一种航天器热控系统可靠性预估方法与流程

1.本发明涉及航天器热控系统可靠性设计。更具体地，涉及一种航天器热控系统可靠性预估方法。


背景技术：

2.航天器的可靠性是指航天器在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能或任务的能力。可靠性的概率度量成为可靠度。可靠性是航天器的重要特性之一，也是热控制系统在设计中主要考虑的一个关键要素。
3.热控系统可靠性设计中，由于被动热控产品具有结构简单、无运动部件、无电子元器件等特点，依靠产品本身的热物理特性发挥功能，可靠性高，因此优先采用被动热控技术；在满足热控制要求下，一般情况应优先采用已经验证或成熟的热控产品；在设计中尽可能简化热控设计，减少热控部件的种类和规格，实行标准化设计；热控材料和部件应采用充分、合理的冗余设计，尽可能消除单点故障；同时，在一般情况下，留有足够的设计余量，且余量越大可靠性越高。
4.可靠性预计是用于所设计产品是否符合规定可靠性要求的一种方法。在一个项目初期可行性定义阶段，以及研制期间需作出重大决策并投入大量资金，比较准确的可靠性预计提供了重要的工程价值。
5.可靠性是工程项目在规定条件下和规定时间没完成任务的概率，并且作为“六性”设计之一，贯穿整个研制周期，但是可靠性模型的建立和预计是一个相对重复且计算复杂的过程。因此关于热控系统可靠性预计程序，需要一种快速有效解决可靠度计算并提供基础编写程序代码且具有普适性的方法。
6.因此，需要提供一种航天器热控系统可靠性预估方法。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种航天器热控系统可靠性预估方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
8.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
9.本发明提供一种航天器热控系统可靠性预估方法，步骤包括：
10.确定热控产品组数和卫星在轨工作时间；
11.根据热控产品组件系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度；
12.根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度；
13.根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度。
14.可选地，所述热控产品组件包括热敏电阻、焊点和电加热器。
15.可选地，所述热控产品组包括有备份的热敏电阻组、有备份的电加热器组、无备份的热敏电阻组和无备份的电加热器组。
16.可选地，所述热控产品组件系数包括热控产品组件质量因子、热控产品组件环境
系数和热控产品组件基本失效率。
17.可选地，所述根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度为
18.r＝e
(-pia*pie*lam*t)
19.其中，
20.r为热控产品可靠度；
21.pia为热控产品质量因子；
22.pie为热控产品环境系数；
23.lam为热控产品基本失效率；
24.t为卫星在轨工作时间。
25.可选地，根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度包括，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度。
26.可选地，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度包括
27.r1＝e
(-pia1*pie1*lam1*t)
28.r2＝e
(-pia2*pie2*lam2*t)
29.r3＝e
(-pia3*pie3*lam3*t)
30.其中，
31.r1为热敏电阻可靠度；
32.r2为焊点可靠度；
33.r3为电加热器可靠度；
34.pia1为热敏电阻质量因子；
35.pia2为焊点质量因子；
36.pia3为电加热器质量因子；
37.pie1为热敏电阻环境系数；
38.pie2为焊点环境系数；
39.pie3为电加热器环境系数；
40.lam1为热敏电阻基本失效率；
41.lam2为焊点基本失效率；
42.lam3为电加热器基本失效率；
43.t为卫星在轨时间。
44.可选地，根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度包括
45.p1＝r1*r2447.p2＝1-(1-p1)248.p3＝r22*r3
50.p4＝1-(1-p3)251.其中，
52.p1为无备份的热敏电阻回路可靠度；
53.p2为有备份的热敏电阻回路可靠度；
54.p3为无备份的电加热器回路可靠度；
55.p4为有备份的电加热器回路可靠度。
56.可选地，根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度包括
57.n＝p2a*p4b*p1c*p3d58.其中，
59.n为热控系统可靠度；
60.a为有备份的热敏电阻组数；
61.b为有备份的电加热器组数；
62.c为无备份的热敏电阻组数；
63.d为无备份的电加热器组数。
64.本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行程序时实现如上述所述的方法。
65.本发明的有益效果如下：
66.本发明提供一种航天器热控系统可靠性预估方法，可以快速、有效和便捷的解决可靠度计算并提供具有普适性的基础编写程序代码，为工程研究提供参考和使用价值。
附图说明
67.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
68.图1示出本发明所述一种航天器热控系统可靠性预估方法流程图。
69.图2示出本发明一个实施例中热控系统可靠性预计软件界面。
70.图3示出本发明一个实施例中matlbt中数学模型第一部分程序。
71.图4示出本发明一个实施例中matlbt中数学模型第二部分程序。
72.图5示出本发明一个实施例中计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
73.为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
74.实施例1
75.如图1-4所示，本发明的一个实施例，提供一种航天器热控系统可靠性预估方法，步骤包括：
76.确定热控产品组数和卫星在轨工作时间；
77.根据热控产品组件系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度；
78.根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度；
79.根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度。
80.在一个具体的实施例中，所述热控产品组件包括热敏电阻、焊点和电加热器。
81.在一个具体的实施例中，所述热控产品组包括有备份的热敏电阻组、有备份的电加热器组、无备份的热敏电阻组和无备份的电加热器组。
82.在一个具体的实施例中，所述热控产品组件系数包括热控产品组件质量因子、热
控产品组件环境系数和热控产品组件基本失效率。
83.在一个具体的实施例中，所述根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度为
84.r＝e
(-pia*pie*lam*t)
85.其中，
86.r为热控产品可靠度；
87.pia为热控产品质量因子；
88.pie为热控产品环境系数；
89.lam为热控产品基本失效率；
90.t为卫星在轨工作时间。
91.在一个具体的实施例中，根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度包括，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度。
92.在一个具体的实施例中，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度包括
93.r1＝e
(-pia1*pie1*lam1*t)
94.r2＝e
(-pia2*pie2*lam2*t)
95.r3＝e
(-pia3*pie3*lam3*t)
96.其中，
97.r1为热敏电阻可靠度；
98.r2为焊点可靠度；
99.r3为电加热器可靠度；
100.pia1为热敏电阻质量因子；
101.pia2为焊点质量因子；
102.pia3为电加热器质量因子；
103.pie1为热敏电阻环境系数；
104.pie2为焊点环境系数；
105.pie3为电加热器环境系数；
106.lam1为热敏电阻基本失效率；
107.lam2为焊点基本失效率；
108.lam3为电加热器基本失效率；
109.t为卫星在轨时间。
110.在一个具体的实施例中，根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度包括
111.p1＝r1*r24112.p2＝1-(1-p1)2113.p3＝r22*r3
114.p4＝1-(1-p3)2115.其中，
116.p1为无备份的热敏电阻回路可靠度；
117.p2为有备份的热敏电阻回路可靠度；
118.p3为无备份的电加热器回路可靠度；
119.p4为有备份的电加热器回路可靠度。
120.在一个具体的实施例中，根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度包括
121.n＝p2a*p4b*p1c*p3d122.其中，
123.n为热控系统可靠度；
124.a为有备份的热敏电阻组数；
125.b为有备份的电加热器组数；
126.c为无备份的热敏电阻组数；
127.d为无备份的电加热器组数。
128.具体的，本发明通过matlab建立热控系统的可靠性预计数学模型，这里涉及的主动热控产品为常规的电加热器和热敏电阻，表1对应其产品失效率统计。
129.表1主动热控产品失效率统计
130.序号名称基本失效率环境系数质量因子1热敏电阻21e-9/h1.00.32薄膜型电加热器2e-9/h0.50.13焊点0.5e-9/h1.01.0
131.采用matlab建立的数学模型如下：
132.a＝str2double(get(handles.edit1,'string'))；热敏电阻组数(有备份设计，主+备为1组)
133.b＝str2double(get(handles.edit2,'string'))；电加热回路组数(有备份设计，主+备为1组)
134.c＝str2double(get(handles.edit4,'string'))；热敏电阻组数(无备份设计，每支为1组)
135.d＝str2double(get(handles.edit5,'string'))；电加热回路组数(无备份设计，单路为1组)
136.t＝str2double(get(handles.edit3,'string'))；在轨时间/h
137.e＝2.718；
138.pia1＝0.3；热敏电阻质量因子
139.pie1＝1.0；热敏电阻环境系数
140.lam1＝21e-9；热敏电阻基本失效率
141.t1＝t；在轨时间/h
142.r1＝e^(-pia1*pie1*lam1*t)热敏电阻可靠度
143.pia2＝1.0；焊点质量因子
144.pie2＝1.0；焊点环境系数
145.lam2＝0.5e-9；焊点基本失效率
146.t2＝t；在轨时间/h
147.r2＝e^(-pia2*pie2*lam2*t)焊点可靠度
148.pia3＝0.5；电加热器质量因子
149.pie3＝0.1；电加热器环境系数
150.lam3＝2e-9；电加热器基本失效率
151.t3＝t；在轨时间/h
152.r3＝e^(-pia3*pie3*lam3*t)电加热器可靠度
153.p1＝r1*r2^4热敏电阻回路可靠度(无备份设计，单支组成回路)
154.p2＝1-(1-p1)^2热敏电阻回路可靠度(有备份设计，主+备组成回路)
155.p3＝r2^2*r3电加热器回路可靠度(无备份设计，单支组成回路)
156.p4＝1-(1-p3)^2电加热器回路可靠度(有备份设计，主+备组成回路)
157.n＝p2^a*p4^b*p1^c*p3^d系统可靠度
158.n_0＝num2str(n,'％1.10f')
159.set(handles.edit6,'string',n_0)；
160.如图2所示，在软件操作界面，对于热控系统可靠性预计模型中的变量因素为输入条件，其中a为热敏电阻组数(有备份设计，主+备为1组)；b为电加热回路组数(有备份设计，主+备为1组)；c为热敏电阻组数(无备份设计，每支为1组)；d为电加热回路组数(无备份设计，单路为1组)；t为在轨工作时间，单位为h；根据热控系统设计，分别输入对应值，再点击计算，即可得到系统可靠度。
161.本发明涉及航天器热控设计中关于热控系统可靠性预计问题。可靠性模型的建立需要根据卫星产品的设计，确定与可靠性有关的功能结构和接口，再确定卫星产品的可靠性框图，最后确定卫星产品可靠性的概率表达式。通常在卫星设计中，不同设计程序得出的卫星产品的设计是不同的，根据卫星产品设计定义的与可靠性有关的个性内容和建立的可靠性模型也是会有变化的。本发明主要介绍热控系统可靠性预计，根据经验所得，热控系统可靠性预计中有相对固定规律的内容，特此建立基础数学模型用以解决热控系统可靠性预计，并提供相关基础代码和软件，为工程研究提供参考和使用价值。
162.实施例2
163.如图5所示，本发明另一个实施例提供一种计算机设备，可理解的是，图5显示的计算机设备12仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
164.如图5所示，计算机设备12以通用计算设备的形式表现。计算机设备12的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
165.总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(isa)总线，微通道体系结构(mac)总线，增强型isa总线、视频电子标准协会(vesa)局域总线以及外围组件互连(pci)总线。
166.计算机设备12典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备12访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
167.系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(ram)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备12可以进一步包括其它可移动/不可
移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如cd-rom，dvd-rom或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明实施例的功能。
168.具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括但不限于操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
169.计算机设备12也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备12交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备12能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口22进行。并且，计算机设备12还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图4所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备12的其它模块通信。应当明白，尽管图4中未示出，可以结合计算机设备12使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
170.处理器单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例1所提供方法。
171.实施例3
172.实施例3提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现实施例1所述的方法。
173.在实际应用中，所述计算机可读存储介质可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
174.计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
175.计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
176.可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
177.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
178.还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
179.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

技术特征：
1.一种航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，步骤包括：确定热控产品组数和卫星在轨工作时间；根据热控产品组件系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度；根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度；根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度。2.根据权利要求1所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，所述热控产品组件包括热敏电阻、焊点和电加热器。3.根据权利要求2所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，所述热控产品组包括有备份的热敏电阻组、有备份的电加热器组、无备份的热敏电阻组和无备份的电加热器组。4.根据权利要求3所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，所述热控产品组件系数包括热控产品组件质量因子、热控产品组件环境系数和热控产品组件基本失效率。5.根据权利要求4所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，所述根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度为r＝e
(-pia*pie*lam*t)
其中，r为热控产品可靠度；pia为热控产品质量因子；pie为热控产品环境系数；lam为热控产品基本失效率；t为卫星在轨工作时间。6.根据权利要求4所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，根据热控产品系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度包括，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度。7.根据权利要求6所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，计算热敏电阻可靠度、焊点可靠度和电加热器可靠度包括r1＝e
(-pia1*pie1*lam1*t
)r2＝e
(-pia2*pie2*lam2*t
)r3＝e
(-pia3*pie3*lam3*t)
其中，r1为热敏电阻可靠度；r2为焊点可靠度；r3为电加热器可靠度；pia1为热敏电阻质量因子；pia2为焊点质量因子；pia3为电加热器质量因子；pie1为热敏电阻环境系数；pie2为焊点环境系数；
pie3为电加热器环境系数；laml为热敏电阻基本失效率；lam2为焊点基本失效率；lam3为电加热器基本失效率；t为卫星在轨时间。8.根据权利要求7所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度包括p1＝r1*r24p2＝1-(1-p1)2p3＝r22*r3p4＝1-(1-p3)2其中，p1为无备份的热敏电阻回路可靠度；p2为有备份的热敏电阻回路可靠度；p3为无备份的电加热器回路可靠度；p4为有备份的电加热器回路可靠度。9.根据权利要求8所述的航天器热控系统可靠性预估方法，其特征在于，根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度包括n＝p2
a
*p4
b
*p1
c
*p3
d
其中，n为热控系统可靠度；a为有备份的热敏电阻组数；b为有备份的电加热器组数；c为无备份的热敏电阻组数；d为无备份的电加热器组数。10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开一种航天器热控系统可靠性预估方法，步骤包括：确定热控产品组数和卫星在轨工作时间；根据热控产品组件系数和所述卫星在轨工作时间计算热控产品组件可靠度；根据所述热控产品组件可靠度计算热控产品回路可靠度；根据所述热控产品回路可靠度和所述热控产品组数计算所述热控系统可靠度。本发明提供一种航天器热控系统可靠性预估方法，可以快速、有效和便捷的解决可靠度计算并提供具有普适性的基础编写程序代码，为工程研究提供参考和使用价值。使用价值。使用价值。


技术研发人员：张硕 王海韵 张元君 左焕阳 徐自勉
受保护的技术使用者：航天科工空间工程发展有限公司
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/13