[发明专利]基于非线性顺序损伤累加的太阳敏感器寿命预计方法

说明书

技术领域

本发明提供一种太阳敏感器寿命预计方法，特别是涉及一种基于非线性顺序损伤累加的太阳敏感器寿命预计方法，属于产品可靠性预计领域。

背景技术

太阳敏感器是通过敏感太阳矢量方位来确定矢量在星体坐标中的方位，从而获得航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。其主要包括光学探头和信号处理电路两部分。光学探头包括光学组件和探测器，利用光电转换功能实时获取星体相对太阳的姿态角度信息。

模拟太阳敏感器产生的输出信号是星体相对太阳矢量方位(太阳角)的连续函数；模拟式太阳敏感器又称为余弦检测器，常使用光电池作为其传感器件，它的输出信号强度与太阳光的入射角度有关，其关系式为：其中，Iθ—太阳光束与光电池法线方向的夹角。0—光电池的短路电流；模拟式太阳敏感器几乎全部都是全天候工作的，其视场一般在20--30°左右，精度在1°左右，它判断出现太阳信号的阈值以不高于太阳信号的80％(一般为50％)为门限。这样的精度对于通信卫星还可以，但对于对地观测的卫星来说，精度太低，因此，目前的通信卫星主要依赖这种模拟式的太阳敏感器。

太阳敏感器作为卫星重要的组成部位，其在发射阶段受到随机振动的影响比较大，在轨运行阶段，要周期性地经历日照区和阴影区，被周期性地加热和冷却，使得太阳敏感器往往要经受较大幅度的高低温变化，一般在-160℃～+120℃左右。工作寿命为30年的航天器在低地球轨道运行期间将承受17500次左右的热循环。温度循环导致电路板焊点等部位出现热疲劳失效。空间环境下，存在电离层等离子体、磁层等离子体和极光等离子体等低能带电粒子环境，也存在太阳宇宙线、银河宇宙线和地球辐射带等高能带电粒子辐射环境。在空间辐照下，太阳敏感器电路组件会出现热疲劳、振动疲劳和电应力损伤，而光学探头组件则会出现玻璃着色效应、表面溅射剥蚀、充放电效应和辐照诱发污染效应等。

目前，对产品的可靠性或者寿命的预计有两种方法。第一种是传统上的基于统计数据的可靠性预计方法。典型的手册有电子产品的GJB/Z299C-2006电子设备可靠性预计手册、美国军用标准MIL-HDBK-217F可靠性预计方法，机电产品通常采用基于历史数据的相似产品方法来进行可靠性预计。针对模拟型太阳敏感器这种光电产品，没有现成的可靠性预计手册，其故障历史数据也比较缺乏，可靠性或寿命预计无法参考传统的方式进行。产品寿命预计的另一种方法为故障物理，即通过确定产品的组成结构与载荷条件，利用故障机理与物理模型预测寿命。由于太阳敏感器在全寿命周期中所经历的载荷条件的阶段性，不同条件，不同阶段所造成的损伤不同，通常采用基于损伤累加的故障物理方法来预测寿命。目前应用较多的线性累积原则没有考虑载荷历程和载荷相互作用对损伤累积的影响，使得寿命预计存在较大的计算误差。同时，目前工程上太阳敏感器的故障机理采用竞争关系，取故障时间最小的机理作为系统主机理的方法也是不科学的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于非线性顺序损伤累加的太阳敏感器寿命预计方法，为设计改进和定型验证提供依据，从而提高太阳敏感器的固有可靠性。

本发明提供了一种基于非线性顺序损伤累加的太阳敏感器寿命预计方法，所述太阳敏感器包括电路组件和光学探头组件，所述电路组件包括信号处理电路板，所述光学探头组件包括柱面镜、硅光电池，硅橡胶粘结层，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、确定太阳敏感器的故障机理及选取物理模型；

步骤二、对太阳敏感器的电路组件进行单应力仿真及损伤计算；

步骤三、对太阳敏感器的光学探头组件进行单应力仿真及损伤计算；

步骤四、进行发射阶段振动应力和在轨阶段热应力下的疲劳机理损伤累加；以及

步骤五、运用故障机理树进行系统建模和寿命预计。

根据本发明的方法，可优选的是，在所述步骤一中，确定的故障机理包括：所述信号处理电路板的热疲劳、振动疲劳和电应力损伤，硅橡胶老化，石英玻璃透过率退化，以及硅光电池电压退化。

根据本发明的方法，可优选的是，所述步骤二包括：

a.对太阳敏感器的信号处理电路板进行热仿真、振动仿真和单应力损伤计算；

b.对太阳敏感器的信号处理电路板进行电应力仿真及损伤计算。

根据本发明的方法，可优选的是，所述步骤三包括：

a.由选取的硅橡胶老化失效模型计算硅橡胶的预计寿命；

b.由选取的石英玻璃透过率退化模型计算石英玻璃的预计寿命；