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NASA:航天器在轨展开异常/失败分析

NASA:航天器在轨展开异常/失败分析 星际航行
2023-06-07
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导读:Study of Spacecraft Deployables Failures——Space Systems Anomalies and Failures (SCAF) Workshop 2022
今年5月,欧洲航天局(ESA)官员宣布,木星冰卫星探测器(JUICE)在经过三个多星期的紧张故障排除工作后,成功展开了其用于冰卫星探测的雷达(RIME)天线。JUICE任务总共耗资11亿美元。在成功发射后最初一切都进行得很顺利,除了RIME天线的计划部署——一根长达16米的可展开杆件卡住未能按预期展开。

RIME天线组成配置(图源:ESA)

自1961年以来,根据公开数据显示,全球航天器在轨展开异常/失败已发生54次(不包括此次RIME天线展开失败)。美国NASA Goddard Space Flight Center(戈达德宇宙飞行中心)展开分析工程师Alejandro RiveraAlphonso Stewart专门对此问题进行了整理及研究分析,发表了相关学术成果,并在Space Systems Anomalies and Failures (SCAF) Workshop 2022(2022年空间系统异常和故障研讨会)中,对有关航天器在轨展开异常/失败问题专门进行了大会报告

学术论文全文请点击:

Study of Spacecraft Deployables Failures

本报告的主要内容有:

  • 在轨展开失败仍然平均每两年发生一次

  • 展开失败会导致航天器整体任务目标及性能降低乃至失败
  • 常见在轨展开失败模式
  • 空间环境对展开异常和故障的影响
  • 如何防止展开异常/失败的发生


展开异常发生分布

  • 1961年以来,公开资料能够查询到的航天器在轨展开失效案件,其年份分布如下图所示。

展开异常发生类型
  • 太阳帆板展开异常发生次数最多,占据比例高达约54%。其次是天线展开,占据约37%。然后是杆件展开(18%),绳索展开(6%)。其中一些航天器的异常/失效中存在多种在轨展开问题。

两种空间环境对在轨展开的影响

真空(Vacuum)环境中
  • 密封结构通风不良:蜂窝板结构会导致爆炸衰减,表面覆盖会导致内部充气膨胀。
  • 冷压焊:在真空条件下清洁接触的金属表面会导致强附着力。
  • 水解吸:复合材料中的聚合物会导致材料收缩。


热(Thermal)环境中
  • 轨道热极值:在低轨中,温度范围在-173°C至+123°C(温差可达296°C)。

  • 航天器中的附属物:因膨胀和收缩而堵塞。

  • 材料选择:没有关注热膨胀系数。

  • 运动部件间隙:热膨胀引起扰动。

  • 润滑剂选择:低温→摩擦系数增加/粘滞,轴承摩擦,磨损;高温→湿润滑耗尽。

  • 线束:增加铰接方向的弯曲刚度。


展开异常原因分析

  • 运动部件间的接触干扰是造成展开异常/失效的最主要原因,包括线束相关、机械干扰、热防护罩干扰及绳索钩挂。

展开异常严重性

  • 54%的异常导致一定程度的任务和航天器性能下降,程度可分为较小的,实质的,严重的或灾难性的。

  • 31%的异常导致航天器性能大幅下降乃至最终任务失败。

保险索赔
  • 根据有关涉及可展开失效相关的保险索赔数据,可以看到从1998年到2012年,由于太阳能电池阵列展开失败而导致的保险索赔接近8亿美元。

如何预防展开异常?

通过事后总结,可以发现大多数航天器的开展异常均可归结为以下类别:

  • 绳索/线束卡住/打结

  • 摩擦相关

  • 扭矩裕量不足

  • 在轨空间环境考虑不足

  • 发射阶段负载过大

  • 地面装配工艺

  • 相关测试不足

  • 建模仿真分析不成熟充分


    在轨期间可采用的应急措施
  • 通过推进系统使航天器旋转或晃动

  • 将航天器指向太阳以增温

  • 控制电机进行往返作动

  • 在有地面模型的情况下,通过动态仿真分析和地面试验进行惯性载荷机动


部分失效案例介绍

万物皆可展开 IT IS DEPLOYED

【声明】内容源于网络
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本公众号是国内第一家以载人航天和深空探测为主题的公众号,下设国际月球村、Artemis任务、美天军观察、太空评论、太空经济、深空探测、读书荐书感悟等十个专题栏目,希望能以此推动国内航天科普事业的发展和进步。
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