衛(wèi)星推進系統泄漏故障原因分析與控制措施*

李湘寧，李兆光，王 淵，丁鳳林，白建軍

(北京控制工程研究所，北京 100190)

衛(wèi)星推進系統泄漏故障原因分析與控制措施*

李湘寧，李兆光，王 淵，丁鳳林，白建軍

(北京控制工程研究所，北京 100190)

在衛(wèi)星推進系統失效的原因中，泄漏故障占有很大的比重。衛(wèi)星推進系統一旦發(fā)生泄漏故障，會降低系統可靠性，縮短衛(wèi)星壽命，嚴重時會影響任務的完成和人員的安全。通過對推進系統泄漏故障的原因進行分析，提出了有針對性的預防和控制措施。介紹了推進系統地面和在軌泄漏故障的識別方法及相應的解決措施。

航天器；推進系統；泄漏故障；質量控制

衛(wèi)星推進系統是衛(wèi)星的重要組成系統之一，為衛(wèi)星軌道機動、位置保持和姿態(tài)調整等操作提供所需的動力和力矩。衛(wèi)星推進系統一旦發(fā)生在軌泄漏，往往是不可挽回的，嚴重的泄漏會導致整星的失敗，較輕的泄漏也會導致衛(wèi)星壽命縮短[1]。為了保證衛(wèi)星推進系統可靠性，實現系統順利交付和在軌可靠運行，必須采取適當的預防和控制措施，在系統研制初期消除推進系統可能存在的泄漏隱患。

1 衛(wèi)星推進系統組成及工作方式

衛(wèi)星推進系統的主要任務是與控制系統配合，在從星箭分離開始到衛(wèi)星壽命終了的時間內，向衛(wèi)星提供姿態(tài)和軌道控制所需的動力和力矩。衛(wèi)星推進系統主要由變軌發(fā)動機、推力器、推進劑貯箱、高壓氣瓶、推進線路盒、壓力傳感器、過濾器、控制閥門及管路連接件等組成。典型的衛(wèi)星雙組元統一推進系統原理圖如圖1所示[2]。衛(wèi)星雙組元統一推進系統由氣路部分與液路部分組成，氣路部分僅用于轉移軌道期間，液路部分用于衛(wèi)星全壽命期間。

衛(wèi)星推進系統的工作方式如下：在星箭分離后到氣路系統接通前，衛(wèi)星推進系統為吹下式工作模式，即高壓氦氣瓶不提供氦氣，衛(wèi)星推進系統由貯箱中預充的氣墊維持推力器正常工作所需的壓力；在轉移軌道和中間軌道的變軌機動期間(從氣路系統接通算起，到氣路系統截斷為止)，衛(wèi)星推進系統為擠壓式恒壓工作模式，貯箱壓力維持所需氣體由高壓氦氣瓶提供；在氣路斷掉之后，直到衛(wèi)星壽命結束的整個工作期間，衛(wèi)星推進系統為吹下式工作模式。

圖1 典型雙組元衛(wèi)星推進系統原理圖

2 衛(wèi)星推進系統泄漏故障及影響分析

衛(wèi)星推進系統是由發(fā)動機、推力器、貯箱、氣瓶、各種控制閥門及管路等組成的封閉系統。衛(wèi)星推進系統泄漏包括內漏和外漏2種：內漏主要指由于閥門密封不合格，導致閥門上游氣體或液體通過密封面漏入下游通道；外漏一般是因為殼體或管路焊接不合格等，存在泄漏通道，使通過其中的氣體或液體泄漏到外界環(huán)境中。

由于衛(wèi)星推進系統使用的推進劑通常具有強烈的毒性和腐蝕性，而且氧、燃推進劑接觸后可直接反應，發(fā)生燃燒；因此，無論地面還是在軌發(fā)生泄漏，都將直接影響衛(wèi)星的安全，如果在地面發(fā)生泄漏還有可能危及操作人員的人身安全。

2.1 衛(wèi)星推進系統內漏影響分析

衛(wèi)星在長壽命飛行中，有內密封面部件(如減壓器、自鎖閥、推力器電磁閥等)的衛(wèi)星推進系統的內漏，會對衛(wèi)星任務的完成造成較大的威脅。自鎖閥內漏會使推進系統喪失安全禁止環(huán)節(jié)，且會影響到推進劑分配管理及推力器備份分支的使用；加排閥泄漏會造成推進劑泄漏，嚴重時可能全部泄漏，使衛(wèi)星壽命變短或失效，推進劑泄漏還可能產生隨機干擾力或力矩，輕者額外消耗推進劑，重者衛(wèi)星失控，另外加排閥在地面加注時內漏嚴重，將直接影響推進劑加注地面操作，危及衛(wèi)星及加注人員安全；在雙組元推進系統中，減壓器內漏會使推進劑貯箱內壓力過大甚至破裂，單向閥內漏輕者會因推進劑蒸氣反應沉積在減壓器閥口造成減壓器泄漏，重者會因氧、燃蒸氣相遇自燃引起點火、爆炸等災難性事故。

2.2 推進系統外漏影響分析

推進系統外漏包括增壓氣體泄漏和推進劑泄漏。增壓氣體泄漏會使增壓氣體無謂消耗，輕者降低衛(wèi)星飛行壽命，重者使衛(wèi)星無法入軌；推進劑泄漏會縮短衛(wèi)星壽命，損壞泄漏區(qū)域周圍衛(wèi)星部件的功能，單元推進劑(如無水肼)或自燃的雙元推進劑(如甲基肼/四氧化二氮)兩路同時泄漏還會引起著火、爆炸、人員死傷和衛(wèi)星損毀等災難性后果。增壓氣體或推進劑外漏還可能會給衛(wèi)星帶來附加干擾力或力矩，造成額外的推進劑消耗或導致衛(wèi)星失控。

3 衛(wèi)星推進系統泄漏故障原因分析

3.1 內漏原因分析

造成推進系統內漏的原因主要有以下幾種。

1)設計原因。閥體形狀設計不合理，有隱藏多余物的死角和小尺寸通道，有易自污染的滑動部件產生多余物，使活動密封面磨損；密封的冗余設計考慮不周，且閥桿或閥座密封處設計不當；閥桿導向、對中、行程設計不當或設計對振動敏感等。

2)選材原因。選擇了與推進劑不相容的材料，或密封性能好但持久性差的塑性變形軟材料，或選用了易產生磨損粒子不利于長壽命工作的材料等。

3)使用原因。液體閥門在無液條件下多次通電工作會增大閥座應力，降低壽命，產生過熱，增加內漏風險。

4)多余物控制不嚴。生產過程和試驗環(huán)節(jié)潔凈度控制不嚴，引入多余物。

5)鑒定試驗和驗收試驗不充分。

3.2 外漏原因分析

造成推進系統外漏的原因主要有以下幾種。

1)焊縫質量問題、檢驗手段不完善或疏忽。由于推進系統的管路連接采用焊接結構，因此每一個焊點都是一個潛在的外漏源。

2)機械連接處的密封面上有劃痕、刮傷或污染物，以及密封面處因未鎖緊而產生松動。

3)發(fā)射過程中苛刻的振動條件有可能使安裝不當的組件受振，使其密封面或焊縫遭到破壞。

4)各部件設計的應力降額(安全余量)不夠。

5)原材料、工藝及加工存在缺陷。

4 衛(wèi)星推進系統泄漏故障識別方法

4.1 地面泄漏故障識別方法

衛(wèi)星推進系統地面階段主要通過漏率檢測的方法來識別泄漏故障，具體如下。

1)衛(wèi)星推進系統的部件在交付前進行漏率檢測，通過判斷部件的內、外漏率是否滿足任務書要求來識別部件是否存在泄漏故障。

2)在總裝集成和發(fā)射場階段，衛(wèi)星推進系統最有效的泄漏故障識別方法是系統檢漏。通過在管路焊接后、整星環(huán)境試驗后和衛(wèi)星運輸到發(fā)射場后的檢漏來保證衛(wèi)星推進系統在焊接完成后作為一個封閉系統滿足漏率指標要求，且衛(wèi)星在經歷過較大的振動、運輸和試驗后，對系統的漏率有一個明確的測定。

4.2 在軌泄漏故障識別方法

衛(wèi)星推進系統在軌階段主要依靠對遙測數據的判讀來識別泄漏故障，具體如下。

1)對壓力傳感器遙測數據進行檢測。一旦系統發(fā)生泄漏，相應位置的壓力傳感器都會出現數據跳變的狀況。在推力器不工作的狀態(tài)，如果壓力出現跳變，加之衛(wèi)星姿態(tài)出現變化，即可初步判斷推進系統有泄漏發(fā)生。

2)對溫度遙測數據進行判讀。由于推進劑泄漏時會導致相應測點的溫度降低，因此溫度遙測數據也從一個方面反映了泄漏發(fā)生的情況和部位。

3)通過衛(wèi)星在軌姿態(tài)變化情況進行識別。

5 衛(wèi)星推進系統泄漏故障的預防和控制措施

5.1 防泄漏工作要求

由于衛(wèi)星推進系統泄漏故障關系到影響整星的成敗，因此應通過嚴格的預防和控制措施消除推進系統泄漏隱患。防止泄漏發(fā)生應做到全面控制，全程檢測。部件的漏率應滿足任務指標要求；系統的焊縫、螺接點和總漏率檢驗應貫穿研制全過程，直到衛(wèi)星發(fā)射前，漏率指標應滿足任務要求。

5.2 防止內漏措施

5.2.1 密封設計

衛(wèi)星推進系統的密封設計采用軟對硬或硬對硬的密封形式，以保證部件的內漏率滿足指標要求。推力器的電磁閥可采用雙閥座結構，以增加密封的可靠性。

5.2.2 材料相容性

對于衛(wèi)星推進系統材料和推進劑不相容造成的泄漏，應從產品設計的選材開始加以預防，具體要求如下。

1)衛(wèi)星推進系統和部件的材料以及試驗、加注設備上與推進劑相接觸的材料，要求與推進劑的相容性達到I級，對于不能滿足I級相容性要求的材料應進行相應的表面處理。

2)相容性工作要以數據為基礎，通過1∶1等量或加速試驗方式，做好推進劑相容性的分析工作，以數據和權威部門的判定作為依據。

3)相容性材料的選擇要有充分的裕量，同時要考慮材料的使用環(huán)境。

5.2.3 多余物預防和控制

多余物是造成內漏的主要原因，應對推進系統的整個研制過程實行全流程的多余物控制，具體要求如下。

1)部件和產品設計。在設計階段應充分考慮多余物的預防和控制，遵循避免內部產生和防止外部侵入多余物的原則。應優(yōu)先選用抗多余物能力強的設計方案，選用少產生多余物的材料和有利于清除多余物的結構布局。在系統設計中，在易產生多余物的部件(如電爆閥)下游設置過濾器，在對污染敏感的部件(如推力器電磁閥)入口處設置過濾器。

2)工作和試驗介質。對推進劑、增壓氣體、試驗介質、模擬液、清洗液和吹除氣體等工作介質均應建立純度及清潔度規(guī)范，嚴格控制其中的非揮發(fā)性雜質含量。所有通入系統的推進劑、試驗介質應經過濾器過濾。

3)部件生產和試驗。部件裝配前要求在顯微鏡下檢查所有零件，去除可見毛刺；螺紋件應先進行跑合；金屬及非金屬零件在裝配前應進行徹底清洗。部件應在十萬級或優(yōu)于十萬級的潔凈間內進行裝配，裝配后的產品應進行整機沖洗，吹干后及時安裝保護帽。產品開蓋試驗應在十萬級潔凈間內進行，試驗前應對試驗工裝和工具進行清洗；試驗時試驗介質應滿足潔凈度要求；產品試驗完成后進行沖洗和潔凈度判讀。

4)系統總裝和測試。衛(wèi)星推進系統總裝和測試過程應在潔凈間進行?？傃b和測試過程使用的工裝、設備應建立清洗、檢查、維護和使用規(guī)范，并建立工裝和設備履歷書進行管理。部件安裝前應對部件進行潔凈度檢查，部件安裝全過程不得打開敞口部位保護帽。管路焊接前應對管路原管材內壁進行清洗和潔凈度檢測，檢測合格的管路應盡快焊接。管路取樣前，先對取樣用管進行吹除。管路焊接操作應通過焊接保護氣體，并嚴格控制焊接參數，防止飛濺物，焊接后所有開口應及時安裝保護件。管路焊裝完成后應進行管路吹除檢查。

5)包裝和運輸。應采用不易產生多余物的包裝方法，部件出、入口應用符合專用技術文件要求的防塵帽、保護帽封堵。部件包裝完好后，放置在專門的運輸箱中，所有接口、敞口部位應安裝保護件。

5.2.4 部件的使用要求

衛(wèi)星推進系統發(fā)動機和推力器組件電磁閥禁止空打或限制空打次數。單組元推力器組件嚴禁倒置，以防止催化劑倒流引起閥門泄漏。

5.3 防止外漏措施

1)推進系統部件及管路的原材料都要經過無損檢測，合格后方能使用。

2)部件設計應進行應力分析，安全余量應符合規(guī)范要求。某些部件和材料還應進行輻照分析，以確保在設計壽命期間，在太陽冷熱循環(huán)和輻照環(huán)境下不致引起器件或材料性能不可接受的衰退。還需要經過完善的試驗與鑒定確認設計要求的實現(試驗應包括比飛行條件更苛刻的壓力、振動、熱真空、熱循環(huán)、輻照壞境及更高的電流、電壓等)。

3)衛(wèi)星推進系統除推力器組件和壓力傳感器外，均采用焊接結構，焊縫外漏率≤1×10-7Pa·m3/s；推力器組件和壓力傳感器采用螺接結構，外漏率≤1×10-6Pa·m3/s。

4)衛(wèi)星推進系統所有焊縫都要經過無損探傷，焊接質量應符合Ι級焊縫要求。試焊件焊接后，應剖開試焊件焊縫，檢查焊接深度。對于用于飛行的推進系統產品，每個焊點焊后都要進行檢漏、耐壓及X射線檢驗。

5)衛(wèi)星推進系統在整星上安裝的支架應滿足剛度需要，以防止振動放大。

6)衛(wèi)星推進系統上的螺接點應采用環(huán)氧膠或保險絲進行固封，以防止發(fā)生松動。

5.4 泄漏故障處理措施

5.4.1 地面泄漏故障處理措施

推進系統在地面發(fā)現泄漏故障時，通過氦質譜檢漏方法判定出現泄漏的位置，根據泄漏位置的不同采取適當的解決措施，具體措施如下。

1)如果泄漏發(fā)生在螺接點處，則應擰緊螺接點，之后再次檢漏，直到漏率滿足任務要求。如果單純的擰緊方式不能保證漏率滿足任務要求，則應在密封面上加墊片，然后再擰緊檢漏。

2)如果泄漏點在管路的焊縫處，則應補焊或切下此段管路，進行二次焊接。

3)如果某個部件發(fā)生泄漏，則應將此部件從系統中拆下，更換新的產品。

5.4.2 在軌泄漏故障處理措施

衛(wèi)星推進系統在軌出現泄漏，可在識別漏點之后有針對性地采取措施，具體措施如下。

1)如果發(fā)生在某個推力器分支中，則應切換到備份的分支中或交叉切換。

2)如果泄漏出現在貯箱或氣瓶等部位，對于單組元推進系統還可以進行切換分支，對于雙組元推進系統則無法解決該問題。

[1] 王淵．航天器化學推進系統故障分析與對策[C].2010年第二十三屆全國空間探測學術交流會．廈門：中國空間科學學會，2010.

責任編輯馬彤

國內機床工具行業(yè)發(fā)展呈旺盛增長態(tài)勢

“十五”以來，我國機床消費連創(chuàng)紀錄，大陸市場機床消費總額(國內產品銷售產值：進口額-出口額)和進口額已連續(xù)5年居世界第一，成為令全球矚目的機床消費大國。據統計，2006年中國大陸市場機床消費額達131.1億美元，同比增長約20%；機床進口72.4億美元，同比增長11.55%，增幅比上年同期提高 1.7個百分點。對此，中國機床工具工業(yè)協會總干事長吳柏林稱，中國機床消費額占全球機床銷售總額的比重已達到20%以上，這是世界上任何國家難以比擬的(世界機床消費位列二、三、四名的日本約占15%，美國約占11.6%，德國約占10.6%)，這為機床產業(yè)發(fā)展提供了難得的市場機遇。強勁的市場需求拉動促使國內機床工具行業(yè)出現了產銷旺盛的局面，其工業(yè)總產值和銷售收入在連續(xù)5年保持20%以上增長率的基礎上，2006年，又分別增長27.1%和26.4%，增幅高于上年同期2.3和0.9個百分點。其中，國產金屬加工機床(含金屬切削機床和金屬成形機床)銷售產值從2005年開始已上升到世界第3位，2006年達到552億元人民幣(70.6億美元)；而國產機床由于技術水平的提升又重新贏得了國內用戶的青睞，國內市場占有率升至44.8%，比上年同期增加5.1個百分點。與此同時，2006年我國機床出口金額也達到11.9億美元，同比增長44.56%.國產機床可謂國內外市場雙雙走俏。近年來，我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進展，這其中領先當今機床制造技術水平的數控機床產業(yè)更勝一籌。

——摘自中國機床網

AnalysisandControlMethodsofSatellitePropulsionSystemLeakage

LI Xiangning, LI Zhaoguang, WANG Yuan, DING Fenglin, BAI Jianjun

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

System leakage is a typical reason for the failure of satellite propulsion system. Leakage of the propulsion system may affect its reliability, reduce the satellite life, and even result in the failure of the satellite. The main reasons for the satellite propulsion system leakage were analyzed, and the corresponding control methods were given. The methods of leakage identification on-ground and in-orbit were introduced, and the resolve steps were presented separately.

spacecrafts, propulsion system, leakage, quality control

V 43

：A

李湘寧(1982-)，女，博士，工程師，主要從事航天器推進技術等方面的研究。

2014-08-01