覆蓋全過程的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程研究

蘇妤，肖波，張瑩，張磊

（中國空間技術(shù)研究院， 北京 100029）

覆蓋全過程的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程研究

蘇妤，肖波，張瑩，張磊

（中國空間技術(shù)研究院， 北京 100029）

介紹了一種覆蓋需求-研制-應(yīng)用全過程要素的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程， 首次將用戶需求、 生產(chǎn)廠研制過程和元器件評估，以及應(yīng)用驗證等全過程要素集中地體現(xiàn)在認(rèn)定技術(shù)流程中。與以往元器件質(zhì)量保證多關(guān)注元器件試驗不同，此技術(shù)流程將關(guān)注點前后延伸：向前延伸到生產(chǎn)廠元器件研制；向后延伸至模擬宇航型號使用條件進(jìn)行的應(yīng)用驗證和指導(dǎo)型號設(shè)計師選用?？蔀樵骷谟詈焦こ痰膽?yīng)用提供翔實的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

宇航元器件；全過程要素；認(rèn)定技術(shù)；流程

0 引言

宇航用元器件具有復(fù)雜性、高風(fēng)險性等突出特點，并有高可靠、高質(zhì)量等特殊要求。針對這些特點，元器件在衛(wèi)星型號應(yīng)用前必須開展全面的考核評估工作。

元器件認(rèn)定作為考核評估元器件是否滿足宇航應(yīng)用的有效手段之一，可為型號元器件使用提供決策依據(jù)。以往的元器件認(rèn)定，多專注于元器件功能性能等試驗方面的考核，而對按照型號使用條件應(yīng)用時元器件的適用性評估甚少。本文所探討的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程覆蓋元器件需求的確認(rèn)，元器件研制、質(zhì)量保證和宇航型號應(yīng)用等四大要素，建立一套服務(wù)于型號全周期、全方位的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程。為元器件在宇航工程的應(yīng)用提供翔實的數(shù)據(jù)支撐和參考依據(jù)。

1 宇航元器件認(rèn)定要素的確定

空間級元器件產(chǎn)品包括6個要素：設(shè)計、設(shè)備、 材料、 工藝、 檢驗/鑒定、 管理。 同時具有 6個特性：空間可用性、設(shè)計成熟性、批次穩(wěn)定性、個體一致性、 全程追溯性和內(nèi)涵透明性[1]。 對宇航用元器件的評價需覆蓋其特性要求。

空間可用性要求元器件性能指標(biāo)滿足宇航環(huán)境、電、力和熱學(xué)要求。如耐輻照、耐結(jié)露、低真空逸氣等。元器件空間可用性可通過規(guī)范的制定，以及元器件級試驗和按型號要求進(jìn)行的電、力、熱學(xué)適應(yīng)性試驗的實施來進(jìn)行評估。

圖1 認(rèn)定技術(shù)流程圖

批次穩(wěn)定性和個體一致性要求元器件在生產(chǎn)的全過程中，設(shè)計、工藝等指導(dǎo)操作性文件細(xì)到不能再細(xì)，固化生產(chǎn)過程中的各個環(huán)節(jié)。穩(wěn)定性和一致性可通過建立全過程控制文件來保證。

內(nèi)涵透明性要求通過各種試驗以及分析，掌握元器件工藝結(jié)構(gòu)等特性，明確電、力、熱和環(huán)境性能等指標(biāo)，包括極限裕度。內(nèi)涵透明性可通過對元器件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、極限評估等試驗獲取翔實的產(chǎn)品評估數(shù)據(jù)。

分析電子元器件可靠性中心以往失效分析案例，除固有問題引起的失效外，選用和使用不當(dāng)引起的失效占據(jù)了總失效案例的相當(dāng)比例，對此需給予高度的重視。應(yīng)用指南作為指導(dǎo)型號設(shè)計師選用和使用的有效手段之一需大力推廣。

綜上，通過系統(tǒng)地梳理我國宇航元器件涉及的相關(guān)質(zhì)量保證措施， 以及借鑒歐宇航和 NASA 的宇航元器件保證要求， 如 PID、 元器件評估和驗證技術(shù)，形成了適用于我國覆蓋需求—研制—應(yīng)用全過程要素的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程。

產(chǎn)品認(rèn)定工作包括9個方面：詳細(xì)規(guī)范確認(rèn)、鑒定檢驗審查、 建立 PID 文件、 元器件評估、 認(rèn)定檢驗、應(yīng)用驗證、編寫應(yīng)用指南和制定采購規(guī)范、編寫認(rèn)定總結(jié)報告等。詳細(xì)的技術(shù)流程如圖1所示。

2 宇航元器件認(rèn)定項目分析

2.1 確認(rèn)詳細(xì)規(guī)范

元器件詳細(xì)規(guī)范明確了元器件結(jié)構(gòu)尺寸和性能指標(biāo)，以及試驗項目、試驗條件和試驗判據(jù)等，是元器件生產(chǎn)、試驗的依據(jù)，對詳細(xì)規(guī)范的審查，目的是確認(rèn)詳細(xì)規(guī)范是否滿足國軍標(biāo)和宇航應(yīng)用要求。同時，對元器件使用方需求進(jìn)行確認(rèn)。若委托進(jìn)行認(rèn)定的元器件是縱向立項研制項目，那么詳細(xì)規(guī)范的審查就可明確元器件研制指標(biāo)是否滿足協(xié)議書的要求。

2.2 鑒定檢驗審查

元器件在宇航應(yīng)用前，至少應(yīng)滿足國軍標(biāo)的要求，通過對元器件國軍標(biāo)鑒定檢驗的審查，掌握元器件在國軍標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行的電、力、熱學(xué)性能測試是否合格，是否滿足軍用等級使用要求，為宇航用元器件認(rèn)定提供數(shù)據(jù)支撐。

2.3 PID 文件建設(shè)

PID（Process Identification Document）的目的是為生產(chǎn)廠鑒定合格的元器件建立一個準(zhǔn)確的基準(zhǔn)，保證將來由生產(chǎn)廠提供的元器件等同于原來授予鑒定批準(zhǔn)的產(chǎn)品，這個基準(zhǔn)包括元器件生產(chǎn)廠流程、生產(chǎn)流程中各工序的依據(jù)性規(guī)范、所有的檢驗要求、元器件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說明、試驗程序和方法、關(guān)鍵原材料控制方法，以及生產(chǎn)廠組織結(jié)構(gòu)等方面。評估試驗后才能進(jìn)行鑒定批元器件的生產(chǎn)，通過評估試驗固化元器件 PID， 這在歐宇航 ESCC 基礎(chǔ)規(guī)范 No.22700 中已有明確的要求。

在 2006 年， 我國航天機(jī)構(gòu)已開始 PID 建設(shè)，并總結(jié)出 PID 的關(guān)鍵點是 “全過程用文件確認(rèn)，細(xì)節(jié)充滿全過程，細(xì)節(jié)細(xì)到不可再分解，定量定到全部細(xì)節(jié)”[2]。 通過建立 PID 文件， 固化元器件生產(chǎn)狀態(tài)，保證元器件在宇航型號使用中產(chǎn)品狀態(tài)的一致性。 PID 應(yīng)至少包括以下內(nèi)容：

1）生產(chǎn)流程；

2）生產(chǎn)流程中各工序的依據(jù)性規(guī)范；

3）所有的檢驗要求；

4）器件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)說明， 應(yīng)附圖（適用時）；

5）試驗程序和方法；

6）關(guān)鍵原材料控制方法；

7）承制方組織結(jié)構(gòu)。

2.4 元器件評估

元器件評估的目的是通過一系列試驗以最具有說服力的試驗數(shù)據(jù)，掌握元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷、潛在的薄弱環(huán)節(jié)，明確失效模式和失效機(jī)理等。

結(jié)合我國元器件的實際情況，元器件評估至少應(yīng)包括3個方面：產(chǎn)品功能性能評估、結(jié)構(gòu)分析和極限評估。根據(jù)元器件自身特點以及航天工程型號的特殊要求，評估項目可視情況增減。

a）產(chǎn)品功能性能分析

產(chǎn)品功能性能分析包括結(jié)構(gòu)尺寸測量和全工作溫度范圍全參數(shù)測試，通過全溫度范圍電參數(shù)測試，記錄試驗數(shù)據(jù)并繪制元器件電性能隨溫度變化等多種特性曲線，掌握各種性能參數(shù)變化趨勢，為元器件應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

目前，在元器件國產(chǎn)化自主可控的大方針指引下，仿制進(jìn)口的國產(chǎn)化元器件研制已全面、深入地開展，國產(chǎn)化元器件以替代進(jìn)口產(chǎn)品為目標(biāo)，這就要求國產(chǎn)化元器件在結(jié)構(gòu)尺寸和功能性能方面與進(jìn)口產(chǎn)品一致。因此，在對國產(chǎn)化元器件進(jìn)行認(rèn)定時，可將國產(chǎn)化元器件和進(jìn)口同型號元器件進(jìn)行產(chǎn)品功能性能對比分析，找出國產(chǎn)化元器件與進(jìn)口元器件在結(jié)構(gòu)尺寸和功能性能方面的差異，為國產(chǎn)化元器件替代進(jìn)口元器件提供應(yīng)用指導(dǎo)。

b）結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析是對元器件的設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝和材料的可靠性進(jìn)行評價，挖掘潛在的可靠性隱患，分析潛在的失效模式和機(jī)理。元器件的固有可靠性是由元器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)控制所決定的，如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會導(dǎo)致元器件的固有可靠性不高；由此帶來的問題如果發(fā)生在使用階段，會給型號任務(wù)造成影響，嚴(yán)重時甚至?xí)斐山?jīng)濟(jì)或進(jìn)度上的重大損失。在結(jié)構(gòu)分析時，對元器件結(jié)構(gòu)的評價和判別主要包含以下內(nèi)容：評價結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，檢查工藝設(shè)計和質(zhì)量，結(jié)合以往失效案例進(jìn)行潛在失效隱患分析，確定是否采用僅限用工藝和材料。通過分析，給出結(jié)構(gòu)分析總體結(jié)論，可分為3 種： 適合宇航應(yīng)用（可用）， 特定范圍可用（限用）， 不適合宇航應(yīng)用（禁用）； 針對分析時發(fā)現(xiàn)的問題，向研制方提出改進(jìn)、完善的建議。通過結(jié)構(gòu)分析，對元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工藝有了充分了解，對生產(chǎn)廠產(chǎn)品控制狀態(tài)信息有所掌握，明確元器件結(jié)構(gòu)的宇航符合性，為元器件在宇航工程的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐[3]。

c）極限評估

評估的主要目的是探測和獲得元器件在熱、力、電等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值，并評價極限的合理性。極限評估是針對元器件應(yīng)用中所關(guān)注的相關(guān)功能性能和可靠性與規(guī)范之間要求的裕度和余量，以及在設(shè)計、材料或工藝方面的潛在缺陷，采取高加速應(yīng)力和持續(xù)應(yīng)力的方法獲得極限能力，評估元器件在熱、力、電等應(yīng)力作用下可承受的應(yīng)力極限值和失效模式，綜合評價元器件極限能力的全過程[4]。 在認(rèn)定中， 極限試驗通常包括：溫度應(yīng)力極限、力學(xué)應(yīng)力極限和電應(yīng)力極限，極限試驗項目因元器件類型而異。通過極限評估可了解元器件承受應(yīng)力等的范圍和界限，掌握認(rèn)定的元器件實際能力與其廠家詳細(xì)規(guī)范所標(biāo)注的能力之間的裕度，為型號設(shè)計師使用時提供應(yīng)用指導(dǎo)，同時根據(jù)摸底過程中元器件暴露的薄弱環(huán)節(jié)，可在后續(xù)CAST 采購規(guī)范編制時， 重點增加有針對性的試驗項目和試驗樣品的數(shù)量，通過提高試驗的條件篩選門檻來保證高可靠宇航元器件的選用。

通過產(chǎn)品功能性能分析、結(jié)構(gòu)分析和極限評估，對元器件從結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性、功能性能測試的全面性，以及元器件在熱、力、電學(xué)等極限應(yīng)力條件下的裕度和余量進(jìn)行了全面評估，獲得了翔實的試驗數(shù)據(jù)，為宇航應(yīng)用提供了充分的可用性依據(jù)，為型號元器件的選用提供應(yīng)用指導(dǎo)。

2.5 認(rèn)定檢驗

認(rèn)定檢驗包括國軍標(biāo)鑒定檢驗和宇航特殊要求的考核試驗。若元器件已通過第三方鑒定檢驗的考核，且國軍標(biāo)鑒定檢驗的要求完全滿足宇航應(yīng)用，則認(rèn)定檢驗可不再重復(fù)進(jìn)行；若元器件雖已通過第三方質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)考核，但鑒定檢驗的要求不能完全滿足宇航要求，則認(rèn)定檢驗在鑒定檢驗的基礎(chǔ)上， 需補充宇航特殊要求的考核。 以 TO-5 型繼電器為例， GJB 65B 中鑒定檢驗未包含宇航應(yīng)用時需關(guān)注的真空冷熱浸試驗高真空冷焊試驗。因此認(rèn)定檢驗時需按照宇航應(yīng)用要求補充相關(guān)試驗，充分考察元器件在宇航應(yīng)用時的符合性。

2.6 應(yīng)用驗證

宇航元器件應(yīng)用驗證是指對元器件在宇航工程應(yīng)用前開展的一系列的試驗、分析、評估和綜合評價等活動。由于元器件級的一系列試驗、分析和評估工作已經(jīng)完成，此處所指的應(yīng)用驗證，僅是根據(jù)衛(wèi)星型號使用時的條件進(jìn)行的元器件適應(yīng)性評價。以力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評價為例，由于元器件在宇航應(yīng)用中的試驗條件、安裝邊界條件、測試使用狀態(tài)等都與元器件自身按標(biāo)準(zhǔn)開展的鑒定和篩選試驗有很大的差別，并且元器件在宇航產(chǎn)品應(yīng)用中動力響應(yīng)放大，其實際動力響應(yīng)值有可能在局部頻段超出元器件的最大試驗量級，導(dǎo)致元器件在宇航型號產(chǎn)品應(yīng)用中出現(xiàn)許多元器件應(yīng)力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性問題造成的失效和故障[5]。 且元器件設(shè)計定型后， 對在宇航工程中應(yīng)用的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)能力評價不充分，缺乏相關(guān)的支撐數(shù)據(jù)，所以非常有必要從實際應(yīng)用系統(tǒng)角度出發(fā)，對元器件進(jìn)行力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評價，全面掌握元器件的電性能和機(jī)械性能對力學(xué)環(huán)境的承受能力，提高元器件在宇航系統(tǒng)中的應(yīng)用可靠性。

不同的元器件需進(jìn)行的驗證項目也不同，以C 4067R 型 16 選 1 模擬電路開關(guān)為例， 根據(jù)其性能特點，在型號應(yīng)用時應(yīng)關(guān)注電、力和熱環(huán)境下的適應(yīng)性，對其進(jìn)行板級功能性能測試、拉偏能力測試和工作穩(wěn)定性考核，以及板級力學(xué)和熱學(xué)測試。

通過應(yīng)用驗證，為編制指導(dǎo)設(shè)計師選用和應(yīng)用的應(yīng)用指南提供數(shù)據(jù)和資料；通過分析驗證時出現(xiàn)的問題，進(jìn)行深入的舉一反三，能有效地降低元器件空間應(yīng)用時可能帶來的風(fēng)險。

2.7 應(yīng)用指南

應(yīng)用指南作為指導(dǎo)型號設(shè)計時選用和應(yīng)用的有效工具之一，在認(rèn)定流程中不可或缺，應(yīng)用指南的作用可貫穿于型號研制階段。數(shù)據(jù)詳實的應(yīng)用指南能夠使設(shè)計師選好、用好元器件。通過元器件認(rèn)定中涉及的產(chǎn)品功能性能分析、結(jié)構(gòu)分析、極限評估和應(yīng)用驗證等一系列評估工作，積累大量的可用性數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，形成應(yīng)用指南，可有效地指導(dǎo)設(shè)計師選用。

2.8 采購規(guī)范

為保證正樣產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，在產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范的基礎(chǔ)上制定 CAST 采購規(guī)范， 對元器件過程控制，用戶方下廠驗收、補充篩選等相關(guān)要求進(jìn)行明確規(guī)定，作為用戶采購時所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 案例分析

以國內(nèi)某研制單位生產(chǎn)J 30JH 系列電連接器為例，認(rèn)定按流程開展了以下9個方面工作：詳細(xì)規(guī)范確認(rèn)、 鑒定檢驗審查、 建立 PID 文件、 元器件評估、認(rèn)定檢驗、應(yīng)用驗證、編寫應(yīng)用指南、制定采購規(guī)范和編寫認(rèn)定總結(jié)報告。詳細(xì)的技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 J 30JH 系列電連接器技術(shù)流程圖

在對產(chǎn)品進(jìn)行功能性能分析時，詳細(xì)對比并分析了 J 30JH 和進(jìn)口同型產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)尺寸和功能性能方面的異同，包括外觀尺寸、絕緣電阻、介質(zhì)耐電壓、接觸電阻、接觸件插入力和分離力、嚙合力和分離力、磁性等級，以及互換性，通過對比，明確國產(chǎn)和進(jìn)口同型產(chǎn)品的一致性，為型號決策國產(chǎn)化替代提供了充分的試驗依據(jù)。

充分考慮載人航天型號對元器件的特殊要求，在元器件評估中增加有害氣體釋放、霉菌試驗、耐結(jié)露試驗等試驗的考核，評估連接器在特殊應(yīng)用環(huán)境下的性能指標(biāo)與載人航天工程型號要求指標(biāo)的符合性。 通過評估， J 30JH 系列電連接器耐結(jié)露性能未達(dá)到型號要求。將此結(jié)論在應(yīng)用指南中明確地指出，供設(shè)計師在連接器選型時有據(jù)可依。

在認(rèn)定中，將連接器按照型號電裝工藝進(jìn)行裝聯(lián)工藝驗證，特別是針對灌膠、壓接及印制板安裝等方面的驗證。綜合認(rèn)定流程中各項工作結(jié)論，給出認(rèn)定結(jié)論。

4 結(jié)束語

通過對覆蓋需求—研制—應(yīng)用全過程要素的宇航元器件認(rèn)定技術(shù)流程的詳細(xì)闡述，明確認(rèn)定的系統(tǒng)性、有用性和有效性。為元器件的宇航應(yīng)用提供了不可或缺的參考依據(jù)。

[1] 夏泓.關(guān)于中國宇航級元器件及標(biāo)準(zhǔn)體系的思考與建議[C]//2007 年中國國防工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化論壇.2007： 115-119.

[2] 夏泓， 毛喜平.空間級元器件及工程確認(rèn)文件 [J].質(zhì)量與可靠性， 2008， 25（5）： 28-31.

[3] 張磊， 夏泓， 龔欣. 宇航元器件結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗， 2012， 30（1）： 53-57.

[4] 張洪偉， 夏泓， 江理東， 等.宇航元器件極限評估技術(shù)研究 [J].電子元件與材料， 2011， 30（11）： 72-76.

[5] 馬榮國， 范紅梅， 肖軍強(qiáng)， 等.宇航元器件力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性評價技術(shù)研究 [J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012， 30（3）： 1-5.

Identification Process of Aerospace Parts Covering the W hole Process

SU Yu， XIAO Bo， ZHANG Ying， ZHANG Lei
（China Academy of Space Technology， Beijing 100029， China）

The paper presents a identification process of aerospace parts that cover the whole process elements from requirements， development and application.For the first time， the whole process elements including the user needs， production， evaluation， and verification are integrated in the identification process.This study is different from the past which paid more attention to components quality assurance.The technical process extends the concerts which starts at components production and end at components verification that simulates the conditions of use for aerospace applications.It may provide detailed data and reference to support components applied in aerospace engineering.

aerospace components； whole process elements； identification technology； process

V 443； TB 114.2

:A

:1672-5468（2014）01-0018-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.004

2013-09-05

2014-01-10

蘇妤（1983-）， 女， 寧夏銀川人， 中國空間技術(shù)研究院宇航物資保障事業(yè)部工程師， 碩士， 主要從事型號元器件總體技術(shù)研究工作。