天宫二号空间实验室延寿设计及实施

柏林厚，朱枞鹏，张雅彬

(中国空间技术研究院,北京100094)

1 引言

天宫二号空间实验室是我国首个具备补加功能的载人航天科学实验空间实验室,分别与一艘载人飞船和一艘货运飞船交会对接,与载人飞船共同开展30天中期驻留任务,期间开展在轨维修技术验证试验、航天医学实验和空间科学实验；与货运飞船共同开展推进剂在轨补加任务,开展大型组合体控制技术、绕飞对接、快速交会对接技术等试验,为我国载人空间站进行技术验证。天宫二号空间实验室在最初研制时作为天宫一号的备份产品而生产,截至2016年年底已地面贮存超过6年,为地面贮存时间最长的载人航天器［1］。为了确保满足任务要求,同时提高研制经济效益,降低研制成本,团队开展了天宫一号备份器产品延长设备贮存期的可行性研究及措施制定工作,通过识别和克服寿命影响因素,达到延寿的目的。

贮存延寿是指在规定的保障条件下,以可靠性、维修性理论作指导,挖掘产品的技术潜力,针对影响贮存可靠性的薄弱环节,采取相应的设计、维修和管理措施,获得延长产品贮存期(可靠贮存寿命)的过程［2］。为保证装备的完好率,国外普遍采取定寿与延寿结合的策略［3］。军品具有“长期贮存、一次使用”的特点［4］,长期以来,贮存延寿相关试验较多地应用于我国武器装备领域；对航天器产品,一般都是研制完成后直接发射,很少有贮存延寿的需求。目前,国内的航天器中,萤火一号火星探测器(推迟了2年发射)进行了产品贮存与延寿的技术研究［5］。但针对大型载人航天器,国内还缺少研究和实例,国外关于载人航天器的地面延寿资料也非常少。本文在分析天宫二号空间实验室地面贮存影响因素与延寿工作的基础上,提出通过识别和克服寿命影响因素,采用维修、改造、改善贮存环境条件、借鉴工程应用信息等延寿措施进行系统延寿。

2 延寿工作内容

天宫二号主要从以下两个方面开展延寿工作：

1)产品地面寿命分析和延寿：开展产品地面贮存寿命分析和延寿工作,根据寿命分析和延寿结果,确认产品寿命满足任务要求；

2)产品长期贮存影响复核分析：在地面贮存寿命分析基础上,复核产品长期贮存影响,掌握产品长期贮存后特性变化规律以及对系统的影响,识别和制定在地面对产品的维护措施,确保产品性能稳定。

3 地面寿命分析和延寿

根据任务需求和工程总体的要求,针对航天器整器正样产品、高低频电缆、气体及液体管路、内外回路工质、总装直属件,以及地面备份产品,开展地面贮存寿命延寿工作。通过改善产品地面贮存环境、开展延寿试验、部件更换和补充投产等方式,实现延寿目标。

天宫二号延寿工作可分为图1所示四方面：

1)贮存寿命敏感因素识别：分析识别影响寿命的主要因素,然后进行针对性延寿；

2)产品寿命分析与评估：结合实际的环境和使用情况,通过评估寿命敏感因素项目的寿命获取产品实际寿命；

3)制定延寿方法：通过改善贮存环境、改造或者补充投产等手段实现延寿；

4)延寿产品状态确认：通过产品测试,确认延寿后的产品满足要求。

3.1 贮存寿命敏感因素的识别

天宫二号产品种类多、寿命超期因素复杂,开展延寿工作首先对整器产品寿命敏感因素进行识别,分析得到需延寿产品及寿命敏感因素如下：

1)含非金属密封件的产品：地面长期贮存后,密封性能下降,影响密封舱、管路密封安全,此类产品主要为阀门类产品,包括减压阀、补偿器、温控阀等；

2)含MoS2类产品：地面长期贮存后,与空气中的O2和H2O发生化学反应,造成MoS2氧化和脱落,影响运动部件的润滑,可能造成产品无法正常运动,具体产品如表1所示。

3)太阳电池翼电池,电池焊点发生氧化影响焊点强度和内部水汽影响发电效率；

4)装载化学药剂类产品：地面长期贮存后,与空气内部O2等组分发生化学反应,导致能力降低或失效,包括微生物控制装置、微量有害气体净化器、CO2净化器、防毒面具包等。

表1 含二硫化钼类产品寿命超期影响分析Table 1 Impact analysis of life time expiration on products with molybdenum disulfide

3.2 贮存寿命分析及评估

结合识别出的产品寿命敏感因素,对产品寿命情况进行综合评估,然后在此基础上采取针对性延寿措施。庄喜盈等提出利用在装备贮存期间所采集到的环境信息来评估装备的贮存寿命［6］,李锴等提出针对整机开展加速寿命或加速退化试验［7］,准确评估整机的寿命。实际工作中,重点从贮存环境履历、地面寿命试验和标准制定工程背景方面开展了寿命分析和评估,主要如下：

1)细化、追踪产品履历,确认产品装配、测试、停放、总装等各阶段实际贮存环境条件,并综合考虑地面贮存时间和在轨工作时间,进行贮存寿命评估；

2)对寿命评估准则和标准进行复查,重点对非金属密封件和二硫化钼相关标准进行研究,确保对标准理解正确,评估准则执行一致；

3)通过分析调研和地面寿命试验,组织专家对二硫化钼和不同类型非金属密封件的寿命进行综合评估。

3.3 延寿方法制定

目前,根据侯海梅等的总结［2］,贮存延寿主要包括以下途径：

1)维修：即为使产品保持或恢复到规定状态所进行的全部活动。维修分为预防性维修和修复性维修两大类,通常是根据装备的不同技术状态而采取不同类型的维修。预防性维修分为维护保养和修理两大类,其对象是那些需要定期检查、定期通电、定期更换的产品；修复性维修也叫排除故障维修,其对象是那些已经发生故障(或失效)、性能参数不满足规定要求的产品。

2)改造：即对不满足技术要求的状态加以变更,使变更后的状态满足技术要求。

3)改善贮存环境条件：贮存环境条件是影响产品贮存期与贮存可靠性的重要因素。保持稳定的贮存环境条件,可延缓产品腐蚀、老化和霉变的过程,是贮存延寿的重要措施。

4)借鉴工程应用信息：充分利用和借鉴国内各类型号、各类产品、各种专业等在工程应用中产生的贮存延寿相关信息,进行工程数据分析和寿命评估。

在识别天宫二号的产品寿命敏感因素和寿命评估基础上,制定针对性的延寿措施来确保产品寿命满足任务要求,在天宫二号的延寿工作中主要采取了维修、改造、改善贮存环境条件、借鉴工程应用信息的延寿方法。

综合考虑产品的成本、研制周期和重新总装的代价,产品延寿的目标是针对含MoS2类产品、含非金属密封件的产品和太阳电池翼等最大程度沿用原设备。具体延寿方法如下：

1)通过N2封存、控制贮存环境温、湿度等措施改善贮存环境,尽量延长封存状态时间,减少普通大气环境下贮存时间,从而延长设备贮存寿命；

2)通过调研MoS2生产单位,综合分析MoS2在相关工程应用中的实际寿命数据,将普通大气环境下贮存寿命由标准规定的2年［8］延长为4年(适用于轴承)和3.5年(适用于谐波减速器)；

3)通过调研非金属密封件生产单位,分析非金属密封件在相关工程应用中的实际寿命数据,结合非金属密封件标准和实际工作环境,确认非金属密封件的贮存和使用寿命；将长期封存未使用的以往相似原理产品启封,进行性能测试或密封检查,以确认产品贮存寿命能够满足任务要求；

4)对于需要维修和改造的产品,开展超期敏感项的部件级拆装可行性审查,尽可能通过部件级更换代替整机更换,实现产品延寿；

5)针对装载化学药剂类产品,直接生产新产品替换超期产品。

3.4 延寿结果及产品状态确认

1)对于沿用产品,通过综合评估寿命敏感因素、改善产品地面贮存环境进行封存、利用同类型产品开展延寿试验进行延寿：

(1)外回路温控阀、空气减压阀等含非金属密封件的产品：通过对选用的标准进行调研,根据贮存环境,合理将非金属密封件的保管期借用至存储期,延长贮存寿命；为进一步确认和摸清非金属密封件长期贮存的密封性能,利用已贮存14年的相同原理产品开展延寿评估工作,通过漏率测试确认密封性能良好,采用热空气加速老化法,验证非金属密封件寿命达15年。以上工作证明,超期非金属密封件可满足任务要求。

(2)控制力矩陀螺：购置9台大规格电子干燥柜,将产品封存在干燥大气中,延长产品中MoS2地面贮存时间,在交付整器前,通过性能测试和状态评估,筛选6台性能状态更稳定的陀螺作为主份产品交付装器,剩余3台作为备份产品继续封存。经力、热试验和综合测试,产品状态正常,满足飞行任务要求。

(3)太阳电池翼：天宫二号空间实验室采用半刚性太阳电池翼,贮存寿命一般为3～5年［9］,采取以下延寿措施［10］,经测试结果正常,可以满足飞行任务要求：

①将太阳电池翼置于专用包装箱内贮存,内充优于99.99%的高纯度N2,放入干燥剂以防潮,每天监测包装箱压力数据,确保箱内N2充足。当箱内压力下降至下限值时立即按规定充入干燥N2。

②将包装箱放置于洁净度满足10万级、相对湿度不大于60%、温度(20±5)℃的总装厂房,采用专用的温湿度测试仪进行记录,提供24 h温湿度数据记录,数据存档随产品交付时提交。

③对电池模块进行100%裂片检查,剔除不合格品或超期产品,进行更换,确保产品可靠性。

④利用电池模块陪片、压紧套镀膜件、早期EM板、早期投产同类产品开展可靠性增长试验,佐证正样产品性能稳定。

⑤对正样产品进行导通绝缘、特征阻值测试,组装成太阳电池翼后进行噪声试验,确认装器产品状态正常。

(4)驱动机构：综合评估主份和备份产品的贮存寿命,选取贮存环境更好、时间更短、性能更优的备份产品作为装器产品状态,同时主份产品转为备份产品封存。驱动机构交付后,为了确保内部MoS2性能稳定,每6个月进行一次充N2保护。

2)将总装直属件中不满足贮存要求的舱体非金属密封件进行更换,经整器力、热试验后,密封舱实测漏率满足指标要求。

3)通过产品证明书、合格证和使用说明书,确认高、低频电缆、气体及液体管路、内外回路工质地面寿命满足贮存要求,可正常使用。

经过以上延寿工作,天宫二号空间实验室的产品、总装直属件和管路均满足寿命要求。

4 长期贮存影响复核分析

为了进一步掌握产品长期贮存后,产品特性变化规律以及对系统的影响,在开展寿命复核的基础上,进一步开展产品长期贮存影响复核。

1)对于传感器类产品,在地面长期贮存后,传感器探头受光照和空气环境影响,导致测量漂移,在轨使用时可能导致监测数据不准确,通过地面标定和在轨标定的方式消除影响；

2)航天员使用的电池等设备,在长期贮存后可能存在电池钝化导致电压滞后现象,影响设备正常加电工作程序,通过使用前对锂电池进行一次消除钝化的操作消除影响。

5 延寿工作的启示

1)产品数据包应细化产品部件明细和产品履历,确保产品寿命和贮存环境可追溯。

影响航天器系统寿命的往往是产品中寿命敏感的核心部件,寿命分析需将产品“分解”,识别、提取出影响寿命的部件,并对部件寿命进行追溯分析。产品数据包中要细化产品部件清单,重点是寿命敏感的非金属密封件、MoS2、药剂、电池等,在寿命评估时全面覆盖产品寿命敏感因素。

影响产品寿命的主要因素为贮存环境,包括温度、湿度、大气成分、大气压力、力学环境等。例如,MoS2在高温、潮湿和富氧的环境下,将加速失去功能特性［11］；非金属密封件在压紧、高温的环境下,将加速老化失效［12］。产品数据包中要细化产品组装履历、贮存状态、贮存环境,准确掌握产品研制期间各个阶段的贮存状态和贮存环境,为寿命评估提供更准确的分析依据。

2)提前识别寿命敏感因素,在产品设计中落实保护措施。

将寿命保护设计前移,在产品设计中一并考虑寿命敏感因素的保护措施,使产品自身具备寿命保护功能,将大幅延长地面贮存寿命,减小延寿对研制流程影响,降低延寿成本。例如,太阳电池翼驱动机构使用了MoS2,MoS2地面贮存主要受O2和潮湿空气的影响［11］,驱动机构设计上对采用MoS2的部件采取准密封设计,地面贮存期间充干燥N2保护。采用这项设计的驱动机构可正常交付测试,不影响研制进度,提高了研制效率,同时也避免了进行设备封存带来成本代价。

3)深入理解寿命标准,确保寿命评估准确。

产品寿命的评估以国标或国军标等标准作为依据,标准中制定的寿命覆盖更普遍范围使用条件或贮存条件,在特定的使用条件和贮存条件下,标准中一般没有明确界定产品寿命。因此,需要结合产品使用的工程背景,准确理解和把握标准中确定寿命的使用条件或贮存条件,才能更严谨的使用标准评估寿命。例如,MoS2的寿命标准严格定义为特定环境对应的贮存寿命［8］,而天宫二号多个产品中的MoS2贮存履历和贮存环境不尽相同。为此,通过走访标准制定单位,与标准制定的专家进行交流,了解标准制定背景和当前工程实践经验,结合具体产品基材、实际贮存环境,有针对性延长将MoS2贮存寿命,相比标准中定义寿命均有了大幅提升。

通过走访和调研标准制定单位,深入理解标准中寿命确定的适用环境,使用标准进行寿命对标时既结合了工程实践又不脱离标准,确保了寿命评估和延寿结果的严谨可信。

4)主、备份产品性能评估和筛选,确保最优产品装器飞行。

设置有备份的产品一般为航天器上的关键产品,其产品性能好坏直接影响航天器系统的状态稳定和飞行寿命。为此,综合评估主、备份产品的性能,筛选最优的产品作为主份产品,确保航天器为最优配置和最佳状态。例如,天宫二号配置的控制力矩陀螺为6台主份和3台备份,9台控制力矩陀螺均采取了寿命封存措施延长地面贮存寿命,且均能够满足天宫二号任务需求。启封后对9台控制力矩陀螺进行了全面测试,基于测试数据分析评估,从9台控制力矩陀螺中筛选出性能状态更稳定的6台作为主份产品交付装器,确保姿控系统稳定。

6 结束语

目前,天宫二号空间实验室已在轨稳定运行一年多,期间圆满完成了神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船的飞行任务,飞行结果表明延寿工作有效。天宫二号的延寿工作从启动工程研制开始一直持续到延寿后的产品总装,前后历时近4年,延寿工作覆盖了天宫二号空间实验室产品数量的80%,积累了大量的工程数据和实践经验,可以为后续航天器产品延寿工作提供借鉴。