離子電推進(jìn)在軌故障的統(tǒng)計(jì)分析研究

張?zhí)炱?，張雪兒 ，蒲彥旭

（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 a.真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.甘肅省空間電推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

航天器的在軌故障歷來是航天工程中特別關(guān)注的問題，一方面在軌故障往往會(huì)導(dǎo)致航天任務(wù)的重大損失；另一方面通過在軌故障汲取到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的工程價(jià)值重大。對(duì)世界各國在1980-2005年的156個(gè)航天器在軌故障，加拿大航天局的Tafazoli[1]進(jìn)行了基于不同分系統(tǒng)的比較研究。對(duì)日本2002-2008年的航天器在軌故障，日本航空航天局的Saito[2]進(jìn)行了基于設(shè)計(jì)缺陷、制造缺陷和隨機(jī)失效的故障產(chǎn)生原因分析。這些分析研究均表明，推進(jìn)系統(tǒng)故障是航天器在軌故障的重要組成。

電推進(jìn)是在軌航天器的新型推進(jìn)技術(shù)，電推進(jìn)在航天器的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)展[3]。對(duì)1995-2015年期間應(yīng)用電推進(jìn)的航天器，Saleh等[4]進(jìn)行了電推進(jìn)在軌故障的統(tǒng)計(jì)分析及與化學(xué)推進(jìn)在軌故障的比較。離子電推進(jìn)作為最具代表性的電推進(jìn)類型之一，蘭州空間技術(shù)物理研究所研制的產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了我國通信衛(wèi)星正式應(yīng)用[5]。在對(duì)離子電推進(jìn)在軌故障詳細(xì)調(diào)研的基礎(chǔ)上[6]，對(duì)1997-2018年離子電推進(jìn)在軌故障進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)分析研究，主要包括對(duì)航天器影響的故障統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)離子電推進(jìn)系統(tǒng)影響的故障統(tǒng)計(jì)分析、在軌故障發(fā)生時(shí)間分布的統(tǒng)計(jì)分析等方面。

1 離子電推進(jìn)故障對(duì)航天器影響的統(tǒng)計(jì)分析

1.1 影響航天器任務(wù)的故障分類

根據(jù)故障發(fā)生對(duì)航天器任務(wù)影響程度，離子電推進(jìn)在軌故障細(xì)分為四類：

一類SC/F1：定義為離子電推進(jìn)故障導(dǎo)致航天器原定任務(wù)失?。?/p>

二類SC/F2：定義為離子電推進(jìn)故障導(dǎo)致航天器原定任務(wù)嚴(yán)重受損；

三類SC/F3：定義為離子電推進(jìn)故障對(duì)航天器原定任務(wù)影響較?。?/p>

四類SC/F4：定義為離子電推進(jìn)故障對(duì)航天器原定任務(wù)沒有影響。

將離子電推進(jìn)在軌故障分類進(jìn)一步合并：一類故障和二類故障合并為嚴(yán)重類故障SC/FS、三類故障和四類故障合并為一般類故障SC/FL。

根據(jù)以上分類定義，文獻(xiàn)[6] 中13顆航天器的離子電推進(jìn)在軌故障如表1所列，其中以影響航天器任務(wù)最嚴(yán)重的故障作為離子電推進(jìn)在軌故障。

表1 離子電推進(jìn)航天器在軌故障分類信息Tab.1 Classified on-orbit faults in ion electric propulsion spacecraft

1.2 影響航天器故障分類的統(tǒng)計(jì)分析

成功發(fā)射航天器總計(jì)70顆；離子電推進(jìn)出現(xiàn)在軌故障的航天器13顆，占航天器總數(shù)的18.57%。根據(jù)離子電推進(jìn)在軌故障對(duì)航天器任務(wù)影響程度，分類故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1所示。其中總航天器占比為分類故障航天器相對(duì)總航天器的百分比例，故障航天器占比為分類故障航天器對(duì)全部故障航天器的百分比例。

圖1 離子電推進(jìn)航天器分類故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.1 Statistical results of classified faults in ion electric propulsion spacecraft

（1）離子電推進(jìn)一類故障航天器1顆，即日本的PROCYON航天器，總航天器占比1.43%、故障航天器占比7.69%；

（2）離子電推進(jìn)二類故障航天器6顆，即Galaxy8i、PAS 6B、Satmex 5、Galaxy 10R、Galaxy 4R、ETS-8，總航天器占比8.57%、故障航天器占比46.15%；

（3）離子電推進(jìn)三類故障航天器3顆，即DirecTV 1R、Hayabusa-1、Artemis，總航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%；

（4）離子電推進(jìn)四類故障航天器3顆，即DS-1、SJ-13、DAWN，總航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%。

總體上看，發(fā)生了離子電推進(jìn)在軌故障的航天器占比不到五分之一，故障航天器中二類故障占比最高、三類和四類次之、一類最低。

1.3 不同國家航天器的分類故障統(tǒng)計(jì)分析

在入軌的70顆離子電推進(jìn)航天器中，美國59顆、日本6顆、英國3顆、中國2顆、德國1顆，其中Artemis衛(wèi)星共用了德國和英國的離子電推進(jìn)。不同國家航天器的離子電推進(jìn)在軌故障分類數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖2所示，其中總故障占比、SC/FS故障占比和SC/FL故障占比均為相對(duì)本國航天器總數(shù)的百分比例。

圖2 不同國家離子電推進(jìn)航天器分類故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.2 National statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（1）美國XIPS-13離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器22顆，發(fā)生SC/FS故障5顆、SC/FL故障1顆；XIPS-25離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器35顆，未發(fā)生故障；NSTAR-30離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，均發(fā)生了SC/FL故障。美國離子電推進(jìn)航天器的總故障占比13.56%，其中嚴(yán)重類故障占比8.47%、一般類故障占比5.08%。

（2）日本μ-10離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，發(fā)生SC/FL故障1顆；IES-12離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，發(fā)生SC/FS故障1顆；MIPS離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，發(fā)生SC/FS故障1顆。日本離子電推進(jìn)航天器的總故障占比50.0%，其中嚴(yán)重類故障占比33.33%、一般類故障占比16.67%。

（3）英國T5離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，發(fā)生SC/FL故障1顆；T6離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器1顆，未發(fā)生故障。英國離子電推進(jìn)航天器的總故障占比33.33%，其中嚴(yán)重類故障占比0.0%、一般類故障占比33.33%。

（4）中國LIPS-200離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器2顆，發(fā)生SC/FL故障1顆。中國離子電推進(jìn)航天器的總故障占比50.0%，其中嚴(yán)重類故障占比0.0%、一般類故障占比50.0%。

（5）德國RIT-10離子電推進(jìn)應(yīng)用航天器1顆，發(fā)生SC/FL故障。德國離子電推進(jìn)航天器的總故障占比100.0%，其中嚴(yán)重類故障占比0.0%、一般類故障占比100.0%。

盡管存在因部分國家航天器數(shù)量太少而不具真正統(tǒng)計(jì)意義的疑慮，但總體來看：美國離子電推進(jìn)航天器在數(shù)量占總數(shù)85.3%的情況下故障率處于最低水平，日本的離子電推進(jìn)在軌故障率和影響嚴(yán)重程度明顯高于英國、中國和德國。

2 離子電推進(jìn)故障對(duì)電推進(jìn)系統(tǒng)影響的統(tǒng)計(jì)分析

2.1 離子電推進(jìn)系統(tǒng)影響的故障分類

（1）基于系統(tǒng)影響程度的單機(jī)故障分類

離子電推進(jìn)的單機(jī)包括離子推力器（IT）、電源處理單元（PPU）、推進(jìn)劑管理單元（PMU）、控制單元（CU）等，其中電纜歸PPU、軟件歸CU。根據(jù)故障發(fā)生對(duì)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的影響程度，離子電推進(jìn)單機(jī)在軌故障細(xì)分為四類：

一類IPS/F1：定義為單機(jī)故障導(dǎo)致離子電推進(jìn)系統(tǒng)功能全部喪失；

二類IPS/F2：定義為單機(jī)故障導(dǎo)致離子電推進(jìn)系統(tǒng)大部分功能喪失且無法完成預(yù)定任務(wù)；

三類IPS/F3：定義為單機(jī)故障僅導(dǎo)致離子電推進(jìn)系統(tǒng)備份的部分或全部功能喪失；

四類IPS/F4：定義為單機(jī)故障對(duì)離子電推進(jìn)系統(tǒng)沒有影響，即故障可恢復(fù)或可消除。

將離子電推進(jìn)在軌故障分類進(jìn)一步合并：一類故障和二類故障合并為嚴(yán)重類故障IPS/FS、三類故障和四類故障合并為一般類故障IPS/FL。

（2）基于故障原因?qū)W科類別的單機(jī)故障分類

力學(xué)類MC：因外力、摩擦、壓力等力學(xué)因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

電子類EC：因功率過載、短路、器件異常等電子學(xué)因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

熱學(xué)類HC：因熱量、溫度等熱學(xué)因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

軟件類SC：因指令錯(cuò)誤、軟件缺陷等軟件因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

環(huán)境類ENC：因外部環(huán)境因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

其他類OC：不在以上學(xué)科范圍的因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障。

（3）基于故障原因工程技術(shù)類別的單機(jī)故障分類

設(shè)計(jì)缺陷DFC：由于存在設(shè)計(jì)缺陷或不足導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

制造缺陷MFC：由于存在制造缺陷或不足導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

驗(yàn)證不充分TFC：由于試驗(yàn)驗(yàn)證不充分或未全覆蓋導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

隨機(jī)失效RFC：由于隨機(jī)性因素導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障；

未知原因UFC：由于未知原因或機(jī)理導(dǎo)致產(chǎn)品發(fā)生在軌故障。

根據(jù)以上分類定義，文獻(xiàn)[6] 中13顆航天器的29個(gè)離子電推進(jìn)單機(jī)在軌故障的分類情況如表2所列；對(duì)存在兩個(gè)以上故障原因的情況，根據(jù)主要故障原因進(jìn)行分類。

表2 離子電推進(jìn)單機(jī)在軌故障原因分類信息Tab.2 Classified causes of on-orbit faults in ion EP's product units

2.2 各單機(jī)故障類型的統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)表2所列29例單機(jī)在軌故障，圖3為各單機(jī)在軌故障相對(duì)比例，由此可見：

（1）電源處理單元和離子推力器為單機(jī)故障的主要貢獻(xiàn)者，其中PPU故障比例達(dá)到44.83%、IT故障比例達(dá)到34.48%；

（2）離子電推進(jìn)系統(tǒng)的嚴(yán)重類故障全部來自PPU和IT，并且PPU的嚴(yán)重類故障比例是IT嚴(yán)重類故障比例的4倍；

（3）PPU的嚴(yán)重類故障比例大于其一般類故障比例，IT的嚴(yán)重類故障比例為其一般類故障比例的四分之一；

（4）推進(jìn)劑管理單元和控制單元的故障比例均不高，并且都是一般類故障。

總體來說，PPU和IT為離子電推進(jìn)系統(tǒng)在軌故障的主要單機(jī)產(chǎn)品，特別是PPU具有故障多發(fā)和故障影響嚴(yán)重的雙重特性。另外，IT一般故障比例偏高的問題值得引起關(guān)注和深究。

圖3 離子電推進(jìn)單機(jī)分類故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.3 Statistical results of classified faults in ion EP'sproduct units

2.3 各單機(jī)故障原因類別的統(tǒng)計(jì)分析

針對(duì)表2所列29例單機(jī)在軌故障原因的學(xué)科分類，圖4為各單機(jī)故障學(xué)科原因的分類故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，均以故障總數(shù)29為比例基數(shù)。由此可見：

（1）EC和ENC因素為單機(jī)在軌故障的主要學(xué)科原因，分別占到總故障比例的48.27%和24.14%，其他各因素所占比例均低于7%；

（2）IT故障中ENC因素為主導(dǎo)，占到總故障比例的17.24%，占IT故障比例的50%；

（3）PPU故障中EC因素為主導(dǎo)，占到總故障比例的44.83%，占PPU故障比例的100%；

（4）ENC因素對(duì)CU單機(jī)、OC因素對(duì)IT單機(jī)的故障影響比例為6.9%，并列第三位。

圖4 離子電推進(jìn)單機(jī)故障學(xué)科原因分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.4 Statistical results of discipline causes of faults in ion EP's product units

針對(duì)表2所列29例單機(jī)在軌故障原因的工程技術(shù)分類，圖5為各單機(jī)故障工程原因的分類故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果，均以故障總數(shù)29為比例基數(shù)。由此可見：

（1）DFC、RFC和UFC因素為單機(jī)在軌故障的主要工程原因，分別占到總故障比例的37.93%、31.03%和20.69%，其他各因素所占比例均低于7%；

（2）IT故障中RFC因素為主導(dǎo)，占到總故障比例的20.69%，占IT故障比例的60%；

（3）PPU故障中DFC因素為主導(dǎo)，占到總故障比例的31.03%，占PPU故障比例的69.23%；

（4）UFC因素對(duì)PPU單機(jī)的故障影響比例為10.34%，排第三位。

圖5 離子電推進(jìn)單機(jī)故障工程原因分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.5 Statistical results of engineering causes of faults in ion EP's product units

總體來說，學(xué)科分類中的電子和環(huán)境以及工程分類中的設(shè)計(jì)缺陷、隨機(jī)失效和未知原因是造成離子電推進(jìn)單機(jī)在軌故障的主要因素；環(huán)境和隨機(jī)失效為推力器單機(jī)在軌失效的主要因素；電子和設(shè)計(jì)缺陷為PPU單機(jī)在軌失效的主要因素。

3 離子電推進(jìn)發(fā)生在軌故障的時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)分析

3.1 離子電推進(jìn)發(fā)生故障的絕對(duì)時(shí)間分布數(shù)據(jù)分析

以4年為時(shí)間周期統(tǒng)計(jì)單元，離子電推進(jìn)航天器嚴(yán)重類和一般類故障的發(fā)生時(shí)間分布如圖6所示，圖中還給出了各時(shí)間周期內(nèi)成功發(fā)射的航天器數(shù)量。由此可見：

（1）在五個(gè)時(shí)間周期單元中，離子電推進(jìn)航天器成功發(fā)射數(shù)量最少的7顆、最多的16顆，平均每4年發(fā)射13顆；

圖6 離子電推進(jìn)航天器分類故障絕對(duì)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.6 Time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（2）發(fā)生離子電推進(jìn)嚴(yán)重類故障的航天器數(shù)量排序?yàn)椋旱诙€(gè)時(shí)間周期內(nèi)為3顆，第四個(gè)周期內(nèi)為2顆，第一和第五個(gè)時(shí)間周期內(nèi)均為1顆，第三個(gè)周期內(nèi)為0顆。平均每4年有1.4顆；

（3）發(fā)生離子電推進(jìn)一般類故障的航天器數(shù)量排序?yàn)椋旱诙€(gè)時(shí)間周期內(nèi)為2顆，第一、第四和第五個(gè)時(shí)間周期內(nèi)均為1顆，第三個(gè)周期內(nèi)為0顆，另外1顆時(shí)間不確定。平均每4年有1.2顆。

總體上，如果排除2001-2004年之間即第二個(gè)周期的例外情況，發(fā)生離子電推進(jìn)一般類故障和嚴(yán)重類故障的衛(wèi)星數(shù)量維持在平均每4年1顆的水平。所謂第二個(gè)周期的例外情況，指的是BSS-601HP平臺(tái)離子電推進(jìn)嚴(yán)重類故障集中爆發(fā)，3顆航天器發(fā)生嚴(yán)重類故障。

3.2 離子電推進(jìn)發(fā)生故障的相對(duì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

以航天器預(yù)定壽命周期為基數(shù)，以表1中發(fā)生在軌故障時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差為無故障工作時(shí)間，可以得到12個(gè)故障航天器（1個(gè)無故障時(shí)間）發(fā)生嚴(yán)重和一般類故障分別對(duì)應(yīng)的無故障工作時(shí)間相對(duì)預(yù)定壽命比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如圖7所示。由此可見：

（1）離子電推進(jìn)一般類故障多發(fā)生在工作壽命初期（即小于10%工作壽命）、少數(shù)發(fā)生在壽命中后期（即40%～80%工作壽命）；

（2）離子電推進(jìn)嚴(yán)重類故障多發(fā)生在工作壽命前期（即10%～40%工作壽命）、少數(shù)發(fā)生在工作壽命末期（即大于80%工作壽命）。

圖7 離子電推進(jìn)航天器分類故障相對(duì)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.7 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

這是一個(gè)非常有價(jià)值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：離子電推進(jìn)工程應(yīng)該特別關(guān)注在軌前期工作的可靠性。

3.3 離子電推進(jìn)各單機(jī)發(fā)生故障的相對(duì)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析

以航天器預(yù)定壽命周期為基數(shù)，以表2中各單機(jī)發(fā)生在軌故障時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差為無故障工作時(shí)間，可以得到28個(gè)單機(jī)故障（1個(gè)無故障時(shí)間）分別對(duì)應(yīng)的無故障工作相對(duì)時(shí)間比例統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如圖8～10所示。由此可見：

（1）IT在軌故障多發(fā)生在工作初期，且一般類故障占主導(dǎo)；

（2）PPU在軌故障多發(fā)生在工作初期和前期，且嚴(yán)重類故障占主導(dǎo)；

圖8 離子電推進(jìn)航天器IT和PPU分類故障相對(duì)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.8 Relative time distribution statistical results of classified faults in IT and PPU units

圖9 離子電推進(jìn)航天器PMU和CU分類故障相對(duì)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.9 Relative time distribution statistical results of classified faults in PMU and CU units

圖10 離子電推進(jìn)航天器單機(jī)分類故障相對(duì)時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖Fig.10 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP's units

（3）PMU在軌故障多發(fā)生在工作初期和前期，均為一般類故障；

（4）CU在軌故障發(fā)生在工作全壽命期，均為一般類故障；

（5）單機(jī)在軌故障主要發(fā)生在工作初期和前期，其中初期以一般類故障為主，前期嚴(yán)重類故障較多。

總體來說，離子電推進(jìn)各單機(jī)在軌故障絕大多數(shù)發(fā)生在工作初期和前期，其中有兩個(gè)顯著特征：一是工作初期一般類故障較多、工作前期嚴(yán)重類故障較多；二是PPU的嚴(yán)重類故障較多、IT的一般類故障較多。

4 總結(jié)

在1997年至2018年發(fā)射入軌的70顆應(yīng)用離子電推進(jìn)航天器上，發(fā)生離子電推進(jìn)在軌故障的航天器有13顆，總計(jì)29個(gè)離子電推進(jìn)單機(jī)故障。通過對(duì)離子電推進(jìn)在軌故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，能夠得到航天器應(yīng)用離子電推進(jìn)的重要經(jīng)驗(yàn)總結(jié)；充分借鑒以往工程經(jīng)驗(yàn)，有助于我國離子電推進(jìn)工程的快速發(fā)展。

（1）發(fā)生在軌故障的航天器占離子電推進(jìn)航天器總數(shù)的18.6%，其中離子電推進(jìn)故障嚴(yán)重影響航天器任務(wù)完成的占比為10%；

（2）離子電推進(jìn)發(fā)生在軌故障的主要單機(jī)為推力器和電源處理單元，合計(jì)占比高達(dá)80%。其中離子推力器故障中一般類故障占75%，電源處理單元故障中嚴(yán)重類故障占61%；

（3）環(huán)境因素和隨機(jī)失效為推力器單機(jī)在軌失效的主要原因，電子學(xué)因素和設(shè)計(jì)缺陷為PPU單機(jī)在軌失效的主要原因；

（4）離子電推進(jìn)一般類故障絕大部分發(fā)生在工作初期，而嚴(yán)重類故障絕大部分發(fā)生在工作前期，避免離子電推進(jìn)工作初期和前期的失效故障是航天器工程的關(guān)鍵；

（5）對(duì)于離子電推進(jìn)的一般類在軌故障，通過安全可靠的故障處理，大部分是可以消除或有效抑制的，因此及時(shí)有效的在軌故障處理策略是離子電推進(jìn)應(yīng)用工程的重要組成；

（6）各國航天器應(yīng)用離子電推進(jìn)要經(jīng)歷一個(gè)工程成熟化過程。美國波音公司走過了從XIPS-13早期多星應(yīng)用失效到改進(jìn)PPU逐步走向成功和后續(xù)XIPS-25大批量成功應(yīng)用的歷程，去除早期失效衛(wèi)星后離子電推進(jìn)嚴(yán)重故障率已經(jīng)接近為零。日本正在經(jīng)歷失敗與成功并存的發(fā)展階段。