鄧家權(quán)，張 芮，陳 博，張曉杰，邊小龍，趙 征

（1.中國人民解放軍63798 部隊，四川 西昌 615606；2.上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 200120）

0 引言

在通信、遙感、偵察、科學(xué)等領(lǐng)域，衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，衛(wèi)星系統(tǒng)快速空間響應(yīng)的需求也越來越緊迫。美國最先提出快速空間響應(yīng)（Operationally Responsiveness Space，ORS）的概念，是指在發(fā)生戰(zhàn)爭或自然災(zāi)害等突發(fā)事件時，為滿足多樣化的應(yīng)急需求，在短時間內(nèi)完成航天器的生產(chǎn)、裝配、測試、發(fā)射和運行維護(hù)任務(wù)，使航天器盡快進(jìn)入執(zhí)行任務(wù)的目標(biāo)軌道，實現(xiàn)應(yīng)急任務(wù)服務(wù)。由于衛(wèi)星的生產(chǎn)、測試、總裝集成測試（AIT）周期較長，快響衛(wèi)星為適應(yīng)應(yīng)急發(fā)射的需求，在未接到具體任務(wù)的時期就按照出廠前既定計劃完成衛(wèi)星總裝、環(huán)境試驗、大系統(tǒng)對接等。因任務(wù)時間不確定，衛(wèi)星經(jīng)歷的貯存時間從數(shù)個月至數(shù)年不等。產(chǎn)品經(jīng)一段時間貯存后，會存在元器件老化、結(jié)構(gòu)形變等問題，衛(wèi)星發(fā)射后的可靠性可能無法得到保證。

美國國家航空航天局（NASA）早在20 世紀(jì)50—60 年代就開展了航天產(chǎn)品貯存可靠性方面的研究和試驗，已形成完備的產(chǎn)品貯存工作程序和方法。NASA 制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范對航天產(chǎn)品的貯存管理和工作程序。歐空局在參考學(xué)習(xí)NASA研究成果的基礎(chǔ)上，也制定了航天器硬件的防護(hù)、貯存、搬運和運輸規(guī)范。在中國航天發(fā)展過程中，有很多型號在研制過程中涉及了整星貯存和設(shè)備貯存的情況，積累了一些經(jīng)驗。但國內(nèi)對航天產(chǎn)品貯存可靠性開展的專門研究不多，沒有形成系統(tǒng)化。本文主要研究基于快速響應(yīng)模式下，如何開展衛(wèi)星發(fā)射場貯存，為衛(wèi)星快速發(fā)射入軌、快速投入使用并執(zhí)行相關(guān)任務(wù)提供理論支撐。

1 衛(wèi)星主要部件貯存要求及性能分析

衛(wèi)星系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、熱控、姿軌控、能源、測控、星務(wù)及載荷等分系統(tǒng)組成。通過梳理衛(wèi)星各分系統(tǒng)功能性能，衛(wèi)星產(chǎn)品按照類別可劃分為結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)板、設(shè)備支架）、熱控（加熱器、熱敏電阻、多層材料）、單機(jī)設(shè)備（電子設(shè)備、推力器、敏感器等）、管路、電纜、波導(dǎo)及艙外大型部件（太陽翼、天線、相機(jī)等）。由于衛(wèi)星屬于精密儀器設(shè)備，其生產(chǎn)研制、運輸試驗過程及貯存都要在有溫濕度、潔凈度保障的環(huán)境中進(jìn)行，不同的發(fā)射場雖然所處位置不同、外部環(huán)境不同，但衛(wèi)星在發(fā)射場內(nèi)部小環(huán)境的貯存要求基本相同。衛(wèi)星貯存影響主要是考慮貯存期間衛(wèi)星機(jī)電熱性能變化，包括電子元器件性能、典型結(jié)構(gòu)件形變、展開裝置性能、蓄電池組性能影響、推進(jìn)系統(tǒng)要求等。

1.1 電子元器件

元器件的貯存失效是由于封裝性能退化所致，大致可以分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效和外部結(jié)構(gòu)失效。其中外部結(jié)構(gòu)失效主要和貯存環(huán)境有關(guān)，特別是環(huán)境濕度、溫度等因素；內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效則大部分由于元器件生產(chǎn)工藝存在缺陷所引起的，內(nèi)部失效會在單機(jī)、整星熱平衡和熱真空考核中剔除早期失效。由于貯存狀態(tài)下的電子元器件長期處于非工作狀態(tài)，影響其可靠性的主要因素主要有溫度、濕度和化學(xué)因素等。目前，衛(wèi)星總裝測試、加注廠房能夠?qū)崿F(xiàn)溫度（20±5）℃、濕度35%～55%、潔凈度優(yōu)于10萬級且沒有有機(jī)揮發(fā)物的環(huán)境要求，在此條件下，電子元器件壽命大于衛(wèi)星壽命。

1.2 典型結(jié)構(gòu)件

衛(wèi)星經(jīng)過貯存后，結(jié)構(gòu)件形變主要取決于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)板復(fù)合材料、結(jié)構(gòu)板用膠黏劑的性能變化。引起這些變化的主要原因是蠕變、殘余應(yīng)力釋放以及非金屬材料的性能衰退等。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可知：碳纖維復(fù)合材料自然放置8 a 后，抗壓強(qiáng)度將下降約6%；J78 環(huán)氧膠貯存10 a 后，強(qiáng)度性能保持率在80%左右。在衛(wèi)星長期貯存過程中，結(jié)構(gòu)會由于非金屬材料的性能退化產(chǎn)生形變或破壞。因此結(jié)構(gòu)設(shè)計要留有余量，結(jié)構(gòu)板使用壽命大于衛(wèi)星壽命。

1.3 展開裝置

衛(wèi)星產(chǎn)品存在展開裝置，如太陽翼結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、天線展開裝置等，平面渦卷彈簧為展開裝置提供展開驅(qū)動力，其性能下降將影響展開功能。

平面渦卷彈簧長期處于受力狀態(tài)，發(fā)生冷態(tài)流動，產(chǎn)生永久變形即所謂“材料蠕變”，失去應(yīng)有的彈性和作用。目前尚無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表征平面渦卷彈簧長期收緊狀態(tài)隨貯存時間變化的性能曲線，通常的措施為每隔6 個月對展開裝置、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)、微動開關(guān)進(jìn)行檢查測試，主要包括產(chǎn)品外觀、緊固件檢查、陪片狀態(tài)、渦簧外觀、展開功能、靜力矩裕度檢查，其中展開功能及靜力裕度檢查需移至展開桁架下進(jìn)行。因此，衛(wèi)星展開裝置性能變化是衛(wèi)星貯存方式需要考慮的重要因素，長期貯存期間相關(guān)展開裝置展開同步機(jī)構(gòu)鋼絲繩預(yù)緊力應(yīng)為卸載狀態(tài)，如太陽翼、大型天線等按照規(guī)定的環(huán)境要求、采取相應(yīng)的防氧化及防腐蝕措施可單獨貯存。

1.4 蓄電池組

隨著技術(shù)的進(jìn)步，以往衛(wèi)星用鎳氫、鎳鉻電池逐漸被鋰離子蓄電池取代。鋰離子蓄電池組貯存期間容量的衰降率與時間的平方根線性相關(guān)：

式中：、分別為貯存前后鋰離子蓄電池組容量；、分別為偏移量與平方根老化參數(shù)；為貯存時間。

滿荷電態(tài)（State of Charge，SOC）鋰離子蓄電池組單體內(nèi)阻、容量衰降率與溫度、貯存時間關(guān)系如圖1～圖2 所示。不同貯存溫度與荷電態(tài)下電池相對容量值與貯存時間的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖1 不同貯存溫度下鋰電池單體電池內(nèi)阻隨貯存時間的變化Fig.1 Variations of the internal resistance of a single lithium battery with the storage time at different stoage temperatures

圖2 不同貯存溫度下鋰電池單體電池容量衰降率隨貯存時間的變化Fig.2 Variations of the capacity degradation rate of a single lithium battery with the storage time at different storage temperatures

圖3 不同貯存溫度與荷電態(tài)下鋰電池單體電池容量衰降率隨貯存時間的變化Fig.3 Variations of the capacity degradation rate of a single lithium battery with the storage time under different storage temperatures and charge states

由圖可知，鋰離子蓄電池組貯存期間的環(huán)境溫度、貯存荷電態(tài)和時間是影響蓄電池組壽命的主要因素。荷電態(tài)越高、貯存溫度越高，電池性能衰減越快，因此電池應(yīng)盡可能在低荷電態(tài)及較低溫度下貯存。衛(wèi)星短期貯存，貯存溫度控制在25 ℃以下，電池可隨星貯存；衛(wèi)星長期貯存，為減小蓄電池組性能衰減，影響衛(wèi)星在軌使用壽命，電池應(yīng)單獨貯存，存儲溫度控制在0～10 ℃，貯存期為2 a，每半年進(jìn)行一次活化處理。

1.5 推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)劑化驗結(jié)果有效期為1 個月，一般雙組元推進(jìn)劑化驗結(jié)果可在5 d 內(nèi)給出，單組元化驗結(jié)果可在3 d 內(nèi)給出，若衛(wèi)星長期貯存，建議不加注推進(jìn)劑，根據(jù)任務(wù)啟動時機(jī)提前組織化驗、加注。

衛(wèi)星未加注推進(jìn)劑，推進(jìn)系統(tǒng)一般充0.2 MPa氦氣形成正壓保護(hù)，單組元推力器因催化劑裝置設(shè)計原因禁止噴口朝上貯存。在衛(wèi)星加注推進(jìn)劑之后，為防止推進(jìn)系統(tǒng)液路進(jìn)氣并影響推進(jìn)系統(tǒng)在軌工作，單組元、雙組元推力器噴口禁止向上貯存。若星箭對接需要衛(wèi)星水平放置，則需考慮推力器噴口方向，在衛(wèi)星設(shè)計、火箭滾轉(zhuǎn)等方面采取措施。

推進(jìn)劑加注后，理論上推進(jìn)劑可長期貯存，即使系統(tǒng)安全指標(biāo)滿足要求，仍需要在防爆的加注大廳進(jìn)行貯存，每天進(jìn)行有害氣體濃度監(jiān)測。某型衛(wèi)星加注后至發(fā)射曾在發(fā)射場存放40 余天，推進(jìn)系統(tǒng)指標(biāo)正常，入軌后工作正常。

1.6 其他部件

1）熱控多層組件表層氧化銦錫在地面貯存使用過程中容易斷裂，鍍銀層容易氧化脫落，因此在地面貯存過程中，需控制多層組件存儲的環(huán)境濕度，多層應(yīng)保持平整放置，不允許二次折疊。衛(wèi)星短期貯存，多層組件可安裝好隨星貯存；衛(wèi)星長期貯存，因需要打開艙板安裝蓄電池、電爆管等，多層組件無法提前安裝，若已安裝超過半年需要在任務(wù)啟動時對多層組件性能進(jìn)行復(fù)驗。

2）星載相機(jī)每半年進(jìn)行一次質(zhì)量檢查，檢查表面潔凈狀況，對有輕微污染的光學(xué)表面進(jìn)行清潔，對高精度的大型光學(xué)零件重新測試表面面形及內(nèi)應(yīng)力變化。衛(wèi)星長期貯存，需要單獨放入包裝箱貯存并充氮氣保護(hù)。

3）太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)、激光通信載荷、地球敏感器等設(shè)備對濕度敏感，若長期貯存，需要連接除濕儀對其除濕。

通過對電子元器件性能、典型結(jié)構(gòu)件形變、展開裝置及蓄電池組性能變化、推進(jìn)系統(tǒng)要求進(jìn)行理論分析，明確了衛(wèi)星各部組件貯存要求，為單機(jī)、整星貯存奠定了理論基礎(chǔ)。從上文分析可知，各部組件貯存一般以6 個月為界區(qū)分不同的環(huán)境要求，快速響應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射場貯存方案，因此可劃分為短期貯存（6 個月以內(nèi)）和長期貯存（6 個月以上）2 種。貯存方案一般包括如下3 個階段：貯存前狀態(tài)準(zhǔn)備、貯存期檢查復(fù)測、貯存后檢查測試。衛(wèi)星貯存流程如圖4 所示。衛(wèi)星貯存技術(shù)狀態(tài)分為隨整星貯存和單獨貯存2 種狀態(tài)。

圖4 衛(wèi)星貯存流程Fig.4 Satellite storage process

2 短期貯存方案

衛(wèi)星運輸至發(fā)射場，完成檢漏、技術(shù)區(qū)電測、天線展開、太陽翼光照、總裝、加注準(zhǔn)備等工作，轉(zhuǎn)入短期貯存。從上文分析可知，各部件短期貯存僅有環(huán)境條件要求，衛(wèi)星可以以整星狀態(tài)在總裝測試廠房貯存。艙內(nèi)外所有部件（包括蓄電池組）全部安裝到位，艙板全部安裝到位，星表多層安裝到位，太陽翼安裝到位，天線或相機(jī)等載荷安裝到位，所有火工品安裝到位。

短期貯存方案具體見表1，對貯存前后的衛(wèi)星狀態(tài)、環(huán)境要求以及貯存區(qū)要求進(jìn)行了詳細(xì)的闡述?；谫A存后測試自由度的考慮，短期貯存方案建議不進(jìn)行推進(jìn)劑加注，若任務(wù)發(fā)射形勢明確或緊迫，可完成推進(jìn)劑加注（在加注廠房進(jìn)行貯存）。極特殊情況下，可以完成星箭對接，待命發(fā)射。

表1 短期貯存方案Tab.1 Short-term storage scheme

續(xù)表1 短期貯存方案Continue tab.1 Short-term storage scheme

衛(wèi)星在發(fā)射場已有近10 次短期貯存的成功案例，天線、太陽翼等艙外部件已安裝，部分已加注，部分在塔架上靜置，衛(wèi)星貯存后經(jīng)測試發(fā)射及在軌運行檢驗，性能穩(wěn)定。

3 長期貯存方案

衛(wèi)星運輸至發(fā)射場，完成檢漏、健康狀態(tài)檢查等工作，以平臺加部件狀態(tài)轉(zhuǎn)入長期貯存，可在包裝箱內(nèi)或總裝測試廠房貯存。長期貯存對展開裝置、蓄電池組性能、熱控多層組件、相機(jī)、太陽翼等均有單獨的要求。貯存前應(yīng)統(tǒng)計產(chǎn)品有效期，貯存結(jié)束對有效期進(jìn)行復(fù)核，超過有效期或有效期臨界的，應(yīng)對相應(yīng)產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)驗或更換。艙內(nèi)除蓄電池組以外的部件全部安裝到位，衛(wèi)星電子學(xué)單機(jī)以平臺狀態(tài)進(jìn)行貯存，蓄電池組、太陽翼及其結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、衛(wèi)星下裙、多層、火工品、天線或相機(jī)等大型載荷均單獨在專用包裝箱進(jìn)行貯存。各部件包裝箱內(nèi)充氮氣保護(hù)，空間密閉性好，對溫度濕度的控制更容易，可以單獨設(shè)立環(huán)境指標(biāo)。長期貯存方案具體見表2。在衛(wèi)星包裝箱的設(shè)計上，可以在內(nèi)部將衛(wèi)星相關(guān)測試接口通過包裝箱箱壁引出，便于貯存期間對衛(wèi)星進(jìn)行加電檢查。

表2 長期貯存方案Tab.2 Long-term storage scheme

續(xù)表2 長期貯存方案Continue tab.2 Long-term storage scheme

衛(wèi)星在發(fā)射場沒有長期貯存的案例，但是在出廠前有長期貯存的先例，某型號衛(wèi)星在總裝廠房貯存7 a 之久，后成功發(fā)射。

4 衛(wèi)星發(fā)射場貯存快速響應(yīng)性分析

短期貯存期滿，衛(wèi)星需開展貯存后電測試（健康狀態(tài)檢查），即可進(jìn)行加注、星箭對接和電測試，待命發(fā)射。

長期貯存期滿，衛(wèi)星重啟總裝與測試流程如下：

1）重新安裝單獨貯存的艙內(nèi)設(shè)備；

2）衛(wèi)星健康狀態(tài)檢查；

3）艙內(nèi)最終狀態(tài)確認(rèn)，安裝結(jié)構(gòu)外艙板，星表實施熱控；

4）整星功能與性能測試；

5）安裝大型載荷，載荷測試；

6）安裝太陽翼，太陽翼展開與光照試驗；

7）無線測試；

8）加注前總裝，補(bǔ)充實施熱控；

9）推進(jìn)劑加注、星箭對接、電測試，待命發(fā)射。

從上述分析可知，衛(wèi)星在發(fā)射場長期貯存后需要開展很多工作、經(jīng)歷較長周期才能實施發(fā)射，距離快速響應(yīng)的要求有差距。若要求具備1 周左右快速發(fā)射的能力，則衛(wèi)星應(yīng)在發(fā)射場完成技術(shù)區(qū)相關(guān)工作，處于短期貯存狀態(tài)。鑒于快速響應(yīng)任務(wù)的不確定性，可以建立滾動備份機(jī)制，發(fā)射場建設(shè)貯存與測試庫房，多顆衛(wèi)星分別處于長期貯存狀態(tài)、等待加注狀態(tài)、等待星箭對接狀態(tài)，可在1 個月內(nèi)完成多發(fā)快速應(yīng)急發(fā)射。

5 結(jié)束語

為適應(yīng)應(yīng)急發(fā)射的需求，通過分析衛(wèi)星關(guān)鍵部件的貯存要求和性能，確定了貯存期單機(jī)溫度、濕度、潔凈度以及包裝箱條件等，明確了衛(wèi)星發(fā)射場長期貯存和短期貯存方案，為后續(xù)衛(wèi)星發(fā)射場貯存提供借鑒經(jīng)驗。