有效性。項目研制過程中針對新型載荷的可靠性安全性工作方法和工作成果可為后續衛星研制提供有益參考。

參考文獻(References)

[1]李惕碚,張雙南,王煥玉,等．硬X射線調制望遠鏡HXMT項目簡介[C]//中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十次學術會議論文集．北京:中國空間科學學會,2007 Li Tipei,Zhang Shuangnan,Wang Huanyu,et al．Hard X-ray Modulation Telescope(HXMT)Project brief[C]//Proceedings of the 20th Space Exploration Committee of Chinese Society of Space Science．Beijing:Chinese Society of Space Science,2007(in Chinese)

[2]周正伐．航天可靠性工程[M]．北京:中國宇航出版社,2007 Zhou Zhengfa．Space reliability engineering[M]．Beijing:China Astronautics Press,2007(in Chinese)

[3]劉建同．系統可靠性保證工程[M]．北京:中國宇航出版社,2014 Liu Jiantong．System reliability assurance engineering[M]．Beijing,China Astronautics Press,2014(in Chinese)

[4]卿壽松,任立明．航天型號可靠性工程技術研究與應用[C]//首屆中國航天質量論壇．北京:中國航天工業質量協會,2006 Qing Shousong,Ren Liming．The research and practice of space reliability engineering[C]//The 1st Quality Forum of Chinese Space．Beijing:China Astronautics Association for Quality,2006(in Chinese)

[5]李煒,陳勇,徐玉朋,等．HXMT低能望遠鏡電子學機箱可靠性安全性分析[C]//中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十三次學術會議論文集．北京:中國空間科學學會,2010 Li Wei,Chen Yong,Xu Yupeng,et al．The reliability and security analysis of HXMT satellite low energy telescope electro-subassembly[C]//Proceedings of the 23rd Space Exploration Committee of Chinese Society of Space Science．Beijing:Chinese Society of Space Science,2010(in Chinese)

[6]李久祥,申軍,侯海梅,等．裝備貯存延壽技術[M]．北京:中國宇航出版社,2007 Li Jiuxiang,Shen Jun,Hou Haimei,et al．The technology of equipment store and extending life[M]．Beijing:China Astronautics Press,2007(in Chinese)