CN109558653B - 一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法 - Google Patents

一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法 Download PDF

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Abstract

一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，包括：(1)建立能源系统安全性模型；(2)将预设的故障率参数指标注入所述能源系统安全性模型，得到安全性指标方程；(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界；(4)令能源系统在轨运行，监测能源系统的电流应力、热应力和机械应力的发生次数和量级；(5)将步骤(4)监测到的发生次数和量级注入到安全性指标方程中，得到能源系统安全实时值；(6)比较能源系统安全实时值与所述能源系统安全边界的大小，从而完成空间飞行器长期在轨能源系统的安全性评估。本发明解决了系统在轨维护和贮存管理的问题，为实现能源自主健康管理提供理论基础。

Description

一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法
技术领域
本发明涉及一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，属空间飞行器上能源系统管理应用领域。
背景技术
为适应我国未来空间飞行器任务需求，供配电系统面临长寿命、高可靠、高效智能、轻量化高集成等关键难题，推动供配电系统向智能化和高可靠自主管理的方向发展，为在轨能源系统安全性评估提供可能。
某型飞行器能源系统管理功能包括入轨段程控，充电控制器自主切换控制，蓄电池电量计充电控制，温度自主控制，帆板供电监控等。某深空探测领域飞行器能源系统管理功能包括蓄电池组放电电流的平衡控制、蓄电池过放电保护管理、火工品的程控起爆等自主管理技术。
目前国内在轨飞行器供配电自主管理多针对单机，特别是蓄电池的自主充放电管理，缺少对整个供配电系统的安全建模、健康状态预测、故障预警等管理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出了一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，通过建立空间飞行器能源系统在轨安全性模型，结合系统故障模式和边界设定条件等，对系统、单机、部件等关键设备进行累积损伤分析，提出电流应力、热应力、机械应力等累积损伤模式，用于能源系统在线评估。该成果可为总体提供系统安全性模型和在轨健康度评价方法，解决了系统在轨维护和贮存管理的问题，为实现能源自主健康管理提供理论基础。
本发明采用的技术方案为：
一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，步骤如下：
(1)建立能源系统安全性模型；
(2)将预设的故障率参数指标注入所述能源系统安全性模型，得到安全性指标方程；
(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界；
(4)令能源系统在轨运行，监测能源系统的电流应力、热应力和机械应力的发生次数和量级；
(5)将步骤(4)监测到的发生次数和量级注入到安全性指标方程中，得到能源系统安全实时值；
(6)比较能源系统安全实时值与所述能源系统安全边界的大小，从而完成空间飞行器长期在轨能源系统的安全性评估。
能源系统包括锂电池组、太阳电池阵和电源管理器。
建立能源系统安全性模型通过Teams软件实现。
根据预设的条件建立能源系统安全性模型，具体预设的条件包括：
(a)能源系统的组成及框图；
(b)能源系统对外接口定义及信号传递方向；
(c)能源系统各模块输入输出接口定义及信号传递方向；
(d)能源系统各模块内部信息流；
(e)影响能源系统安全性的故障模式和流出的输出接口。
所述预设的故障率参数指标如下表1所示：
表1典型器件类型及故障模式参数指标
Figure BDA0001867474250000021
Figure BDA0001867474250000031
。
所述步骤(2)安全性指标方程，具体为：
Figure BDA0001867474250000032
其中，λi为故障模式参数指标，Dij为能源系统累积损伤度，D为能源系统安全性指标；m为影响安全性的应力条件，包括电流应力、热应力和机械应力；nj为应力条件下的薄弱点数量，薄弱点是指导致某种故障模式发生的因素。
所述步骤(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界，具体为：
若假定部件在实际使用过程中，工况t下经历的累积损伤个数为Nt，而在标称工况下，其累积损伤个数为S时部件达到了其疲劳寿命，则定义累积损伤度Dij为
Figure BDA0001867474250000033
S即为能源系统耐受能力，当Nt＝S时，能源系统在某个故障模式下达到其安全边界。
能源系统安全实时值小于等于能源系统安全边界的一半时，能源系统处于安全状态。
能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的一半，并且小于等于能源系统安全边界的80％时，能源系统处于亚安全状态。能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的80％时，能源系统处于故障状态。
本发明带来的有益效果为：
(1)本发明基于系统组成和特性，通过Teams软件，建立影响系统安全性的故障模型，以器件类型和故障模式为基础，得到预设的故障率参数指标，进而得到安全性指标方程。通过电流应力、热应力和机械应力等试验获得部件耐受能力，注入安全性指标方程中，进而设定能源系统安全边界。结合长期在轨应用背景，将线性累积损伤理论应用于系统安全性评估。从而，提高空间飞行器能源系统状态监测和评估能力，提高系统可靠维护和贮存管理能力。
(2)提出了基于系统故障模型和特征的能源系统安全性模型，梳理出系统及关键环节的器件类型和故障模型参数指标，形成安全性指标，解决了系统安全性模型评价从定性到定量的有效评估指标体系问题。
(3)结合长期在轨应用背景的不同使用模式和环境，采用线性累积损伤理论，提出能源系统安全性评估的边界条件，为系统实现可靠维护和贮存管理提供技术支撑。
附图说明
图1为能源系统安全性评估流程。
图2为28V电源子系统模型。
图3为电池组模型；
图4为典型飞行器能源系统组成框图。
具体实施方式
为适应我国未来空间飞行器任务需求，供配电系统面临长寿命、高可靠、高效智能、轻量化高集成等关键难题，推动供配电系统向智能化和高可靠自主管理的方向发展，为在轨能源系统安全性评估提供可能。目前飞行器供配电仅对关键单机或整个系统的故障态进行研究，未形成对单机或系统安全性关联模型的特征提取、识别和边界设定等进行深入研究，从而无法实现故障预测和早期预警。针对上述问题提出一种多应力累积损伤理论的空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，通过建立空间飞行器能源系统在轨安全性模型，结合系统故障及其特征变量、识别方法和边界设定条件等，对系统、单机、部件等关键设备进行累积损伤分析，提出电流应力、热应力、机械应力等累积损伤模式，用于能源系统在线评估。该成果可为总体提供系统安全性模型和在轨健康度评价方法，解决了系统在轨维护和贮存管理的问题，为实现能源自主健康管理提供理论基础。
如图1所示，本发明提出了一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，步骤如下：
(1)建立能源系统安全性模型；
如图4所示，能源系统包括锂电池组、太阳电池阵和电源管理器。图中，SG为太阳电池阵，SR为开关调节器，PCU为电源控制单元，BCR为蓄电池充电器，BDR为蓄电池放电器，SR、PCU、BCR、BDR模块合称为电源管理器，DBU为配电单元，Li为负载。
根据预设的条件建立能源系统安全性模型，建立能源系统安全性模型通过Teams软件实现。具体预设的条件(即使用软件建模的输入条件)包括：
(a)能源系统的组成及框图；
(b)能源系统对外接口定义及信号传递方向，如表2所示；
(c)能源系统各模块输入输出接口定义及信号传递方向；
(d)能源系统各模块内部信息流；
(e)影响能源系统安全性的故障模式和流出的输出接口。
表2系统对外接口关系
Figure BDA0001867474250000051
以锂电池组模块为例，梳理软件建模使用的输入条件如表3、4、5所示：
表3对外接口关系
Figure BDA0001867474250000052
Figure BDA0001867474250000061
表4内部信息流关系
本单元输入端口名称 信号传递方向 本单元输出端口名称
/ / /
表5故障模式信息
Figure BDA0001867474250000062
按照上述输入条件，通过Teams软件绘制系统故障模型及其传递关系，建立安全性模型，如图2和图3所示，分别为28V电源子系统模型和电池组模型。
(2)将预设的故障率参数指标注入所述能源系统安全性模型，得到安全性指标方程；
预设的故障率参数指标如下表6所示：
表6典型器件类型及故障模式参数指标
Figure BDA0001867474250000063
Figure BDA0001867474250000071
安全性指标方程，具体为：
Figure BDA0001867474250000072
其中，λi为故障模式参数指标，Dij为能源系统累积损伤度，D为能源系统安全性指标；m为影响安全性的应力条件，包括电流应力、热应力和机械应力；nj为应力条件下的薄弱点数量，薄弱点是指导致某种故障模式发生的因素。
例如：某能源系统有m个因素影响安全性的薄弱点(分别为电流应力、热应力和机械应力的安全性影响，即m为3)，而每个应力条件下又分别有nj个故障模式，存在电流应力导致的安全性故障薄弱点n1个，热应力导致的安全性故障薄弱点n2个，机械应力导致的安全性故障薄弱点n3个。
设每个故障及其故障模式之间是相互独立的，Dij为系统累积损伤度，λi为系统损伤时发现某种故障模式的故障率，因此λiDij为系统累积出现某种故障模式的损伤度。从而，该能源系统的安全性指标D为系统累积损伤度Dij对m个因素的(n1+n2+n3)个故障模式的叠加。
(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界；
具体为：
若假定部件在实际使用过程中，工况t下经历的累积损伤个数为Nt，而在标称工况下，其累积损伤个数为S时部件达到了其疲劳寿命，则定义累积损伤度Dij为
Figure BDA0001867474250000073
S即为能源系统耐受能力，当Nt＝S时，能源系统在某个故障模式下达到其安全边界。
(4)令能源系统在轨运行，监测能源系统的电流应力、热应力和机械应力的发生次数(Nt)和量级；
(5)将步骤(4)监测到的发生次数和量级注入到安全性指标方程中，得到能源系统安全实时值；
具体为：
若假定能源系统考虑电流应力、热应力和机械应力的安全性影响，即m为3。存在电流应力导致的安全性故障薄弱点n1个，热应力导致的安全性故障薄弱点n2个，机械应力导致的安全性故障薄弱点n3个。在实际长期在轨使用过程中，电流应力某工况t1下经历的累积损伤个数为
Figure BDA0001867474250000081
其累积损伤个数为S1时系统达到了其疲劳寿命；热应力某工况t2下经历的累积损伤个数为
Figure BDA0001867474250000082
其累积损伤个数为S2时系统达到了其疲劳寿命；机械应力某工况t3下经历的累积损伤个数为
Figure BDA0001867474250000083
其累积损伤个数为S3时系统达到了其疲劳寿命；从而，得到能源系统安全实时值为
Figure BDA0001867474250000084
而在标称工况下，其累积损伤个数为S时部件达到了其疲劳寿命，则定义累积损伤度Dij为
Figure BDA0001867474250000085
S即为能源系统耐受能力，当Nt＝S时，能源系统在某个故障模式下达到其安全边界。
(6)比较能源系统安全实时值与所述能源系统安全边界的大小，从而完成空间飞行器长期在轨能源系统的安全性评估。
a,能源系统安全实时值小于等于能源系统安全边界的一半时，能源系统处于安全状态。
b,能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的一半，并且小于等于能源系统安全边界的80％时，能源系统处于亚安全状态。
c,能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的80％时，能源系统处于故障状态。
本发明基于系统组成和特性，通过Teams软件，建立影响系统安全性的故障模型，以器件类型和故障模式为基础，得到预设的故障率参数指标，进而得到安全性指标方程。通过电流应力、热应力和机械应力等试验获得器件耐受能力，注入安全性指标方程中，进而设定能源系统安全边界。结合长期在轨应用背景，将线性累积损伤理论应用于系统安全性评估。从而，提高空间飞行器能源系统状态监测和评估能力，提高系统可靠维护和贮存管理能力。另外，本发明还提出了基于系统故障模型和特征的能源系统安全性模型，梳理出系统及关键环节的器件类型和故障模型参数指标，形成安全性指标，解决了系统安全性模型评价从定性到定量的有效评估指标体系问题。

Claims (8)

1.一种空间飞行器长期在轨能源系统安全性评估方法，其特征在于步骤如下：
(1)建立能源系统安全性模型；具体预设的条件包括：
(a)能源系统的组成及框图；
(b)能源系统对外接口定义及信号传递方向；
(c)能源系统各模块输入输出接口定义及信号传递方向；
(d)能源系统各模块内部信息流；
(e)影响能源系统安全性的故障模式和流出的输出接口；
(2)将预设的故障率参数指标注入所述能源系统安全性模型，得到安全性指标方程；
具体为：
Figure FDA0004045714830000011
其中，λi为故障模式参数指标，Dij为能源系统累积损伤度，D为能源系统安全性指标；m为影响安全性的应力条件，包括电流应力、热应力和机械应力；
nj为应力条件下的薄弱点数量，薄弱点是指导致某种故障模式发生的因素；
(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界；
(4)令能源系统在轨运行，监测能源系统的电流应力、热应力和机械应力的发生次数和量级；
(5)将步骤(4)监测到的发生次数和量级注入到安全性指标方程中，得到能源系统安全实时值；
(6)比较能源系统安全实时值与所述能源系统安全边界的大小，从而完成空间飞行器长期在轨能源系统的安全性评估。
2.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：能源系统包括锂电池组、太阳电池阵和电源管理器。
3.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：建立能源系统安全性模型通过Teams软件实现。
4.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：所述预设的故障率参数指标如下表所示：
表典型器件类型及故障模式参数指标
Figure FDA0004045714830000021
。
5.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：所述步骤(3)将通过试验获得的电流应力、热应力和机械应力的耐受能力注入得到的安全性指标方程中，进而获取能源系统安全边界，具体为：
若假定部件在实际使用过程中，工况t下经历的累积损伤个数为Nt，而在标称工况下，其累积损伤个数为S时部件达到了其疲劳寿命，则定义累积损伤度Dij为
Figure FDA0004045714830000031
S即为能源系统耐受能力，当Nt＝S时，能源系统在某个故障模式下达到其安全边界。
6.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：能源系统安全实时值小于等于能源系统安全边界的一半时，能源系统处于安全状态。
7.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的一半，并且小于等于能源系统安全边界的80％时，能源系统处于亚安全状态。
8.根据权利要求1所述的一种能源系统安全性评估方法，其特征在于：能源系统安全实时值超过能源系统安全边界的80％时，能源系统处于故障状态。
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