王凱琳，王俊彥，杜黎明，趙鐵軍，耿玉玲

(1.北京航天飛行控制中心，北京 100094；2.內(nèi)蒙古軍區(qū)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

1 引 言

衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中，一般采用動量輪作為執(zhí)行機構(gòu)，其主要組成包括飛輪驅(qū)動器和發(fā)電機、支承(位于軸承上的組合件)、飛輪及其動力控制傳動線路等。依據(jù)“動量矩守恒”定律，當隨意改變給定飛輪的旋轉(zhuǎn)角度和動量時，就會產(chǎn)生一個反作用控制力矩，其大小與飛輪的角動量變化率成正比[1]。

某平臺衛(wèi)星正常模式采用V+L動量輪構(gòu)型，由2個V形安裝的50Nms動量輪MW1、MW2和1個用于備份的25Nms反作用輪RW組成。俯仰和滾動軸由V形安裝的動量輪或L形結(jié)構(gòu)的偏置動量輪和反作用輪進行控制，同時加速、減速動量輪實現(xiàn)對Y軸的姿態(tài)控制，滾動誤差通過差動改變動量輪在Z軸上角動量進行連續(xù)控制，以滿足精度要求。偏航軸采用被動控制方式，偏航誤差的修正靠偏置角動量與軌道運動耦合來實現(xiàn)。V形輪安裝示意圖如圖1所示，反作用輪的角動量方向與MW1或MW2的角動量的Z軸分量方向相反，以保證+L、-L形的合成角動量方向仍在-Y方向。MW1與本體-Y軸成20°偏向于+Z方向，MW2與本體-Y軸成20°偏向于-Z方向。反作用輪RW(25Nms)沿Z軸安裝。飛輪的測速電路在姿軌控分系統(tǒng)中，采樣周期為2.56s，測速精度為1.024rpm，飛輪的轉(zhuǎn)速方向在姿軌控分系統(tǒng)中通過硬件處理后與轉(zhuǎn)速信號一起送到OBC計算機。

圖1 動量輪安裝示意圖

對于動量輪，其遙測信號有動量輪的轉(zhuǎn)速、動量輪角動量、動量輪力矩控制電壓、動量輪馬達電流以及動量輪的軸承溫度，通?？紤]采用一種劃定監(jiān)測信號極限值的方法來對上述幾種觀測量進行精確監(jiān)測。

2 衛(wèi)星異?，F(xiàn)象

此衛(wèi)星動量輪2發(fā)生掉電現(xiàn)象時，馬達電壓由26.33V突變?yōu)?0.53V。5min以后，由于動量輪2掉電造成衛(wèi)星滾動軸姿態(tài)超差，控制分系統(tǒng)按照預(yù)定設(shè)計，轉(zhuǎn)入軟件故障報警模式。應(yīng)用軟件根據(jù)軟件控制報警模式程控自動開啟太陽敏感器線路盒SSE-A，陀螺線路盒GAE-A，啟動陀螺馬達，開啟電源變換器PVC-B和PVC-C，切換推進線路盒至UPSE-A，衛(wèi)星姿態(tài)由正常模式下的動量輪控制轉(zhuǎn)為軟件故障報警模式下的推力器控制。圖2為衛(wèi)星發(fā)生掉電故障時的動量輪2的馬達電壓、馬達電流和轉(zhuǎn)速曲線，圖3為姿態(tài)曲線。

3 衛(wèi)星異?，F(xiàn)象原因分析

對動量輪掉電前后的指令發(fā)送情況進行復(fù)查，在動量輪組件異常斷電前后的過程中未發(fā)送遙控指令。同時，復(fù)查了PVC輸出電壓遙測數(shù)據(jù)，在軌發(fā)生動量輪異常掉電現(xiàn)象前后，PVC輸出電壓在正常范圍內(nèi)，所以并不存在觸發(fā)動量輪線路盒欠壓保護動作的條件。若動量輪出現(xiàn)短路等故障，會造成供電電源出現(xiàn)過流，使過流保護電路工作，切斷前置級電路，這會使動量輪快速制動。而遙測數(shù)據(jù)表明，衛(wèi)星動量輪2制動力矩較小，與動量輪的損耗力矩吻合，未出現(xiàn)短路造成的制動力矩。

圖2 動量輪2轉(zhuǎn)速及馬達電壓遙測曲線

圖3 軟件故障報警模式下的衛(wèi)星姿態(tài)

動量輪線路盒產(chǎn)品設(shè)計有過流保護電路，該電路包含輻射敏感器件。若動量輪線路盒遭受空間環(huán)境干擾，此時的輻射敏感器件由于空間單粒子事件發(fā)生輸出誤翻轉(zhuǎn)，將導(dǎo)致過流保護電路誤動作，遙測顯示為動量輪電源狀態(tài)為“斷電”，轉(zhuǎn)速遙測為“零”，與真正發(fā)生過流保護的情況是一致的。

在軌發(fā)生空間單粒子事件的可能性是始終存在的，因此在軌運行過程中可能由于單粒子事件導(dǎo)致過流保護電路中的輻射敏感器件誤翻轉(zhuǎn)。輻射敏感器件發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，將觸發(fā)過流保護電路動作，切斷動量輪組件供電通路上MOS管的輸出，并引起過流保護電路誤鎖定，其最終現(xiàn)象表現(xiàn)為動量輪異常斷電。因此，空間干擾極有可能是發(fā)生動量輪掉電故障的原因。

4 故障影響分析

4.1 姿態(tài)影響

動量輪2掉電后，衛(wèi)星由正常模式轉(zhuǎn)入軟件故障報警模

式，這兩個模式的指標精度如表1所示。

表1 正常模式和軟件故障報警模式的指標精度

由圖3可知，衛(wèi)星因動量輪2掉電故障轉(zhuǎn)入軟件故障報警模式后，滾動和俯仰姿態(tài)誤差只略微增加，但由于偏航軸在轉(zhuǎn)入軟件故障報警模式后1280s不控(此時間為陀螺加溫時間)，偏航軸誤差達到33°左右，衛(wèi)星的滾動和俯仰姿態(tài)未發(fā)生較大變化。

4.2 推進劑消耗影響

故障前后，推進系統(tǒng)各推力器噴氣時間見表2。由表可知，衛(wèi)星此次故障10N推力器共噴氣295.61s，多消耗推進劑約1182.44g。

表2 衛(wèi)星10N推力器噴氣時間(單位：秒)

4.3 動量輪性能影響

衛(wèi)星動量輪組件2再次啟動后，升速過程中的動量輪馬達電壓、電流、轉(zhuǎn)速曲線見圖4。對該特征參數(shù)曲線進行分析可知，衛(wèi)星動量輪2功能和性能正常。

圖4 衛(wèi)星動量輪2重新加電后啟動過程特征參數(shù)曲線

綜上所述，衛(wèi)星轉(zhuǎn)入軟件故障報警模式，其根本原因是動量輪組件2掉電引起衛(wèi)星滾動軸姿態(tài)超差。從動量輪組件的轉(zhuǎn)速、馬達電壓以及控制分系統(tǒng)供電部件PVC的輸入電流、輸出電壓等遙測數(shù)據(jù)可知，動量輪組件2掉電的原因與其自身有關(guān)，與動量輪的供電情況和使用工況無關(guān)。從動量輪重新加電后特征參數(shù)遙測數(shù)據(jù)判斷可知，衛(wèi)星此次的動量輪異常掉電不影響動量輪本身的工作特性及性能。

5 解決措施

單粒子翻轉(zhuǎn)是在軌衛(wèi)星出現(xiàn)故障的常見原因。東四平臺衛(wèi)星同步軌道設(shè)計了軟件故障報警安全模式，其是姿態(tài)長期超差軟件報警后進入的對地指向安全模式，簡稱ETM。設(shè)計安全模式是為了在地面站介入之前星上先進行相關(guān)處理，爭取更多的處理時間。

此外要研究如何提高衛(wèi)星的可靠性，平時還需要關(guān)注的問題是：由于太空中的環(huán)境很復(fù)雜,而且衛(wèi)星太陽能軌道的種類繁多，因此需要進一步做好對空間環(huán)境和單粒子效應(yīng)的預(yù)示和防護措施。除了單粒子效應(yīng)外，充放電效應(yīng)也會為衛(wèi)星的可靠運營帶來安全隱患，這是亟待探索和研究的關(guān)鍵性內(nèi)容。

為了增強和提高衛(wèi)星在軌故障檢測發(fā)現(xiàn)的實時性和定位精度的準確率，可設(shè)計一套對故障進行診斷與預(yù)測的管理系統(tǒng)。2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳天陽基于漏斗模型并結(jié)合DSP的制作工藝，建立了MOS器件的電荷收集機理，并計算出了單粒子效應(yīng)的臨界能量?；赟RIM軟件對地面模擬福射試驗中經(jīng)常使用的锎源進行了仿真計算，得到了锎源的通量與能量的關(guān)系。采用锎源進行DSP處理器的單粒子效應(yīng)地面模擬試驗，通過分析大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，得到了單粒子翻轉(zhuǎn)截面、單粒子翻轉(zhuǎn)個數(shù)與芯片距锎源距離的關(guān)系、每個地址上16個存儲單元的單粒子翻轉(zhuǎn)頻率，試驗研究結(jié)果可為我國通信衛(wèi)星的空間單粒子效應(yīng)安全防護管理措施的研究提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)[2]。

6 結(jié) 論

在衛(wèi)星長期管理中，要重視衛(wèi)星遙測的異常變化，對其變化原因要結(jié)合衛(wèi)星相關(guān)遙測進行分析，不能孤立地看待每一個遙測。對于衛(wèi)星測控要重視衛(wèi)星模擬器的作用，對衛(wèi)星出現(xiàn)的任何異常，都要在衛(wèi)星模擬器上模擬分析各種可能性，從而有助于找出故障原因。