美国HESSI卫星振动试验事故

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　　作者：金恂叔(北京卫星环境工程研究所)
　　" 高能太阳光谱成像仪"(HESSI)卫星是美国NASA的小型探测器计划(SMEX)的一部分 。其主要任务是从事探测太阳耀斑中质点加速度和爆炸能量释放的基本物理学研究。它的质 量为290kg，造价4 000万美元。原定于2000年7月在轨道科学公司的飞马座-XL(Pegasus-XL) 火箭上发射，但是由于搭载Pegasus-XL火箭的高速飞机发生了事故，所以，HESSI卫星被推 迟到2002年2月5日发射入轨。该卫星在喷气推进实验室(JPL)进行了一系列振 动试验。在进行模拟卫星准静态载荷 的正弦-脉冲试验时，卫星经受了重大的过试验，它受到的输入加速度幅值达到20g， 是原定的试验条件的10倍，结构严重受损，4块太阳电池板中有3块被损坏。这一事件造成的 损失超过了100万美元，被定为A级事故。
　　事故发生后，应NASA总部的要求，组成了"HESSI试验事故调查小组"，由马歇尔航天中心 的D. A. Kross牵头，有NASA总部、哥达德航天中心(GSFC)、马歇尔航天中心(MSFC)、 肯尼迪航天中心(KSC)的人员参加。此外，加州大学Berkley分校(UCB)也派人参加了该 小组。JPL处于被审查地位，提供必要的资料和配合调查小组的工作。此外，JPL、GSFC、KS C、MSFC和UCB等单位都参与了该项调查中的各项试验和分析工作。调查早已结束，最后形 成的调查报告也已发表并在网上对此事故作了多篇报道。本文就该起事故的原因、调查 目的和调查开展方式以及最后的结论作一介绍。
　　1 概述
　　作为整个HESSI卫星飞行验证计划一部分的振动试验共有3项，首先进行了低频正弦扫频试验 ，用以评估数学模型的可靠性并识别共振频率;第2项是模拟主动段声振环境的随机振动试 验，这项试验采用了力控技术;第3项就是所谓正弦-脉冲试验的结构鉴定试验;它实际上 是通过振动台来产生一个一定振动频率的、振幅由低到高、振荡若干周 期后再下降到零的输入来模拟准静态载荷的作用，可以代替离心机或静力试验。试验是在1 台Ling A-249振动台上进行的，控制仪是VCP-9000控制系统。整个试验在2000年3月21日进 行，做完随机振动试验后接着做正弦-脉冲试验。在第1次的-12dB(1/4满试验量级) 预试时，试件受到的加速度幅值超过20g，导致试件损坏。
　　为调查该事故成立的、完全由JPL以外人员组成的事故调查小组，建立了详细的故障 树，并用试验和分析数据来研究过试验的每一个可能原因。然后制定了一个诊断试验计划来 试图再现过试验条件。通过诊断试验证实了关于过试验原因和机理的假设。因此，调查小组 确定，正弦-脉冲过试验是由于振动控制系统对振动台系统的整个增益特性作出了错误估计 。? 过试验条件的根源是滑台和花岗岩基础之间的静磨擦。它是由于滑台的一部分和花岗 岩基础之间的接触引起，这种接触是由振动台支承结构损坏而造成。该静磨擦使振动台系统 呈 现高度非线性特性送往控制仪，使控制仪无法计算出正确的力函数。由控制仪来的数据 计算出的传递函数证实了这种静摩擦的存在。促使事故发生的因素之一是缺少程序上的规 定要求，试验操作人员在转向正式试验前评估该关键的系统响应数据。而在将HESSI卫星装 上 振动台以前对试验设备能否用于正弦-脉冲试验未能进行有效的认证试验是造成事故发生的 另一个因素。如果进行了一项正弦-脉冲认证试验也许会暴露出振动台系统中的静磨擦问题 ，从而使JPL的试验人员在将卫星装上振动台以前纠正该问题。
　　在找出试验事故的确切原因和性质后，调查小组拟定了一份纠正措施清单来减少出现 类似事故的可能性。该清单送交JPL，并将完成这些措施作为JPL恢复振动试验工作的条件。 此外，还有一份纠正措施计划，包括对有问题的Ling A-249振动台进行修理或更换，送交JP L，完成该计划后才允许JPL在该Ling A-249振动台上做试验。

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　　3 调查小组的任务和调查方式
　　事故调查小组的基本任务有3条：
　　(1) 查出这次事故的根本原因;
　　(2) 就这次事故分析为什么现行的试验程序会出问题;
　　(3) 确定应该采取那些措施来加强和补充该试验程序以防止将来再出现类似的问题。
　　调查小组做出了一个详细的故障树，并使用试验和分析数据来考察可能引起事故发生的各种 原因。当事故原因集中到具体的几点后，制定一项诊断试验计划来试图重现过试验的条件。
　　3 事故原因分析
　　根据做出的故障树，对可能引起事故的各种软硬故障一一进行分析，从故障树的顶端 ，一直分析到最底层，找出问题所在。故障分析是按故障树的两个分支来检查的，一方面是 试验系统中可能存在的问题;另一方面是被试的卫星可能存在的问题。通过试验和分析，把 没有问题的部分逐步排除在外。
　　最后确定的关键故障路径是：由于振动台位置有了移动，引起滑台台面和花岗岩底座之间的 不对准;继而又引起滑 台的静磨擦增大，导致系统的故障。调查发现振动台的地脚螺钉已经变形，从而导致花岗岩 底座和滑台台面之间的静磨擦增大，再加上在很低的输入量级上进行自检使计算出来的驱动 信号很不正确。最后得到的输入幅值比预期的要大得多，使HESSI卫星结构经受了严重的正 弦-脉冲过试验而遭到损坏。
　　4 调查结论、事故的根源、起作用的因素、发现的问题和建议
　　关于调查结论和事故原因如第一节中所述。但是还应注意
　　对事故发生起作用的一些因素。所谓起作用的因素是指一些事件或情况，如果能及早发现和 注意到，有可能防止事故的发生。这些因素有：
　　(1) 滑台与底座不对准会导致滑台呈现非线性，振动台发生了移动未能及时发现。建议制 定一项规定，定期地评估振动台和滑台系统的机械状态是否正常。
　　(2) 试验人员不知道可利用获得的数据来评估由正弦-脉冲试验前自检计算出的传递函数质 量。建议在正弦-脉冲试验和冲击试验程序中应加上一条，在自检后对传递函数进行检查并 计算驱动电压。
　　(3)在卫星装上振动台之前，没有用正弦-脉冲试验对振动台进行认证试验。建议在试件到 达以前，应该进行模拟实际情况的试验，试验输入量级也应与真实的试验输入条件相同。
　　(4) 试验时使用的自检信号幅值太低，如果幅值高些，得到的传递函数也许会更接近真实。 建议选取适当的自检信号，使传递函数尽量反映进行试验时输入力的量级。
　　报告提出了在调查中发现的问题，这些问题是指一些虽不直接引起事故发生，但是有可能导 致事故或使试件受到不应有的危险。这些问题有：
　　(1) 目前没有对正弦-脉冲试验的设置有独立的过试验保护方法，而随机振动则不然。建议 JPL应该实行一项过试验保护方法。实际上，NASA中心已经有了这种保护方法。
　　(2) HESSI计划部门并未充分了解用计算机产生开环驱动信号来进行正弦-脉冲试验所有的 风险。而到计划的后期来对整星做该项试验，使这种风险进一步加大。如果对这种风险能充 分了解，也许可以采用其他的强度鉴定方法了。这种正弦-脉冲试验方法有它的优点：它本 身是一项振动试验，因此节省时间和费用。所以仍然鼓励采用这种试验。但是应该让卫星研 制部门充分了解这种试验的风险，同时要发展更安全的做法，例如在尽可能低的装配级来做 该项试验。
　　(3) 在试验计划中未规定正弦-脉冲试验的频率。选取适当的频率范围将能避免卫星和试验 设施的不希望的动态响应。应实现选定试验频率，并用它进行正确的认证试验。
　　(4) 在JPL的试验程序及其执行过程中也发现了一些问题：
　　例如试验程序中虽然规定要在进行正式试验前由质量保证部门检验所有关键的步骤， 但是在实际操作上被省略。有的步骤没有包括在内，如试前的设置和试后试件的拆卸， 低压和高压油泵的起动等。此外，还有安全措施不够，事故报告不详细等问题，调查 小组指出，需要JPL采取适当措施给以改进。
　　调查小组最后提出了以下几点作为应记取的教训：
　　(1) 试验设施应很好维护，使之经常处于良好的工作状态。应制定一些规程来评估系统的 机械状态是否正常并进行跟踪。
　　(2) 应制定一项"固定"的试验并利用它周期地对试验系统的响应提供一个趋势数据库。如 发现系统有任何异常，应加以分析研究。
　　(3) 在试验过程中，关键的控制系统响应数据，如传递函数或其逆函数以及计算得到的驱动 电压，应该实时地评估，以确信这些数据是合理的，系统没有问题发生。
　　(4) 在每一个计划的一系列试验进行前，在装上飞行硬件或关键硬件前应对试验设施进行认 证试验，试验应反映真实的试验条件。
　　(5) 进行自检时产生的响应应能代表计划试验时输入力的范围。对高幅值的冲击试验，振 动台系统往往不是线性的。
　　(6) 在试验计划中，应对特定的试验规定所有的试验要求。在正式进行试验以前，试验操作 人员必须有充分的数据来表明实现了完整的验证工作。
　　美国设备可靠性研究所的Tustin还加上了自己的6条：
　　(1) 以接近试验条件的量值来进行自检。
　　(2) 不要"开环"操作振动台系统。
　　(3) 给振动台系统装一个独立的"软关机"系统保护器，信号来自一个独立的(安全)加速 度计。
　　(4) 鼓励参试人员在怀疑有问题时及时提出。
　　(5) 至少用一台模拟式示波器显示未滤波的加速度时间历程。在做正弦试验时要详细研究任 何偏离正弦波形的情况。
　　(6) 要在振动台系统旁装一个拾音器通到控制间，及时听到振动台想"说"的话。
　　5 一点感想
　　针对HESSI卫星振动试验发生的事故，NASA专门组织了事故调查小组，写出了20多页的调查 报告，进行了许多试验，并将调查结果在网上公布，作为应吸取的教训供有关各方参考。事 故的性质说明，如果规章制度制定得更细一些，对系统的检查维护更加注意，事故不是不可 避免的。事实上，从报道中可以了解到，在前面的正弦和随机振动试验中已经出现了有静摩 擦的迹象--出现了波形失真，但是未予重视，也未认真研究一下失真的原因。这里，严格 的质量管理和检查程序十分关键。同时，试验操作人员的质量意识、技术水平与经验也都十 分重要。
　　振动试验是航天器环境试验的主要项目之一，试验量很大，久而久之在思想上就会有一种 老一套的想法，容易产生麻痹思想。另一方面，振动试验往往一来就很紧急，时间受很大限 制，试验工作时间很长，造成思想上的疲劳。这种赶时间、赶进度，挤试验时间的做法，很 容易出现问题。由此看来，JPL也有这种情况。事实上，振动试验隐藏了一 定的风 险。从试验条件、试验设置(试件安装和控制点选择)到试验控制技术及试验操作都可能会 发生问题，出现过试验，造成试件不必要的损坏，延误研制进度，造成很大经济损 失。因此，对每项试验，特别是重要的产品，都不能掉以轻心。试验工程师和操作人员需要 对所用的试验系统和试验技术要很好的掌握，对试验中的问题要总结，要进行研究。这 一振动试验事故也许可给我们一些启示。
　　转自中国国防科技论坛

helenzhao5

kkkttt 发表于 2010-10-10 23:08

                               
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3 调查小组的任务和调查方式
事故调查小组的基本任务有3条：
(1) 查出这次事故的根本原因；

好好学习呀！

行云流水

很好的案例 感谢分享