卫星动量轮失效物理分析

卫星动量轮失效物理分析

0可靠性评估技术动态矩阵是卫星姿态控制系统的重要机电部件。它需要高度、长度、高精度和稳定性，以及运行模式和失败机的非常复杂。目前,其可靠性试验、预计与评估是国内外普遍重视和研究的技术难题。动量轮研究可靠性主要从轴承和润滑系统着手。德国TELDIX公司和美国BENDIX公司是研制动量轮的典型代表,都已具有30年以上研制、生产和使用经验,积累了大量数据,产品已相当成熟并规格化。比如,目前为止TELDIX公司已有588台动量轮产品应用于235颗已发射卫星,总的无故障在轨运行时间累计超过2200年。在长寿命机电部件寿命试验与评估方面,国外主要采用大样本寿命试验和寿命数据统计推断方法。如BENDIX公司在研究永磁速率积分陀螺可靠性时使用了326个样品,累计工作时间达到794240小时。另外,基于性能退化的可靠性评估方法也已经开始被重视。比如,俄罗斯库兹涅佐夫应用力学研究所在评估动调陀螺КИНД05-78的寿命时,采用基于性能的可靠性理论与试验技术,在1∶1条件下试验3000小时,周期性监测与陀螺寿命有关的各种参数变化,据此外推并估算КИНД05-78动调陀螺的寿命为30000小时。中国在动量轮可靠性的研究起步较晚,在失效机理分析以及可靠性试验与评估技术等方面,与美国、欧洲相比,还存在一定的差距。此外,动量轮可靠性试验只能在1∶1条件下进行,由于技术、经费、时间等限制,试验样品较少,短时间内很难甚至无法观察到样品失效,所以依靠大样本寿命试验和寿命数据统计推断方法,很难获得关于动量轮寿命与可靠性的有效结论。针对以上问题,必须研究新的可靠性评估技术,在现有试验条件、工程经验等的基础上,充分利用包括设计规范、物理原理以及产品研制、生产、使用中的性能与可靠性数据等在内的各种类型和来源的信息,为科学评估动量轮寿命和可靠性提供模型、数据分析方法和技术规范,这对指导卫星研制的可靠性工作具有重要的理论和实践意义。本文提出了一种基于失效物理的可靠性评估框架,并结合动量轮失效物理分析给出了一种基于随机阈值的Gauss-Brown模型的可靠性评估方法,最后对某型动量轮的可靠性进行了评估。1基于建模过程和失败的依据1.1基于失效物理的动轮润滑膜润滑技术通过分析影响动量轮性能和可靠性的因素,结合国际上相关经验,可知影响动量轮寿命和可靠性的关键是轴承组件润滑系统的寿命和可靠性。在动量轮的在轨运行过程中,转速高达到3000rpm,滚珠和滚道不允许直接接触,否则会导致严重的磨损,造成轴承瞬间失效,因此必须在运动的零部件之间作适当的润滑,以减小摩擦、减轻甚至避免磨损。动量轮轴承润滑膜的承载能力主要取决于滚珠和沟道中润滑剂数量和理化特性。基于失效物理的动量轮可靠性建模,就是在目前具有的设计、工艺、试验、质保、人员条件下,研究动量轮润滑系统由于润滑剂耗损、变质导致润滑剂缺失而无法形成有效润滑膜的问题,建立轴承组件润滑失效机理模型和寿命预测模型。图1为基于失效物理的动量轮可靠性建模与分析框架,不难看出,它同样适用于具有相同失效机理的其他航天活动部件性能可靠性建模与分析。1.2弹性流体动力润滑膜缺失时轴承的动态特性动量轮失效表现为轴承润滑系统失效,而导致润滑系统的失效主要因素是金属磨损、保持架磨损和润滑剂缺失。当动量轮轴承中形成弹性流体动力润滑膜的润滑剂不足时,就会发生轴承摩擦力矩迅速增大,随之而来的是动量轮功能丧失。此时即使轴承还没有发生任何疲劳失效,动量轮也会因直接摩擦而瞬间失效。因此,润滑剂的有效数量和理化特性可作为失效判据。2动力学模型的建立失效分析表明,金属磨损、保持架磨损、润滑剂挥发、爬移、变质等因素均会导致润滑剂的有效数量和理化特性的改变,因此,以下从这些角度出发,建立动量轮性能可靠性模型。为了对动量轮进行可靠性评估,作了某型号动量轮失效物理试验。试验时间为11个月,在运行至8个月时做了一次解剖分析,后继续运行3个月又做了第二次解剖分析,共5台轴承参与了试验,试验精密模拟在轨运行环境。试验主要考察轴系润滑系统的金属磨损、保持架磨损和润滑剂缺失情况,其润滑失效机理见图2。2.1mg敏感度测量第一次和第二次解剖时在沉积物中均发现了Cr元素“痕量”,表明有金属磨损发生,但Cr元素含量小到无法用0.1mg敏感度电子天平测量。通过沟道中滚道表面和滚珠表面的大倍数显微照片(见图3)可以判定“痕量”为粗糙度量级的尖锋去除物。根据专家判断,磨损的发生使金属摩擦付表面更加光洁从而大大有利于润滑膜的正常工作,“痕量”的磨损物要么被存留在保持架兜孔内,要么被刮落在滚道旁,不会参与摩擦付的工作,因此动量轮的金属磨损不会导致失效。2.2含油量减少引起的“失重”从与保持架磨损相关的图表(见表1、图4),可以判定5台试验轴承组件中轴承保持架显著“失重”,该“失重”是磨损和含油量减少共同导致的。由于不能进行破坏性数据采集,因此无法分离上述两种因素。每个动量轮保持架磨损量总重不超过1mg,而保持架的重量损失至少有0.1g(见表1),因此判断轴承组件的“失重”主要是含油量减少引起。从图4上可看到,前8个月“失重”较多,后3个月“失重”趋于缓和。据专家分析,试验初期处于磨合阶段,贮油室的供油不能抵消保持架上的润滑剂的损失,因此“失重”较多。随着试验运行,润滑剂逐步达到润滑平衡态,保持架的“失重”也会逐步趋近于零状态。在平衡态下,由于润滑作用保持架磨损基本可以忽略,因此在供油系统能够持续稳定供油的状态下,不会发生保持架导致的失效。2.3润滑剂损失2.3.1润滑基础损失图5为试验轴承组件润滑系统分析模型。润滑剂挥发损失发生在轴系的分子密封处。在轴系外较高真空度情况下,轴系内的油以蒸汽形式向轴系外泄漏,造成润滑剂不可逆损失,此损失简称为润滑剂挥发损失,该损失不可避免。SR28润滑剂的饱和蒸汽压、轴系内各零件表面温度以及动态气压决定了润滑剂挥发率,而分子密封的结构设计决定了轴系内含油蒸汽在轴系内、外大气压差作用下的润滑剂泄漏速度。根据生产方专家估计,最大泄漏速度约为8mg/年,润滑剂挥发是润滑剂数量减少的重要途径之一。2.3.2润滑表面润滑材料的耐油性能润滑剂变质主要由摩擦中应力、高形变、高温导致,因此润滑剂变质主要发生于轴承滚珠表面(见图3),分析润滑剂变质的取样来自滚道上、滚道旁和保持架兜孔中的磨损沉积物。在运行8个月后做了第一次解剖分析,在继续运行3个月后做了第二次润滑剂分析。分析中使用了XPSX射线光电子能谱分析,目的是观察滚珠表面纳米级深度范围润滑表面润滑材料的化学状态,分析中不会因滚珠基础金属材料的光电子能谱对分析信号产生干扰。两次解剖分析的结果均表明润滑剂没有发生显著变质。因此,润滑剂变质引起润滑剂缺失可以忽略不计。2.3.3润滑损失检验两次解剖分析结果表明,爬移也会导致动量轮轴系中润滑剂损失。如图5所示。T1-T2-T3-T4-T5分别表示图示各点的零件表面温度,T1到T5顺序温度由高到低,最低点T5温度约为55℃(实测值),最高点在100℃左右(估计值);1-1、1-2、1-3、1-4、1-5为润滑油由贮油器上爬移到组件外部的通路1;2-1、2-2、2-3为润滑油由轴承和内座圈上爬移到组件外部的通路2;3为通路1和通路2爬移到组件外之后处于组件外壁的停留处;4为在离心力作用下润滑油被甩出到真空罐后挥发和聚落在真空罐内壁的空间路径;5-1、5-2为润滑油在真空罐内壁上停留并在重力作用下流失的路径。试验结果表明,润滑剂损失在运行时间达第一次解剖和第二次解剖时均有发生,区别在于损失量的多少。第一次解剖时损失与第二次解剖相比明显较多,这与轴系初始润滑加的油较多关系较大。当连续工作11个月时,润滑剂在主要的摩擦体上(滚珠—滚道和滚珠保持架兜孔)的分布及数量已经达到一个正样的动态稳定,而这种动态稳定是轴系长期工作的保证。2.4轴系润滑动态平衡根据国内外经验以及上述失效物理分析,引起动量轮失效的关键因素是润滑剂缺失,而润滑剂的缺失主要是挥发和爬移导致。由于供油系统可以持续稳定的供给润滑剂,所以可以抵消润滑剂缺失,从而形成轴系润滑剂的动态平衡。通过该失效物理试验获得了5台轴承组件供油系统的数据,见表2。从图6可看到供油系统存油量随时间的推移而减少,各组件供油系统存油量均值呈线性递减状态,因此可认为供油系统供油较为稳定,轴系润滑良好。综上结论,动量轮的失效可以只考虑供油系统的供油情况。3失效物理模型根据前面的实际物理试验情况以及失效物理分析,动量轮失效的关键是供油系统的剩余油量,若供油系统不能够供给足够润滑剂,油平衡则会被打破,动量轮轴承会因缺油而发生强烈摩擦而导致失效。从表2可以看到,存油量的均值呈线性递减,其递减速度取决于动量轮润滑剂的挥发和爬移损失速度,当存油系统重量接近干重时可认为产品失效,因此存油量的递减过程可以看作一个性能退化的过程。同时,各产品的存油量差异随时间越来越大,呈喇叭口状。因此可构造如下失效物理模型:模型1参数Y(t)为动量轮t时刻的性能参数,随时间的退化过程{Y(t);t>0}。由Gauss过程和Brown过程构成,t时刻性能参数Y(t)=α-βt+B(t),其中,参数α和β均服从Gauss分布的随机变量,α和β相互独立,且对任意的t,概率值P{α<0}和P{β<0}均为0或可忽略不计;B(t)是均值为0,相关函数为σ2min(s,t)的一维Brown过程。模型2L为动量轮的失效阈值,当Y超过阈值L认定动量轮失效。考虑阈值的随机性,设L服从某分布FL(x),若失效时间为T则有:T=inf{t≥0:Y(t)≤L}。这里的问题是,如何基于上述模型来对动量轮的寿命分布和可靠性指标进行合理估计。3.1ytm数据分析由模型1,动量轮的存油量随时间变化满足如下随机方程Y(t)=α-βt+B(t)其中,α～N(μα,σ2α),β～N(μβ,σ2β),B(t)是一维Brown过程,B(t)～N(0,σ2t)。由于各参数间相互独立,因此有任意时刻t1<t2,Y(t)的自相关函数为:于是对任意时刻t1,t2,…,tm,Y(t1),Y(t2),…,Y(tm)的联合分布是均值为(μα-μβt1,μα-μβt2,…,μα-μβtm),协方差矩阵为CY的m维正态分布,其中CY(i,j)={σ2α+σ2βt2i+σ2ti,σ2α+σ2βtitj+σ2ti,为叙述简单起见,考虑单样本情况,给定时刻ti的观测值为yi,记h1(y1,t1;⋯;ym,tm|μα,μβ,σα,σβ,σ)=(y1-μα+μβt1,⋯,ym-μα+μβtm)⋅[σ2α+σ2βt21+σ2t1⋯σ2α+σ2βtmt1+σ2t1⋮⋱⋮σ2α+σ2βtmt1+σ2t1⋯σ2α+σ2βt2m+σ2tm]-1⋅(y1-μα+μβt1⋮ym-μα+μβtm)=m∑i=1,j=1hij⋅(yi-μα+μβti)(yj-μα+μβtj)其中,hij为C-1Y中的元素。则似然函数为L(μα,μβ,σα,σβ,σ|y1,t1;⋯;ym,tm)=1(2π)m/2|CY|1/2⋅exp[-h1(y1,t1;⋯;ym,tm|μα,μβ,σα,σβ,σ)2]由此可得似然方程组解该方程组则可以得到参数的极大似然估计。3.2供热系统可选用的归因由模型2有Τ=inf{t≥0:Y(t)≤L}从失效物理分析可知,动量轮失效依据为供油系统无法供油。由工程实际,失效阈值L在区间(Ld,Lu)上服从均匀分布。由专家分析,当供油系统重量接近干重时可认为失效。由于Y(t)各部分相互独立,因此是一个Gauss过程,t时刻该型动量轮的失效概率可表示为3.3u3000定年时拉动轮的可靠性速度下降基于表2的数据及3.1的参数估计方法,可以估计出ˆμα=5.2313‚。当供油系统重量接近干重时可认为失效,由专家分析给定Ld=E[Y(0)]×1%=0.0523,Lu=E[Y(0)]×1.5%=0.0785。由此,动量轮的失效率函数可表示如下:F(t)=38.16792π∫0.05230.0785∫-∞x′e-x22dxdL其中,已知额定任务时间τ=24月,代入则可算得额定任务下的可靠度为R^0=1-F(τ)=0.9936其平均可靠性寿命为Τ¯=∫0∞(1-F(t))dt=18.76年图7为动量轮寿命可靠度曲线。从图上可以看出前10年可靠性降低较慢,属于动量轮的稳定运行时期,此后递减