離子電推進在軌故障的統計分析研究

張天平 ，張雪兒 ，蒲彥旭

（1.蘭州空間技術物理研究所 a.真空技術與物理重點實驗室；b.甘肅省空間電推進技術重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

航天器的在軌故障歷來是航天工程中特別關注的問題，一方面在軌故障往往會導致航天任務的重大損失；另一方面通過在軌故障汲取到的經驗教訓的工程價值重大。對世界各國在1980-2005年的156個航天器在軌故障，加拿大航天局的Tafazoli[1]進行了基于不同分系統的比較研究。對日本2002-2008年的航天器在軌故障，日本航空航天局的Saito[2]進行了基于設計缺陷、制造缺陷和隨機失效的故障產生原因分析。這些分析研究均表明，推進系統故障是航天器在軌故障的重要組成。

電推進是在軌航天器的新型推進技術，電推進在航天器的應用范圍正在不斷擴展[3]。對1995-2015年期間應用電推進的航天器，Saleh等[4]進行了電推進在軌故障的統計分析及與化學推進在軌故障的比較。離子電推進作為最具代表性的電推進類型之一，蘭州空間技術物理研究所研制的產品已經實現了我國通信衛星正式應用[5]。在對離子電推進在軌故障詳細調研的基礎上[6]，對1997-2018年離子電推進在軌故障進行了分類統計分析研究，主要包括對航天器影響的故障統計分析、對離子電推進系統影響的故障統計分析、在軌故障發生時間分布的統計分析等方面。

1 離子電推進故障對航天器影響的統計分析

1.1 影響航天器任務的故障分類

根據故障發生對航天器任務影響程度，離子電推進在軌故障細分為四類：

一類SC/F1：定義為離子電推進故障導致航天器原定任務失敗；

二類SC/F2：定義為離子電推進故障導致航天器原定任務嚴重受損；

三類SC/F3：定義為離子電推進故障對航天器原定任務影響較小；

四類SC/F4：定義為離子電推進故障對航天器原定任務沒有影響。

將離子電推進在軌故障分類進一步合并：一類故障和二類故障合并為嚴重類故障SC/FS、三類故障和四類故障合并為一般類故障SC/FL。

根據以上分類定義，文獻[6] 中13顆航天器的離子電推進在軌故障如表1所列，其中以影響航天器任務最嚴重的故障作為離子電推進在軌故障。

表1 離子電推進航天器在軌故障分類信息Tab.1 Classified on-orbit faults in ion electric propulsion spacecraft

1.2 影響航天器故障分類的統計分析

成功發射航天器總計70顆；離子電推進出現在軌故障的航天器13顆，占航天器總數的18.57%。根據離子電推進在軌故障對航天器任務影響程度，分類故障統計數據如圖1所示。其中總航天器占比為分類故障航天器相對總航天器的百分比例，故障航天器占比為分類故障航天器對全部故障航天器的百分比例。

圖1 離子電推進航天器分類故障統計結果圖Fig.1 Statistical results of classified faults in ion electric propulsion spacecraft

（1）離子電推進一類故障航天器1顆，即日本的PROCYON航天器，總航天器占比1.43%、故障航天器占比7.69%；

（2）離子電推進二類故障航天器6顆，即Galaxy8i、PAS 6B、Satmex 5、Galaxy 10R、Galaxy 4R、ETS-8，總航天器占比8.57%、故障航天器占比46.15%；

（3）離子電推進三類故障航天器3顆，即DirecTV 1R、Hayabusa-1、Artemis，總航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%；

（4）離子電推進四類故障航天器3顆，即DS-1、SJ-13、DAWN，總航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%。

總體上看，發生了離子電推進在軌故障的航天器占比不到五分之一，故障航天器中二類故障占比最高、三類和四類次之、一類最低。

1.3 不同國家航天器的分類故障統計分析

在入軌的70顆離子電推進航天器中，美國59顆、日本6顆、英國3顆、中國2顆、德國1顆，其中Artemis衛星共用了德國和英國的離子電推進。不同國家航天器的離子電推進在軌故障分類數據統計如圖2所示，其中總故障占比、SC/FS故障占比和SC/FL故障占比均為相對本國航天器總數的百分比例。

圖2 不同國家離子電推進航天器分類故障統計結果圖Fig.2 National statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（1）美國XIPS-13離子電推進應用航天器22顆，發生SC/FS故障5顆、SC/FL故障1顆；XIPS-25離子電推進應用航天器35顆，未發生故障；NSTAR-30離子電推進應用航天器2顆，均發生了SC/FL故障。美國離子電推進航天器的總故障占比13.56%，其中嚴重類故障占比8.47%、一般類故障占比5.08%。

（2）日本μ-10離子電推進應用航天器2顆，發生SC/FL故障1顆；IES-12離子電推進應用航天器2顆，發生SC/FS故障1顆；MIPS離子電推進應用航天器2顆，發生SC/FS故障1顆。日本離子電推進航天器的總故障占比50.0%，其中嚴重類故障占比33.33%、一般類故障占比16.67%。

（3）英國T5離子電推進應用航天器2顆，發生SC/FL故障1顆；T6離子電推進應用航天器1顆，未發生故障。英國離子電推進航天器的總故障占比33.33%，其中嚴重類故障占比0.0%、一般類故障占比33.33%。

（4）中國LIPS-200離子電推進應用航天器2顆，發生SC/FL故障1顆。中國離子電推進航天器的總故障占比50.0%，其中嚴重類故障占比0.0%、一般類故障占比50.0%。

（5）德國RIT-10離子電推進應用航天器1顆，發生SC/FL故障。德國離子電推進航天器的總故障占比100.0%，其中嚴重類故障占比0.0%、一般類故障占比100.0%。

盡管存在因部分國家航天器數量太少而不具真正統計意義的疑慮，但總體來看：美國離子電推進航天器在數量占總數85.3%的情況下故障率處于最低水平，日本的離子電推進在軌故障率和影響嚴重程度明顯高于英國、中國和德國。

2 離子電推進故障對電推進系統影響的統計分析

2.1 離子電推進系統影響的故障分類

（1）基于系統影響程度的單機故障分類

離子電推進的單機包括離子推力器（IT）、電源處理單元（PPU）、推進劑管理單元（PMU）、控制單元（CU）等，其中電纜歸PPU、軟件歸CU。根據故障發生對離子電推進系統的影響程度，離子電推進單機在軌故障細分為四類：

一類IPS/F1：定義為單機故障導致離子電推進系統功能全部喪失；

二類IPS/F2：定義為單機故障導致離子電推進系統大部分功能喪失且無法完成預定任務；

三類IPS/F3：定義為單機故障僅導致離子電推進系統備份的部分或全部功能喪失；

四類IPS/F4：定義為單機故障對離子電推進系統沒有影響，即故障可恢復或可消除。

將離子電推進在軌故障分類進一步合并：一類故障和二類故障合并為嚴重類故障IPS/FS、三類故障和四類故障合并為一般類故障IPS/FL。

（2）基于故障原因學科類別的單機故障分類

力學類MC：因外力、摩擦、壓力等力學因素導致產品發生在軌故障；

電子類EC：因功率過載、短路、器件異常等電子學因素導致產品發生在軌故障；

熱學類HC：因熱量、溫度等熱學因素導致產品發生在軌故障；

軟件類SC：因指令錯誤、軟件缺陷等軟件因素導致產品發生在軌故障；

環境類ENC：因外部環境因素導致產品發生在軌故障；

其他類OC：不在以上學科范圍的因素導致產品發生在軌故障。

（3）基于故障原因工程技術類別的單機故障分類

設計缺陷DFC：由于存在設計缺陷或不足導致產品發生在軌故障；

制造缺陷MFC：由于存在制造缺陷或不足導致產品發生在軌故障；

驗證不充分TFC：由于試驗驗證不充分或未全覆蓋導致產品發生在軌故障；

隨機失效RFC：由于隨機性因素導致產品發生在軌故障；

未知原因UFC：由于未知原因或機理導致產品發生在軌故障。

根據以上分類定義，文獻[6] 中13顆航天器的29個離子電推進單機在軌故障的分類情況如表2所列；對存在兩個以上故障原因的情況，根據主要故障原因進行分類。

表2 離子電推進單機在軌故障原因分類信息Tab.2 Classified causes of on-orbit faults in ion EP's product units

2.2 各單機故障類型的統計分析

針對表2所列29例單機在軌故障，圖3為各單機在軌故障相對比例，由此可見：

（1）電源處理單元和離子推力器為單機故障的主要貢獻者，其中PPU故障比例達到44.83%、IT故障比例達到34.48%；

（2）離子電推進系統的嚴重類故障全部來自PPU和IT，并且PPU的嚴重類故障比例是IT嚴重類故障比例的4倍；

（3）PPU的嚴重類故障比例大于其一般類故障比例，IT的嚴重類故障比例為其一般類故障比例的四分之一；

（4）推進劑管理單元和控制單元的故障比例均不高，并且都是一般類故障。

總體來說，PPU和IT為離子電推進系統在軌故障的主要單機產品，特別是PPU具有故障多發和故障影響嚴重的雙重特性。另外，IT一般故障比例偏高的問題值得引起關注和深究。

圖3 離子電推進單機分類故障統計結果圖Fig.3 Statistical results of classified faults in ion EP'sproduct units

2.3 各單機故障原因類別的統計分析

針對表2所列29例單機在軌故障原因的學科分類，圖4為各單機故障學科原因的分類故障統計結果，均以故障總數29為比例基數。由此可見：

（1）EC和ENC因素為單機在軌故障的主要學科原因，分別占到總故障比例的48.27%和24.14%，其他各因素所占比例均低于7%；

（2）IT故障中ENC因素為主導，占到總故障比例的17.24%，占IT故障比例的50%；

（3）PPU故障中EC因素為主導，占到總故障比例的44.83%，占PPU故障比例的100%；

（4）ENC因素對CU單機、OC因素對IT單機的故障影響比例為6.9%，并列第三位。

圖4 離子電推進單機故障學科原因分類統計結果圖Fig.4 Statistical results of discipline causes of faults in ion EP's product units

針對表2所列29例單機在軌故障原因的工程技術分類，圖5為各單機故障工程原因的分類故障統計結果，均以故障總數29為比例基數。由此可見：

（1）DFC、RFC和UFC因素為單機在軌故障的主要工程原因，分別占到總故障比例的37.93%、31.03%和20.69%，其他各因素所占比例均低于7%；

（2）IT故障中RFC因素為主導，占到總故障比例的20.69%，占IT故障比例的60%；

（3）PPU故障中DFC因素為主導，占到總故障比例的31.03%，占PPU故障比例的69.23%；

（4）UFC因素對PPU單機的故障影響比例為10.34%，排第三位。

圖5 離子電推進單機故障工程原因分類統計結果圖Fig.5 Statistical results of engineering causes of faults in ion EP's product units

總體來說，學科分類中的電子和環境以及工程分類中的設計缺陷、隨機失效和未知原因是造成離子電推進單機在軌故障的主要因素；環境和隨機失效為推力器單機在軌失效的主要因素；電子和設計缺陷為PPU單機在軌失效的主要因素。

3 離子電推進發生在軌故障的時間分布統計分析

3.1 離子電推進發生故障的絕對時間分布數據分析

以4年為時間周期統計單元，離子電推進航天器嚴重類和一般類故障的發生時間分布如圖6所示，圖中還給出了各時間周期內成功發射的航天器數量。由此可見：

（1）在五個時間周期單元中，離子電推進航天器成功發射數量最少的7顆、最多的16顆，平均每4年發射13顆；

圖6 離子電推進航天器分類故障絕對時間分布統計結果圖Fig.6 Time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（2）發生離子電推進嚴重類故障的航天器數量排序為：第二個時間周期內為3顆，第四個周期內為2顆，第一和第五個時間周期內均為1顆，第三個周期內為0顆。平均每4年有1.4顆；

（3）發生離子電推進一般類故障的航天器數量排序為：第二個時間周期內為2顆，第一、第四和第五個時間周期內均為1顆，第三個周期內為0顆，另外1顆時間不確定。平均每4年有1.2顆。

總體上，如果排除2001-2004年之間即第二個周期的例外情況，發生離子電推進一般類故障和嚴重類故障的衛星數量維持在平均每4年1顆的水平。所謂第二個周期的例外情況，指的是BSS-601HP平臺離子電推進嚴重類故障集中爆發，3顆航天器發生嚴重類故障。

3.2 離子電推進發生故障的相對時間統計分析

以航天器預定壽命周期為基數，以表1中發生在軌故障時間和發射時間之差為無故障工作時間，可以得到12個故障航天器（1個無故障時間）發生嚴重和一般類故障分別對應的無故障工作時間相對預定壽命比例的統計結果，如圖7所示。由此可見：

（1）離子電推進一般類故障多發生在工作壽命初期（即小于10%工作壽命）、少數發生在壽命中后期（即40%～80%工作壽命）；

（2）離子電推進嚴重類故障多發生在工作壽命前期（即10%～40%工作壽命）、少數發生在工作壽命末期（即大于80%工作壽命）。

圖7 離子電推進航天器分類故障相對時間分布統計結果圖Fig.7 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

這是一個非常有價值的統計結果：離子電推進工程應該特別關注在軌前期工作的可靠性。

3.3 離子電推進各單機發生故障的相對時間統計分析

以航天器預定壽命周期為基數，以表2中各單機發生在軌故障時間和發射時間之差為無故障工作時間，可以得到28個單機故障（1個無故障時間）分別對應的無故障工作相對時間比例統計數據，如圖8～10所示。由此可見：

（1）IT在軌故障多發生在工作初期，且一般類故障占主導；

（2）PPU在軌故障多發生在工作初期和前期，且嚴重類故障占主導；

圖8 離子電推進航天器IT和PPU分類故障相對時間分布統計結果圖Fig.8 Relative time distribution statistical results of classified faults in IT and PPU units

圖9 離子電推進航天器PMU和CU分類故障相對時間分布統計結果圖Fig.9 Relative time distribution statistical results of classified faults in PMU and CU units

圖10 離子電推進航天器單機分類故障相對時間分布統計結果圖Fig.10 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP's units

（3）PMU在軌故障多發生在工作初期和前期，均為一般類故障；

（4）CU在軌故障發生在工作全壽命期，均為一般類故障；

（5）單機在軌故障主要發生在工作初期和前期，其中初期以一般類故障為主，前期嚴重類故障較多。

總體來說，離子電推進各單機在軌故障絕大多數發生在工作初期和前期，其中有兩個顯著特征：一是工作初期一般類故障較多、工作前期嚴重類故障較多；二是PPU的嚴重類故障較多、IT的一般類故障較多。

4 總結

在1997年至2018年發射入軌的70顆應用離子電推進航天器上，發生離子電推進在軌故障的航天器有13顆，總計29個離子電推進單機故障。通過對離子電推進在軌故障進行統計分析，能夠得到航天器應用離子電推進的重要經驗總結；充分借鑒以往工程經驗，有助于我國離子電推進工程的快速發展。

（1）發生在軌故障的航天器占離子電推進航天器總數的18.6%，其中離子電推進故障嚴重影響航天器任務完成的占比為10%；

（2）離子電推進發生在軌故障的主要單機為推力器和電源處理單元，合計占比高達80%。其中離子推力器故障中一般類故障占75%，電源處理單元故障中嚴重類故障占61%；

（3）環境因素和隨機失效為推力器單機在軌失效的主要原因，電子學因素和設計缺陷為PPU單機在軌失效的主要原因；

（4）離子電推進一般類故障絕大部分發生在工作初期，而嚴重類故障絕大部分發生在工作前期，避免離子電推進工作初期和前期的失效故障是航天器工程的關鍵；

（5）對于離子電推進的一般類在軌故障，通過安全可靠的故障處理，大部分是可以消除或有效抑制的，因此及時有效的在軌故障處理策略是離子電推進應用工程的重要組成；

（6）各國航天器應用離子電推進要經歷一個工程成熟化過程。美國波音公司走過了從XIPS-13早期多星應用失效到改進PPU逐步走向成功和后續XIPS-25大批量成功應用的歷程，去除早期失效衛星后離子電推進嚴重故障率已經接近為零。日本正在經歷失敗與成功并存的發展階段。