航天器设计中的环境要素与效应研究

吴永亮 张小达 朱凤梧 泉浩芳 陈建平

(1中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083)(2中国航天标准化与产品保证研究院,北京 100071)(3中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京 100094)

航天器设计中的环境要素与效应研究

吴永亮1,2张小达2朱凤梧3泉浩芳2陈建平1

(1中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083)(2中国航天标准化与产品保证研究院,北京 100071)(3中国空间技术研究院通信卫星事业部,北京 100094)

航天器在全生命周期内经历各种各样的环境,用户和工程研制方需要根据任务活动定义所遇到的环境,设计人员则需要根据这些环境对产品的影响进行设计,以满足航天器的功能、性能、可靠性、安全性和环境适应性等要求。文章从环境工程角度分析了环境剖面的制定、分析和环境条件的演化过程,从产品设计角度研究了航天器在任务过程中遇到的各种环境要素,给出了典型的航天器环境要素以及需要考虑的特殊环境,总结了单一环境和组合环境对航天器的典型效应,可为我国航天器设计和试验提供参考。

航天器;环境剖面;环境要素;环境效应

1 引言

航天器在地面、发射、在轨运行及主动返回等阶段,要分别经历复杂的地面环境、发射环境、空间环境和返回环境,这些环境统称为航天器环境,其具体化是环境要素[1-2]。航天器工程关心所有对航天器设计和运行有影响的环境要素。在航天器研制的总体方案阶段,工程总体进行环境分析,制定《航天器系统要求》文件,其中的环境要求包含了产品主要考虑的环境要素[3-4]。设计人员依据文件确定航天器全生命周期中所遇到的任务剖面/任务事件,按任务剖面将所遇到的环境要素逐一识别并形成环境剖面,分析环境剖面中每个环境要素对航天器的影响,找出需要考虑的环境要素,制定环境条件,验证航天器在这样的环境下完成任务目标的可行性,以保证最终研制的航天器在这些环境中能够符合其各项功能、性能、可靠性、安全性等要求[5-7]。

NASA、美军、英军均根据其产品特点编制了环境要素及效应的标准、手册等技术文件,用于定义装备环境。NASA编制的PD-EC-1101《环境要素》,描述了航天器的主要环境要素及其效应,为设计人员开展环境设计工作提供重要的参考依据,美国的通信卫星、空间实验室、运载火箭、空间动力系统和空间站等均执行该文件[8]。马歇尔航天飞行中心(MSFC)编写的《自然空间环境:对航天器效应》(NASA-RP-1350)[9]和《自然空间环境导致的航天器系统失效与异常》(NASA-RP-1390)[10],是自然空间环境效应的顶层参考文件。NASA-RP-1350全面地总结了航天器所经历的自然空间环境及其典型效应。NASA-RP-1390给出了自然空间环境主要的定义,以及其作用在各种航天器系统上的效应,提供了100余起由自然空间环境效应导致的航天器失效和异常事件。英国国防标准《Def Stan-00-35 国防装备环境手册》[11]的自然环境(第四部分)、诱发机械环境(第五部分)和诱发气候环境(第六部分),给出了装备经历的环境要素及每个环境要素对应的效应。美军《AMCP-706工程设计手册》[12]的《自然环境要素》(第二册)和《诱发环境要素》(第三册)详细、定量地介绍了13个自然的气候环境要素和8个诱发的机械和电磁方面的环境要素,给出了避免或减少这些环境要素有害效应的方法。这些技术文件可指导设计人员更好地掌握航天器所经历的空间环境及其效应,有效地降低项目风险和经费,优化设计质量并实现最终任务目标。

本文从环境工程角度讨论了环境剖面的制定、分析和环境条件的演化过程,从产品设计角度研究了航天器遇到的各种环境要素,分析了环境效应的确定步骤,给出了单个环境和组合环境对航天器的效应,可帮助用户和工程研制方定义任务活动遇到的环境,指导设计人员了解航天器的使用环境、设计环境及试验环境,最终确保航天器顺利完成任务。

2 环境剖面

航天器环境剖面是航天器在全生命周期各阶段所经历事件过程中遇到的各种环境要素排列。为满足航天器的可靠性、环境适应性等要求,应给出航天器环境的初始要求,确定航天器主要考虑的环境要素,制定合理的全生命周期环境剖面。

2.1 环境剖面的制定

制定航天器全生命周期环境剖面时,首先要明确产品在不同的任务阶段经历的环境要素,分析产品在制造、装配、检验、测试、运输和使用过程中,各种环境要素可能对产品的功能、性能、可靠性和环境适应性产生的影响。

制定产品全生命周期环境剖面的一般步骤为:

(1)确定产品从最终的制造厂验收到生命周期结束所经历的事件。

(2)识别和确定用于产品设计和试验的自然和诱导环境或组合环境。

(3)按不同的任务阶段绘制环境剖面图,注明主要的环境要素、经历时间。描述产品在生命周期内遇到的环境要素(以叙事和统计的形式),其数据可以根据计算、试验或运行时测量得到。

2.2 环境剖面的分析

航天器环境剖面分析是以所有产品任务剖面为基线,识别产品在任务各阶段会遇到的环境要素或环境要素的组合,确定相应环境条件。一般要考虑的内容如下。

(1)依据使用剖面,给出生命周期内可能在航天器上的每个具体事件,如运输平台类型(飞机、地面车辆、船舶、运载火箭等)、地理位置(运行轨道、发射场等)、气候特性,以及每个事件大致的持续时间。

(2)航天器生命周期每个阶段预期环境要素(及其环境要素的组合)出现的频度或可能性。

(3)航天器生命周期每个阶段暴露于某环境下的相对和绝对持续时间,以及发生任何其他情况的相对和绝对持续时间。

(4)如果航天器的技术状态有变更,应考虑航天器环境影响的更改。

(5)由于航天器的设计或客观自然环境,应考虑环境对航天器的限制或各类临界值,如雾或其他沉降物会限制红外测头的效能。

(6)与相关系统的接口及相关系统的工作情况。

(7)识别运行使用状态(如运行、备用、试验、非运行)在生命周期中每个阶段的预期功能和相关性能。

2.3 环境条件演化过程

根据任务目标,确定任务剖面;依据工程目标,分析环境剖面并制定对应的环境条件。评估环境条件变化可能带来的影响,用于产品的环境适应性设计与试验,并为将来的相同项目或其他项目提供可追溯的基本依据。环境条件是在航天器产品研制中需要考虑的环境要素量化表达形式,随着环境条件演化过程依次为使用环境条件、设计环境条件和试验环境条件。对于使用环境已经明确,并确定应考虑其对航天器的影响时,可以定义设计环境条件,进行产品设计。如果使用环境不明确,可通过实测环境数据(含相似环境实测数据)、分析环境(含环境预示计算)和采用标准中推荐的环境数据等方法,得到初步的使用环境,确定应考虑其对航天器的影响时,再定义设计环境条件。最后,根据设计环境条件和试验任务需求,确定试验环境条件。

航天器环境条件的确定,从确定任务目标时开始,经历工程目标、使用环境、设计环境、环境试验等阶段,每个阶段不断发展和深入,演化过程如图1所示。

3 环境要素

航天器在全生命周期内经历各种环境,环境要素是构成整体环境的基本要素。环境要素及其效应对航天器完成空间任务带来了严峻的挑战。考虑到航天器各装配级产品的功能、性能、可靠性、安全性、环境适应性等要求,对全生命周期内所遇到使用条件的依赖性,在设计开始时必须准确地识别环境要素,考虑产品从出厂到整个工作期间的各种事件(如装卸、运输、贮存、发射、在轨运行、返回)相对应的环境要素及其效应。

航天器在全生命周期内遇到的主要环境如下。

(1)地面/气候环境。它是由地面/气候环境要素及其综合构成的环境。例如:(高、低)温度、(高、低)湿度、(高、低)气压、污染、雨淋、砂尘、盐雾、霉菌等。

(2)力学环境(机械环境、诱发机械环境)。它是由于装备的使用、平台的运行、运输、贮存、搬运产生的机械环境,主要包括产品机械环境和平台机械环境。产品机械环境是指产品自身诱发的机械环境;平台机械环境是指产品装载于某一平台后经受的机械环境,如随机振动、正弦振动、加速度、冲击、噪声等。

(3)空间环境。它是指航天器在飞行过程中遇到的来自地球、太阳、行星和星际空间等的自然和诱发环境的总和。例如:空间背景环境、热环境、中性大气、离子辐射(高能粒子)、空间碎片与微流星体等。

(4)电磁(兼容性)环境。航天器要能在所处的电磁环境中正常工作。这里的电磁环境包括由自然界产生的电磁辐射(如雷电、电晕、静电)和由设备产生的电磁辐射。

以经历地月环境的航天器为例,各任务阶段的主要环境要素见表1。航天器试验验证应根据产品全生命周期(从出厂开始经过运行使用直到结束服务)的环境剖面开展,包括装卸、运输、贮存、发射前合格检验、发射、轨道运行、备份使用和由轨道返回等。在方案设计阶段、初样研制阶段早期,参照表1确定并完成研制试验项目;在初样阶段后期和正样阶段,参考表1确定试验矩阵,进行环境试验验证。

表1 航天器不同任务阶段的环境要素(以地月环境为例)Table 1 Environmental factors of spacecraft on different mission phases(typical examples of earth and moon environment)

试验矩阵分别按照组件、分系统和航天器系统给出试验基线要求,试验基线是用试验来验证产品满足设计要求和制造要求的最低标准。在实际应用中,还应根据航天器情况对表1进行剪裁或补充。例如:月面巡视探测器要验证月面环境(如月尘、月壤),火星探测器应考虑火星大气环境(如温度循环),高分辨率遥感卫星、通信卫星应考虑影响有效载荷指向精度的微振动环境,载人飞船、空间站应着重考虑空间高能粒子环境、微重力环境,月球轨道器应考虑近月环境(如磁场的变化),低轨航天器应考虑大西洋磁场异常环境。表1中各个选项仅是初步需要考虑的,应根据航天器任务剖面中要执行的具体任务及其在不同轨道的环境情况,综合确定需要考虑的环境要素。

4 环境效应

4.1 环境效应对航天器的影响分析

了解和掌握航天器全生命周期内遇到的各种环境要素及其对航天器的影响,是一个长期总结和改进的积累过程。环境效应对航天器产生的影响曾经导致了很多问题,实例如下。

(1)2003年10月,航天员杨利伟搭乘神舟五号飞船升空时,曾在一个短暂的时间内感到非常不适。技术人员发现,火箭从起飞126 s开始,出现了逐渐增大的纵向单频振动,其振动频率为8 Hz,与人体心肌的固有频率相近。这就是因为设计人员不清楚在运载火箭起飞阶段会产生8 Hz的振动环境,以及这个振动环境会引起航天员身体不适的效应造成的。为了深入了解空间环境及其对航天器的影响,NASA在长期跟踪研究的基础上开展了“空间环境及其效应的专项研究”,并编制了多项标准[9-10]。

(2)波音公司发现波音卫星系统-601(BSS-601)卫星平台长期存在“晶须”现象导致的故障。经过对多颗卫星的故障分析,确定出现了“晶须”现象,也就是镀锡(锌)零件在长期轨道环境下会生长出比头发还细长的结晶。如果继电器的2个断开触点被“晶须”搭接,就会发生短路。在停止使用镀锡(锌)零件后,卫星不再出现故障。

(3)太阳活动频繁可以导致航天器的部分或全部功能丧失。2003年10月24日,太阳活动异常频繁,导致日本先进地球观测卫星-2(ADEOS-2)报废,美国地球静止环境业务卫星-9、10(GOES-9、10)磁力矩器停止工作,此外还有20多颗卫星受到影响,仅ADEOS-2就损失约6亿美元。

经验表明,大量的航天器问题往往都是未充分考虑环境效应导致的。经统计,等离子体环境引起的故障约占39.0%;电离辐射环境引起的故障约占38.0%;温度引起的故障约占11.0%;太阳粒子环境引起的故障约占5.7%;中性大气引起的故障约占2.8%;地磁场环境引起的故障约占1.9%。引起故障的环境效应如此之多,必须在设计时全面考虑其影响。但是,把每个航天器的具体环境效应都预见到且分析清楚,几乎是不可能的。因此,只能在不断积累已有故障问题的基础上,总结通用的环境效应来帮助设计人员针对具体航天器开展环境设计工作。

4.2 确定步骤

《GJB 6117-2007 装备环境工程术语》中规定,环境效应是“装备在其生命期的各种单一或组合环境作用下,引起装备的材料、元器件和机构疲劳、磨损、腐蚀、老化、性能退化或降级,造成装备性能下降乃至功能丧失的现象”,这一术语对航天器产品同样适用。研究某一环境对航天器的影响,可能带来研究不充分、效应误差较大等问题,因此,要分析多环境对航天器的效应,考虑提供预示的单一和/或组合环境的设计/试验准则,用于识别在任务剖面中硬件能力所承受的风险。确定全生命周期环境效应的步骤如下。

(1)对某一产品,分析从出厂验收到最后结束服务各阶段所能遇到的各个事件。

(2)指出在所遇到的各个事件中,有哪些环境在起主要的作用,这些环境包括自然环境、诱导环境和它们的组合。

(3)通过试验、实测或分析来确定这些环境对产品造成的主要环境效应。

在航天器研制中,应在有限的时间和经费前提下,通过试验来验证是否满足完成任务的可靠性、环境适应性等要求,这是一个综合性、系统性的设计过程。其中,环境效应直接影响整个试验验证计划的确定,应根据产品任务剖面和失效模式来综合确定是否需要考虑各环境因素,明确在各种环境下是考虑单一环境效应还是考虑组合环境效应。

4.3 单一环境及其效应

在进行设备材料和零部件的功能、性能、可靠性和环境适应性设计时,要确定每个环境要素对其的影响。根据提供的环境要素,采用必要的防护技术,降低其影响。表2给出了典型的单一环境效应。

表2 典型的单一环境效应Table 2 Typic single environmental effects

4.4 组合环境及其效应

航天器在轨期间遭受的环境是复杂的,这些环境不仅单独对航天器敏感材料及器件产生影响,还可能诱发次生环境,对航天器的作用可能引发另一个环境对航天器的效应,还可能对其他环境产生的效应具有增强或减弱作用,不利于产品的功能、性能、可靠性、安全性、环境适应性。组合环境效应对航天器可靠性的危害可能比单个环境效应更大。

典型的组合环境效应矩阵关系如图2所示[8],它说明了组合环境的总破坏效果比单个环境作用的累积效应更大。例如,一个产品在运输时,可能会暴露于温度、湿度、高度、冲击和振动的组合环境。验收一个产品项目的全生命周期历程时必须考核这些效应。

5 结束语

航天器环境要素及其效应是一项重要的基础研究工作,是航天器设计与试验工作的基本依据,合理的环境要素及效应文件可以帮助有关人员方便快捷地掌握航天器将要遇到的环境及其效应,既不缺项、漏项,也不过度考虑环境要素。NASA、美军、英军均编制了与环境要素及其效应相关的标准或手册,用于定义产品环境,帮助项目管理人员、设计人员更好地掌握产品所经历的环境及其效应。本文基于上述国外标准、技术文件,结合考虑国内航天器研制的实际情况,总结了环境剖面的制定、分析和环境条件的演化过程,研究了主要的航天器环境要素和典型效应,可以帮助航天器用户和工程研制方定义任务活动所遇到的环境。本文提出的航天器环境要素与效应的研制考虑,可为后续编制我国航天环境要素及效应标准提供技术基础和参考,指导设计人员开展航天器环境设计工作,提升航天器的总体设计水平,满足未来航天任务的需求。

References)

[1]United States Army Force.MIL-HDBK-61A Military handbook configuration management guidance[S].Los Angeles:USAF,2001

[2]Levine J H,McCarty B J.Apollo experience reportcertification test program,NASA TN-D-6857[R].Washington D.C.:NASA,1972

[3]陈磊,李飞,任德鹏,等.月面和近月空间环境及其影响[J].航天器工程,2010,19(5):76-81 Chen Lei,Li Fei,Ren Depeng,et al.Lunar surface and near lunar space environments and their effects[J].Spacecraft Engineering,2010,19(5):76-81(in Chinese)

[4]邱家稳,沈自才,肖林,等.航天器空间环境协和效应研究[J].航天器工程,2013,22(1):15-19 Qiu Jiawen,Shen Zicai,Xiao Lin,et al.Study on synergistic effect of space environments on spacecraft[J].Spacecraft Engineering,2013,22(1):15-19(in Chinese)

[5]Space and Missile Systems Center.MIL-STD-1540C Test requirements for launch,upper-stage,and space vehicles[S].Los Angeles:SMSC,1994

[6]United States Army Force.MIL-HDBK-340A Test requirements for launch,upper-stage,and space vehicles VolⅠ:baselines[S].Los Angeles:USAF,1999

[7]Space and Missile Systems Center.SMC-S-016 Test requirements for launch,upper-stage,and space vehicles[S].Los Angeles:SMSC,2008

[8]NASA.Environmental factors,PD-EC-1101[R].Washington D.C.:NASA,2006

[9]Bonnie F James.The natural space environment:effects on spacecraft,NASA-RP-1350[R].Washington D.C.:NASA,1994

[10]K L Bedingfield.Spacecraft system failures and anomalies attributed to the natural space environment,NASARP-1390[R].Washington D.C.:NASA,1996

[11]British National Defense.Def Stan-00-35 environmental handbook for defence materiel[S].London:BND,2000

[12]United States Army Forces.AMCP-706 Engineering design handbook-natural environmental factors[S].Los Angeles:USAF,1987

[13]NASA.NASA-STD-5001 Structural design and test factors of safety for spaceflight hardware[S].Washing D.C.:NASA,1996

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

国家国防科工局技术基础科研课题“航天器环境试验基线与剪裁技术”(JSJC2013203B002)

吴永亮,男,博士研究生,从事地球探测与信息技术、航天标准化研究工作。Email:andyloveti@163.com。

(编辑:夏光)