归因于空间环境的航天器故障与异常

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1、第28卷第4期航天器环境工程20l1年8月SPACECRAFTENvTRONMENTENG丌、JEERfNG375归因于空间环境的航天器故障与异常[1】冯伟泉编译，徐焱林校对(北京卫星环境工程研究所可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094)摘要：天然空间环境对航天器设计、研制和运行的影响是NASA马歇尔空间飞行中心系统分析和集成实验室电磁与航空宇宙环境部组织编写的一系列NAsARP报告的主题。其中，NASARP．1390详细概述了天然空间环境7个主要环境因素，包括它们的简单定义、相关的型号计划事项以

2、及对各种航天器分系统的影响。该报告提供100多个J^&1974～1994年间发生的归因于天然空间环境的航天器故障和异常的案例，统计分析天然空间环境及其对航天器的影响。文章是对这篇报告的介绍与点评。关键词：空间环境；航天器故障；统计分析中图分类号：V417+．7：V520文献标识码：E文章编号：1673-1379(2011)04-0375-015DoI：10．3969a．issn．1673—1379．2011．04．0140引言天然空间环境是与航天器运行无关的环境，包括原子氧(AO)、辐射环境和人为因素造成的

3、环境(如轨道碎片环境)等，其严格定义包括9类环境，即中性大气环境、热环境、等离子体环境、微流星体和轨道碎片环境、太阳环境、电离辐射、地磁场、重力场和磁层。本文(指文献【l】，全文同)阐述了其中7种环境，还列举了1974～1994年间发生的100多件归因于天然空间环境的航天器故障和异常事件。由以下两个故障案例可见一斑。第一个案例是1994年加拿大通信卫星公司(Telsat)的AnikE通信卫星由于静电放电(ESD)引发制导系统故障。1994年1月20日，AnikE．1号通信卫星突然失去控制，2h后，没有任何预

4、警，它的姊妹星AnikE．2号通信卫星也开始失去控制，引起全加拿大有线电视、电话、有线新闻、数据传输服务的中断。Telsat的工程师很快定位两颗卫星的陀螺制导系统被损坏。通过启动备份制导系统，工程师在8h后恢复了AnikE．1号通信卫星的功能。可是，AnikE一2号通信卫星的备份制导系统无法启动，这样Telsat估计会损失近2亿美元卫星以及约30亿美元收入。发生故障后，公共关系和卫星运行管理部门十分繁忙。这些卫星的服务要切换到其他卫星，地面站天线要调整角度重新对准，启动备份接收机和恢复“退休”的卫星，建立备

5、份频段链接，调整频率，特别要安抚客户，保证他们的卫星服务不会中止。通信功能恢复后，全通道客户减少了10个，随机通道客户减少了14个，业务受到很大影响，Telsat遭受严重损失。为了挽回损失，公司一直致力于AnikE．2卫星的修复，终于在1994年8月恢复了卫星的服务功能。他们研发出了一套新的地面控制系统，将该系统安装在卫星上，控制22个推进器以调整卫星位置和姿态，用星载传感器数据处理的计算机软件及其数据可以自动确定推进器点火顺序，保证卫星方向准确。尽管Telsat保住了AnikE-2号通信卫星及其相应业务，

6、但修复成本和部分年度业务损失共计5千万～7千万美元。原定10年卫星寿命的燃料消耗，由于修复调姿用去了大量燃料，只够9年卫星寿命的燃料了。另外，由于燃料减少，在9年寿命里卫星姿轨控操作成本又要增JJl7千万美元。在此之前，考虑到在轨飞行故障概率很低，与其他很多卫星运营商的观点一样，Telsat没有针对卫星的在轨故障进行投保。对这次故障原因进行分析，最后确认是航天器带电现象引起。众所周知，静电放电对卫星电子元器件有破坏作用。在每个Anik卫星中，ESD在收稿日期：2011-04．14；修回日期：2011-07．

7、26作者简介：冯伟泉(195仁)，男，研究员，长期从事航天器空间环境效应模拟及试验研究。E-mail：weiquan_feng@yahoo．tom．cn。376航天器环境工程第28卷陀螺制导系统控制电路中产生电磁脉冲，导致陀螺制导系统故障。第二个案例发生在1991年3月太阳活动频繁强烈时期，对地球及其卫星造成一系列不利影响，如产生地球辐射带第二个内带，使卫星故障和异常频繁、地面电站网中电涌剧烈等。高能太阳辐射到来后，高纬度地区卫星通信中断，地球同步轨道(GE0)运行环境卫星GOES．6和GOES．7上太阳电

8、池板功率发生明显退化，GOES一7预期寿命因而降低2～3年。另外，高能太阳粒子增加了航天器单粒子翻转(SEU)频次。包括GOES．6、GOES．7和TDRS．1号卫星在内的6颗GEO卫星据报道在这次太阳活动主要时段都发生了SEU。在此太阳活动的地磁暴期间，太阳活动事件的综合作用导致从太阳向地球的行星际磁冲击。在行星际干扰到达的几S内，CRRES卫星测得了进入地球磁层的电子流和质子流，形成第二个较稳定(几个月)的地