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美国可靠性工程实践之微流星体防护

2019-01-19 09:36
可靠性杂坛
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一、概述

1、方法:为使航天器的结构和仪器在密集的微流星体中飞行时,因微流星穿透而受到的损害减至最小,应对它们提供保护。典型的可靠性工程方法包括从保护敏感硬件的结构布置到航天器外保护毡的布置。防护措施的力度基于对飞行剖面中流星体环境的预测、微流量体穿透航天器表面的能力以及穿透所引起严重损伤的可能。2、益处:微流星体的撞击会损坏航天器系统,危及航天器的飞行能力,微流星体防护是要将这种危险减至最小。流星体由行星的喷射物、来自小行星和彗星的微粒形成。撞击会造成航天器局部穿透、穿孔、表层剥落、局部变形或二级断裂。而上述任何一种情况都将导致关键系统的失效。典型的失效模式包括:.致命性断裂.泄漏.爆燃.闪蒸.结构强度降低.腐蚀3、已成功使用该方法的项目:Magellan和Galileo。火星探测器(MGS)和Cassini利用最新的、经改进的行星际流量模型和在密集流星体中飞行的穿透公式。

麦哲伦号

伽利略号

卡西尼号

二、实施方法

1、实施方法

微流星体防护设计的目的是使航天器关键分系统的失效概率达到可以接受的程度。这涉及航天器的用途和任务设计措施,它们也被用于控制航天器的其它环境-辐射防护、热防护、隔热以及空间散热器,这需要用综合的环境设计来解决。

2、损伤评估

为确定航天器防护的适当水平,第一步是用流星体流量计算流星体的环境,流星体流量定义为在航天器任务时间内其每平方米被流星体碰撞的次数。流星体环境依据近地和行星际两种模型进行计算。要特别注意火星和木星之间的小行星带状区。根据安装在Pioneerl0和11, Hellos 1, Galileo和航天器上碰撞测试仪记录的数据以及靠近地球时行星际流量的测量结果(微粒/平方米/秒)现用的模型描述流星体质量和轨迹分布。流星体流量模型随飞行经验的增多不断更新。尽管如此,由于流星体流量大部分具有随机分布,所以用统计模型来确定航天器与一个给定临界质量流星体碰撞的概率。然后,可以对不同的任务阶段分别估算出流星体流量/平方米。例如在轨道转移、空中制动、测绘、中继等阶段。作为微粒质量函数的流量可以通过由任务剖面确定的航天器轨道和速度计算出来。随着对每个任务阶段流星体环境的估计,对每一任务阶段的流量都应将下列三个附加因素考虑在内:要考虑的面积、视场、航天器的姿态。对要考虑的面积而言,航天器设计图中每个关键系统的表面积(以平方米为单位)都应被重新审查;视场是几何因素,它表示一个物体所有可以看得见的表面,可以用射线示踪的计算机程序来计算。该几何因素规定了可以通过安装在某一表面上的任何一个探测器测到流量的份额。因为在垂直于速度矢量方向上的表面将接收最大的流量,而同时在机身后缘接收的流量最小,所以在任务期间航天器的姿态很重要。为得到每个航天器系统的失效率,用相应的面积(平方米)、几何因素和姿态因素与流量(作为速度的函数)相乘以给出要考虑面积上碰撞的期望值。临界质量可以作为导致表面穿透所必要的速度的函数在穿透方程中估算出来。例如,对火星探测器推进剂和氦气贮箱的检测显示,在任务过程中推进剂贮箱1被流星击中(虽然并不是必然损坏)的概率为30%;而推进剂贮箱2被击中的概率为25%;根据损伤评估作出相适宜的保护措施的决策,以使航天器关键分系统受到的损害减至最小。

3、防护措施

1)系统设计措施:在设计航天器结构以及关键组件相对于航天器结构的位置时,要把微流星体防护考虑进去。关键组件要安放在合适的位置以使它们的视场被其它不太关键的组件屏蔽起来,或者虽可能被穿透或变形但不致于造成影响任务完成的损伤。通过这种解决办法,最具有决定性的或最易损伤的电路板将被放在电子舱的最深处。仪表板长轴也将放置在与速度矢量平行的方向上,以使其上通过的流量减至最小。尽管如此,更为现实的是:流星体防护要求应与辐射、热防护的需要相平衡,以实现一个综合的环境设计。

2)运行措施:由于微粒碰撞速度的方向性,航天器的姿态影响到航天器每个侧面所承受的微流星体流量。对于某些任务阶段,例如行星测绘阶段,要将航天器置于行星之间或轨道空间的高流量位置。这样,在一个任务剖面可采用这样的防护措施,即在危险任务阶段调整航天器姿态以使关键系统的损害最小。对于火星探测器(MGS)计划而言,航天器不同侧面的流量都要计算(±X轴、±Y轴、±Z轴方向)。对于任务的巡航阶段而言,航天器的+X轴将朝向地球,不断的姿态调整将使-Y轴和-X轴的流量大小相同。在测绘和中继阶段,MGS沿轨道绕火星飞行,同时和火星一起沿轨道绕太阳飞行,MGS的+Z轴将面对火星,同时+Y轴将正对着火星轨道速度的方向,综合效果是MGS绕Y轴旋转。计算结果显示,航天器前缘((+Y轴方向)的流量大约是尾缘的流量的20倍。MGS的推进剂贮箱和氦毛贮箱都安放在航天器的+Y轴方向,如图1所示。把流星体流量代入穿透公式,并且乘以视场(几何因素)、姿态因素、航天器各侧面的面积,就可以算出能够导致失效的每单位面积上的碰撞数。应用泊松分布可以得出每一任务阶段的失效率,图2所示为MGS贮箱的成功率。

图1火星探测器(MGS)航行任务阶段

图2膜和贮箱

无间距(即单面)的MGS贮箱成功率3)屏蔽保护层:主要的流星体防护技术是采用在航天器关键部件例如推进剂和氦气贮箱表面布置多层隔离(MLI)毡的方法。多层隔离毡山以卜儿层组成:开普顿聚酞胺(尼龙)或聚脂薄膜;金银箔(一边是金,一边是银),它们能提供非常有效的隔热和辐射传热。作为流星体撞击屏蔽的毡的作用在于:当颗粒撞上外壁之前,它们被多层隔离膜粉碎成碎片并使之扩散,且降低这些碎片的速度,使之低于颗粒的原始速度。航天器的损伤由这些颗粒和防护层的碎片造成。

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