“嫦娥五号”高温水升华热排散系统可信构造与确认.pdf
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1、“嫦娥五号嫦娥五号”高温水升华热排散系统高温水升华热排散系统可信构造与确认可信构造与确认宁献文,曹瑞强,王玉莹,周晓伶(北京空间飞行器总体设计部空间热控技术北京市重点实验室,北京100094)摘要:针对“嫦娥五号”月球探测器高温水升华热排散系统研制过程中面临的相关难题,探索并实践了一种“可信构造与确认”产品质量管理方法,从“设计正确”“验证充分”“过程受控”3 个方面开展了全系统、全要素和全过程的正向构造和确认,提出了一系列可信要素实现途径、方式与方法。在轨飞行表明:高温水升华热排散系统在轨性能与地面实验结果一致,增强了复杂集成单机系统正向设计、验证与过程控制能力,实现了高温水升华热控技术的首
2、次月面成功应用。关键词:嫦娥五号;热控;水升华器;可信质量管理中图分类号:V411.4;V417+.3文献标志码:A文章编号:1673-1379(2023)04-0408-05DOI:10.12126/see.2023038Dependability construction and confirmation on high temperature watersublimation heat dissipation system for ChangE-5NINGXianwen,CAORuiqiang,WANGYuying,ZHOUXiaoling(BeijingKeyLaboratoryofS
3、paceThermalControlTechnology,BeijingInstituteofSpacecraftSystemEngineering,Beijing100094,China)Abstract:InresponsetotherelevantdifficultiesencounteredinthedevelopmentoftheChangE-5hightemperaturewatersublimationheatdissipationsystem(HT-WSHDS),aproductqualitymanagementmethodofdependabilityelementconst
4、ructionandconfirmationwasexploredandpracticed.Theforwardconstructionandconfirmationoftheentiresystem,allelementsandwholeprocesswerecarriedoutfromthreeaspectsofcorrectdesign,sufficientvalidationandprocesscontrolled.Aseriesofapproachesforachievingdependabilityelementswereproposed.Theon-orbitflightdata
5、showthattheworkingperformanceofHT-WSHDSisconsistentwiththegroundexperimentalresults,whichenhancestheforwarddesign,verificationandprocesscontrolcapabilitiesofcomplexintegratedequipment.ItachievedthefirstsuccessfulapplicationofHT-WSHDSonthelunarsurface.Keywords:ChangE-5;thermalcontrol;watersublimator;
6、dependabilityqualitymanagement收稿日期:2023-03-30;修回日期:2023-08-02基金项目:国家自然科学基金项目(编号:11472040,52202505);北京市科技新星计划(编号:Z211100002121078)引用格式:宁献文,曹瑞强,王玉莹,等.“嫦娥五号”高温水升华热排散系统可信构造与确认J.航天器环境工程,2023,40(4):408-412NING X W,CAO R Q,WANG Y Y,et al.Dependability construction and confirmation on high temperature water
7、 sublimation heatdissipation system for ChangE-5J.Spacecraft Environment Engineering,2023,40(4):408-412Vol.40,No.4航天器环境工程第40卷第4期408SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2023年8月https:/E-mail:Tel:(010)68116407,68116408,68116544 0 引言引言水升华是一种消耗型散热技术,即通过使消耗水工质在真空下发生相变进行热量排散,可作为理想的空间短期热控措施1-3,曾在 Apollo 登月舱、航天飞机
8、与美/俄及我国舱外航天服中得到多次成功应用4。“嫦娥五号”任务中,为解决月面高温(可达 100)环境下探测器固定辐射器散热能力不足的难题,首次在月球无人探测领域构建了高温水升华热排散系统,作为辅助热沉协同解决月面无人自动采样过程中的短期大热耗散热难题5-9。水升华热排散系统运行过程中涉及多孔介质内气液固多相流、交变相变界面移动以及高真空稀薄气体流动等流体力学基础理论问题,是复杂的气液固多相流与传热传质相耦合的流动换热过程,流动特征与调控机制非常复杂,且工作温度高于传统水升华器产品,使得产品研制技术难度极大。同时,“嫦娥五号”高温水升华热排散系统包括 7 个种类 15 台部组件单机10,是较为复
9、杂的小型集成模块系统,不仅面临技术难度大、成熟度低的制约,而且具有单机数目多、配套单位多、研制进度紧等特点,带来的难题是如何满足复杂任务过程和系统的高可靠要求,实施全过程的精细化质量控制,确保航天型号研制及飞行任务一次成11。针对上述难题,“嫦娥五号”高温水升华热排散系统在研制过程中依据系统级相关要求,结合热控分系统关键项目自身任务特点,开展可信构造与确认工作,本文对相关实践经验进行总结。1 “可信构造与确认可信构造与确认”方法方法欧洲空间标准化合作组织标准(ECSS-Q-30B12)中指出,可信性是可靠性、可用性和维修性的集合性术语,定义为需要时按要求执行的能力。“嫦娥五号”探测器研制团队借
10、鉴可信性定义并应用于航天器研制过程,即将航天器“可信”概括为系统圆满实现任务目标的能力,将形成这一能力的方法概括为“可信构造与确认”,在航天器研制过程中以“设计正确、验证充分、过程受控”为目标,通过一系列理念、方法、工具的创新和应用,在“全系统、全要素、全过程”开展正向的构造和确认,最终实现通过过程正确保证复杂系统结果满足要求,其中:1)“全系统”指探测器系统、分系统、单机直至部组件、元器件,覆盖所有可数单元。2)“全要素”指全系统各组成部分实现“设计正确、验证充分、过程受控”所需关注的要素。3)“全过程”指探测器研制的方案阶段、初样阶段、正样阶段以及任务实施阶段等全部过程。4)“构造”指自上
11、而下地明确产品(要素)的作用、实现过程及其各个组成部分在产品(要素)中的安排、组织和相互关系,强调正向地用需求构造方案、用设计构造实现、用原因构造结果,要求产品实现全过程的每个工作项目都是先有想法、设计及过程推演再实施。5)“确认”指针对产品实现的全过程都对构造情况进行检查和确认,实时确认当前状态与构造的一致性,要求对前期的构造工作进行闭环、检查,强调在过程中实时确认。在实施层面,运用系统工程的工作方法,采取“系统抓总、分层负责”的组织方式,动员全体设计师、产保质量以及指挥调度人员按照可信构造与确认工作方法结合自身责任界面,开展设计、验证、过程控制以及实时确认工作,确保自身负责环节没有疑点和隐
12、患。“可信构造与确认”作为一种新型产品保证方法,能够很好地解决“嫦娥五号”这种复杂巨系统航天工程的质量管理难题,实现复杂系统工程一次做对,研制过程无疑点、无隐患,确保任务目标圆满成功。2 “可信构造与确认可信构造与确认”设计设计2.1设计正确针对“嫦娥五号”高温水升华热排散系统自身任务特点,正向构建出一套实现“设计正确”的可信构造与确认工作项目及实施流程(如图 1 所示)。工作任务工作环境技术指标六性要求地面条件工作机制重力无关准则击穿抑制方法验证方案设计产品六性设计产品特性分析“V”型研制流程加强设计把关协同策略再确认接口设计再确认验证环境再确认设计正确图1“设计正确”可信要素构造与确认流程
13、Fig.1Dependability element construction and confirmationprocessoncorrectdesign第4期宁献文等:“嫦娥五号”高温水升华热排散系统可信构造与确认409主要包括以下 3 个层面内容:1)从设计输入层面,针对工作任务、工作环境、技术指标、六性要求与地面条件等,开展可信要素构造与确认,确保设计输入完整、适宜、可行。对于高温水升华热排散系统,要重点分析工作环境与地面条件的不同,尤其是月面(1/6)g 与地面 1g 重力环境对高温热排散系统的不同影响。2)在具体设计层面,结合高温水升华热排散系统工作机制及工作模式,开展水升华换热器
14、重力无关设计、击穿抑制方法设计、产品六性设计以及验证方案设计等,提出一套高温水升华热排散系统设计理论与方法,建立水升华换热器参数的重力无关设计准则1,从而实现设计上的可信构造与确认。3)在实现途径上,创新性地在型号研制中运用双“V”字形设计流程,分解研制过程中的活动工作内容,制定活动实施程序,加强设计把关,设计完成后开展协同策略再确认、接口设计再确认与验证环境再确认等回头看工作。2.2验证充分面向高温水升华热排散系统工作过程中复杂流动特征与控制机制的验证和保障,基于全任务剖面比对分析结果,充分考虑不同重力场对水升华热排散系统性能的影响,构建出 2 套专用测试系统进行水升华换热器性能验证,以覆盖
15、全寿命周期贮存与工作条件,从而形成一套实现“验证充分”的可信构造与确认工作项目及流程(如图 2 所示)。验证充分理论分析验证系统综合测试系统力学试验系统热平衡试验系统接口验证部组件验收试验重力因素专项验证击穿抑制方法验证专项贮存试验换热器研制试验试验工况设计全任务剖面比对加强沟通协调启动条件再确认重力要素再确认使用环境再确认图2“验证充分”可信要素构造与确认流程Fig.2Dependability element construction and confirmationprocessonsufficientvalidation具体包括以下 3 个层面内容:1)在系统验证层面,加强理论分析验证
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