文獻《Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments》點評

馮振興

（北京強度環(huán)境研究所，北京100076）

0 前言

星、彈、船上的部件（器件）有效載荷，有不少要通過采購或外購獲得。這些對任務完成至關重要的部件或器件，在上天前如何保證萬無一失，不能僅靠幾個監(jiān)管人員或一紙合同，而是要靠科學、嚴密、到位的試驗考核。由于缺少嚴格的試驗把關而導致巨大經(jīng)濟損失和國內(nèi)、國際負面影響，不是沒有遇到，而是有前車之鑒。文獻[1-2]（下簡稱“文獻”）介紹的是針對外購件的環(huán)境試驗方法，其中包括材料與結構污染分析，振動、熱、輻射等環(huán)境試驗等，以確保飛行任務的圓滿完成，因此對文獻進行點評有其重要意義。

1 文獻的背景

正如文獻作者在其“引言”中所表達的：NASA現(xiàn)在使用的遠距離通信設備都是先進的產(chǎn)品，其中絕大部分光學器件是外購件。由于這些產(chǎn)品的供應商以及他們的分部往往變化不定，一旦購買或引進了這些產(chǎn)品，它們的質(zhì)量標準體系與NASA質(zhì)量標準或軍標體系肯定不會完全一致。怎么辦？要改變軍標體制談何容易，產(chǎn)品的質(zhì)量要求、合格鑒定、風險對策等都必須加以考慮，而時間不等人。所以唯一的方法就是需要制定一套嚴格的試驗規(guī)范，在引入這些外購件之前進行充分的、必要的環(huán)境試驗，包括真空、振動、熱循環(huán)、輻射等。原作者把該方法稱之為“用于太空飛行的外購光學件工藝技術保證法”。下面詳細介紹該方法的核心內(nèi)容。

2 考核外購商用光纖部件的工藝技術保證法

該方法包括4個部分：

1）確定環(huán)境試驗的總體要求或目標

關于要求或目標，原作者是這樣說的：“把部件中的關鍵或重要元器件的技術性能參數(shù)在試驗期間以及試驗后偏離設計值的偏差檢測出來?！焙苊黠@，質(zhì)量控制部門關注的是對設計部門特別重要的這些技術參數(shù)在承受設計鑒定環(huán)境試驗后是否有變化。變化的范圍是否超出設計極限值是地面環(huán)境試驗關注的最終目標。只要設計人員看到環(huán)境試驗單位發(fā)出的這份試驗結果報告，就可以判斷這個外購件是否可以上天。

2）確定環(huán)境試驗條件

a.材料污染分析試驗條件；

b.器件單元級（box level）隨機振動試驗條件（部件級加倍）；

c.熱環(huán)境試驗條件（高于最嚴酷熱環(huán)境或極限溫度10 ℃）；

d.輻射環(huán)境條件（取最壞的設計考核條件）。

3）失效模式研究

確定失效模式相對應的技術參數(shù)及其環(huán)境試驗條件。

4）試驗方法剪裁

原則是保證按該方法進行空間環(huán)境試驗時能找準（capturing）盡可能多的失效模式。

5）試驗計劃

要確定保證飛行任務安全、可靠所必不可少的試驗項目以及設定與失效模式相關的監(jiān)測點。

以上這 5部分內(nèi)容，文獻中有的作了詳細介紹，有的并沒有詳述，比如試驗方法剪裁問題。但本“點評”作者認為：人們可以從文章中的3個實例中得到一些啟發(fā)，并結合我國實際情況,學習進行有針對性的試驗剪裁方法。

3 考核外購商用光纖部件的環(huán)境試驗鑒定計劃

這是文獻的核心內(nèi)容之一。原文是這樣介紹環(huán)境試驗鑒定計劃的：第一，要明確規(guī)定一些重要或關鍵性技術參數(shù)。這些參數(shù)必須在試驗前后是一致的，或者說是穩(wěn)定的。如果把性能參數(shù)作為試驗考核的最終目標，那么這些性能參數(shù)的“允差”（在文獻中用“可接受變化”來表達）是多少要明確規(guī)定，比如傳感器的輸出波長在執(zhí)行任務時受到熱交變環(huán)境后它的漂移量是多少。第二，要確定試驗件是零部件級還是系統(tǒng)級的。第三，考慮試驗時間、試驗設備以及器材等試驗相關因素后，確定試驗件的抽樣件數(shù)。除此以外的內(nèi)容還有：1）結構材料分析；2）振動或沖擊試驗；3）熱交變或熱老化試驗；4）輻射試驗；5）根據(jù)特定的飛行任務提出是否要進行附加試驗的建議。該文獻還簡要說明了前4部分的內(nèi)容，下面一一介紹如下。

3.1 結構材料空間特性分析試驗

由于光纖部件本身的特點，這項工作是所有試驗工作的重中之重。分析工作是通過地面模擬的空間環(huán)境試驗，包括真空、熱交變或熱循環(huán)、振動、輻射等試驗，以發(fā)現(xiàn)諸如組裝、封裝、膠接等材料和工藝缺陷以及由于工藝缺陷造成氣體泄漏這類潛在的污染問題。這項工作與普通的結構或材料的破壞或損傷機理分析不同，有它固有的特殊性，尤其是輻射對光學器件材料的影響最大。在空間發(fā)射史上，出現(xiàn)過某個光學器件不能正常工作，造成巨大損失的先例。比如文獻中提到的“伽馬射線大面積空間一號激光器”（GLAS Laser 1）曾經(jīng)在太空工作失效過。

3.2 振動或沖擊試驗

我們非常熟悉振動或沖擊環(huán)境試驗。這篇文獻特別指出：振動或沖擊環(huán)境試驗條件必須按照“系統(tǒng)技術條件”中的“部件級”條件制定并要相應指定需要監(jiān)測的參數(shù)。這點非常重要，因為試驗結果是否有用，一要保證試驗件與振動臺連接的邊界條件，二要保證試驗環(huán)境是總體設計部門規(guī)定的鑒定試驗規(guī)范。這些在“系統(tǒng)技術條件”中有明文規(guī)定，必須一絲不茍地執(zhí)行，才能獲得有效的試驗結果。

3.3 熱交變或老化試驗

文獻是這樣指出的：“對一些參數(shù)及其有可能會發(fā)生的失效模式進行定義，并在試驗中始終監(jiān)測這些參數(shù)?！睘榱舜_保光學電子器件能在太空中長時間（一般5年以上）可靠工作，需要重點開展地面模擬冷熱交變試驗，以暴露冷熱交變沖擊后出現(xiàn)或潛在的故障。發(fā)生故障前，哪些技術參數(shù)可能會出現(xiàn)異常，在試驗前必須做到心中有數(shù)。

3.4 輻射試驗

文獻是這樣說的：“在使用輻射數(shù)學模型確定損傷加速倍率時，如果試驗條件允許，則使用最壞的輻射條件。”由于要通過地面環(huán)境模擬試驗獲得光電子器件在太空工作環(huán)境下的各種可靠性設計參數(shù)，包括平均無故障工作時間、設計壽命、風險度，必須確定合適的加速因子，否則在地面無法實現(xiàn)幾年這樣長時間連續(xù)工作環(huán)境的老化試驗。

環(huán)境鑒定試驗計劃制定后，下步工作就是具體設定真空、振動、熱與輻射等環(huán)境試驗參數(shù)。由于專業(yè)所限，本文只是對熱與振動環(huán)境試驗參數(shù)的設定以及試驗的細節(jié)予以介紹。

4 振動環(huán)境參數(shù)及其試驗細節(jié)

哥達德空間飛行中心（GSFC）所采購的商用光電子器件用于短期、低投資工程項目的星上儀表檢測設備，可以參照EO-1衛(wèi)星分系統(tǒng)環(huán)境試驗標準。該衛(wèi)星的分系統(tǒng)振動試驗量級[2]（見表 1）可以直接用于商用光電子器件的振動環(huán)境試驗。

表1 商用光電子器件振動環(huán)境試驗水平*Table 1 Random vibration levels for small parts and components based on GEVS protoflight level

表 1給出的是一個梯形隨機振動試驗譜。本“點評”作者要推薦這篇文獻的原因之一就是這個非常珍貴的試驗譜。也就是說，太空探測用的高精尖、需要上天工作數(shù)年的光電子產(chǎn)品，可以參照這個隨機振動試驗譜在地面飛行前進行可靠性、性能合格鑒定試驗。此外，該文獻提供的試驗現(xiàn)場照片也是值得仔細琢磨與推敲的，因為從照片中可以獲得非常有價值的信息，比如取自文獻[1]的 2個圖（圖1與圖2）。通過這2個圖的比較，可發(fā)現(xiàn)振動試驗人員非常想要獲得的信息，包括試驗夾具的結構與臺面的連接以及試驗監(jiān)測或監(jiān)控的位置及其固定方法。

圖1 不帶試驗件的，但在試驗夾具上安裝了監(jiān)控傳感器的現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Small components for vibration test based on box level established on EO-1

圖2 顯示試驗件（帶綠色電纜的）與試驗夾具連接的實際照片F(xiàn)ig.2 AVIMS vibration fixture for ground test of cable assemblies

5 熱環(huán)境試驗參數(shù)及其試驗細節(jié)

文獻[1]指出：用于太空長時間工作的光電子器件熱環(huán)境試驗標準現(xiàn)在還沒有制定。一般情況下，典型且適中的量級為-25～85 ℃；也可以參照Telcordia公司采用的從-45～80 ℃的量級。如果是“黑箱”試驗件的熱環(huán)境試驗，可以按10 ℃的速率遞增，直到達至每個試件的極值為止。熱循環(huán)或熱交變的次數(shù)由零部件類型確定。比如：零部件準備用于高可靠性組件類型，可以設定60次；屬于高風險的類型，設定30次；光電子航空器件，設定100或大于100次；高功率系統(tǒng)比這個次數(shù)還要高。

6 實例

文獻[1]提供了3個實例：1）航天飛機返回飛行；2）水星激光高度儀；3）地球科學激光高度儀。文獻分別通過實例1）的光纖集束（pigtaled）瞄準儀和激光器二極管，實例2）的3個試驗件，實例3）的光纖、組裝件、二極管3個試驗件——總共8個試驗件的真空、振動、熱、輻射等空間環(huán)境鑒定試驗，通過實物照片、圖表和簡單明了的文字、數(shù)據(jù)，提供給同行們參考使用。鑒于專業(yè)所限，下面僅對水星激光高度儀的3個試驗件（見圖3、圖4）的熱環(huán)境與振動環(huán)境的試驗參數(shù)作一些說明（參見表 2）。至于其他 2個環(huán)境，相關專家或試驗人員可對照原文推敲。

圖3 水星激光高度儀照片[1]Fig.3 Photo of the Mercury Laser Altimeter(MLA)

圖4 水星激光高度儀1∶1地面仿真試驗件[2]Fig.4 Bottom view of MLA mock-up with actual assemblies

性能要求：所有試驗件都要在試驗后保證其精度＜0.4 dB，850 nm。

振動：3個方向，每個方向試驗 3 min。表 2是它的試驗規(guī)范。

表2 水星激光高度儀隨機振動試驗規(guī)范Table 2 Test outline of random vibration test of MLA

熱環(huán)境：-30～50 ℃，90次循環(huán)，至少設置42個監(jiān)測點，25 min均熱處理（soak），2 ℃/min的溫升速率。

7 文獻結論中的亮點

本“點評”作者看到文獻結論中有一個亮點值得引起注意，即通過材料、結構的失效機理的研究與分析，可以節(jié)約數(shù)千美元并推薦使用 Telcordia公司的產(chǎn)品。在市場經(jīng)濟環(huán)境以及政府采購工作公開招標的背景下，試驗部門不偏不倚地提出這樣的結論，無疑對發(fā)展我國航天事業(yè)有利。但是，這四位數(shù)美元的節(jié)省，在該文獻作者作為特邀論文在2005年3月國際光學工程學會“智能結構與材料，智能傳感器工藝技術與測量系統(tǒng)”年會上發(fā)表的文章[2]中，只有“成本的減少”，而沒有具體數(shù)據(jù)?？梢?，文獻[1]（幻燈片講稿）較文獻[2]（論文全文）可能含有更多技術信息。

在 http：//misspiggy.gsfc.nasa.gov/photonics 網(wǎng)站，列有幾十篇由文獻作者M.N.Ott撰寫的科技報告，內(nèi)容十分豐富，有助于對光學電子器件工程可靠性設計、鑒定、評估等方面的深入了解。

8 結束語

俗話說：隔行如隔山。受專業(yè)知識所限制，本“點評”肯定有若干不到位的地方。希望讀者特別是有關光學電子器件方面的專家、技術人員補充。歡迎通過郵箱fengzx2002@sina.com 與筆者討論，批評指正。謝謝！

（References）

[1]Ott M N.Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments (Conference Presentation Slides)[EB/OL].(2005-03-09)[2007-09-27].http：//misspiggy.gsfc.nasa.gov/photonics

[2]Ott M N.Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments[C]//SPIE Conference on Smart Structures and Materials： Smart Sensor Technology and Measurement Systems.SPIE 5758, 2005-03