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 Rivera与Alphonso 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。
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
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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。

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
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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。
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。


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。

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












