卫星推进系统泄漏故障原因分析与控制措施*

李湘宁，李兆光，王 渊，丁凤林，白建军

(北京控制工程研究所，北京 100190)

卫星推进系统泄漏故障原因分析与控制措施*

李湘宁，李兆光，王 渊，丁凤林，白建军

(北京控制工程研究所，北京 100190)

在卫星推进系统失效的原因中，泄漏故障占有很大的比重。卫星推进系统一旦发生泄漏故障，会降低系统可靠性，缩短卫星寿命，严重时会影响任务的完成和人员的安全。通过对推进系统泄漏故障的原因进行分析，提出了有针对性的预防和控制措施。介绍了推进系统地面和在轨泄漏故障的识别方法及相应的解决措施。

航天器；推进系统；泄漏故障；质量控制

卫星推进系统是卫星的重要组成系统之一，为卫星轨道机动、位置保持和姿态调整等操作提供所需的动力和力矩。卫星推进系统一旦发生在轨泄漏，往往是不可挽回的，严重的泄漏会导致整星的失败，较轻的泄漏也会导致卫星寿命缩短[1]。为了保证卫星推进系统可靠性，实现系统顺利交付和在轨可靠运行，必须采取适当的预防和控制措施，在系统研制初期消除推进系统可能存在的泄漏隐患。

1 卫星推进系统组成及工作方式

卫星推进系统的主要任务是与控制系统配合，在从星箭分离开始到卫星寿命终了的时间内，向卫星提供姿态和轨道控制所需的动力和力矩。卫星推进系统主要由变轨发动机、推力器、推进剂贮箱、高压气瓶、推进线路盒、压力传感器、过滤器、控制阀门及管路连接件等组成。典型的卫星双组元统一推进系统原理图如图1所示[2]。卫星双组元统一推进系统由气路部分与液路部分组成，气路部分仅用于转移轨道期间，液路部分用于卫星全寿命期间。

卫星推进系统的工作方式如下：在星箭分离后到气路系统接通前，卫星推进系统为吹下式工作模式，即高压氦气瓶不提供氦气，卫星推进系统由贮箱中预充的气垫维持推力器正常工作所需的压力；在转移轨道和中间轨道的变轨机动期间(从气路系统接通算起，到气路系统截断为止)，卫星推进系统为挤压式恒压工作模式，贮箱压力维持所需气体由高压氦气瓶提供；在气路断掉之后，直到卫星寿命结束的整个工作期间，卫星推进系统为吹下式工作模式。

图1 典型双组元卫星推进系统原理图

2 卫星推进系统泄漏故障及影响分析

卫星推进系统是由发动机、推力器、贮箱、气瓶、各种控制阀门及管路等组成的封闭系统。卫星推进系统泄漏包括内漏和外漏2种：内漏主要指由于阀门密封不合格，导致阀门上游气体或液体通过密封面漏入下游通道；外漏一般是因为壳体或管路焊接不合格等，存在泄漏通道，使通过其中的气体或液体泄漏到外界环境中。

由于卫星推进系统使用的推进剂通常具有强烈的毒性和腐蚀性，而且氧、燃推进剂接触后可直接反应，发生燃烧；因此，无论地面还是在轨发生泄漏，都将直接影响卫星的安全，如果在地面发生泄漏还有可能危及操作人员的人身安全。

2.1 卫星推进系统内漏影响分析

卫星在长寿命飞行中，有内密封面部件(如减压器、自锁阀、推力器电磁阀等)的卫星推进系统的内漏，会对卫星任务的完成造成较大的威胁。自锁阀内漏会使推进系统丧失安全禁止环节，且会影响到推进剂分配管理及推力器备份分支的使用；加排阀泄漏会造成推进剂泄漏，严重时可能全部泄漏，使卫星寿命变短或失效，推进剂泄漏还可能产生随机干扰力或力矩，轻者额外消耗推进剂，重者卫星失控，另外加排阀在地面加注时内漏严重，将直接影响推进剂加注地面操作，危及卫星及加注人员安全；在双组元推进系统中，减压器内漏会使推进剂贮箱内压力过大甚至破裂，单向阀内漏轻者会因推进剂蒸气反应沉积在减压器阀口造成减压器泄漏，重者会因氧、燃蒸气相遇自燃引起点火、爆炸等灾难性事故。

2.2 推进系统外漏影响分析

推进系统外漏包括增压气体泄漏和推进剂泄漏。增压气体泄漏会使增压气体无谓消耗，轻者降低卫星飞行寿命，重者使卫星无法入轨；推进剂泄漏会缩短卫星寿命，损坏泄漏区域周围卫星部件的功能，单元推进剂(如无水肼)或自燃的双元推进剂(如甲基肼/四氧化二氮)两路同时泄漏还会引起着火、爆炸、人员死伤和卫星损毁等灾难性后果。增压气体或推进剂外漏还可能会给卫星带来附加干扰力或力矩，造成额外的推进剂消耗或导致卫星失控。

3 卫星推进系统泄漏故障原因分析

3.1 内漏原因分析

造成推进系统内漏的原因主要有以下几种。

1)设计原因。阀体形状设计不合理，有隐藏多余物的死角和小尺寸通道，有易自污染的滑动部件产生多余物，使活动密封面磨损；密封的冗余设计考虑不周，且阀杆或阀座密封处设计不当；阀杆导向、对中、行程设计不当或设计对振动敏感等。

2)选材原因。选择了与推进剂不相容的材料，或密封性能好但持久性差的塑性变形软材料，或选用了易产生磨损粒子不利于长寿命工作的材料等。

3)使用原因。液体阀门在无液条件下多次通电工作会增大阀座应力，降低寿命，产生过热，增加内漏风险。

4)多余物控制不严。生产过程和试验环节洁净度控制不严，引入多余物。

5)鉴定试验和验收试验不充分。

3.2 外漏原因分析

造成推进系统外漏的原因主要有以下几种。

1)焊缝质量问题、检验手段不完善或疏忽。由于推进系统的管路连接采用焊接结构，因此每一个焊点都是一个潜在的外漏源。

2)机械连接处的密封面上有划痕、刮伤或污染物，以及密封面处因未锁紧而产生松动。

3)发射过程中苛刻的振动条件有可能使安装不当的组件受振，使其密封面或焊缝遭到破坏。

4)各部件设计的应力降额(安全余量)不够。

5)原材料、工艺及加工存在缺陷。

4 卫星推进系统泄漏故障识别方法

4.1 地面泄漏故障识别方法

卫星推进系统地面阶段主要通过漏率检测的方法来识别泄漏故障，具体如下。

1)卫星推进系统的部件在交付前进行漏率检测，通过判断部件的内、外漏率是否满足任务书要求来识别部件是否存在泄漏故障。

2)在总装集成和发射场阶段，卫星推进系统最有效的泄漏故障识别方法是系统检漏。通过在管路焊接后、整星环境试验后和卫星运输到发射场后的检漏来保证卫星推进系统在焊接完成后作为一个封闭系统满足漏率指标要求，且卫星在经历过较大的振动、运输和试验后，对系统的漏率有一个明确的测定。

4.2 在轨泄漏故障识别方法

卫星推进系统在轨阶段主要依靠对遥测数据的判读来识别泄漏故障，具体如下。

1)对压力传感器遥测数据进行检测。一旦系统发生泄漏，相应位置的压力传感器都会出现数据跳变的状况。在推力器不工作的状态，如果压力出现跳变，加之卫星姿态出现变化，即可初步判断推进系统有泄漏发生。

2)对温度遥测数据进行判读。由于推进剂泄漏时会导致相应测点的温度降低，因此温度遥测数据也从一个方面反映了泄漏发生的情况和部位。

3)通过卫星在轨姿态变化情况进行识别。

5 卫星推进系统泄漏故障的预防和控制措施

5.1 防泄漏工作要求

由于卫星推进系统泄漏故障关系到影响整星的成败，因此应通过严格的预防和控制措施消除推进系统泄漏隐患。防止泄漏发生应做到全面控制，全程检测。部件的漏率应满足任务指标要求；系统的焊缝、螺接点和总漏率检验应贯穿研制全过程，直到卫星发射前，漏率指标应满足任务要求。

5.2 防止内漏措施

5.2.1 密封设计

卫星推进系统的密封设计采用软对硬或硬对硬的密封形式，以保证部件的内漏率满足指标要求。推力器的电磁阀可采用双阀座结构，以增加密封的可靠性。

5.2.2 材料相容性

对于卫星推进系统材料和推进剂不相容造成的泄漏，应从产品设计的选材开始加以预防，具体要求如下。

1)卫星推进系统和部件的材料以及试验、加注设备上与推进剂相接触的材料，要求与推进剂的相容性达到I级，对于不能满足I级相容性要求的材料应进行相应的表面处理。

2)相容性工作要以数据为基础，通过1∶1等量或加速试验方式，做好推进剂相容性的分析工作，以数据和权威部门的判定作为依据。

3)相容性材料的选择要有充分的裕量，同时要考虑材料的使用环境。

5.2.3 多余物预防和控制

多余物是造成内漏的主要原因，应对推进系统的整个研制过程实行全流程的多余物控制，具体要求如下。

1)部件和产品设计。在设计阶段应充分考虑多余物的预防和控制，遵循避免内部产生和防止外部侵入多余物的原则。应优先选用抗多余物能力强的设计方案，选用少产生多余物的材料和有利于清除多余物的结构布局。在系统设计中，在易产生多余物的部件(如电爆阀)下游设置过滤器，在对污染敏感的部件(如推力器电磁阀)入口处设置过滤器。

2)工作和试验介质。对推进剂、增压气体、试验介质、模拟液、清洗液和吹除气体等工作介质均应建立纯度及清洁度规范，严格控制其中的非挥发性杂质含量。所有通入系统的推进剂、试验介质应经过滤器过滤。

3)部件生产和试验。部件装配前要求在显微镜下检查所有零件，去除可见毛刺；螺纹件应先进行跑合；金属及非金属零件在装配前应进行彻底清洗。部件应在十万级或优于十万级的洁净间内进行装配，装配后的产品应进行整机冲洗，吹干后及时安装保护帽。产品开盖试验应在十万级洁净间内进行，试验前应对试验工装和工具进行清洗；试验时试验介质应满足洁净度要求；产品试验完成后进行冲洗和洁净度判读。

4)系统总装和测试。卫星推进系统总装和测试过程应在洁净间进行。总装和测试过程使用的工装、设备应建立清洗、检查、维护和使用规范，并建立工装和设备履历书进行管理。部件安装前应对部件进行洁净度检查，部件安装全过程不得打开敞口部位保护帽。管路焊接前应对管路原管材内壁进行清洗和洁净度检测，检测合格的管路应尽快焊接。管路取样前，先对取样用管进行吹除。管路焊接操作应通过焊接保护气体，并严格控制焊接参数，防止飞溅物，焊接后所有开口应及时安装保护件。管路焊装完成后应进行管路吹除检查。

5)包装和运输。应采用不易产生多余物的包装方法，部件出、入口应用符合专用技术文件要求的防尘帽、保护帽封堵。部件包装完好后，放置在专门的运输箱中，所有接口、敞口部位应安装保护件。

5.2.4 部件的使用要求

卫星推进系统发动机和推力器组件电磁阀禁止空打或限制空打次数。单组元推力器组件严禁倒置，以防止催化剂倒流引起阀门泄漏。

5.3 防止外漏措施

1)推进系统部件及管路的原材料都要经过无损检测，合格后方能使用。

2)部件设计应进行应力分析，安全余量应符合规范要求。某些部件和材料还应进行辐照分析，以确保在设计寿命期间，在太阳冷热循环和辐照环境下不致引起器件或材料性能不可接受的衰退。还需要经过完善的试验与鉴定确认设计要求的实现(试验应包括比飞行条件更苛刻的压力、振动、热真空、热循环、辐照坏境及更高的电流、电压等)。

3)卫星推进系统除推力器组件和压力传感器外，均采用焊接结构，焊缝外漏率≤1×10-7Pa·m3/s；推力器组件和压力传感器采用螺接结构，外漏率≤1×10-6Pa·m3/s。

4)卫星推进系统所有焊缝都要经过无损探伤，焊接质量应符合Ι级焊缝要求。试焊件焊接后，应剖开试焊件焊缝，检查焊接深度。对于用于飞行的推进系统产品，每个焊点焊后都要进行检漏、耐压及X射线检验。

5)卫星推进系统在整星上安装的支架应满足刚度需要，以防止振动放大。

6)卫星推进系统上的螺接点应采用环氧胶或保险丝进行固封，以防止发生松动。

5.4 泄漏故障处理措施

5.4.1 地面泄漏故障处理措施

推进系统在地面发现泄漏故障时，通过氦质谱检漏方法判定出现泄漏的位置，根据泄漏位置的不同采取适当的解决措施，具体措施如下。

1)如果泄漏发生在螺接点处，则应拧紧螺接点，之后再次检漏，直到漏率满足任务要求。如果单纯的拧紧方式不能保证漏率满足任务要求，则应在密封面上加垫片，然后再拧紧检漏。

2)如果泄漏点在管路的焊缝处，则应补焊或切下此段管路，进行二次焊接。

3)如果某个部件发生泄漏，则应将此部件从系统中拆下，更换新的产品。

5.4.2 在轨泄漏故障处理措施

卫星推进系统在轨出现泄漏，可在识别漏点之后有针对性地采取措施，具体措施如下。

1)如果发生在某个推力器分支中，则应切换到备份的分支中或交叉切换。

2)如果泄漏出现在贮箱或气瓶等部位，对于单组元推进系统还可以进行切换分支，对于双组元推进系统则无法解决该问题。

[1] 王渊．航天器化学推进系统故障分析与对策[C].2010年第二十三届全国空间探测学术交流会．厦门：中国空间科学学会，2010.

责任编辑马彤

国内机床工具行业发展呈旺盛增长态势

“十五”以来，我国机床消费连创纪录，大陆市场机床消费总额(国内产品销售产值：进口额-出口额)和进口额已连续5年居世界第一，成为令全球瞩目的机床消费大国。据统计，2006年中国大陆市场机床消费额达131.1亿美元，同比增长约20%；机床进口72.4亿美元，同比增长11.55%，增幅比上年同期提高 1.7个百分点。对此，中国机床工具工业协会总干事长吴柏林称，中国机床消费额占全球机床销售总额的比重已达到20%以上，这是世界上任何国家难以比拟的(世界机床消费位列二、三、四名的日本约占15%，美国约占11.6%，德国约占10.6%)，这为机床产业发展提供了难得的市场机遇。强劲的市场需求拉动促使国内机床工具行业出现了产销旺盛的局面，其工业总产值和销售收入在连续5年保持20%以上增长率的基础上，2006年，又分别增长27.1%和26.4%，增幅高于上年同期2.3和0.9个百分点。其中，国产金属加工机床(含金属切削机床和金属成形机床)销售产值从2005年开始已上升到世界第3位，2006年达到552亿元人民币(70.6亿美元)；而国产机床由于技术水平的提升又重新赢得了国内用户的青睐，国内市场占有率升至44.8%，比上年同期增加5.1个百分点。与此同时，2006年我国机床出口金额也达到11.9亿美元，同比增长44.56%.国产机床可谓国内外市场双双走俏。近年来，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机床制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。

——摘自中国机床网

AnalysisandControlMethodsofSatellitePropulsionSystemLeakage

LI Xiangning, LI Zhaoguang, WANG Yuan, DING Fenglin, BAI Jianjun

(Beijing Institute of Control Engineering, Beijing 100190, China)

System leakage is a typical reason for the failure of satellite propulsion system. Leakage of the propulsion system may affect its reliability, reduce the satellite life, and even result in the failure of the satellite. The main reasons for the satellite propulsion system leakage were analyzed, and the corresponding control methods were given. The methods of leakage identification on-ground and in-orbit were introduced, and the resolve steps were presented separately.

spacecrafts, propulsion system, leakage, quality control

V 43

：A

李湘宁(1982-)，女，博士，工程师，主要从事航天器推进技术等方面的研究。

2014-08-01