航天电源控制系统关键模块的可靠性分析方法研究

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航天电源控制系统是航天电子产品的重要组成部分,其有效工作寿命是决定航天器工作寿命的关键因素,航天电子产品曾出现由于航天电源控制系统工作寿命过短,造成航天器工作寿命提前终结的情况。本文从航天电源控制系统基础的寿命特征识别、寿命量化及控制机理模型、工艺控制、全过程可靠性信息识别等角度出发,综合考虑影响航天电源控制系统失效的因素,开展航天电源控制系统关键模块的可靠性分析。同时,由于无法准确控制航天电源控制系统内电子产品的工作寿命,航天电源控制系统不得不设置很多冗余及备份组件,造成体系复杂、重量大、功耗高等问题,使得航天器结构复杂化且可靠性降低。本文以航天电源控制系统的关键模块功率变换电路为研究对象,对功率变换电路研制全过程进行可靠性分析和评估,其研究内容和创新点如下:(1)多阶段任务系统的故障机理分析。首先总结了多阶段任务系统的特点与可靠性建模方法;然后梳理航天电源控制系统不同任务需求下的全寿命周期任务剖面,确定各个任务阶段所经历的载荷大小及持续时间,建立了航天电源控制系统的多阶段任务工作及环境载荷剖面;最后对关键模块展开故障机理分析,确定航天电源控制系统的薄弱环节和敏感载荷。(2)基于电子表面组装技术的故障树分析。总结了电子表面组装技术的特点和故障树分析方法的实施步骤;对航天电源控制系统中电路板焊点研制全过程进行失效原因分析,结合失效原因分析的结果,对航天电源控制系统关键模块开展故障树分析,确定系统失效概率和薄弱环节。(3)采用贝叶斯网络对有冗余设计的采样电阻单元建立可靠度模型。介绍了造成系统共因失效原因的相关分析方法和贝叶斯网络的理论基础;分析得出采样电阻的工作状态并不是简单地失效或正常工作,采样电阻单元呈现出短路、开路和正常连通等多种状态。基于航天电源控制系统关键模块的故障树分析,选取监测系统中功率变换电路部分的监测数据,选取β-因子模型,计算采样电阻单元的系统可靠度,将计算结果与实际结果对比发现误差很大。基于此,用软件GeNel将航天电源控制系统关键模块的故障树转化为贝叶斯网络模型,并计算了可靠性参数,计算结果表明系统在考虑共因失效时可靠度更低,更符合实际情况。
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