熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性驗證試驗及評估方法

李新立 姜水清 劉賓

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

壓緊釋放裝置是為航天器部件提供壓緊約束并按指令解除約束的裝置，其可靠性尤其是釋放可靠性，往往是影響整個航天器可靠性的重要因素之一［1］。若壓緊釋放裝置不能實現(xiàn)正常的釋放功能，將給整個航天器帶來非常嚴重的影響。因此，壓緊釋放裝置釋放可靠性驗證問題一直是航天器研制過程中關(guān)注的重點之一。

目前，航天器常用的壓緊釋放裝置多由火工致動，對于這類壓緊釋放裝置的可靠性驗證方法，文獻［2-3］進行了專門的論述。本文所提到的熱刀式壓緊釋放裝置，是近年出現(xiàn)的一種低沖擊、無污染的非火工壓緊釋放裝置［4-5］。與火工壓緊釋放裝置一樣，熱刀式壓緊釋放裝置的釋放也是航天器在軌一次性動作，其結(jié)果或者是“成功”或者是“失敗”。如果仍按照成敗型二項分布評估方法來制定熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性評估方案，不僅需要大量的試驗樣本，而且試驗周期和試驗費用也是令人難以接受的?？紤]到熱刀式壓緊釋放裝置的核心元件——“熱刀”可以在地面測試時反復使用多次，如何利用“熱刀”可以“重復使用若干次”這個特點，對壓緊釋放裝置制定合理有效的釋放可靠性驗證試驗及評估方法值得探討，這對于縮短產(chǎn)品研制周期、節(jié)約試驗費用具有重要意義。本文將對熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性驗證及評估方法進行探討，為開展可靠性驗證試驗提供一種技術(shù)途徑。

2 產(chǎn)品功能、工作原理及可靠性特征量

熱刀式壓緊釋放裝置主要由熱刀（釋放動力源）、承載單元（繩索）、拉桿、螺母、防逃帽、連接件、壓緊座等組成，具體構(gòu)成如圖1所示。

圖1 熱刀式壓緊釋放裝置組成示意圖Fig．1 Hold-down and release mechanism actuated by thermal knife

熱刀式壓緊釋放裝置主要功能是：在航天器發(fā)射時，通過繩索將航天器附件收攏固定在航天器本體上，使附件可以承受較大載荷而不損壞，并滿足系統(tǒng)收攏狀態(tài)的剛度要求；航天器入軌后，通過熱刀解除附件約束，使其可以正常運動。

熱刀式壓緊釋放裝置工作原理如下：在航天器地面運輸和動力飛行時，由拉桿和承載單元（繩索）的串聯(lián)體通過連接件將航天器附件（如太陽翼、展開天線等）牢固地連接在航天器本體上，使其能夠承受地面運輸、航天器發(fā)射時的載荷環(huán)境；入軌后根據(jù)指令給熱刀加電，加電后熱刀產(chǎn)生的高溫將繩索熔化（或碳化）并最終斷裂，從而解除對航天器附件的約束。

基于上述對熱刀式壓緊釋放裝置的功能及工作模式的描述，其能否對被壓緊的航天器附件成功釋放，主要取決于其核心元件“熱刀”能否可靠工作。因此，熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性R可近似認為是“熱刀”工作的可靠性。由于“熱刀”本身能夠反復使用多次，而在軌工作只需動作一次，因此，壓緊釋放裝置的釋放可靠性可以定義為：在規(guī)定的時間和條件下，“熱刀”能夠完成一次及一次以上規(guī)定動作的概率，即釋放可靠性可表示為

式中：N為“熱刀”可使用次數(shù)（即“熱刀”使用壽命），為非負整數(shù)。

因此，熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性特征量可確定為“熱刀”可使用次數(shù)?！盁岬丁钡氖褂么螖?shù)定義如下：將“熱刀”通電加熱到能夠“割斷”壓緊釋放裝置承載單元所需要的額定溫度并保持一定的時間，即“熱刀”完成了一次使用。

3 可靠性驗證試驗及評估方法

可靠性驗證試驗的目的是，為了考核產(chǎn)品在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率是否滿足可靠性指標要求。因此，試驗內(nèi)容應(yīng)與產(chǎn)品的功能及工作模式相對應(yīng)，具體反映在試驗方法的選擇、試驗件狀態(tài)及試驗條件、試驗程序、故障判據(jù)的確定及可靠性評估方法（試驗數(shù)據(jù)的處理）等幾個主要方面。

3．1 試驗方法的選擇

可靠性驗證試驗方法的選擇與試驗費用和周期是密切相關(guān)的，甚至影響到試驗的可行性。試驗方法的選擇，需遵循既能夠真實有效驗證產(chǎn)品的可靠性，又能節(jié)省試驗費用和節(jié)省試驗周期的基本原則。熱刀式壓緊釋放裝置為在軌一次性動作的航天器機構(gòu)，若按“成敗型”可靠性驗證試驗方法對其進行釋放可靠性評估，則無論試驗經(jīng)費還是試驗周期都難以為工程所接受。由于可將“熱刀”的使用次數(shù)確定為該型壓緊釋放裝置釋放可靠性特征量，因此，其釋放可靠性驗證試驗可采用“計量型”試驗方法，這樣試驗經(jīng)費將大為減少，試驗周期亦會明顯縮短，同樣能夠達到壓緊釋放裝置釋放可靠性的驗證目的。即，在熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性驗證試驗中，按照規(guī)定的試驗程序、試驗條件及故障判據(jù)，獲取若干“熱刀”試驗件的可靠性特征量（“熱刀”可使用次數(shù)）的實測數(shù)據(jù)，利用試驗實測數(shù)據(jù)通過合理的試驗數(shù)據(jù)處理方法來評估釋放可靠性。

3．2 概率分布假設(shè)

對“熱刀”使用次數(shù)N進行合理的概率分布假設(shè)是有效進行可靠性評估的基礎(chǔ)?？紤]到“熱刀”使用次數(shù)N為非負整數(shù)離散型隨機變量，且根據(jù)工程經(jīng)驗對于一批性能穩(wěn)定合格的“熱刀”產(chǎn)品，“熱刀”的使用次數(shù)應(yīng)通常集中在某一數(shù)值附近，使用次數(shù)遠離該數(shù)值（過小或過大）的“熱刀”產(chǎn)品數(shù)量應(yīng)較少，即“熱刀”使用次數(shù)N出現(xiàn)的概率P｛N＝k｝先隨著k的增大而增加，當k增大到一定范圍時，相應(yīng)的概率便急劇下降，而這與泊松分布相吻合。因此，本文假設(shè)“熱刀”的使用次數(shù)服從泊松分布［6］，即

式中：pk為熱刀使用次數(shù)k的概率；λ為泊松分布參數(shù)，反映了產(chǎn)品的平均使用次數(shù)。

3．3 試驗件狀態(tài)及試驗條件

可靠性驗證試驗的試驗件狀態(tài)及試驗條件是試驗有效性的重要保證，明確試驗件的狀態(tài)及試驗條件，是制定可靠性驗證試驗方案的重要內(nèi)容，所選取的試驗件應(yīng)與用于實際航天飛行任務(wù)的產(chǎn)品狀態(tài)一致，試驗條件應(yīng)盡可能模擬產(chǎn)品實際應(yīng)用時所經(jīng)歷的發(fā)射環(huán)境及在軌空間環(huán)境。

（1）試驗件狀態(tài)：試驗件應(yīng)從同一批并經(jīng)檢驗合格的產(chǎn)品中隨機抽取，并在可靠性試驗前經(jīng)過振動力學環(huán)境試驗，以模擬產(chǎn)品經(jīng)歷衛(wèi)星發(fā)射段力學環(huán)境后的狀態(tài)。

（2）試驗條件：“熱刀”產(chǎn)品在軌工作時，需要經(jīng)歷空間真空環(huán)境以及可能的高低溫環(huán)境。由于“熱刀”在大氣與真空環(huán)境下的使用壽命往往差別很大，因此在地面進行可靠性試驗時須模擬空間真空環(huán)境。另外，空間高低溫環(huán)境對“熱刀”完成釋放動作所需要的時間具有一定影響，空間環(huán)境溫度越低，“熱刀”加熱到釋放溫度所需要的時間越長，“熱刀”的使用壽命也會減少，從而影響“熱刀”工作的可靠性。因此，為保證試驗結(jié)果的可信度，“熱刀”可靠性試驗條件須能夠包絡(luò)“熱刀”真實使用環(huán)境條件，即“熱刀”工作的空間真空環(huán)境和預示的極限低溫環(huán)境。

3．4 試驗程序

可靠性驗證試驗的試驗程序需要綜合考慮產(chǎn)品的任務(wù)剖面：首先按照3．3 節(jié)的方法選取n個“熱刀”試驗件，并將試驗件在可靠性試驗前完成力學環(huán)境試驗。然后，在低溫真空環(huán)境下對試驗件進行使用次數(shù)測試試驗，獲得n個試驗件的使用次數(shù)實測數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…n）。

3．5 故障判據(jù)

確定合理的試驗故障判據(jù)，是保證試驗結(jié)果有效性的關(guān)鍵?！盁岬丁贬尫趴煽啃栽囼灩收吓袚?jù)如下：若試驗過程中，在規(guī)定的時間內(nèi)“熱刀”加電升溫不能達到壓緊釋放裝置承載單元所需要的釋放溫度，則判斷為“熱刀”失效，其使用次數(shù)為失效前正常反復加電升溫次數(shù)。

3．6 可靠性評估方法

若式（2）中泊松分布參數(shù)λ已知，則由式（1）可知“熱刀”在軌工作的可靠性為

而通常情況下，泊松分布參數(shù)λ是未知的，若對可靠性R進行評估，需要選取一定數(shù)量試驗樣本，獲取試驗數(shù)據(jù)對參數(shù)λ進行估計，進而通過公式（3）獲取R的評估結(jié)果。

已知在“熱刀”可靠性試驗中利用n個熱刀試驗件獲得n個實測數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…，n）。

首先，將試驗數(shù)據(jù)Ni（i＝1，2，…，n）的總和記為T，即

然后，根據(jù)所獲取的試驗數(shù)據(jù)，對于給定的置信度1-α，參數(shù)λ的單側(cè)置信下限［7］

式中：χ2α（2T）表示自由度為2T的χ2分布的α分位數(shù)，可通過查表獲得［8］。

最后，將根據(jù)式（5）求得的泊松參數(shù)的置信下限λL替代式（3）中的λ，可求得“熱刀”工作的可靠性（即壓緊釋放裝置的釋放可靠性）置信下限。

根據(jù)上文給出的熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性試驗驗證及評估的一般方法，可對某具體熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性驗證，設(shè)計專門的試驗驗證方案。

4 示例

某低軌道航天器太陽翼單個熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性指標為R＝0．999 5，要求按置信度γ＝0．9進行評估。已知該航天器所在軌道真空度為1．3×10-3Pa，所預示的太陽翼釋放時刻空間環(huán)境最低溫度為-20 ℃。要求“熱刀”從通電加熱到釋放整個過程時間不大于60s。

依據(jù)上述條件，設(shè)計試驗方案如下：

①試驗?zāi)康模涸u估某太陽翼熱刀式壓緊釋放裝置在軌工作的釋放可靠性。②試驗對象：該太陽翼熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性取決于核心元件“熱刀”工作可靠性，試驗對象確定為壓緊釋放裝置的核心元件——“熱刀”。③試驗測試的可靠性特征量：“熱刀”使用次數(shù)。④試驗測試參數(shù)：試驗測試的參數(shù)為“熱刀”加電60s后的溫度。⑤試驗故障判據(jù)：已知“熱刀”加電后溫度升高到800 ℃可確保釋放，若試驗中“熱刀”加電60s后溫度低于800 ℃即可判斷“熱刀”失效。⑥試驗件狀態(tài)：與在軌飛行應(yīng)用的“熱刀”為同一批次的合格產(chǎn)品，并已完成力學環(huán)境試驗。⑦試驗件數(shù)量：10件。⑧試驗環(huán)境條件：低溫-20 ℃；真空度：≤1．3×10-3Pa。⑨試驗數(shù)據(jù)處理方法：基于試驗測試參數(shù)服從泊松分布，按本文3．6節(jié)的可靠性評估方法對試驗數(shù)據(jù)進行處理。

已知利用測得的試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（4）計算得到

對于給定的置信度γ＝0．9和試驗樣本數(shù)量n＝10，從χ2分布表［8］中查到

根據(jù)公式（5）計算得到泊松分布參數(shù)λ的單側(cè)置信下限

將計算得到的參數(shù)λ的單側(cè)置信下限λL代入公式（3），可獲得該批次“熱刀”產(chǎn)品完成壓緊釋放裝置釋放的可靠性為

從而驗證了該批“熱刀”的釋放可靠性滿足指標要求。

5 結(jié)束語

本文對不同于一般成敗型火工壓緊釋放裝置的熱刀式壓緊釋放裝置的釋放可靠性試驗驗證及評估方法進行了探討，將對熱刀式壓緊釋放裝置在軌一次性動作的釋放可靠性考核，轉(zhuǎn)化為對該型壓緊釋放裝置核心元件“熱刀”可使用次數(shù)不少于1次的可靠性考核。通過轉(zhuǎn)化，將“熱刀”可使用次數(shù)作為可靠性特征量，并基于“熱刀”可使用次數(shù)服從泊松分布基本假設(shè)以及計量型產(chǎn)品可靠性評估的基本方法，可以采用較少的試驗樣本、較短的試驗周期完成對熱刀式壓緊釋放裝置釋放可靠性的評估。

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