CN114580118B - 一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及航天可靠性分析技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法，包括如下步骤：步骤1：根据磨损试验数据及寿命模型，计算推力器寿命相对工程需求的裕度，确定工程失效模式；步骤2：利用工程失效模式寿命模型和QMU方法计算不确定度下的寿命范围，确定关键失效模式；步骤3：根据关键失效模式寿命模型和参数不确定度，抽样计算寿命样本并拟合其分布；步骤4：按照任务剖面和各失效模式间的关系，逐级计算推力器完成工程任务的可靠性指标。本申请大大提高了评估结果的可信度，极大地扩展了适用范围，寿命和可靠性模型可以基于现有试验数据来建立，无需额外开展可靠性试验，在保证较高精度的同时节约了大量的成本。
Description
技术领域
本申请涉及航天可靠性分析技术领域，具体而言，涉及一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法。
背景技术
离子推力器是电推进的一种，它利用介质氙气体电离生成带电离子，在静电场的作用下加速喷出产生推力，所以又称静电推进。与传统化学推力器相比具有高比冲，高效率，推力小的特点，可以用来执行南北位保、轨道提升及深空探测等空间任务。由于离子推力器推力比较小，这就要求必须运行较长的时间才能达到总冲量的要求，因此，离子推力器作为长寿命设备一般要求能够在轨可靠运行数千小时甚至上万小时，所以对离子推力器服役寿命的可靠性分析具有重要意义。
在现有专利中，比如专利公开号CN103995970A，公开日是2014年8月20日，名称为“离子推力器极小子样可靠性评估方法”中公开了离子推力器无失效数据和极少失效数据的可靠性评估方法，该方法根据离子推力器的失效及结构特点选取寿命分布模型，最后计算出离子推力器给定寿命的可靠度置信下限和给定可靠度的寿命置信下限。这种方法是一种离子推力器寿命及可靠度评估方法，虽然具有适应各类失效数据的特点，但其不足之处是：根据推力器特点选取的寿命模型并无量化指标，因此不能保证是关键失效模式所对应的寿命模型，所得结果可能偏乐观；计算可靠度或寿命时并未考虑到任务剖面的影响，即评估结果仅针对单工作模式，应用领域受限。又如利公开号CN105844095A，公开日是2016年8月10日，名称为“基于性能退化的离子推力器小子样可靠性评估方法”中公开了采用性能退化试验评估离子推力器可靠性的方法，该方法根据性能退化模型，对多台离子推力器开展性能试验并多次测试性能退化值，最后对离子推力器进行小子样可靠性评估。这种方法是一种离子推力器可靠性评估方法，虽然确保了结果的保守性，但其不足之处是：需要对多台离子推力器开展性能退化试验，成本高昂；性能退化模型及试验中未考虑到任务剖面的影响，应用领域受限。再如专利公开号CN108959770A，公开日是2018年12月7日，名称为“基于区间统计量的卫星推力器可靠性分析方法”中公开了采用定时截尾寿命试验分析推力器可靠性的方法，该方法对多台推力器开展定时截尾寿命试验，通过区间统计量估计失效时间，评估推力器可靠性。这种方法是一种推力器可靠性评估方法，虽然可以根据任务剖面开展寿命试验，但其不足之处是：评估结果仅适用于当前任务剖面，应用领域受限；需要对多台推力器开展定时截尾寿命试验，成本高昂。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种面向工程任务的离子推力器寿命及可靠性定量评估方法，突破了仅适用于单工作模式或特定任务剖面的限制，基于现有试验数据建模，并根据参数实际范围抽取大量样本，从而避免额外开展可靠性试验的高昂成本。
为了实现上述目的，本申请提供了一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法，包括如下步骤：步骤1：根据磨损试验数据及寿命模型，计算推力器寿命相对工程需求的裕度，确定工程失效模式；步骤2：利用工程失效模式寿命模型和QMU方法计算不确定度下的寿命范围，确定关键失效模式；步骤3：根据关键失效模式寿命模型和参数不确定度，抽样计算寿命样本并拟合其分布；步骤4：按照任务剖面和各失效模式间的关系，逐级计算推力器完成工程任务的可靠性指标。
进一步的，步骤1中，工程失效模式的判定特征为裕度系数是否小于1.5。
进一步的，裕度系数小于1.5的为工程失效模式。
进一步的，步骤2中，关键失效模式的判定特征为寿命裕度系数是否为最小值。
进一步的，寿命裕度系数最小的为关键失效模式。
进一步的，步骤3中，寿命样本分布的拟合采用三参数Weibull分布。
进一步的，步骤4中，可靠性指标的计算采用条件概率逐级计算。
本发明提供的一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法，具有以下有益效果：
本申请以定量指标引入工程失效模式和关键失效模式，确保重点评估对象是推力器工作过程中的薄弱环节，并且最终评价依据是其中最薄弱的部分，大大提高了评估结果的可信度，通过逐级概率计算方法对复杂任务剖面与多种失效模式进行解耦，不仅考虑到实际任务中推力器在多种工作模式交替下的运行状态，而且在任务变更或新增任务的情况下可对任务剖面进行调整，极大地扩展了适用范围，寿命和可靠性模型可以基于现有试验数据来建立，无需额外开展可靠性试验；评估所采用样本是根据参数实际范围随机抽取的，样本容量可根据需要灵活调整，从而在保证较高精度的同时节约了大量的成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的离子推力器寿命及可靠性定量评估方法的流程图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所示，本申请提供了一种离子推力器寿命及可靠性定量评估方法，包括如下步骤：步骤1：根据磨损试验数据及寿命模型，计算推力器寿命相对工程需求的裕度，确定工程失效模式；步骤2：利用工程失效模式寿命模型和QMU方法计算不确定度下的寿命范围，确定关键失效模式；步骤3：根据关键失效模式寿命模型和参数不确定度，抽样计算寿命样本并拟合其分布；步骤4：按照任务剖面和各失效模式间的关系，逐级计算推力器完成工程任务的可靠性指标。
具体的，本申请实施例提供的离子推力器寿命及可靠性定量评估方法主要是面向工程任务的离子推力器进行定量评估，通过引入工程失效模式和关键失效模式，提高了评估结果的可信度；通过逐级概率计算方法对复杂任务剖面与多种失效模式进行解耦，从而突破了仅适用于单工作模式或特定任务剖面的限制；基于现有试验数据建模，并根据参数实际范围抽取大量样本，从而避免额外开展可靠性试验的高昂成本。
进一步的，步骤1中，工程失效模式的判定特征为裕度系数是否小于1.5。
进一步的，裕度系数小于1.5的为工程失效模式。
进一步的，步骤2中，关键失效模式的判定特征为寿命裕度系数是否为最小值。
进一步的，寿命裕度系数最小的为关键失效模式。
进一步的，步骤3中，寿命样本分布的拟合采用三参数Weibull分布。采用三参数Weibull分布能够提供寿命概率分布的直观图像解，适用于试验数据不足的情况，包括无失效数据的情况，三个分布参数可灵活调节，对分布数据的可拟合性非常强，可处理多种失效模式耦合作用的情况。
进一步的，步骤4中，可靠性指标的计算采用条件概率逐级计算。条件概率逐级计算将前序工作过程中的磨损效应引入寿命模型，通过这种模型修正解决了复杂任务剖面下各工作阶段极限寿命定量评估的难题。
下面结合具体的实施例对本申请提供的离子推力器寿命及可靠性定量评估方法进行更加完整的说明：
步骤1：根据某型离子推力器的1200h磨损试验数据结果和磨损模型预测，得到各失效模式FMi对应的极限寿命Ti相对任务需求寿命的裕度Mi，则裕度系数为fi＝Ti/(Ti-Mi)；其中i＝1，2，5时fi＜1.5，则对应的FMl(屏栅结构失效)、FM2(加速栅结构失效)、FM5(电子反流失效)为工程失效模式。
步骤2：应用该推力器的某任务剖面为{MPk，TLk，tk}，其中MPk为任务小节代号，TLk为第k小节的工作模式，tk为第k小节的工作时间。通过合并工作模式相近的任务小节，将原任务剖面简化为{MPk′，TLk′，t′k}，k＝1，2，3，4；其中t′1＝10127h，t′2＝10281h，t′3＝10827h，t′4＝4419h。接着用工程失效模式寿命模型计算TLk′下的极限寿命Ti，k，并考虑参数不确定度影响：对于仿真模型，对各参数进行随机抽样，代入模型得到相应的寿命范围；对于解析模型，其寿命不确定度为
式中Xk为模型参数。计算得工程失效模式寿命裕度系数f1＝0.96，f2＝1.26，f5＝1.14。则寿命裕度系数最小的FM1为关键失效模式，其寿命模型为T1，k＝F(Xk)。
步骤3：对T1，1进行500次抽样计算，统计其分布并进行三参数Weibull分布拟合，得到T1，1累积分布函数
对于后面3个任务小节，其寿命基于前序小节进行计算
同样进行500次抽样，得到分布函数
步骤4：推力器完成该任务的可靠性指标为
计算得P＝1，则该推力器能以100％可靠性指标完成任务。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种离子推力器寿命及可靠性定量评估的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据磨损试验数据及寿命模型，计算推力器寿命相对工程需求的裕度，得到各失效模式FMi对应的极限寿命Ti相对任务需求寿命的裕度Mi，则裕度系数为fi＝Ti/(Ti-Mi)，其中i＝1,2,5时fi＜1.5，确定工程失效模式，则对应的FM1屏栅结构失效、FM2加速栅结构失效、FM5电子反流失效为工程失效模式；
步骤2：利用工程失效模式寿命模型和QMU方法计算不确定度下的寿命范围，确定关键失效模式，包括如下过程：
应用推力器的任务剖面为{MPk,TLk,tk}，其中MPk为任务小节代号，TLk为第k小节的工作模式，tk为第k小节的工作时间；
通过合并工作模式相近的任务小节，将原任务剖面简化为{MPk',TLk',t'k},k＝1,2,3,4；
接着用工程失效模式寿命模型计算TLk'下的极限寿命Ti,k，并考虑参数不确定度影响：
对于仿真模型，对各参数进行随机抽样，代入模型得到相应的寿命范围；
对于解析模型，其寿命不确定度为
式中Xk为模型参数，计算得到工程失效模式寿命裕度系数，则寿命裕度系数最小的为关键失效模式，其寿命模型为T1,k＝F(Xk)；
步骤3：根据关键失效模式寿命模型和参数不确定度，抽样计算寿命样本并拟合其分布，包括如下过程：
对T1,1进行500次抽样计算，统计其分布并进行三参数Weibull分布拟合，得到T1,1累积分布函数
对于后面3个任务小节，其寿命基于前序小节进行计算
同样进行500次抽样，得到分布函数
步骤4：按照任务剖面和各失效模式间的关系，逐级计算推力器完成工程任务的可靠性指标，推力器完成该任务的可靠性指标为：
2.如权利要求1所述的离子推力器寿命及可靠性定量评估的方法，其特征在于，步骤1中，工程失效模式的判定特征为裕度系数是否小于1.5，裕度系数小于1.5的为工程失效模式。
3.如权利要求2所述的离子推力器寿命及可靠性定量评估的方法，其特征在于，步骤2中，关键失效模式的判定特征为寿命裕度系数是否为最小值，寿命裕度系数最小的为关键失效模式。
4.如权利要求1所述的离子推力器寿命及可靠性定量评估的方法，其特征在于，步骤3中，寿命样本分布的拟合采用三参数Weibull分布。
5.如权利要求1所述的离子推力器寿命及可靠性定量评估的方法，其特征在于，步骤4中，可靠性指标的计算采用条件概率逐级计算。
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