柏林厚，朱樅鵬，張雅彬

(中國空間技術研究院,北京100094)

1 引言

天宮二號空間實驗室是我國首個具備補加功能的載人航天科學實驗空間實驗室,分別與一艘載人飛船和一艘貨運飛船交會對接,與載人飛船共同開展30天中期駐留任務,期間開展在軌維修技術驗證試驗、航天醫(yī)學實驗和空間科學實驗；與貨運飛船共同開展推進劑在軌補加任務,開展大型組合體控制技術、繞飛對接、快速交會對接技術等試驗,為我國載人空間站進行技術驗證。天宮二號空間實驗室在最初研制時作為天宮一號的備份產品而生產,截至2016年年底已地面貯存超過6年,為地面貯存時間最長的載人航天器［1］。為了確保滿足任務要求,同時提高研制經濟效益,降低研制成本,團隊開展了天宮一號備份器產品延長設備貯存期的可行性研究及措施制定工作,通過識別和克服壽命影響因素,達到延壽的目的。

貯存延壽是指在規(guī)定的保障條件下,以可靠性、維修性理論作指導,挖掘產品的技術潛力,針對影響貯存可靠性的薄弱環(huán)節(jié),采取相應的設計、維修和管理措施,獲得延長產品貯存期(可靠貯存壽命)的過程［2］。為保證裝備的完好率,國外普遍采取定壽與延壽結合的策略［3］。軍品具有“長期貯存、一次使用”的特點［4］,長期以來,貯存延壽相關試驗較多地應用于我國武器裝備領域；對航天器產品,一般都是研制完成后直接發(fā)射,很少有貯存延壽的需求。目前,國內的航天器中,螢火一號火星探測器(推遲了2年發(fā)射)進行了產品貯存與延壽的技術研究［5］。但針對大型載人航天器,國內還缺少研究和實例,國外關于載人航天器的地面延壽資料也非常少。本文在分析天宮二號空間實驗室地面貯存影響因素與延壽工作的基礎上,提出通過識別和克服壽命影響因素,采用維修、改造、改善貯存環(huán)境條件、借鑒工程應用信息等延壽措施進行系統(tǒng)延壽。

2 延壽工作內容

天宮二號主要從以下兩個方面開展延壽工作：

1)產品地面壽命分析和延壽：開展產品地面貯存壽命分析和延壽工作,根據(jù)壽命分析和延壽結果,確認產品壽命滿足任務要求；

2)產品長期貯存影響復核分析：在地面貯存壽命分析基礎上,復核產品長期貯存影響,掌握產品長期貯存后特性變化規(guī)律以及對系統(tǒng)的影響,識別和制定在地面對產品的維護措施,確保產品性能穩(wěn)定。

3 地面壽命分析和延壽

根據(jù)任務需求和工程總體的要求,針對航天器整器正樣產品、高低頻電纜、氣體及液體管路、內外回路工質、總裝直屬件,以及地面?zhèn)浞莓a品,開展地面貯存壽命延壽工作。通過改善產品地面貯存環(huán)境、開展延壽試驗、部件更換和補充投產等方式,實現(xiàn)延壽目標。

天宮二號延壽工作可分為圖1所示四方面：

1)貯存壽命敏感因素識別：分析識別影響壽命的主要因素,然后進行針對性延壽；

2)產品壽命分析與評估：結合實際的環(huán)境和使用情況,通過評估壽命敏感因素項目的壽命獲取產品實際壽命；

3)制定延壽方法：通過改善貯存環(huán)境、改造或者補充投產等手段實現(xiàn)延壽；

4)延壽產品狀態(tài)確認：通過產品測試,確認延壽后的產品滿足要求。

3.1 貯存壽命敏感因素的識別

天宮二號產品種類多、壽命超期因素復雜,開展延壽工作首先對整器產品壽命敏感因素進行識別,分析得到需延壽產品及壽命敏感因素如下：

1)含非金屬密封件的產品：地面長期貯存后,密封性能下降,影響密封艙、管路密封安全,此類產品主要為閥門類產品,包括減壓閥、補償器、溫控閥等；

2)含MoS2類產品：地面長期貯存后,與空氣中的O2和H2O發(fā)生化學反應,造成MoS2氧化和脫落,影響運動部件的潤滑,可能造成產品無法正常運動,具體產品如表1所示。

3)太陽電池翼電池,電池焊點發(fā)生氧化影響焊點強度和內部水汽影響發(fā)電效率；

4)裝載化學藥劑類產品：地面長期貯存后,與空氣內部O2等組分發(fā)生化學反應,導致能力降低或失效,包括微生物控制裝置、微量有害氣體凈化器、CO2凈化器、防毒面具包等。

表1 含二硫化鉬類產品壽命超期影響分析Table 1 Impact analysis of life time expiration on products with molybdenum disulfide

3.2 貯存壽命分析及評估

結合識別出的產品壽命敏感因素,對產品壽命情況進行綜合評估,然后在此基礎上采取針對性延壽措施。莊喜盈等提出利用在裝備貯存期間所采集到的環(huán)境信息來評估裝備的貯存壽命［6］,李鍇等提出針對整機開展加速壽命或加速退化試驗［7］,準確評估整機的壽命。實際工作中,重點從貯存環(huán)境履歷、地面壽命試驗和標準制定工程背景方面開展了壽命分析和評估,主要如下：

1)細化、追蹤產品履歷,確認產品裝配、測試、停放、總裝等各階段實際貯存環(huán)境條件,并綜合考慮地面貯存時間和在軌工作時間,進行貯存壽命評估；

2)對壽命評估準則和標準進行復查,重點對非金屬密封件和二硫化鉬相關標準進行研究,確保對標準理解正確,評估準則執(zhí)行一致；

3)通過分析調研和地面壽命試驗,組織專家對二硫化鉬和不同類型非金屬密封件的壽命進行綜合評估。

3.3 延壽方法制定

目前,根據(jù)侯海梅等的總結［2］,貯存延壽主要包括以下途徑：

1)維修：即為使產品保持或恢復到規(guī)定狀態(tài)所進行的全部活動。維修分為預防性維修和修復性維修兩大類,通常是根據(jù)裝備的不同技術狀態(tài)而采取不同類型的維修。預防性維修分為維護保養(yǎng)和修理兩大類,其對象是那些需要定期檢查、定期通電、定期更換的產品；修復性維修也叫排除故障維修,其對象是那些已經發(fā)生故障(或失效)、性能參數(shù)不滿足規(guī)定要求的產品。

2)改造：即對不滿足技術要求的狀態(tài)加以變更,使變更后的狀態(tài)滿足技術要求。

3)改善貯存環(huán)境條件：貯存環(huán)境條件是影響產品貯存期與貯存可靠性的重要因素。保持穩(wěn)定的貯存環(huán)境條件,可延緩產品腐蝕、老化和霉變的過程,是貯存延壽的重要措施。

4)借鑒工程應用信息：充分利用和借鑒國內各類型號、各類產品、各種專業(yè)等在工程應用中產生的貯存延壽相關信息,進行工程數(shù)據(jù)分析和壽命評估。

在識別天宮二號的產品壽命敏感因素和壽命評估基礎上,制定針對性的延壽措施來確保產品壽命滿足任務要求,在天宮二號的延壽工作中主要采取了維修、改造、改善貯存環(huán)境條件、借鑒工程應用信息的延壽方法。

綜合考慮產品的成本、研制周期和重新總裝的代價,產品延壽的目標是針對含MoS2類產品、含非金屬密封件的產品和太陽電池翼等最大程度沿用原設備。具體延壽方法如下：

1)通過N2封存、控制貯存環(huán)境溫、濕度等措施改善貯存環(huán)境,盡量延長封存狀態(tài)時間,減少普通大氣環(huán)境下貯存時間,從而延長設備貯存壽命；

2)通過調研MoS2生產單位,綜合分析MoS2在相關工程應用中的實際壽命數(shù)據(jù),將普通大氣環(huán)境下貯存壽命由標準規(guī)定的2年［8］延長為4年(適用于軸承)和3.5年(適用于諧波減速器)；

3)通過調研非金屬密封件生產單位,分析非金屬密封件在相關工程應用中的實際壽命數(shù)據(jù),結合非金屬密封件標準和實際工作環(huán)境,確認非金屬密封件的貯存和使用壽命；將長期封存未使用的以往相似原理產品啟封,進行性能測試或密封檢查,以確認產品貯存壽命能夠滿足任務要求；

4)對于需要維修和改造的產品,開展超期敏感項的部件級拆裝可行性審查,盡可能通過部件級更換代替整機更換,實現(xiàn)產品延壽；

5)針對裝載化學藥劑類產品,直接生產新產品替換超期產品。

3.4 延壽結果及產品狀態(tài)確認

1)對于沿用產品,通過綜合評估壽命敏感因素、改善產品地面貯存環(huán)境進行封存、利用同類型產品開展延壽試驗進行延壽：

(1)外回路溫控閥、空氣減壓閥等含非金屬密封件的產品：通過對選用的標準進行調研,根據(jù)貯存環(huán)境,合理將非金屬密封件的保管期借用至存儲期,延長貯存壽命；為進一步確認和摸清非金屬密封件長期貯存的密封性能,利用已貯存14年的相同原理產品開展延壽評估工作,通過漏率測試確認密封性能良好,采用熱空氣加速老化法,驗證非金屬密封件壽命達15年。以上工作證明,超期非金屬密封件可滿足任務要求。

(2)控制力矩陀螺：購置9臺大規(guī)格電子干燥柜,將產品封存在干燥大氣中,延長產品中MoS2地面貯存時間,在交付整器前,通過性能測試和狀態(tài)評估,篩選6臺性能狀態(tài)更穩(wěn)定的陀螺作為主份產品交付裝器,剩余3臺作為備份產品繼續(xù)封存。經力、熱試驗和綜合測試,產品狀態(tài)正常,滿足飛行任務要求。

(3)太陽電池翼：天宮二號空間實驗室采用半剛性太陽電池翼,貯存壽命一般為3～5年［9］,采取以下延壽措施［10］,經測試結果正常,可以滿足飛行任務要求：

①將太陽電池翼置于專用包裝箱內貯存,內充優(yōu)于99.99%的高純度N2,放入干燥劑以防潮,每天監(jiān)測包裝箱壓力數(shù)據(jù),確保箱內N2充足。當箱內壓力下降至下限值時立即按規(guī)定充入干燥N2。

②將包裝箱放置于潔凈度滿足10萬級、相對濕度不大于60%、溫度(20±5)℃的總裝廠房,采用專用的溫濕度測試儀進行記錄,提供24 h溫濕度數(shù)據(jù)記錄,數(shù)據(jù)存檔隨產品交付時提交。

③對電池模塊進行100%裂片檢查,剔除不合格品或超期產品,進行更換,確保產品可靠性。

④利用電池模塊陪片、壓緊套鍍膜件、早期EM板、早期投產同類產品開展可靠性增長試驗,佐證正樣產品性能穩(wěn)定。

⑤對正樣產品進行導通絕緣、特征阻值測試,組裝成太陽電池翼后進行噪聲試驗,確認裝器產品狀態(tài)正常。

(4)驅動機構：綜合評估主份和備份產品的貯存壽命,選取貯存環(huán)境更好、時間更短、性能更優(yōu)的備份產品作為裝器產品狀態(tài),同時主份產品轉為備份產品封存。驅動機構交付后,為了確保內部MoS2性能穩(wěn)定,每6個月進行一次充N2保護。

2)將總裝直屬件中不滿足貯存要求的艙體非金屬密封件進行更換,經整器力、熱試驗后,密封艙實測漏率滿足指標要求。

3)通過產品證明書、合格證和使用說明書,確認高、低頻電纜、氣體及液體管路、內外回路工質地面壽命滿足貯存要求,可正常使用。

經過以上延壽工作,天宮二號空間實驗室的產品、總裝直屬件和管路均滿足壽命要求。

4 長期貯存影響復核分析

為了進一步掌握產品長期貯存后,產品特性變化規(guī)律以及對系統(tǒng)的影響,在開展壽命復核的基礎上,進一步開展產品長期貯存影響復核。

1)對于傳感器類產品,在地面長期貯存后,傳感器探頭受光照和空氣環(huán)境影響,導致測量漂移,在軌使用時可能導致監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確,通過地面標定和在軌標定的方式消除影響；

2)航天員使用的電池等設備,在長期貯存后可能存在電池鈍化導致電壓滯后現(xiàn)象,影響設備正常加電工作程序,通過使用前對鋰電池進行一次消除鈍化的操作消除影響。

5 延壽工作的啟示

1)產品數(shù)據(jù)包應細化產品部件明細和產品履歷,確保產品壽命和貯存環(huán)境可追溯。

影響航天器系統(tǒng)壽命的往往是產品中壽命敏感的核心部件,壽命分析需將產品“分解”,識別、提取出影響壽命的部件,并對部件壽命進行追溯分析。產品數(shù)據(jù)包中要細化產品部件清單,重點是壽命敏感的非金屬密封件、MoS2、藥劑、電池等,在壽命評估時全面覆蓋產品壽命敏感因素。

影響產品壽命的主要因素為貯存環(huán)境,包括溫度、濕度、大氣成分、大氣壓力、力學環(huán)境等。例如,MoS2在高溫、潮濕和富氧的環(huán)境下,將加速失去功能特性［11］；非金屬密封件在壓緊、高溫的環(huán)境下,將加速老化失效［12］。產品數(shù)據(jù)包中要細化產品組裝履歷、貯存狀態(tài)、貯存環(huán)境,準確掌握產品研制期間各個階段的貯存狀態(tài)和貯存環(huán)境,為壽命評估提供更準確的分析依據(jù)。

2)提前識別壽命敏感因素,在產品設計中落實保護措施。

將壽命保護設計前移,在產品設計中一并考慮壽命敏感因素的保護措施,使產品自身具備壽命保護功能,將大幅延長地面貯存壽命,減小延壽對研制流程影響,降低延壽成本。例如,太陽電池翼驅動機構使用了MoS2,MoS2地面貯存主要受O2和潮濕空氣的影響［11］,驅動機構設計上對采用MoS2的部件采取準密封設計,地面貯存期間充干燥N2保護。采用這項設計的驅動機構可正常交付測試,不影響研制進度,提高了研制效率,同時也避免了進行設備封存帶來成本代價。

3)深入理解壽命標準,確保壽命評估準確。

產品壽命的評估以國標或國軍標等標準作為依據(jù),標準中制定的壽命覆蓋更普遍范圍使用條件或貯存條件,在特定的使用條件和貯存條件下,標準中一般沒有明確界定產品壽命。因此,需要結合產品使用的工程背景,準確理解和把握標準中確定壽命的使用條件或貯存條件,才能更嚴謹?shù)氖褂脴藴试u估壽命。例如,MoS2的壽命標準嚴格定義為特定環(huán)境對應的貯存壽命［8］,而天宮二號多個產品中的MoS2貯存履歷和貯存環(huán)境不盡相同。為此,通過走訪標準制定單位,與標準制定的專家進行交流,了解標準制定背景和當前工程實踐經驗,結合具體產品基材、實際貯存環(huán)境,有針對性延長將MoS2貯存壽命,相比標準中定義壽命均有了大幅提升。

通過走訪和調研標準制定單位,深入理解標準中壽命確定的適用環(huán)境,使用標準進行壽命對標時既結合了工程實踐又不脫離標準,確保了壽命評估和延壽結果的嚴謹可信。

4)主、備份產品性能評估和篩選,確保最優(yōu)產品裝器飛行。

設置有備份的產品一般為航天器上的關鍵產品,其產品性能好壞直接影響航天器系統(tǒng)的狀態(tài)穩(wěn)定和飛行壽命。為此,綜合評估主、備份產品的性能,篩選最優(yōu)的產品作為主份產品,確保航天器為最優(yōu)配置和最佳狀態(tài)。例如,天宮二號配置的控制力矩陀螺為6臺主份和3臺備份,9臺控制力矩陀螺均采取了壽命封存措施延長地面貯存壽命,且均能夠滿足天宮二號任務需求。啟封后對9臺控制力矩陀螺進行了全面測試,基于測試數(shù)據(jù)分析評估,從9臺控制力矩陀螺中篩選出性能狀態(tài)更穩(wěn)定的6臺作為主份產品交付裝器,確保姿控系統(tǒng)穩(wěn)定。

6 結束語

目前,天宮二號空間實驗室已在軌穩(wěn)定運行一年多,期間圓滿完成了神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船的飛行任務,飛行結果表明延壽工作有效。天宮二號的延壽工作從啟動工程研制開始一直持續(xù)到延壽后的產品總裝,前后歷時近4年,延壽工作覆蓋了天宮二號空間實驗室產品數(shù)量的80%,積累了大量的工程數(shù)據(jù)和實踐經驗,可以為后續(xù)航天器產品延壽工作提供借鑒。