基于循环应力加速退化试验的动量轮寿命预测方法研究

摘要

动量轮（MV）是卫星姿态控制的关键执行机构。随着我国航天装备制造能力的不断进步，其可靠性不断提高，使用寿命也大为延长，在较长时间内往往难以观察到其发生失效，可见动量轮具有长寿命、高可靠、小子样的典型特点。传统建立在大样本和寿命数据统计推断基础上的寿命预测方法已经难以适用。为更好的模拟动量轮在轨复合工况，航天工业部门设计并实施了一种以转速为应力的循环和冲击复合的加速退化试验。目前国内外对此类复合工况试验数据退化建模和寿命建模问题还鲜有研究。本文针对此问题开展了相关研究并运用到工程实践中。论文主要内容包括以下几个方面：
　　(1)定性与定量分析相结合的方法确定关键性能退化量。首先介绍动量轮的结构和工作原理，深入分析动量轮的应力情况和失效机理，分析动量轮性能参数的物理含义及其与失效的关系，通过这一系列的定性分析初步筛选出可能的性能参数。然后结合数据定量分析，讨论相应性能参数的趋势性和一致性是否适合于性能退化建模。本文通过该方法最终选取了总功耗作为表征动量轮性能的关键特征量。
　　(2)将循环应力试验的复合工况转换为单一工况，再对单一工况分别建立性能退化模型。循环应力加速退化试验能较好的模拟动量轮在轨复合工况，得到更加真实的产品寿命信息，但是直接对复合工况数据进行分析存在较大困难。本文根据数据特点首先对复合工况进行剥离，分解出稳态工况和冲击工况，然后再对这两种工况分别建立了 Wiener过程性能退化模型并进行参数估计。
　　(3)稳态工况和冲击工况加速模型。结合动量轮在轨工况的应力特点，分别建立了以动量轮转速振幅和最大转速为输入的稳态工况加速模型，以及以加速最大幅度和减速最大幅度为输入的冲击工况加速方程，以两类加速方程为依据构建动量轮地面试验工况与在轨工况条件下寿命转换的定量模型。
　　(4)基于串联系统可靠模型，将在轨稳态工况和冲击工况融合起来，建立动量轮寿命模型，最后通过预测某型动量轮在轨运行工况下的可靠度和寿命，验证了方法的工程实用性和有效性。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要内容及结构安排

1.4 本文的主要工作与创新

第二章 动量轮失效分析

2.1 动量轮结构及工作原理

2.2 动量轮应力分析

2.3 动量轮失效模式分析

2.4 动量轮失效机理分析

2.5 性能退化特征量初步筛选

第三章 循环应力加速退化试验及初步分析

3.1 试验概况

3.2 试验结果初步分析

3.3 试验数据预处理

3.4 性能退化特征量选定

第四章 动量轮地面试验退化建模

4.1 Wiener过程退化模型

4.2 动量轮地面试验退化建模

4.3 动量轮地面试验加速方程

第五章 动量轮在轨寿命预测

5.1 Wiener过程寿命预测方法

5.2 某型动量轮在轨情况

5.3 在轨工作寿命预测

第六章 总结与展望

6.1 本文的主要贡献

6.2 进一步的研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果