航天發射場故障失效分析案例研究

趙 晨，李 潔

（總裝備部特種工程設計研究院，北京100028）

航天發射場故障失效分析案例研究

趙 晨，李 潔

（總裝備部特種工程設計研究院，北京100028）

隨著現代航天產品日趨復雜，失效分析工作也日益受到重視。本文通過美國肯尼迪航天中心的有效載荷箱鋼軌、避雷系統鋼纜、履帶運輸車軸承、避雷塔鋼管等地面設施設備故障失效案例，論述了故障失效歸于生產制造、環境條件、操作與維護、研發設計以及綜合形成的老化等五種成因，綜述了進行每類故障失效分析所采用的檢測儀器與實驗室分析等技術手段、分析過程及分析結果，最后，強調了故障失效分析對于預防失效、確保航天系統的質量與可靠性的作用。本文可為我國航天發射場地面設施設備的可靠性研究提供有利的參考。

航天發射場；故障失效；分析；檢測

1 引言

航天活動是一項高技術、高投入、高風險并存的系統工程，涉及多個系統，每個系統又由許許多多的分系統、子系統組成，一個子系統又由成千上萬個元器件組成，其中某個產品（或部件）的失效或故障會造成巨大的災害和經濟損失［1］。1986年1月28日，在“挑戰者”號航天飛機第10次飛行中，因固體助推器密封環失效而導致機體在空中爆炸［2］。2003年2月1日，“哥倫比亞”號航天飛機因其左翼前緣的增強碳ˉ碳隔熱板被燃料箱外脫落的泡沫碎塊擊中，返回地球大氣層時產生的摩擦高溫致使機體融化解體墜毀［3］。隨著世界空間探索目標向更加遙遠的深空邁進，航天系統的規模愈來愈龐大，綜合性愈來愈強，技術愈來愈復雜，對產品（系統）可靠性的要求日益提高，產品（系統）的故障失效分析工作也愈來受到重視［1，4］。

美國國家航空航天局（National Aeronautic and Space Administration，NASA）與肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC）的各類故障失效分析由其材料科學實驗室部下屬的故障失效與材料評估分部負責。該分部下設材料故障失效實驗室、電氣／電子產品故障失效實驗室和機械系統／計量實驗室。根據故障失效與材料評估分部幾十年來對NASA／KSC航天項目的全部飛行硬件與地面保障設備的操作過程、分析研究經驗，KSC地面設施設備的故障失效成因可歸結為五類：生產制造、應用環境、操作與維護、研發設計以及前四類成因綜合形成的老化［5?6］。

2 歸因生產制造的故障失效

正確的生產制造對于一個部件成功實現其規定的功能是非常重要的。當某一部件受到不恰當的熱處理、非適用的涂料或替換成未經授權的產品時，就能通過分析發現其中的故障。歸因生產制造的故障失效可以在材料評估的前期被發現［7］。

2.1 失效案例

國際空間站在其旋轉處理裝置的有效載荷箱鋼軌安裝過程中被發現采用AISI4140鋼的鋼軌（見圖1）頂面出現裂紋［8］。

圖1 出現裂紋的有效載荷箱鋼軌Fig.1 Payload canister rail with crack on the top

圖1 中的藍色箭標為設在鋼軌頂面的6個凹槽，用于安裝可固定有效載荷的止推軸承；黃色箭標為裂紋的位置，紅色箭標為2個明顯的焊接修復點。焊接修復點與距其最近的凹槽之間的間距大致相當于兩個凹槽之間的間距，即10 cm。鋼軌被縱向切開，并從其底座上拆除頂部凸緣，對凸緣底面進行檢查后發現，在凸緣底面靠近焊接修復點的地方有4處裂紋。

2.2 檢測與分析

KSC對此鋼軌裂紋做了如下檢測與分析［8］：

1）采用“英斯特朗”張力測試儀并在三點彎曲負荷狀態下打開裂紋，對布滿銹蝕的裂紋表面進行檢查（圖2）。將銹蝕清除后，在表面邊緣發現了一個約1～2 mm寬的裂紋。此外，還對表面鍍層進行了檢測（圖2右下）。表層顯像工具顯示該裂紋是因機械加工和磨削操作而形成的（圖2右上）。

2）檢測儀器一是采用掃描電子顯微鏡（SEM）對微孔集聚（MVC，其特點是韌性應力過載）的裂紋表面邊緣進行檢測分析；二是采用定性／半定量能譜儀（EDS）和SEM對整體金屬表面進行檢測分析，確定裂紋表面的鎳鍍層狀態。

3）在對經酸蝕后的非裂紋焊接修復點的橫截面金相試樣進行初步觀測后，認為在凹槽基底材料中焊接了一塊滲入深度小于3 mm的不同材料（圖3），但在焊接時未將填料與基底金屬完全熔合。在對裂紋焊接修復點的橫截面金相試樣進行檢測后，認為填料呈現冷加工的痕跡，是從較大質量的板材上切割下來的。正是由于插入了這種材料，才使橫截面承受荷載。焊接點處呈現許多孔隙，而試樣的金相分析佐證了立體顯微照片和SEM分析結論。

圖2 裂紋的立體顯微照片Fig.2 Stereomicroscope image of the revealed service fracture

圖3 焊接修復點的橫截面Fig.3 Cross?section of the weld repair region

整體金屬金相試樣的微觀檢測表明，基底微結構是鐵素體與珠光體的樹枝狀晶體，是一個4140鋼焊接點。對填料金相試樣的微觀檢測表明，基底微結構是粗紋理的鐵素體與珠光體，是焊接的素碳鋼。

4）對金相試樣進行微硬度測量后，將數值轉換成洛氏硬度B標尺（HRB），結果表明，轉換后的整體金屬硬度為92 HRB，而填料的硬度為8292 HRB，大大低于導軌整體金屬硬度。導軌的整體金屬硬度滿足設計施工要求，而填料硬度則低于導軌硬度。

5）化學分析結果表明，導軌的整體金屬材料是根據設計施工圖要求而采用AISI4104鋼，但填料則基本確定是一種1000系列鋼材，接近于AI?SI1030鋼。

上述儀器檢測與實驗室分析表明：有2個導軌凹槽沒有嚴格按照設計施工圖要求進行生產操作，填入了一種低強度、1000系列的鋼材；填料經過磨削填入切割錯誤的凹槽中；鋼條周圍的焊接沒有得到充分的貫入以使填料與整體導軌金屬進行熔合；由于導軌底面缺乏足夠的熔合，導致應力過載，產生裂紋。

3 歸因環境條件的故障失效

KSC所處的地理位置受到鹽霧、高溫、高濕、日曬、雷電等自然環境因素的影響，易于形成腐蝕現象；此外，發射時所排放的化學推進劑則加快了地面設施設備的腐蝕速度，從而導致部件的故障失效［7］。

3.1 失效案例

39號發射工位避雷系統的鋼纜通過型鍛裝置進行張力試驗，評定其損傷情況，以便為未來航天項目采用何種鋼纜提供技術依據。該線纜為316型不銹鋼，6×19右向逆絞，7×7的獨立纜芯，2001年安裝，2008年拆除。

在進行張力試驗的過程中，一個鋼纜試樣產生斷裂，但該斷裂處不是出現在型鍛位置。根據對鋼纜斷裂處的目測結果表明，該損傷可能是因兩種環境因素形成的，即：雷電與腐蝕［9］。

3.2 檢測與分析

3.2.1 雷電性損傷

1）根據對鋼纜表面的觀測，可將其若干處損傷確定為局部熔融，在鋼纜熔化損傷處檢測到橙色的腐蝕情況。通過SEM對損傷處檢測，其立體顯微照片中反映出因某一局部加熱事件而形成的金屬熔珠（圖4中藍色箭頭所指）。

圖4 鋼纜繩的SEM照片與橫截面Fig.4 SEM image（top）and cross?section（bottom）of the wire rope

2）將呈現熔化和再凝固的損傷處進行橫切，用于金相檢測（圖4中黃色線）。對損傷處橫截面的檢測結果顯示，19根鋼絲中有5根受到損傷，出現類似焊接的樹狀微結構，表明該材料曾被熔化并再凝固（圖4中左下角插圖）。主體金屬在在橫向上含有極細的奧氏體紋理。浸蝕劑擇優與熔化和再凝固的金屬發生反應，這說明該金屬材料比原鋼纜易受到化學作用。在鋼纜受損部分觀測到的腐蝕物就是上述化學反應的結果。

3）對鋼纜橫截面進行微硬度測量，結果顯示鋼纜的受損部分與非受損部分在硬度上無明顯差異，這表明鋼纜受損部分的熱影響區非常小。

3.2.2 腐蝕性損傷

1）圖5為通過肉眼和顯微儀器觀測到的一些鋼絲內部點蝕情況。

一根鋼纜中大約有1／4的鋼絲因點蝕而減小了橫截面。SEM觀測結果表明：腐蝕作用不僅限于鋼纜的外部，在某些情況下，會擇優作用于鋼纜的內部，從而形成蟲蝕孔狀外觀。

2）采用EDS和SEM對點蝕鋼絲樣本進行分析，并觀測到點蝕部分的球形沉積物中含有鋁和氯（圖5中圓圈），這說明該點蝕受到航天飛機固體助推器（SRB）排放物沉淀的作用。SRB所排放的腐蝕物主要包括：氧、鐵、鉻以及少量的氯和硫磺。該腐蝕現象的發生主要歸結于SRB排放的含氯沉淀物與其他海洋沉積物對不銹鋼絲造成的氯化物點蝕作用。

圖5 鋼纜橫截面（右）與點蝕顯微照片（左）Fig.5 Cross?section of the wire（top right）and stereodroscope image（top left）

3）將其中一根有點蝕現象的鋼絲安裝在金相檢測設備上，對其縱截面進行觀測。結果顯示：鋼絲內約有2／3的部分都出現點蝕現象（圖5右上部分）。鋼絲的紋理結構因冷加工作用而被極度拉伸。由于腐蝕機理對紋理結構進行縱向作用，紋理邊緣的侵蝕導致鋼絲內部呈蟲蝕孔狀點蝕。

NASA／KSC曾對發射臺避雷系統的鋼纜進行了為期8年的金相評估，結果表明，鋼纜的局部受損歸結雷電和腐蝕這兩種不同的環境因素。在上述兩個案例中，由于每根鋼纜中只有1／4的鋼絲受損，這種局部受損特性不會影響到鋼纜的整體強度。因雷電而受損的部分通常都出現在鋼纜的表面，但鋼絲內的點蝕情況比較難以通過目測檢查出來。

4 歸因操作與維護的故障失效

各類發射設備部件在任務實施過程中要不斷承受所施加的設計荷載，如何實施恰當的設施設備維修對KSC而言一直是一項技術挑戰。對于一些元器件和結構件，其維修操作是無法在一個潔凈的環境中展開的，因而實施一項恰當的維護操作也是確保任務成功的關鍵因素［7］。

4.1 失效案例

KSC的履帶運輸車（CT）在進行維修時，發現了一個球形軸承出現裂紋，因此從CT的操縱汽缸中取出該軸承進行失效分析［10］。該球形軸承主要是在操縱CT四個獨立轉向架的其中一個時，用于承受水平荷載，因此設計施工圖要求采用AISIE 52100軸承鋼材。圖6為操縱汽缸位置（藍色箭標）和出現裂紋軸承的位置（紅色箭標）。

4.2 檢測與分析

KSC對此軸承裂紋做了如下檢測與分析［10］：

圖6 CT與球形軸承（右圖中黃色箭標處為裂紋）Fig.6 Image of CT and sphere bearing

1）將對球形軸承進行液體貫入的非損傷性評估與磁粒子檢查。在軸承的圓周線設置了一個潤滑凹槽，裂紋末梢正位于潤滑凹槽的下方。從裂紋所在位置可以直接觀測到球形軸承內表面的一個參考點，該參考點設在軸承的較低位置，表明軸承受到不均勻壓力的作用。

2）球形軸承被切割開，將裂紋打開，呈現出斷裂表面。斷裂表面涂敷了一層油脂，在被打開時散發出一股燒焦味道，這表明軸承是在操作過程中產生裂紋的。將斷裂表面進行超聲波清洗并目測檢查，斷裂表面所呈現的螺旋線狀裂紋痕跡表明該失效是呈遞增式發展的（圖7）。圖7中的藍色箭標所指的是起始點的位置，即位于球形軸承的弱軸。

圖7 斷裂表面與裂紋標記（黃線）Fig.7 The revealed fracture surface displayed crack arrest marks

3）采用SEM對斷裂表面的分析結果顯示，斷裂表面主要呈粒間斷裂特性，局部呈微孔集聚狀。斷裂表面還呈現油漬和腐蝕物，這更證明了該軸承的斷裂是在使用過程中產生的。定性／半定量EDS和SEM的分析結果顯示：腐蝕物主要包含鐵、氧及少量的硅和硫磺。雖然立體顯微沒有觀測到疲勞層理，但斷裂特征符合高強度鋼遞增式失效的特點。

4）斷裂表面橫截面的金相試樣顯示出二次斷裂的粒間特性，其微結構含有回火馬氏體、散布均勻的不溶解碳顆粒及錳硫化物脈紋，而SEM／EDS分析也確定了黑色顆粒是錳硫化物。金相試樣的全厚度微硬度測量值轉換成洛氏C標尺（HRC）后為平均56HRC，滿足設計所規定的最低值55HRC。

5）技術人員從兩個軸承位置和未用油脂管中提取潤滑劑試樣進行分析。一是失效軸承處的潤滑劑，該處潤滑劑在安裝了新軸承后發生了變化，所以是未用油脂與失效時油脂的混合物；二是從汽缸中提取了未變化的試樣，以便分析標準的操作性樣本；三是從進行軸承維護時的油脂容器中提取的未使用油脂。兩種使用過的樣本顏色均比未使用的樣本要深，并含有各種顆粒，從而降低了油脂的潤滑度。

水含量樣本采用傅立葉轉換紅外線光譜儀（FT?IR）和卡爾·費休法進行分析。FT?IR的分析結果確認所有樣本都是鋰皂類油脂，符合設計要求的油脂構成。卡爾·費休法的結果顯示在使用過程中該油脂吸收了水。未使用的油脂樣本表明增加的水含量是由于老化和存儲時暴露的結果。定性／半定量的SEM／EDS對從兩份已使用油脂中提取的顆粒的分析結果表明，油脂中含有金屬和非金屬顆粒。各種顆粒的構成符合腐蝕物及沙、巖石碎屑等其他雜質的特性。

潤滑劑的分析結果表明：由于老化和雜質顆粒極大地降低了球形軸承的功能；粗視檢測則發現軸承的內壁上出現不同軸性，從而導致軸承呈遞增式失效。而不同軸性則是因施加了一定負荷而使油脂失效所導致的。

5 歸因研發設計的故障失效

一個部件的設計對其整個使用壽命周期的順利操作起著決定性作用，絕大部分部件都是一直按照其設計要求完成各項功能的。然而在設計過程中，有時會無法考慮到全部影響因子，如：維修與檢測的可達性；在長達30多年項目實施過程中陸續開展的對原設計的各項改造，都會導致一定的失效［7］。

5.1 失效案例

在“星座”計劃實施期間，檢測人員在三個新型避雷塔不同高度的9個焊接處上發現了焊趾裂紋［11］。這些9個焊接點主要位于直徑25.4 cm主水平管與2個直徑20.3 cm支撐管之間（圖8）。技術人員從避雷塔30.85m處的裂紋上提取了一個代表性試樣進行分析。在切割操作的過程中對部件進行了溫度測量，以確保部件不受到過熱影響，從而導致微結構變化。避雷塔的鋼管采用ASTM500 B級碳鋼材料。技術人員對試樣分別進行立體顯微取照、SEM分析、化學分析與金相分析，以確定焊趾裂紋裂紋的成因。

圖8 新型避雷塔的局部示意圖Fig.8 Images of the partially assembled lightning towers

5.2 檢測與分析

KSC對此焊趾裂紋檢測與分析的結果如下［11］：

1）在完成初步取照后，對試樣的橫截面進行立體顯微以及金相、化學與斷口組織的分析。圖9左下所示1＃樣本在切割后，整個裂紋的斷裂表面呈現有腐蝕物。右下所示2＃樣本在打開后形成了一個實驗室導出的過載區，裂紋表面已延伸到25.4 cm水平主管的內直徑處，并逐漸變細。在斷裂表面沒有觀測到涂料痕跡，這表明該裂紋是在涂完漆料后產生的，并在取樣前形成了腐蝕物。

2）采用SEM對放大后的1＃樣本的斷裂表面進行斷口組織評估。斷裂表面經過超生波清潔，以清除腐蝕物。靠近25.4 cm主管外直徑的斷裂表面有明顯的脆性和韌性（混合形態）斷裂，呈現粒間與橫斷顆粒開裂擴張特性。粒間（IG）開裂擴張區由橫斷顆粒開裂擴張區包裹著。在管子的內直徑，觀測到有韌性應力過載特性的微孔集聚。

3）在對2＃樣本進行評估后，確定其裂紋擴張界線不是與疲勞導致的遞增式裂紋擴張增長相關的海灘痕跡，而是因聚集在斷裂表面的腐蝕物所導致的。二次電子（SE）成像沒有顯示出通常可在海灘痕跡中觀測到的疲勞紋或塑性橫斷顆粒變形。經過放大后，SE成像顯示出從IG至MVC的斷裂有稍許變化。此外，逆向散射電子（BSE）成像呈現出歸因于腐蝕物跡線（較深色部分）的強大反差，而EDS分析也確證了這點。可以判定該失效是受到幾何應力限制時的過載，該幾何應力條件主要用于防止材料產生塑性變形而形成以脆性斷裂特性為主的混合形態斷裂。

4）技術人員提取了3＃樣本，并將其橫截面進行固定、拋光和酸蝕，展露出焊珠、熱影響區和基底金屬微結構。金相分析結果顯示，在接合過渡部位靠近25.4 cm主管焊趾，由于焊接幾何產生應力集中而導致裂紋（圖10）。該裂紋與焊接處基本呈垂直狀態擴開，幾近長達整個焊點厚度，并在25.4 cm主管的內直徑以45°角偏移1 mm（圖10）。裂紋橫截面呈現微結構對于一個素碳鋼填料焊接的熱影響區、焊接金屬和基底金屬而言是容許的。微結構與裂紋形態分析表明，該失效既非氫誘發的斷裂，也非其他類型的材料斷裂。

5）通過光輻射譜測展開的化學分析表明，20.3 cm和25.4 cm鋼管的碳含量滿足設計要求，其化學特性屬于正常范圍。通過努氏儀器測得的微硬度值則轉換成洛氏B標尺，轉換后的硬度值表明，管子的機械特性達到設計技術要求。

6）經分析的裂紋剖面和斷裂組織顯示，避雷塔接合部失效主要歸因于應力過載。靠近25.4 cm管內直徑的斷裂表面氧化物量高于該管外直徑最初設計值，這表明濕氣侵入到裂紋里并沉積了很長時間。

圖9 代表性試樣（呈現斷口的兩個樣本）Fig.9 Removed coupon，as received，show ing location of tow samples

圖10 焊接橫截面的顯微照片Fig.10 Micrographs of the cross?section of the weld showing the crack at the toe of the weld

7）焊接處及其幾何特性呈現出正常狀態。沒有觀測到任何的焊接不連續性或瑕疵。在過渡區靠近焊趾處（一個應力集中區）出現斷裂，并向基底金屬擴張，而非沿著焊接熱影響區。微結構、硬度以及斷裂特性沒有顯示出氯誘發的失效機理。沒有觀測到與材料相關的其他失效機理。

8）將焊趾作為一個重要的應力集中點加以考慮時，應對接合區的載荷配置進行評估，以確定接合區是否過載。在實施下一步組裝與裂紋修復后，應消除可能產生的應力過載情況。

對上述失效的分類論證主要基于該失效情況中獲取的相關經驗。該新型避雷塔建成后，將高達152.33 m，其頂部避雷針高30.5 m，技術人員只能通過設在塔側邊的直爬梯進入避雷塔進行檢修。按照當前的進入方式，開展相應的常規檢測、維護與焊接是有一定難度的，因此，對于一個有著長遠規劃的航天項目，應在設計階段進行綜合考量。

6 歸因使用老化的故障失效

在航天飛機事故調查以及故障失效分析時，一個最受關注和重要的因素就是部件老化問題。許多狀況下，老化是產生失效的主要原因，在出現疲勞或銹蝕等失效機理時，只能通過常規檢測和部件更換來減緩這些失效問題［12］。

NASA／KSC的材料失效分析部門曾在2010年之前耗用3年時間，對50多個失效案例進行檢查，研究部件老化的失效分布情況，其結果［13］見圖11。

圖11 部件老化的失效分布示意Fig.11 Distribution of the ages of failures

某些地面保障設備（特別是服役時間超過20年的部件）的失效記錄歸入上述研究內容中，材料失效分析部門只選取了平均服役年限為17.5年的部件，其中1／3的失效案例為新生產的硬件，另有1／3的失效案例為使用年限超過20年的硬件。

失效分布情況需經過較長的時間段才能加以分析確定，本文目前還沒有收集到最新的KSC失效案例數據，但預計的老化失效分布情況將接近于雙峰分布，即：部件產生失效的比重要么是在壽命周期之始歸結于設計或生產制造因素，要么是在多年以后主要歸結于老化性失效。

7 結語

本文通過對對五類代表性的KSC故障失效成因的總結分析，強調了故障失效分析對于預防失效、確保航天系統的質量與可靠性的作用。隨著科學技術的進步，產品（系統）的結構越來越復雜，引起故障失效的原因也發生了較大變化。現在失效分析的研究更重視失效的潛在因素，最終目的是尋找預防失效的措施，以杜絕事故，實現由失效變為可靠的轉化。分析是基礎，預防是目的。因此，從這個意義上講，預防失效要比分析失效更重要，它對保證質量和可靠性具有更現實的意義。

［1］ 張宗美.航天故障手冊［M］.北京：宇航出版社：1994：4?12.

［2］ National Aeronautic and Space Administration.Report of the Presidential Commission on the Space Shuttle Changer Accident［R／OL］.June 6，1986.［2013?05］http：／／science.ksc. nasa.gov／shuttle／missions／51?1／docs／rogers?commission／table?of?contents.html

［3］ Board C A I.Columbia Accident Investigation Board Report［C］／／Vol.1.2003.

［4］ 胡紹林，黃劉生.航天故障的成因分析與診斷技術［J］.控制工程，2003，10（4）：295?298.

［5］ Katherine Stone.Materials engineering and failure analysis［R／OL］.Engineering and Technology Directorate（NE），／Materials Science Division（NE?L）.［2013?05］.http：／／ntrs.nasa.gov／archive／nasa／casi.ntrs.nasa.gov／20110014576＿2011015129.pdf

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［8］ Salazar V L.Suspect crack indications in payload canister trunnion support fittings［R］.KSC?MSL?2006?0409，2006.

［9］ Salazar V L.Analysis of wire rope from launch complexes（LC）39A and 39B［R］.KSC?MSL?2009?0081，2009.

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［12］ William C，Hoffman III.Age life evaluation of space shuttle crew escape system pyrotechnic components loaded with hexa?nitrostilbene（HNS）［R］.Lyndon B.Johnson Space Center，1996.

［13］ Salazar VL，Wright C.Failure analysis at the Kennedy space center［R］.AIAA?2010?2030，2010.［2013?05］

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［17］ 陳國宏，朱曼利，鄭明強.地面設備可靠性設計技術探討與實例分析［C］／／中國宇航學會發射工程與地面設備專業委員會學術交流會論文集，2006.

Cases Study on Failure Analysis at Kennedy Space Center

ZHAO Chen，LI Jie
（Center for Engineering Design and Research under the Headquarters of General Equipment，Beijing，100028，China）

With the increase of complexity in modern space system，more and more emphasis was made on the failure analysis.By reviewing several failure cases of the infrastructures and equipment in the Kennedy Space Center，the typical features of failures were analyzed and a comprehensive study was conducted on the failure causes and analysis methods to be used.This may serve as a reference for the reliability research on the infrastructures and equipment in our launch site.

space launch site；failure；analysis；detection

V554

A

1674?5825（2014）01?0082?07

2013?07?17；

2013?12?05

趙晨（1967?），女，本科，高級工程師，研究方向為航天發射場情報分析。E?mail：public358666＠163.com