快速响应卫星发射场贮存方法

2022-04-28邓家权张晓杰边小龙

上海航天 2022年2期

邓家权，张芮，陈博，张晓杰，边小龙，赵征

（1.中国人民解放军63798 部队，四川西昌 615606；2.上海微小卫星工程中心，上海 200120）

0 引言

在通信、遥感、侦察、科学等领域，卫星系统应用越来越广泛，卫星系统快速空间响应的需求也越来越紧迫。美国最先提出快速空间响应（Operationally Responsiveness Space，ORS）的概念，是指在发生战争或自然灾害等突发事件时，为满足多样化的应急需求，在短时间内完成航天器的生产、装配、测试、发射和运行维护任务，使航天器尽快进入执行任务的目标轨道，实现应急任务服务。由于卫星的生产、测试、总装集成测试（AIT）周期较长，快响卫星为适应应急发射的需求，在未接到具体任务的时期就按照出厂前既定计划完成卫星总装、环境试验、大系统对接等。因任务时间不确定，卫星经历的贮存时间从数个月至数年不等。产品经一段时间贮存后，会存在元器件老化、结构形变等问题，卫星发射后的可靠性可能无法得到保证。

美国国家航空航天局（NASA）早在20 世纪50—60 年代就开展了航天产品贮存可靠性方面的研究和试验，已形成完备的产品贮存工作程序和方法。NASA 制定了一系列标准，规范对航天产品的贮存管理和工作程序。欧空局在参考学习NASA研究成果的基础上，也制定了航天器硬件的防护、贮存、搬运和运输规范。在中国航天发展过程中，有很多型号在研制过程中涉及了整星贮存和设备贮存的情况，积累了一些经验。但国内对航天产品贮存可靠性开展的专门研究不多，没有形成系统化。本文主要研究基于快速响应模式下，如何开展卫星发射场贮存，为卫星快速发射入轨、快速投入使用并执行相关任务提供理论支撑。

1 卫星主要部件贮存要求及性能分析

卫星系统主要由结构机构、热控、姿轨控、能源、测控、星务及载荷等分系统组成。通过梳理卫星各分系统功能性能，卫星产品按照类别可划分为结构（结构板、设备支架）、热控（加热器、热敏电阻、多层材料）、单机设备（电子设备、推力器、敏感器等）、管路、电缆、波导及舱外大型部件（太阳翼、天线、相机等）。由于卫星属于精密仪器设备，其生产研制、运输试验过程及贮存都要在有温湿度、洁净度保障的环境中进行，不同的发射场虽然所处位置不同、外部环境不同，但卫星在发射场内部小环境的贮存要求基本相同。卫星贮存影响主要是考虑贮存期间卫星机电热性能变化，包括电子元器件性能、典型结构件形变、展开装置性能、蓄电池组性能影响、推进系统要求等。

1.1 电子元器件

元器件的贮存失效是由于封装性能退化所致，大致可以分为内部结构失效和外部结构失效。其中外部结构失效主要和贮存环境有关，特别是环境湿度、温度等因素；内部结构失效则大部分由于元器件生产工艺存在缺陷所引起的，内部失效会在单机、整星热平衡和热真空考核中剔除早期失效。由于贮存状态下的电子元器件长期处于非工作状态，影响其可靠性的主要因素主要有温度、湿度和化学因素等。目前，卫星总装测试、加注厂房能够实现温度（20±5）℃、湿度35%～55%、洁净度优于10万级且没有有机挥发物的环境要求，在此条件下，电子元器件寿命大于卫星寿命。

1.2 典型结构件

卫星经过贮存后，结构件形变主要取决于卫星结构板复合材料、结构板用胶黏剂的性能变化。引起这些变化的主要原因是蠕变、残余应力释放以及非金属材料的性能衰退等。根据实验数据可知：碳纤维复合材料自然放置8 a 后，抗压强度将下降约6%；J78 环氧胶贮存10 a 后，强度性能保持率在80%左右。在卫星长期贮存过程中，结构会由于非金属材料的性能退化产生形变或破坏。因此结构设计要留有余量，结构板使用寿命大于卫星寿命。

1.3 展开装置

卫星产品存在展开装置，如太阳翼结构与机构、天线展开装置等，平面涡卷弹簧为展开装置提供展开驱动力，其性能下降将影响展开功能。

平面涡卷弹簧长期处于受力状态，发生冷态流动，产生永久变形即所谓“材料蠕变”，失去应有的弹性和作用。目前尚无系统的数据表征平面涡卷弹簧长期收紧状态随贮存时间变化的性能曲线，通常的措施为每隔6 个月对展开装置、锁紧释放机构、微动开关进行检查测试，主要包括产品外观、紧固件检查、陪片状态、涡簧外观、展开功能、静力矩裕度检查，其中展开功能及静力裕度检查需移至展开桁架下进行。因此，卫星展开装置性能变化是卫星贮存方式需要考虑的重要因素，长期贮存期间相关展开装置展开同步机构钢丝绳预紧力应为卸载状态，如太阳翼、大型天线等按照规定的环境要求、采取相应的防氧化及防腐蚀措施可单独贮存。

1.4 蓄电池组

随着技术的进步，以往卫星用镍氢、镍铬电池逐渐被锂离子蓄电池取代。锂离子蓄电池组贮存期间容量的衰降率与时间的平方根线性相关：

式中：、分别为贮存前后锂离子蓄电池组容量；、分别为偏移量与平方根老化参数；为贮存时间。

满荷电态（State of Charge，SOC）锂离子蓄电池组单体内阻、容量衰降率与温度、贮存时间关系如图1～图2 所示。不同贮存温度与荷电态下电池相对容量值与贮存时间的关系曲线如图3所示。

图1 不同贮存温度下锂电池单体电池内阻随贮存时间的变化Fig.1 Variations of the internal resistance of a single lithium battery with the storage time at different stoage temperatures

图2 不同贮存温度下锂电池单体电池容量衰降率随贮存时间的变化Fig.2 Variations of the capacity degradation rate of a single lithium battery with the storage time at different storage temperatures

图3 不同贮存温度与荷电态下锂电池单体电池容量衰降率随贮存时间的变化Fig.3 Variations of the capacity degradation rate of a single lithium battery with the storage time under different storage temperatures and charge states

由图可知，锂离子蓄电池组贮存期间的环境温度、贮存荷电态和时间是影响蓄电池组寿命的主要因素。荷电态越高、贮存温度越高，电池性能衰减越快，因此电池应尽可能在低荷电态及较低温度下贮存。卫星短期贮存，贮存温度控制在25 ℃以下，电池可随星贮存；卫星长期贮存，为减小蓄电池组性能衰减，影响卫星在轨使用寿命，电池应单独贮存，存储温度控制在0～10 ℃，贮存期为2 a，每半年进行一次活化处理。

1.5 推进系统

推进剂化验结果有效期为1 个月，一般双组元推进剂化验结果可在5 d 内给出，单组元化验结果可在3 d 内给出，若卫星长期贮存，建议不加注推进剂，根据任务启动时机提前组织化验、加注。

卫星未加注推进剂，推进系统一般充0.2 MPa氦气形成正压保护，单组元推力器因催化剂装置设计原因禁止喷口朝上贮存。在卫星加注推进剂之后，为防止推进系统液路进气并影响推进系统在轨工作，单组元、双组元推力器喷口禁止向上贮存。若星箭对接需要卫星水平放置，则需考虑推力器喷口方向，在卫星设计、火箭滚转等方面采取措施。

推进剂加注后，理论上推进剂可长期贮存，即使系统安全指标满足要求，仍需要在防爆的加注大厅进行贮存，每天进行有害气体浓度监测。某型卫星加注后至发射曾在发射场存放40 余天，推进系统指标正常，入轨后工作正常。

1.6 其他部件

1）热控多层组件表层氧化铟锡在地面贮存使用过程中容易断裂，镀银层容易氧化脱落，因此在地面贮存过程中，需控制多层组件存储的环境湿度，多层应保持平整放置，不允许二次折叠。卫星短期贮存，多层组件可安装好随星贮存；卫星长期贮存，因需要打开舱板安装蓄电池、电爆管等，多层组件无法提前安装，若已安装超过半年需要在任务启动时对多层组件性能进行复验。

2）星载相机每半年进行一次质量检查，检查表面洁净状况，对有轻微污染的光学表面进行清洁，对高精度的大型光学零件重新测试表面面形及内应力变化。卫星长期贮存，需要单独放入包装箱贮存并充氮气保护。

3）太阳翼驱动机构、激光通信载荷、地球敏感器等设备对湿度敏感，若长期贮存，需要连接除湿仪对其除湿。

通过对电子元器件性能、典型结构件形变、展开装置及蓄电池组性能变化、推进系统要求进行理论分析，明确了卫星各部组件贮存要求，为单机、整星贮存奠定了理论基础。从上文分析可知，各部组件贮存一般以6 个月为界区分不同的环境要求，快速响应卫星发射场贮存方案，因此可划分为短期贮存（6 个月以内）和长期贮存（6 个月以上）2 种。贮存方案一般包括如下3 个阶段：贮存前状态准备、贮存期检查复测、贮存后检查测试。卫星贮存流程如图4 所示。卫星贮存技术状态分为随整星贮存和单独贮存2 种状态。

图4 卫星贮存流程Fig.4 Satellite storage process

2 短期贮存方案

卫星运输至发射场，完成检漏、技术区电测、天线展开、太阳翼光照、总装、加注准备等工作，转入短期贮存。从上文分析可知，各部件短期贮存仅有环境条件要求，卫星可以以整星状态在总装测试厂房贮存。舱内外所有部件（包括蓄电池组）全部安装到位，舱板全部安装到位，星表多层安装到位，太阳翼安装到位，天线或相机等载荷安装到位，所有火工品安装到位。

短期贮存方案具体见表1，对贮存前后的卫星状态、环境要求以及贮存区要求进行了详细的阐述。基于贮存后测试自由度的考虑，短期贮存方案建议不进行推进剂加注，若任务发射形势明确或紧迫，可完成推进剂加注（在加注厂房进行贮存）。极特殊情况下，可以完成星箭对接，待命发射。

表1 短期贮存方案Tab.1 Short-term storage scheme

续表1 短期贮存方案Continue tab.1 Short-term storage scheme

卫星在发射场已有近10 次短期贮存的成功案例，天线、太阳翼等舱外部件已安装，部分已加注，部分在塔架上静置，卫星贮存后经测试发射及在轨运行检验，性能稳定。

3 长期贮存方案

卫星运输至发射场，完成检漏、健康状态检查等工作，以平台加部件状态转入长期贮存，可在包装箱内或总装测试厂房贮存。长期贮存对展开装置、蓄电池组性能、热控多层组件、相机、太阳翼等均有单独的要求。贮存前应统计产品有效期，贮存结束对有效期进行复核，超过有效期或有效期临界的，应对相应产品进行复验或更换。舱内除蓄电池组以外的部件全部安装到位，卫星电子学单机以平台状态进行贮存，蓄电池组、太阳翼及其结构与机构、卫星下裙、多层、火工品、天线或相机等大型载荷均单独在专用包装箱进行贮存。各部件包装箱内充氮气保护，空间密闭性好，对温度湿度的控制更容易，可以单独设立环境指标。长期贮存方案具体见表2。在卫星包装箱的设计上，可以在内部将卫星相关测试接口通过包装箱箱壁引出，便于贮存期间对卫星进行加电检查。

表2 长期贮存方案Tab.2 Long-term storage scheme

续表2 长期贮存方案Continue tab.2 Long-term storage scheme

卫星在发射场没有长期贮存的案例，但是在出厂前有长期贮存的先例，某型号卫星在总装厂房贮存7 a 之久，后成功发射。

4 卫星发射场贮存快速响应性分析

短期贮存期满，卫星需开展贮存后电测试（健康状态检查），即可进行加注、星箭对接和电测试，待命发射。

长期贮存期满，卫星重启总装与测试流程如下：

1）重新安装单独贮存的舱内设备；

2）卫星健康状态检查；

3）舱内最终状态确认，安装结构外舱板，星表实施热控；

4）整星功能与性能测试；

5）安装大型载荷，载荷测试；

6）安装太阳翼，太阳翼展开与光照试验；

7）无线测试；

8）加注前总装，补充实施热控；

9）推进剂加注、星箭对接、电测试，待命发射。

从上述分析可知，卫星在发射场长期贮存后需要开展很多工作、经历较长周期才能实施发射，距离快速响应的要求有差距。若要求具备1 周左右快速发射的能力，则卫星应在发射场完成技术区相关工作，处于短期贮存状态。鉴于快速响应任务的不确定性，可以建立滚动备份机制，发射场建设贮存与测试库房，多颗卫星分别处于长期贮存状态、等待加注状态、等待星箭对接状态，可在1 个月内完成多发快速应急发射。