可重用航天器返回后電性能綜合測試方法研究

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(中國空間技術研究院，北京 100094)

0 引言

隨著航天技術的發(fā)展，天地往返將成為常態(tài)，為了進一步降低航天發(fā)射成本，提高發(fā)射效率，發(fā)展可重復使用航天器是必然選擇?？芍貜褪褂煤教炱鞑捎每芍貜褪褂眉夹g，實現(xiàn)單次飛行的低成本與高效益。

在可重復使用航天器返回后，依據(jù)可重用設計，通過更換防熱結構、火工品裝置等部件，可使其具備再次飛行的物理狀態(tài)。但在再次上天飛行前，必須經(jīng)過電性能綜合測試，驗證航天器各單機飛行返回后的設備狀態(tài)及工作情況，驗證各功能系統(tǒng)設備的供電情況、電氣及信息接口、系統(tǒng)功能性能指標、系統(tǒng)間接口匹配情況等?；诤教炱髦貜桶l(fā)射飛行的特點，傳統(tǒng)的動輒1～2年的長周期測試流程及方法已經(jīng)不再適用于可重復使用航天器返回后的電性能測試需求[1-3]，亟需探索一種新的適用于可重用航天器返回后的電性能綜合測試方法。

1 問題分析

1.1 測試目的

不同于一般航天器出廠前電性能綜合測試流程及方法[4-6]，可重復使用航天器返回后的電性能綜合測試的目的是為了驗證所有電性能設備的工作狀態(tài)是否依然正常，比較在經(jīng)歷了火箭發(fā)射、在軌飛行、著陸返回等過程后各設備加電后輸出信號的狀態(tài)變化，分析航天器各功能系統(tǒng)間電氣接口的協(xié)調匹配情況，評估電性能設備的剩余壽命是否滿足再次飛行任務需求。同時，在完成上述工作的基礎上，盡可能地縮小測試周期、縮減測試成本，從而提高可重復使用航天器的經(jīng)濟效益[7]。

1.2 需求分析

根據(jù)可重復使用航天器返回后電性能測試的目的，梳理出測試需求及需解決問題主要包括以下幾點：

1)提供相對固化的測試用例，采用自動化的方法[8-9]，得到設備狀態(tài)的相對穩(wěn)定的數(shù)據(jù)比較及狀態(tài)評估；

2)采用定量比較的數(shù)學方式簡單快速的比較出各電性能設備發(fā)射前至返回后的電性能狀態(tài)、信號輸出狀態(tài)、接口匹配狀態(tài)變化，從而驗證航天器再次發(fā)射前的設備電氣性能；

3)有效地對電性能設備進行剩余壽命計算，判定是否滿足再次飛行需求；

4)合理安排測試項目，優(yōu)化測試流程，采用盡可能少的測試用例完成對所有電性能設備工作狀態(tài)的覆蓋，從而縮小測試周期。

2 測試方法研究

2.1 設備狀態(tài)識別

可重復使用航天器最大的特點在于經(jīng)歷了發(fā)射、飛行、返回等各種嚴酷的環(huán)境條件，容易造成航天器內電性能設備接插件松動、電路板焊接件短路等情況，因此，可通過在整個航天器加電測試前通過對各臺電性能設備正負供電端、信號輸入輸出端、接地端等端口進行負載阻值測試的方法識別電性能設備狀態(tài)，之后采用加權比較的方法，引入發(fā)射場測試結果及出廠前測試結果的兩次量值，通過賦予不同的權重來評估電性能設備的阻值結果。

如阻值測試結果為R，發(fā)射前阻值測試結果為Rm，出廠前阻值測試結果為Rn，則加權比較方法為：

e=|1-R/(0.8Rm+0.2Rn)|

若e<0.05，則認為阻值測試結果正常，否則，認為設備異常。

2.2 測試用例固化

隨著航天器的重復發(fā)射使用，航天器的測試也由“小作坊”式的模式向“量產”模式逐漸過渡。為了能夠在航天器返回后再測試過程中有相對固定的測試方法及測試用例，可以采用對單個測試項目使用基于在軌飛行程序測試指令序列的方法固化測試用例，同時固化不同指令間的發(fā)送時間間隔，形成一套完整的測試序列[10]，在進行不同的設備測試時采用相對應的測試序列，便于整個航天器的差異化比較。

2.3 狀態(tài)變化比較

2.3.1 均值極值比較

可重復使用航天器與其他航天器最大的區(qū)別在于經(jīng)歷了一次正式上天飛行，故真實在軌數(shù)據(jù)為返回后再次測試提供了比較的基準，基于在軌較為惡劣的環(huán)境，其供電檢查數(shù)據(jù)的包絡應該大于在地面良好的空間環(huán)境下測試的數(shù)據(jù)包絡，可采用供電檢查中均值極值比較的方法確定電性能設備狀態(tài)。

對電性能設備的供電檢查中的諸如電壓、特征電流[11]、轉速、流量等平臺參數(shù)，進行基于在軌飛行數(shù)據(jù)的極值比較，比較方法為：

地面供電檢查測試中參數(shù)的極大值為Amax，極小值為Amin，均值為Aavr；在軌飛行時加電序列中參數(shù)的極大值為Zmax，極小值為Zmin，均值為Zavr，若同時滿足以下3個條件，則認為設備加電工作正常：

Amax

Amin>Zmin

(Aavr/Zavr)<(Amax+Amin)/(Zmax-Zmin)

2.3.2 曲線擬合

在采用固定的測試指令序列對相同設備進行加電測試后，可采用基于先驗知識的曲線擬合系數(shù)比較的方法來比較相同輸入條件下的不同輸出變化，從而比較電性能設備狀態(tài)變化，定位設備問題。

在可重復使用航天器返回后電性能綜合測試中，如將指令序列執(zhí)行過程中整器電流的變化情況，或將地面測試序列的模飛過程中整器溫度變化的曲線，之后可以將類似曲線與在軌及出廠前的相同序列的先驗知識曲線進行曲線擬合[12]，將曲線擬合系數(shù)矩陣相比，通過比較矩陣奇異值的大小，從而得出曲線系數(shù)差異，進一步確定各電性能設備的狀態(tài)變化。

2.4 剩余壽命分析

可重復使用航天器中返回后測試中，對含有繼電器等特定壽命要求的電性能設備進行剩余壽命分析，采用給定壽命減去實際使用壽命之后，將電性能設備阻值測試結果作為一個權重值引入到剩余壽命計算的過程中，使阻值與壽命產生耦合關系，更加細致的考量電性能設備的剩余壽命。

如繼電器給定壽命為N次，發(fā)射前動作M1次，在軌動作M2次，再次飛行所需動作P次，若滿足下列條件，認為滿足可重復使用壽命要求：

P< (1-10*e)*(N-M1-M2)

其中：e為2.1節(jié)中的設備加權比較值。

2.5 測試項目縮減

相比較于一般的航天器飛行任務，可重復使用航天器在經(jīng)歷了首次測試及飛行任務之后，狀態(tài)相對固定，與各大系統(tǒng)間接口、飛行程序、故障預案等已經(jīng)經(jīng)過驗證，且軟件已經(jīng)落焊，在保證各電性能設備工作正常的情況下上述功能不會發(fā)生變化。同時，基于每次飛行任務側重點的不同及通過測試比較出來的各電性能設備狀態(tài)的輕微變化，可以安排部分重點設備的強化測試，同時降低部分非重點設備的測試次數(shù)，以達到對所有電性能設備的測試覆蓋，同時縮減測試周期，降低測試成本。

3 測試流程及步驟

圖1是可重復使用航天器返回后電性能綜合測試流程圖，如圖1所示，可重復使用航天器返回后電性能綜合測試方法，包括以下步驟：

圖1 可重復使用航天器返回后電性能綜合測試流程圖

1)根據(jù)再次飛行任務需求明確測試需求:根據(jù)再次飛行任務需求明確測試需求，確定測試項目大類，同時進行差異化比較，區(qū)分哪些設備需要重點測試檢測，哪些設備只需驗證接口，哪些設備可以弱化測試次數(shù)。結合某型號可重用飛船返回艙實際飛行返回后再次執(zhí)行飛行任務的需求，明確了以試驗驗證設備有效性為主，確定需進行全部設備驗證的測試項目大類為電源、總體電路、測控通信、數(shù)管等平臺分系統(tǒng)，對于GNC、推進、結構機構等輔助分系統(tǒng)只要進行主要核心關鍵設備測試驗證，而對于部分載荷分系統(tǒng)則不再進行設備電性能測試。

2)對電性能設備進行各個端口的阻值測試:根據(jù)1)所確定的測試需求，在整船加電前，從返回艙配電器上進行平臺分系統(tǒng)所有設備的端口阻值測試，主要排除電性能設備接插件松動、電路板焊接件短路等情況，對電源配電器、測控應答機及數(shù)傳機、數(shù)管CMU、GNC控制器、推進控制器等電性能設備正負供電端、信號輸入輸出端、接地端等端口進行負載阻值測試，識別電性能設備的狀態(tài)。

3)將阻值測試結果與發(fā)射前、出廠前數(shù)據(jù)進行加權比較:根據(jù)步驟2的測試結果，引入各個單機設備發(fā)射場測試結果及出廠前測試結果的兩次量值，通過賦予不同的權重來評估電性能設備的阻值結果，形成單機設備阻值測試矩陣表，根據(jù)加權比較的結果來判定設備是否正常工作。

4)對整個航天器進行基于在軌飛行程序的序列化供電檢查:

依據(jù)航天器在軌飛行程序中實際電性能設備加電順序，固化為地面測試序列，并依此序列對整個航天器加電，進行各電性能設備的供電檢查測試序列測試。在某型號返回艙返回后地面測試過程中，采用的是基于在軌正常飛行程序的設備開關機順序，不考慮測控弧段及飛行軌道變化的情況下只對單機設備進行序列化的供電檢查。

5)對電性能設備供電檢查平臺參數(shù)進行基于在軌數(shù)據(jù)的均值、極值比較:在實際測試中，選取了總體電路、測控、熱控等分系統(tǒng)的設備電壓、母線電流、風機轉速等平臺分系統(tǒng)關鍵參數(shù)作為考察對象，按照2.3.1節(jié)中基于在軌飛行數(shù)據(jù)的極值比較的方法，判定設備加電工作是否正常。

6)依據(jù)測試項目，選擇相應的電性能設備進行對應功能匹配測試:

依據(jù)步驟1中由再次飛行任務所明確的測試項目的需求，選擇平臺分系統(tǒng)設備及GNC、推進分系統(tǒng)進行對應的功能匹配測試，包括GNC與測控功能匹配、GNC與推進功能匹配、GNC與總體電路功能匹配、GNC與數(shù)管功能匹配、推進與數(shù)管功能匹配測試等。驗證經(jīng)過上天飛行后分系統(tǒng)之間接口的工作狀態(tài)，考察設備工作穩(wěn)定性及設備之間功能的匹配性。

7)對電性能設備參數(shù)進行基于先驗知識的曲線擬合系數(shù)比較，確定狀態(tài)變化:測試過程中，選取了正常飛行程序模飛中母線電流的變化情況及返回艙內某個測溫點溫度變化的曲線，將此處兩條曲線變化與在軌及出廠前的相同序列的先驗知識曲線進行曲線擬合，將曲線擬合系數(shù)矩陣相比，按照2.3.2節(jié)中所述的方法比較矩陣奇異值的大小，得出曲線系數(shù)差異，為進一步確定各電性能設備的狀態(tài)變化提供決策參考。

8)對電性能設備進行基于在軌數(shù)據(jù)及供電檢查結果的剩余壽命分析:對于有確定時間壽命要求或繼電器動作次數(shù)要求的設備，如機械陀螺及母線控制繼電器等設備，可按照實際使用情況評估剩余壽命。對于其余的電性能設備，參照了2.4節(jié)給出的剩余壽命分析方法進行剩余壽命分析，明確各分系統(tǒng)設備的可用工作時間。

9)進行差異化比較測試:基于某型號可重用飛船返回艙再次飛行為試驗驗證的性質，在實際測試過程中，安排了測控應答機、數(shù)傳機、電源電池、數(shù)管CMU、總體電路配電器、GNC控制器、推進控制器等設備的強化測試，同時降低部分非重點設備的測試次數(shù)，以達到對所有電性能設備的測試覆蓋的目的。

4 結束語

本文基于某型號可重用飛船返回艙返回后的實際加電測試情況，提出了一種針對我國可重復使用航天器返回后再次發(fā)射飛行前的電性能綜合測試流程及方法，通過合理安排測試項目、優(yōu)化配置測試資源、使用自動化數(shù)據(jù)分析判讀方法，達到了驗證可重復使用設備工作情況、縮小測試周期、降低測試成本的目的。