中型敏捷遙感衛星公用平臺壽命工作研究與實踐

朱煒 張國斌 陳鳳熹 于龍江

(1 中國航天標準化與產品保證研究院，北京 100071) (2 中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

現代漢語大辭典中壽命的定義為“生存的年限，后也比喻存在的期限或使用的期限”。艦船、飛機、導彈等一般都采用耐久性描述壽命，其定義為：“產品在規定的使用、貯存與維修條件下，達到極限狀態之前，完成規定功能的能力。極限狀態是指由于耗損(如疲勞、磨損、腐蝕、變質等)使產品從技術上或從經濟上考慮，都不宜再繼續使用而必須大修或報廢的狀態。”[1-2]衛星不可維修的特點決定了不能直接照搬其他領域耐久性的理論方法，需要針對衛星研制的特點，研究探索壽命工作方法和技術[3-4]。

中型敏捷遙感衛星公用平臺是我國民用航天科研工程項目支持的遙感衛星公用平臺開發項目，目的是統一后續應用衛星平臺和產品的狀態，實現平臺能力和研制能力的大幅提升，滿足后續“高分”業務衛星和我國空間基礎設施等建設項目對遙感衛星性能和產能的需求。長壽命是平臺能力提升的重要體現，平臺設計壽命為8年，這對于之前低軌衛星設計壽命一般為3～5年有了大幅提升。高分三號(GF-3)衛星是我國首個低軌8年長壽命對地觀測衛星。它采用系統冗余設計，明確活動部件、蓄電池、熱控涂層等產品為壽命薄弱環節，并進行試驗驗證等一系列工作；但它是在衛星方案設計階段工作基本完成后才將壽命指標從5年提高到8年的，因此其壽命工作是在原有設計基礎上修改完善，與中型敏捷遙感衛星公用平臺從立項開始就系統策劃8年壽命工作的方式有所區別。

中型敏捷遙感衛星公用平臺8年壽命工作，充分借鑒前期“高分”衛星壽命工作的成果和經驗，系統策劃、實施了壽命工作項目。高分多模衛星作為采用該平臺的首顆衛星，全面應用了平臺壽命工作成果，為衛星8年設計壽命指標的實現提供了堅實的基礎。

1 壽命工作策劃

1.1 界定壽命工作范圍

中型敏捷遙感衛星公用平臺軌道周期短、在軌設計壽命長，對關鍵單機工作時間、次數要求非常高，例如蓄電池充放電循環次數48 000次，控制力矩陀螺側擺141萬次，這給單機壽命設計、驗證工作帶來了很大的難度。平臺高敏捷機動能力、高定位精度與高成像質量支持等，對壽命末期性能提出了更高的要求。考慮上述特點和難點，平臺改變了以往“單機壽命指標等同于平臺壽命指標”、壽命工作主要側重于單機壽命試驗驗證等做法，采用自上向下分析，自下而上驗證評估的方式全面、系統地開展壽命工作。

為提高工作效率，重點針對影響中型敏捷遙感衛星公用平臺設計壽命的產品開展相關工作，界定了開展壽命工作的系統級和單機級產品范圍，系統級主要包括電源分系統、熱控分系統和控制分系統，單機級主要針對有限壽命單機[5]，不考慮火工品、純機械結構、無活動部件的天線類產品、低頻和高頻電纜、管路等。經梳理，平臺有限壽命單機為51種，分為電子類、機電類、電池類、機械類、光電類、熱控組件、推力器類7類。典型有限壽命單機如表1所示。

表1 典型有限壽命單機Table 1 Typical life-limited items

1.2 制定工作流程

壽命工作貫穿于中型敏捷遙感衛星公用平臺各研制階段，如圖1所示。方案設計階段，開展壽命設計、壽命分析工作，并制定壽命試驗方案，確定壽命評估方法。方案設計階段數據采集主要針對繼承性產品，可利用已有數據對壽命進行預估[6]。由于壽命試驗周期較長，在初樣研制階段可以開展壽命試驗，在初樣研制階段后期可針對壽命試驗采集的數據開展壽命評估計算。高分多模衛星正樣研制階段則應根據技術狀態更改情況開展壽命工作，并繼續收集壽命試驗數據，更新壽命評估計算結果，在衛星出廠前給出壽命指標是否滿足要求的結論。

圖1 壽命工作流程Fig.1 Lifetime workflow

2 壽命設計分析

中型敏捷遙感衛星公用平臺壽命設計分析是在可靠性設計分析的基礎上，進一步建立了平臺壽命與單機壽命之間的量化關系，并重點針對累積損傷型故障模式開展全面分析，為驗證評價工作提供依據。

2.1 壽命建模

為識別性能退化過程的影響，為后續在軌運行管理提供支持，針對不同后果狀態建立了中型敏捷遙感衛星公用平臺精細化壽命模型。

首先，將平臺狀態等級分為任務正常、任務降級和失效3類。

(1)任務正常：平臺所有功能、性能均正常，所有技術指標均滿足衛星任務要求，能夠確保整星和有效載荷正常工作，滿足用戶各種使用要求。

(2)任務降級：平臺部分非關鍵的或有備份的功能喪失(例如對地測控和中繼測控損失一種)，或者部分性能指標產生退化，不能滿足衛星常規使用要求，但可以確保整星不失效、不與地面失去聯系；有效載荷不能全負荷滿足全部成像質量指標要求工作，但仍然能夠降低時長工作，或者降低成像質量工作，并能夠將探測數據下傳至地面。

(3)失效：平臺關鍵的功能喪失(例如測控或姿態控制)，或者性能出現大幅衰退(例如供配電)，從而導致衛星無法生存或無法支持有效載荷工作。

在此基礎上，分別確定了平臺任務正常和任務降級的具體判據，并分析不同后果狀態下產品的冗余備份關系，建立了壽命模型。下面以控制分系統為例，說明不同后果狀態壽命模型的差異。在任務成功狀態下，平臺要求具有3軸對地控制能力、高精度姿態測量和控制能力，要求有至少2個星敏感器、4個陀螺和4個控制力矩陀螺及3個磁力矩器正常工作，如圖2所示。在任務降級狀態下，平臺要求保持3軸對地姿態控制，可以只有1個星敏感器或紅外地球敏感器，以及3個陀螺、3個CMG和2個磁力矩器正常工作，如圖3所示。

圖3 控制分系統壽命模型(任務降級)Fig.3 AOCS lifetime model (task degradation)

2.2 壽命指標分配

中型敏捷遙感衛星公用平臺壽命指標分配是基于壽命模型，將平臺壽命要求量化分解給有限壽命單機的過程[7]。分配給有限壽命單機的參數為壽命均值μ和標準差σ。其中：σ可依據單機成熟度、在軌考核驗證經歷、繼承性等級等因素分析確定，對低軌衛星，σ一般取值范圍為0.3～3.0年。

2.3 壽命設計復查

除了抗電離總劑量設計、原子氧防護設計、耐太陽紫外輻照設計、降額設計、裕度設計、(機械/熱)疲勞壽命設計分析、潤滑壽命設計、密封壽命設計等工作之外，為全面掌握中型敏捷遙感衛星公用平臺各單機壽命設計情況，還開展了壽命設計復查，重點針對故障模式分析是否全面，設計裕度是否滿足要求，已有數據是否能支撐壽命指標驗證，擬開展的壽命試驗是否充分等幾個方面開展復查。通過單機壽命設計復查工作，暴露了關于單機壽命設計分析的200多個問題，包括部分器件抗輻照能力不滿足要求、壽命設計余量不足、壽命試驗方案不合理等。通過對暴露的問題進行閉環落實，提高了平臺壽命設計工作的有效性。

注：n為相同產品的個數。圖2 控制分系統壽命模型(任務成功)Fig.2 AOCS lifetime model (task success)

2.4 壽命故障模式分析

壽命故障模式與影響分析(FMEA)是分析產品中每一個可能的耗損故障模式并確定其對該產品及上層產品壽命所產生的影響，以及把每一個故障模式按其影響的嚴重程度予以分類的一種分析技術。在傳統FMEA工作的基礎上，分析耗損故障的原因及故障不同累積損傷程度對中型敏捷遙感衛星公用平臺后果狀態的影響，對不同程度造成的影響分析嚴酷度及在軌補償措施，例如故障模式為“性能退化”，退化10%導致平臺任務降級，而退化50%可能就會導致平臺任務失效，這兩種情況應分別分析。

通過開展壽命FMEA工作，梳理出導致中型敏捷遙感衛星公用平臺壽命終止的故障模式共3個，如表2所示；導致平臺任務降級的故障模式共10個，如表3所示。壽命FMEA工作為確定平臺壽命薄弱環節、開展壽命驗證等工作提供了依據。

表2 導致平臺壽命終止故障模式清單Table 2 List of failure modes caused to Platform end-of-life

表3 導致平臺任務降級故障模式清單Table 3 List of failure modes caused to Platform degradation

3 壽命試驗

壽命驗證主要包括分析驗證、在軌驗證和試驗驗證3種方式。分析驗證指根據故障物理或工程經驗在一定的分析計算的基礎上判定產品壽命滿足要求。在軌驗證指已在軌應用，且應用條件和工作時間都能覆蓋平臺要求，只適用于繼承性產品。試驗驗證是最普遍的一種方式，通常，具有耗損故障模式的單機產品應開展壽命試驗，例如存在“泄漏”故障模式，則需要開展長期漏率驗證試驗。

為保證壽命試驗的有效性，提高壽命試驗的效率，在壽命試驗之前制定壽命試驗方案，在分析產品薄弱環節、可采用的試驗方式和試驗周期的基礎上，確定試驗樣本、試驗剖面、試驗時間、試驗檢測方式等。在不改變故障機理的前提下，可采取加速壽命試驗驗證產品的壽命，但需要分析確認加速因子的合理性[8]。

中型敏捷遙感衛星公用平臺重點針對影響平臺敏捷機動性能的太陽電池電路、鋰離子蓄電池組、大量程三浮陀螺、125 N·m·s控制力矩陀螺、高穩定度太陽翼驅動機構、減隔振裝置6類關鍵單機開展了壽命試驗，并規范了試驗對象、試驗方式、試驗時間、試驗實施、故障信息確定原則等要求。

4 壽命評估

考慮衛星小子樣特點，應充分融合多種來源的數據對衛星壽命進行評估。中型敏捷遙感衛星公用平臺開展了3輪壽命數據采集工作。第1次數據采集主要對各單機歷史數據積累情況進行摸底，基于數據積累情況研究單機壽命評估方法，確保壽命評估工作的可實施性。第2次數據采集主要采集各單機壽命與可靠性要求、故障模式、故障判據，分析故障模式發生規律，研究提出單機壽命評估模型。第3次數據采集是根據各單機壽命與可靠性評估模型，采集設計數據、試驗數據和相似產品在軌飛行數據。在3次數據采集的基礎上，開展壽命評估工作。

借鑒GPS衛星的經驗，采用平均壽命估計(MLE)方法開展衛星壽命評估[9]。在中型敏捷遙感衛星公用平臺研制工作結束時，由于CMG和減隔振裝置壽命試驗尚未完成，按當時的數據評估得到平臺壽命估計值為7.61年，壽命末期可靠度為0.52。不過，同時也給出了CMG和減隔振裝置壽命試驗完成后的預估值，即平臺壽命8.1年，壽命末期可靠度0.76，可以滿足平臺的壽命與可靠性指標要求。該評估結果為高分多模衛星出廠評審提供了依據。

在壽命評估的基礎上，開展了中型敏捷遙感衛星公用平臺有限壽命單機壽命重要度分析[10]。壽命重要度即單機壽命變化對系統壽命的影響，可以用系統壽命θ對單機壽命θi(i=1,2,…,m)的偏導數表征，即Ii=?θ/?θi，其中m為系統中單機的數量。壽命重要度分析可以用于支持后續衛星開展設計優化。如表4所示，影響平臺壽命的主要單機有控制力矩陀螺、鋰離子蓄電池、太陽電池電路等，可進一步在后續研制工作中加強這些產品的壽命設計及驗證工作。

表4 平臺有限壽命單機壽命重要度分析Table 4 Importance analysis of Platform life-limited items

5 結束語

本文在中型敏捷遙感衛星公用平臺壽命工作實踐的基礎上，提出了衛星壽命工作項目及壽命設計分析、試驗和評估的方法，為高分多模衛星壽命工作提供了管理和技術手段。在后續衛星研制、應用過程中，還需要結合在軌飛行數據進一步修正壽命模型，完善技術方法，逐步建立系統、科學的衛星壽命工作規范。