航天发射场故障失效分析案例研究

赵 晨，李 洁

（总装备部特种工程设计研究院，北京100028）

航天发射场故障失效分析案例研究

赵 晨，李 洁

（总装备部特种工程设计研究院，北京100028）

随着现代航天产品日趋复杂，失效分析工作也日益受到重视。本文通过美国肯尼迪航天中心的有效载荷箱钢轨、避雷系统钢缆、履带运输车轴承、避雷塔钢管等地面设施设备故障失效案例，论述了故障失效归于生产制造、环境条件、操作与维护、研发设计以及综合形成的老化等五种成因，综述了进行每类故障失效分析所采用的检测仪器与实验室分析等技术手段、分析过程及分析结果，最后，强调了故障失效分析对于预防失效、确保航天系统的质量与可靠性的作用。本文可为我国航天发射场地面设施设备的可靠性研究提供有利的参考。

航天发射场；故障失效；分析；检测

1 引言

航天活动是一项高技术、高投入、高风险并存的系统工程，涉及多个系统，每个系统又由许许多多的分系统、子系统组成，一个子系统又由成千上万个元器件组成，其中某个产品（或部件）的失效或故障会造成巨大的灾害和经济损失［1］。1986年1月28日，在“挑战者”号航天飞机第10次飞行中，因固体助推器密封环失效而导致机体在空中爆炸［2］。2003年2月1日，“哥伦比亚”号航天飞机因其左翼前缘的增强碳¯碳隔热板被燃料箱外脱落的泡沫碎块击中，返回地球大气层时产生的摩擦高温致使机体融化解体坠毁［3］。随着世界空间探索目标向更加遥远的深空迈进，航天系统的规模愈来愈庞大，综合性愈来愈强，技术愈来愈复杂，对产品（系统）可靠性的要求日益提高，产品（系统）的故障失效分析工作也愈来受到重视［1，4］。

美国国家航空航天局（National Aeronautic and Space Administration，NASA）与肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC）的各类故障失效分析由其材料科学实验室部下属的故障失效与材料评估分部负责。该分部下设材料故障失效实验室、电气／电子产品故障失效实验室和机械系统／计量实验室。根据故障失效与材料评估分部几十年来对NASA／KSC航天项目的全部飞行硬件与地面保障设备的操作过程、分析研究经验，KSC地面设施设备的故障失效成因可归结为五类：生产制造、应用环境、操作与维护、研发设计以及前四类成因综合形成的老化［5⁃6］。

2 归因生产制造的故障失效

正确的生产制造对于一个部件成功实现其规定的功能是非常重要的。当某一部件受到不恰当的热处理、非适用的涂料或替换成未经授权的产品时，就能通过分析发现其中的故障。归因生产制造的故障失效可以在材料评估的前期被发现［7］。

2.1 失效案例

国际空间站在其旋转处理装置的有效载荷箱钢轨安装过程中被发现采用AISI4140钢的钢轨（见图1）顶面出现裂纹［8］。

图1 出现裂纹的有效载荷箱钢轨Fig.1 Payload canister rail with crack on the top

图1 中的蓝色箭标为设在钢轨顶面的6个凹槽，用于安装可固定有效载荷的止推轴承；黄色箭标为裂纹的位置，红色箭标为2个明显的焊接修复点。焊接修复点与距其最近的凹槽之间的间距大致相当于两个凹槽之间的间距，即10 cm。钢轨被纵向切开，并从其底座上拆除顶部凸缘，对凸缘底面进行检查后发现，在凸缘底面靠近焊接修复点的地方有4处裂纹。

2.2 检测与分析

KSC对此钢轨裂纹做了如下检测与分析［8］：

1）采用“英斯特朗”张力测试仪并在三点弯曲负荷状态下打开裂纹，对布满锈蚀的裂纹表面进行检查（图2）。将锈蚀清除后，在表面边缘发现了一个约1～2 mm宽的裂纹。此外，还对表面镀层进行了检测（图2右下）。表层显像工具显示该裂纹是因机械加工和磨削操作而形成的（图2右上）。

2）检测仪器一是采用扫描电子显微镜（SEM）对微孔集聚（MVC，其特点是韧性应力过载）的裂纹表面边缘进行检测分析；二是采用定性／半定量能谱仪（EDS）和SEM对整体金属表面进行检测分析，确定裂纹表面的镍镀层状态。

3）在对经酸蚀后的非裂纹焊接修复点的横截面金相试样进行初步观测后，认为在凹槽基底材料中焊接了一块渗入深度小于3 mm的不同材料（图3），但在焊接时未将填料与基底金属完全熔合。在对裂纹焊接修复点的横截面金相试样进行检测后，认为填料呈现冷加工的痕迹，是从较大质量的板材上切割下来的。正是由于插入了这种材料，才使横截面承受荷载。焊接点处呈现许多孔隙，而试样的金相分析佐证了立体显微照片和SEM分析结论。

图2 裂纹的立体显微照片Fig.2 Stereomicroscope image of the revealed service fracture

图3 焊接修复点的横截面Fig.3 Cross⁃section of the weld repair region

整体金属金相试样的微观检测表明，基底微结构是铁素体与珠光体的树枝状晶体，是一个4140钢焊接点。对填料金相试样的微观检测表明，基底微结构是粗纹理的铁素体与珠光体，是焊接的素碳钢。

4）对金相试样进行微硬度测量后，将数值转换成洛氏硬度B标尺（HRB），结果表明，转换后的整体金属硬度为92 HRB，而填料的硬度为8292 HRB，大大低于导轨整体金属硬度。导轨的整体金属硬度满足设计施工要求，而填料硬度则低于导轨硬度。

5）化学分析结果表明，导轨的整体金属材料是根据设计施工图要求而采用AISI4104钢，但填料则基本确定是一种1000系列钢材，接近于AI⁃SI1030钢。

上述仪器检测与实验室分析表明：有2个导轨凹槽没有严格按照设计施工图要求进行生产操作，填入了一种低强度、1000系列的钢材；填料经过磨削填入切割错误的凹槽中；钢条周围的焊接没有得到充分的贯入以使填料与整体导轨金属进行熔合；由于导轨底面缺乏足够的熔合，导致应力过载，产生裂纹。

3 归因环境条件的故障失效

KSC所处的地理位置受到盐雾、高温、高湿、日晒、雷电等自然环境因素的影响，易于形成腐蚀现象；此外，发射时所排放的化学推进剂则加快了地面设施设备的腐蚀速度，从而导致部件的故障失效［7］。

3.1 失效案例

39号发射工位避雷系统的钢缆通过型锻装置进行张力试验，评定其损伤情况，以便为未来航天项目采用何种钢缆提供技术依据。该线缆为316型不锈钢，6×19右向逆绞，7×7的独立缆芯，2001年安装，2008年拆除。

在进行张力试验的过程中，一个钢缆试样产生断裂，但该断裂处不是出现在型锻位置。根据对钢缆断裂处的目测结果表明，该损伤可能是因两种环境因素形成的，即：雷电与腐蚀［9］。

3.2 检测与分析

3.2.1 雷电性损伤

1）根据对钢缆表面的观测，可将其若干处损伤确定为局部熔融，在钢缆熔化损伤处检测到橙色的腐蚀情况。通过SEM对损伤处检测，其立体显微照片中反映出因某一局部加热事件而形成的金属熔珠（图4中蓝色箭头所指）。

图4 钢缆绳的SEM照片与横截面Fig.4 SEM image（top）and cross⁃section（bottom）of the wire rope

2）将呈现熔化和再凝固的损伤处进行横切，用于金相检测（图4中黄色线）。对损伤处横截面的检测结果显示，19根钢丝中有5根受到损伤，出现类似焊接的树状微结构，表明该材料曾被熔化并再凝固（图4中左下角插图）。主体金属在在横向上含有极细的奥氏体纹理。浸蚀剂择优与熔化和再凝固的金属发生反应，这说明该金属材料比原钢缆易受到化学作用。在钢缆受损部分观测到的腐蚀物就是上述化学反应的结果。

3）对钢缆横截面进行微硬度测量，结果显示钢缆的受损部分与非受损部分在硬度上无明显差异，这表明钢缆受损部分的热影响区非常小。

3.2.2 腐蚀性损伤

1）图5为通过肉眼和显微仪器观测到的一些钢丝内部点蚀情况。

一根钢缆中大约有1／4的钢丝因点蚀而减小了横截面。SEM观测结果表明：腐蚀作用不仅限于钢缆的外部，在某些情况下，会择优作用于钢缆的内部，从而形成虫蚀孔状外观。

2）采用EDS和SEM对点蚀钢丝样本进行分析，并观测到点蚀部分的球形沉积物中含有铝和氯（图5中圆圈），这说明该点蚀受到航天飞机固体助推器（SRB）排放物沉淀的作用。SRB所排放的腐蚀物主要包括：氧、铁、铬以及少量的氯和硫磺。该腐蚀现象的发生主要归结于SRB排放的含氯沉淀物与其他海洋沉积物对不锈钢丝造成的氯化物点蚀作用。

图5 钢缆横截面（右）与点蚀显微照片（左）Fig.5 Cross⁃section of the wire（top right）and stereodroscope image（top left）

3）将其中一根有点蚀现象的钢丝安装在金相检测设备上，对其纵截面进行观测。结果显示：钢丝内约有2／3的部分都出现点蚀现象（图5右上部分）。钢丝的纹理结构因冷加工作用而被极度拉伸。由于腐蚀机理对纹理结构进行纵向作用，纹理边缘的侵蚀导致钢丝内部呈虫蚀孔状点蚀。

NASA／KSC曾对发射台避雷系统的钢缆进行了为期8年的金相评估，结果表明，钢缆的局部受损归结雷电和腐蚀这两种不同的环境因素。在上述两个案例中，由于每根钢缆中只有1／4的钢丝受损，这种局部受损特性不会影响到钢缆的整体强度。因雷电而受损的部分通常都出现在钢缆的表面，但钢丝内的点蚀情况比较难以通过目测检查出来。

4 归因操作与维护的故障失效

各类发射设备部件在任务实施过程中要不断承受所施加的设计荷载，如何实施恰当的设施设备维修对KSC而言一直是一项技术挑战。对于一些元器件和结构件，其维修操作是无法在一个洁净的环境中展开的，因而实施一项恰当的维护操作也是确保任务成功的关键因素［7］。

4.1 失效案例

KSC的履带运输车（CT）在进行维修时，发现了一个球形轴承出现裂纹，因此从CT的操纵汽缸中取出该轴承进行失效分析［10］。该球形轴承主要是在操纵CT四个独立转向架的其中一个时，用于承受水平荷载，因此设计施工图要求采用AISIE 52100轴承钢材。图6为操纵汽缸位置（蓝色箭标）和出现裂纹轴承的位置（红色箭标）。

4.2 检测与分析

KSC对此轴承裂纹做了如下检测与分析［10］：

图6 CT与球形轴承（右图中黄色箭标处为裂纹）Fig.6 Image of CT and sphere bearing

1）将对球形轴承进行液体贯入的非损伤性评估与磁粒子检查。在轴承的圆周线设置了一个润滑凹槽，裂纹末梢正位于润滑凹槽的下方。从裂纹所在位置可以直接观测到球形轴承内表面的一个参考点，该参考点设在轴承的较低位置，表明轴承受到不均匀压力的作用。

2）球形轴承被切割开，将裂纹打开，呈现出断裂表面。断裂表面涂敷了一层油脂，在被打开时散发出一股烧焦味道，这表明轴承是在操作过程中产生裂纹的。将断裂表面进行超声波清洗并目测检查，断裂表面所呈现的螺旋线状裂纹痕迹表明该失效是呈递增式发展的（图7）。图7中的蓝色箭标所指的是起始点的位置，即位于球形轴承的弱轴。

图7 断裂表面与裂纹标记（黄线）Fig.7 The revealed fracture surface displayed crack arrest marks

3）采用SEM对断裂表面的分析结果显示，断裂表面主要呈粒间断裂特性，局部呈微孔集聚状。断裂表面还呈现油渍和腐蚀物，这更证明了该轴承的断裂是在使用过程中产生的。定性／半定量EDS和SEM的分析结果显示：腐蚀物主要包含铁、氧及少量的硅和硫磺。虽然立体显微没有观测到疲劳层理，但断裂特征符合高强度钢递增式失效的特点。

4）断裂表面横截面的金相试样显示出二次断裂的粒间特性，其微结构含有回火马氏体、散布均匀的不溶解碳颗粒及锰硫化物脉纹，而SEM／EDS分析也确定了黑色颗粒是锰硫化物。金相试样的全厚度微硬度测量值转换成洛氏C标尺（HRC）后为平均56HRC，满足设计所规定的最低值55HRC。

5）技术人员从两个轴承位置和未用油脂管中提取润滑剂试样进行分析。一是失效轴承处的润滑剂，该处润滑剂在安装了新轴承后发生了变化，所以是未用油脂与失效时油脂的混合物；二是从汽缸中提取了未变化的试样，以便分析标准的操作性样本；三是从进行轴承维护时的油脂容器中提取的未使用油脂。两种使用过的样本颜色均比未使用的样本要深，并含有各种颗粒，从而降低了油脂的润滑度。

水含量样本采用傅立叶转换红外线光谱仪（FT⁃IR）和卡尔·费休法进行分析。FT⁃IR的分析结果确认所有样本都是锂皂类油脂，符合设计要求的油脂构成。卡尔·费休法的结果显示在使用过程中该油脂吸收了水。未使用的油脂样本表明增加的水含量是由于老化和存储时暴露的结果。定性／半定量的SEM／EDS对从两份已使用油脂中提取的颗粒的分析结果表明，油脂中含有金属和非金属颗粒。各种颗粒的构成符合腐蚀物及沙、岩石碎屑等其他杂质的特性。

润滑剂的分析结果表明：由于老化和杂质颗粒极大地降低了球形轴承的功能；粗视检测则发现轴承的内壁上出现不同轴性，从而导致轴承呈递增式失效。而不同轴性则是因施加了一定负荷而使油脂失效所导致的。

5 归因研发设计的故障失效

一个部件的设计对其整个使用寿命周期的顺利操作起着决定性作用，绝大部分部件都是一直按照其设计要求完成各项功能的。然而在设计过程中，有时会无法考虑到全部影响因子，如：维修与检测的可达性；在长达30多年项目实施过程中陆续开展的对原设计的各项改造，都会导致一定的失效［7］。

5.1 失效案例

在“星座”计划实施期间，检测人员在三个新型避雷塔不同高度的9个焊接处上发现了焊趾裂纹［11］。这些9个焊接点主要位于直径25.4 cm主水平管与2个直径20.3 cm支撑管之间（图8）。技术人员从避雷塔30.85m处的裂纹上提取了一个代表性试样进行分析。在切割操作的过程中对部件进行了温度测量，以确保部件不受到过热影响，从而导致微结构变化。避雷塔的钢管采用ASTM500 B级碳钢材料。技术人员对试样分别进行立体显微取照、SEM分析、化学分析与金相分析，以确定焊趾裂纹裂纹的成因。

图8 新型避雷塔的局部示意图Fig.8 Images of the partially assembled lightning towers

5.2 检测与分析

KSC对此焊趾裂纹检测与分析的结果如下［11］：

1）在完成初步取照后，对试样的横截面进行立体显微以及金相、化学与断口组织的分析。图9左下所示1＃样本在切割后，整个裂纹的断裂表面呈现有腐蚀物。右下所示2＃样本在打开后形成了一个实验室导出的过载区，裂纹表面已延伸到25.4 cm水平主管的内直径处，并逐渐变细。在断裂表面没有观测到涂料痕迹，这表明该裂纹是在涂完漆料后产生的，并在取样前形成了腐蚀物。

2）采用SEM对放大后的1＃样本的断裂表面进行断口组织评估。断裂表面经过超生波清洁，以清除腐蚀物。靠近25.4 cm主管外直径的断裂表面有明显的脆性和韧性（混合形态）断裂，呈现粒间与横断颗粒开裂扩张特性。粒间（IG）开裂扩张区由横断颗粒开裂扩张区包裹着。在管子的内直径，观测到有韧性应力过载特性的微孔集聚。

3）在对2＃样本进行评估后，确定其裂纹扩张界线不是与疲劳导致的递增式裂纹扩张增长相关的海滩痕迹，而是因聚集在断裂表面的腐蚀物所导致的。二次电子（SE）成像没有显示出通常可在海滩痕迹中观测到的疲劳纹或塑性横断颗粒变形。经过放大后，SE成像显示出从IG至MVC的断裂有稍许变化。此外，逆向散射电子（BSE）成像呈现出归因于腐蚀物迹线（较深色部分）的强大反差，而EDS分析也确证了这点。可以判定该失效是受到几何应力限制时的过载，该几何应力条件主要用于防止材料产生塑性变形而形成以脆性断裂特性为主的混合形态断裂。

4）技术人员提取了3＃样本，并将其横截面进行固定、抛光和酸蚀，展露出焊珠、热影响区和基底金属微结构。金相分析结果显示，在接合过渡部位靠近25.4 cm主管焊趾，由于焊接几何产生应力集中而导致裂纹（图10）。该裂纹与焊接处基本呈垂直状态扩开，几近长达整个焊点厚度，并在25.4 cm主管的内直径以45°角偏移1 mm（图10）。裂纹横截面呈现微结构对于一个素碳钢填料焊接的热影响区、焊接金属和基底金属而言是容许的。微结构与裂纹形态分析表明，该失效既非氢诱发的断裂，也非其他类型的材料断裂。

5）通过光辐射谱测展开的化学分析表明，20.3 cm和25.4 cm钢管的碳含量满足设计要求，其化学特性属于正常范围。通过努氏仪器测得的微硬度值则转换成洛氏B标尺，转换后的硬度值表明，管子的机械特性达到设计技术要求。

6）经分析的裂纹剖面和断裂组织显示，避雷塔接合部失效主要归因于应力过载。靠近25.4 cm管内直径的断裂表面氧化物量高于该管外直径最初设计值，这表明湿气侵入到裂纹里并沉积了很长时间。

图9 代表性试样（呈现断口的两个样本）Fig.9 Removed coupon，as received，show ing location of tow samples

图10 焊接横截面的显微照片Fig.10 Micrographs of the cross⁃section of the weld showing the crack at the toe of the weld

7）焊接处及其几何特性呈现出正常状态。没有观测到任何的焊接不连续性或瑕疵。在过渡区靠近焊趾处（一个应力集中区）出现断裂，并向基底金属扩张，而非沿着焊接热影响区。微结构、硬度以及断裂特性没有显示出氯诱发的失效机理。没有观测到与材料相关的其他失效机理。

8）将焊趾作为一个重要的应力集中点加以考虑时，应对接合区的载荷配置进行评估，以确定接合区是否过载。在实施下一步组装与裂纹修复后，应消除可能产生的应力过载情况。

对上述失效的分类论证主要基于该失效情况中获取的相关经验。该新型避雷塔建成后，将高达152.33 m，其顶部避雷针高30.5 m，技术人员只能通过设在塔侧边的直爬梯进入避雷塔进行检修。按照当前的进入方式，开展相应的常规检测、维护与焊接是有一定难度的，因此，对于一个有着长远规划的航天项目，应在设计阶段进行综合考量。

6 归因使用老化的故障失效

在航天飞机事故调查以及故障失效分析时，一个最受关注和重要的因素就是部件老化问题。许多状况下，老化是产生失效的主要原因，在出现疲劳或锈蚀等失效机理时，只能通过常规检测和部件更换来减缓这些失效问题［12］。

NASA／KSC的材料失效分析部门曾在2010年之前耗用3年时间，对50多个失效案例进行检查，研究部件老化的失效分布情况，其结果［13］见图11。

图11 部件老化的失效分布示意Fig.11 Distribution of the ages of failures

某些地面保障设备（特别是服役时间超过20年的部件）的失效记录归入上述研究内容中，材料失效分析部门只选取了平均服役年限为17.5年的部件，其中1／3的失效案例为新生产的硬件，另有1／3的失效案例为使用年限超过20年的硬件。

失效分布情况需经过较长的时间段才能加以分析确定，本文目前还没有收集到最新的KSC失效案例数据，但预计的老化失效分布情况将接近于双峰分布，即：部件产生失效的比重要么是在寿命周期之始归结于设计或生产制造因素，要么是在多年以后主要归结于老化性失效。

7 结语

本文通过对对五类代表性的KSC故障失效成因的总结分析，强调了故障失效分析对于预防失效、确保航天系统的质量与可靠性的作用。随着科学技术的进步，产品（系统）的结构越来越复杂，引起故障失效的原因也发生了较大变化。现在失效分析的研究更重视失效的潜在因素，最终目的是寻找预防失效的措施，以杜绝事故，实现由失效变为可靠的转化。分析是基础，预防是目的。因此，从这个意义上讲，预防失效要比分析失效更重要，它对保证质量和可靠性具有更现实的意义。

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Cases Study on Failure Analysis at Kennedy Space Center

ZHAO Chen，LI Jie
（Center for Engineering Design and Research under the Headquarters of General Equipment，Beijing，100028，China）

With the increase of complexity in modern space system，more and more emphasis was made on the failure analysis.By reviewing several failure cases of the infrastructures and equipment in the Kennedy Space Center，the typical features of failures were analyzed and a comprehensive study was conducted on the failure causes and analysis methods to be used.This may serve as a reference for the reliability research on the infrastructures and equipment in our launch site.

space launch site；failure；analysis；detection

V554

A

1674⁃5825（2014）01⁃0082⁃07

2013⁃07⁃17；

2013⁃12⁃05

赵晨（1967⁃），女，本科，高级工程师，研究方向为航天发射场情报分析。E⁃mail：public358666＠163.com