离子电推进在轨故障的统计分析研究

张天平 ，张雪儿 ，蒲彦旭

（1.兰州空间技术物理研究所 a.真空技术与物理重点实验室；b.甘肃省空间电推进技术重点实验室，兰州 730000）

0 引言

航天器的在轨故障历来是航天工程中特别关注的问题，一方面在轨故障往往会导致航天任务的重大损失；另一方面通过在轨故障汲取到的经验教训的工程价值重大。对世界各国在1980-2005年的156个航天器在轨故障，加拿大航天局的Tafazoli[1]进行了基于不同分系统的比较研究。对日本2002-2008年的航天器在轨故障，日本航空航天局的Saito[2]进行了基于设计缺陷、制造缺陷和随机失效的故障产生原因分析。这些分析研究均表明，推进系统故障是航天器在轨故障的重要组成。

电推进是在轨航天器的新型推进技术，电推进在航天器的应用范围正在不断扩展[3]。对1995-2015年期间应用电推进的航天器，Saleh等[4]进行了电推进在轨故障的统计分析及与化学推进在轨故障的比较。离子电推进作为最具代表性的电推进类型之一，兰州空间技术物理研究所研制的产品已经实现了我国通信卫星正式应用[5]。在对离子电推进在轨故障详细调研的基础上[6]，对1997-2018年离子电推进在轨故障进行了分类统计分析研究，主要包括对航天器影响的故障统计分析、对离子电推进系统影响的故障统计分析、在轨故障发生时间分布的统计分析等方面。

1 离子电推进故障对航天器影响的统计分析

1.1 影响航天器任务的故障分类

根据故障发生对航天器任务影响程度，离子电推进在轨故障细分为四类：

一类SC/F1：定义为离子电推进故障导致航天器原定任务失败；

二类SC/F2：定义为离子电推进故障导致航天器原定任务严重受损；

三类SC/F3：定义为离子电推进故障对航天器原定任务影响较小；

四类SC/F4：定义为离子电推进故障对航天器原定任务没有影响。

将离子电推进在轨故障分类进一步合并：一类故障和二类故障合并为严重类故障SC/FS、三类故障和四类故障合并为一般类故障SC/FL。

根据以上分类定义，文献[6] 中13颗航天器的离子电推进在轨故障如表1所列，其中以影响航天器任务最严重的故障作为离子电推进在轨故障。

表1 离子电推进航天器在轨故障分类信息Tab.1 Classified on-orbit faults in ion electric propulsion spacecraft

1.2 影响航天器故障分类的统计分析

成功发射航天器总计70颗；离子电推进出现在轨故障的航天器13颗，占航天器总数的18.57%。根据离子电推进在轨故障对航天器任务影响程度，分类故障统计数据如图1所示。其中总航天器占比为分类故障航天器相对总航天器的百分比例，故障航天器占比为分类故障航天器对全部故障航天器的百分比例。

图1 离子电推进航天器分类故障统计结果图Fig.1 Statistical results of classified faults in ion electric propulsion spacecraft

（1）离子电推进一类故障航天器1颗，即日本的PROCYON航天器，总航天器占比1.43%、故障航天器占比7.69%；

（2）离子电推进二类故障航天器6颗，即Galaxy8i、PAS 6B、Satmex 5、Galaxy 10R、Galaxy 4R、ETS-8，总航天器占比8.57%、故障航天器占比46.15%；

（3）离子电推进三类故障航天器3颗，即DirecTV 1R、Hayabusa-1、Artemis，总航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%；

（4）离子电推进四类故障航天器3颗，即DS-1、SJ-13、DAWN，总航天器占比4.28%、故障航天器占比23.07%。

总体上看，发生了离子电推进在轨故障的航天器占比不到五分之一，故障航天器中二类故障占比最高、三类和四类次之、一类最低。

1.3 不同国家航天器的分类故障统计分析

在入轨的70颗离子电推进航天器中，美国59颗、日本6颗、英国3颗、中国2颗、德国1颗，其中Artemis卫星共用了德国和英国的离子电推进。不同国家航天器的离子电推进在轨故障分类数据统计如图2所示，其中总故障占比、SC/FS故障占比和SC/FL故障占比均为相对本国航天器总数的百分比例。

图2 不同国家离子电推进航天器分类故障统计结果图Fig.2 National statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（1）美国XIPS-13离子电推进应用航天器22颗，发生SC/FS故障5颗、SC/FL故障1颗；XIPS-25离子电推进应用航天器35颗，未发生故障；NSTAR-30离子电推进应用航天器2颗，均发生了SC/FL故障。美国离子电推进航天器的总故障占比13.56%，其中严重类故障占比8.47%、一般类故障占比5.08%。

（2）日本μ-10离子电推进应用航天器2颗，发生SC/FL故障1颗；IES-12离子电推进应用航天器2颗，发生SC/FS故障1颗；MIPS离子电推进应用航天器2颗，发生SC/FS故障1颗。日本离子电推进航天器的总故障占比50.0%，其中严重类故障占比33.33%、一般类故障占比16.67%。

（3）英国T5离子电推进应用航天器2颗，发生SC/FL故障1颗；T6离子电推进应用航天器1颗，未发生故障。英国离子电推进航天器的总故障占比33.33%，其中严重类故障占比0.0%、一般类故障占比33.33%。

（4）中国LIPS-200离子电推进应用航天器2颗，发生SC/FL故障1颗。中国离子电推进航天器的总故障占比50.0%，其中严重类故障占比0.0%、一般类故障占比50.0%。

（5）德国RIT-10离子电推进应用航天器1颗，发生SC/FL故障。德国离子电推进航天器的总故障占比100.0%，其中严重类故障占比0.0%、一般类故障占比100.0%。

尽管存在因部分国家航天器数量太少而不具真正统计意义的疑虑，但总体来看：美国离子电推进航天器在数量占总数85.3%的情况下故障率处于最低水平，日本的离子电推进在轨故障率和影响严重程度明显高于英国、中国和德国。

2 离子电推进故障对电推进系统影响的统计分析

2.1 离子电推进系统影响的故障分类

（1）基于系统影响程度的单机故障分类

离子电推进的单机包括离子推力器（IT）、电源处理单元（PPU）、推进剂管理单元（PMU）、控制单元（CU）等，其中电缆归PPU、软件归CU。根据故障发生对离子电推进系统的影响程度，离子电推进单机在轨故障细分为四类：

一类IPS/F1：定义为单机故障导致离子电推进系统功能全部丧失；

二类IPS/F2：定义为单机故障导致离子电推进系统大部分功能丧失且无法完成预定任务；

三类IPS/F3：定义为单机故障仅导致离子电推进系统备份的部分或全部功能丧失；

四类IPS/F4：定义为单机故障对离子电推进系统没有影响，即故障可恢复或可消除。

将离子电推进在轨故障分类进一步合并：一类故障和二类故障合并为严重类故障IPS/FS、三类故障和四类故障合并为一般类故障IPS/FL。

（2）基于故障原因学科类别的单机故障分类

力学类MC：因外力、摩擦、压力等力学因素导致产品发生在轨故障；

电子类EC：因功率过载、短路、器件异常等电子学因素导致产品发生在轨故障；

热学类HC：因热量、温度等热学因素导致产品发生在轨故障；

软件类SC：因指令错误、软件缺陷等软件因素导致产品发生在轨故障；

环境类ENC：因外部环境因素导致产品发生在轨故障；

其他类OC：不在以上学科范围的因素导致产品发生在轨故障。

（3）基于故障原因工程技术类别的单机故障分类

设计缺陷DFC：由于存在设计缺陷或不足导致产品发生在轨故障；

制造缺陷MFC：由于存在制造缺陷或不足导致产品发生在轨故障；

验证不充分TFC：由于试验验证不充分或未全覆盖导致产品发生在轨故障；

随机失效RFC：由于随机性因素导致产品发生在轨故障；

未知原因UFC：由于未知原因或机理导致产品发生在轨故障。

根据以上分类定义，文献[6] 中13颗航天器的29个离子电推进单机在轨故障的分类情况如表2所列；对存在两个以上故障原因的情况，根据主要故障原因进行分类。

表2 离子电推进单机在轨故障原因分类信息Tab.2 Classified causes of on-orbit faults in ion EP's product units

2.2 各单机故障类型的统计分析

针对表2所列29例单机在轨故障，图3为各单机在轨故障相对比例，由此可见：

（1）电源处理单元和离子推力器为单机故障的主要贡献者，其中PPU故障比例达到44.83%、IT故障比例达到34.48%；

（2）离子电推进系统的严重类故障全部来自PPU和IT，并且PPU的严重类故障比例是IT严重类故障比例的4倍；

（3）PPU的严重类故障比例大于其一般类故障比例，IT的严重类故障比例为其一般类故障比例的四分之一；

（4）推进剂管理单元和控制单元的故障比例均不高，并且都是一般类故障。

总体来说，PPU和IT为离子电推进系统在轨故障的主要单机产品，特别是PPU具有故障多发和故障影响严重的双重特性。另外，IT一般故障比例偏高的问题值得引起关注和深究。

图3 离子电推进单机分类故障统计结果图Fig.3 Statistical results of classified faults in ion EP'sproduct units

2.3 各单机故障原因类别的统计分析

针对表2所列29例单机在轨故障原因的学科分类，图4为各单机故障学科原因的分类故障统计结果，均以故障总数29为比例基数。由此可见：

（1）EC和ENC因素为单机在轨故障的主要学科原因，分别占到总故障比例的48.27%和24.14%，其他各因素所占比例均低于7%；

（2）IT故障中ENC因素为主导，占到总故障比例的17.24%，占IT故障比例的50%；

（3）PPU故障中EC因素为主导，占到总故障比例的44.83%，占PPU故障比例的100%；

（4）ENC因素对CU单机、OC因素对IT单机的故障影响比例为6.9%，并列第三位。

图4 离子电推进单机故障学科原因分类统计结果图Fig.4 Statistical results of discipline causes of faults in ion EP's product units

针对表2所列29例单机在轨故障原因的工程技术分类，图5为各单机故障工程原因的分类故障统计结果，均以故障总数29为比例基数。由此可见：

（1）DFC、RFC和UFC因素为单机在轨故障的主要工程原因，分别占到总故障比例的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因素为主导，占到总故障比例的20.69%，占IT故障比例的60%；

（3）PPU故障中DFC因素为主导，占到总故障比例的31.03%，占PPU故障比例的69.23%；

（4）UFC因素对PPU单机的故障影响比例为10.34%，排第三位。

图5 离子电推进单机故障工程原因分类统计结果图Fig.5 Statistical results of engineering causes of faults in ion EP's product units

总体来说，学科分类中的电子和环境以及工程分类中的设计缺陷、随机失效和未知原因是造成离子电推进单机在轨故障的主要因素；环境和随机失效为推力器单机在轨失效的主要因素；电子和设计缺陷为PPU单机在轨失效的主要因素。

3 离子电推进发生在轨故障的时间分布统计分析

3.1 离子电推进发生故障的绝对时间分布数据分析

以4年为时间周期统计单元，离子电推进航天器严重类和一般类故障的发生时间分布如图6所示，图中还给出了各时间周期内成功发射的航天器数量。由此可见：

（1）在五个时间周期单元中，离子电推进航天器成功发射数量最少的7颗、最多的16颗，平均每4年发射13颗；

图6 离子电推进航天器分类故障绝对时间分布统计结果图Fig.6 Time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

（2）发生离子电推进严重类故障的航天器数量排序为：第二个时间周期内为3颗，第四个周期内为2颗，第一和第五个时间周期内均为1颗，第三个周期内为0颗。平均每4年有1.4颗；

（3）发生离子电推进一般类故障的航天器数量排序为：第二个时间周期内为2颗，第一、第四和第五个时间周期内均为1颗，第三个周期内为0颗，另外1颗时间不确定。平均每4年有1.2颗。

总体上，如果排除2001-2004年之间即第二个周期的例外情况，发生离子电推进一般类故障和严重类故障的卫星数量维持在平均每4年1颗的水平。所谓第二个周期的例外情况，指的是BSS-601HP平台离子电推进严重类故障集中爆发，3颗航天器发生严重类故障。

3.2 离子电推进发生故障的相对时间统计分析

以航天器预定寿命周期为基数，以表1中发生在轨故障时间和发射时间之差为无故障工作时间，可以得到12个故障航天器（1个无故障时间）发生严重和一般类故障分别对应的无故障工作时间相对预定寿命比例的统计结果，如图7所示。由此可见：

（1）离子电推进一般类故障多发生在工作寿命初期（即小于10%工作寿命）、少数发生在寿命中后期（即40%～80%工作寿命）；

（2）离子电推进严重类故障多发生在工作寿命前期（即10%～40%工作寿命）、少数发生在工作寿命末期（即大于80%工作寿命）。

图7 离子电推进航天器分类故障相对时间分布统计结果图Fig.7 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP spacecraft

这是一个非常有价值的统计结果：离子电推进工程应该特别关注在轨前期工作的可靠性。

3.3 离子电推进各单机发生故障的相对时间统计分析

以航天器预定寿命周期为基数，以表2中各单机发生在轨故障时间和发射时间之差为无故障工作时间，可以得到28个单机故障（1个无故障时间）分别对应的无故障工作相对时间比例统计数据，如图8～10所示。由此可见：

（1）IT在轨故障多发生在工作初期，且一般类故障占主导；

（2）PPU在轨故障多发生在工作初期和前期，且严重类故障占主导；

图8 离子电推进航天器IT和PPU分类故障相对时间分布统计结果图Fig.8 Relative time distribution statistical results of classified faults in IT and PPU units

图9 离子电推进航天器PMU和CU分类故障相对时间分布统计结果图Fig.9 Relative time distribution statistical results of classified faults in PMU and CU units

图10 离子电推进航天器单机分类故障相对时间分布统计结果图Fig.10 Relative time distribution statistical results of classified faults in ion EP's units

（3）PMU在轨故障多发生在工作初期和前期，均为一般类故障；

（4）CU在轨故障发生在工作全寿命期，均为一般类故障；

（5）单机在轨故障主要发生在工作初期和前期，其中初期以一般类故障为主，前期严重类故障较多。

总体来说，离子电推进各单机在轨故障绝大多数发生在工作初期和前期，其中有两个显著特征：一是工作初期一般类故障较多、工作前期严重类故障较多；二是PPU的严重类故障较多、IT的一般类故障较多。

4 总结

在1997年至2018年发射入轨的70颗应用离子电推进航天器上，发生离子电推进在轨故障的航天器有13颗，总计29个离子电推进单机故障。通过对离子电推进在轨故障进行统计分析，能够得到航天器应用离子电推进的重要经验总结；充分借鉴以往工程经验，有助于我国离子电推进工程的快速发展。

（1）发生在轨故障的航天器占离子电推进航天器总数的18.6%，其中离子电推进故障严重影响航天器任务完成的占比为10%；

（2）离子电推进发生在轨故障的主要单机为推力器和电源处理单元，合计占比高达80%。其中离子推力器故障中一般类故障占75%，电源处理单元故障中严重类故障占61%；

（3）环境因素和随机失效为推力器单机在轨失效的主要原因，电子学因素和设计缺陷为PPU单机在轨失效的主要原因；

（4）离子电推进一般类故障绝大部分发生在工作初期，而严重类故障绝大部分发生在工作前期，避免离子电推进工作初期和前期的失效故障是航天器工程的关键；

（5）对于离子电推进的一般类在轨故障，通过安全可靠的故障处理，大部分是可以消除或有效抑制的，因此及时有效的在轨故障处理策略是离子电推进应用工程的重要组成；

（6）各国航天器应用离子电推进要经历一个工程成熟化过程。美国波音公司走过了从XIPS-13早期多星应用失效到改进PPU逐步走向成功和后续XIPS-25大批量成功应用的历程，去除早期失效卫星后离子电推进严重故障率已经接近为零。日本正在经历失败与成功并存的发展阶段。