航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)設(shè)計(jì)

朱旭斌　張皓東　王敬賢

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)設(shè)計(jì)

朱旭斌張皓東王敬賢

（航天標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)品保證研究院，北京，100071）

文摘：分析航天型號(hào)行波管放大器質(zhì)量保證工作要求及相關(guān)規(guī)范的現(xiàn)狀，以考核要求、性能參數(shù)指標(biāo)和質(zhì)量控制要求等體系為研究重點(diǎn)，提出航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

行波管放大器；航天元器件；工程規(guī)范架構(gòu)。

行波管放大器（TWTA）主要由行波管（TWT）和電源 （EPC）兩部分組成，是利用真空功率器件進(jìn)行功率放大的一類產(chǎn)品，在導(dǎo)航和中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器及遙感衛(wèi)星高速數(shù)傳系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，與固態(tài)放大器相比，TWTA在高頻率、寬頻帶、大功率等領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，是星載系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。

目前，對(duì)于航天型號(hào)使用的行波管放大器，開展質(zhì)量保證工作缺乏統(tǒng)一的、各方認(rèn)可的規(guī)范性文件，不同航天用戶對(duì)于相同類型的行波管放大器、同一航天用戶對(duì)于不同研制單位的產(chǎn)品，提出的性能指標(biāo)要求、考核要求、質(zhì)量保證要求等都不盡相同。筆者提出行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，希望為制定相應(yīng)的產(chǎn)品工程規(guī)范、指導(dǎo)產(chǎn)品質(zhì)量保證工作提供一定的技術(shù)參考。

1　航天型號(hào)行波管放大器研制現(xiàn)狀

1.1質(zhì)量保證工作要求

我國航天型號(hào)使用的行波管放大器長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，為了擺脫受制于人的被動(dòng)局面，近年來，國內(nèi)有多家單位開展了行波管及行波管放大器的研制工作，部分國產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)或即將在航天型號(hào)中得到應(yīng)用。與進(jìn)口產(chǎn)品相比，由于技術(shù)基礎(chǔ)明顯不足，在航天型號(hào)任務(wù)中，一般安排兩家研制單位并行承擔(dān)行波管放大器的研制工作，以降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

航天型號(hào)具有系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性要求高等特點(diǎn)，行波管放大器在使用過程中需要經(jīng)歷力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境和空間輻射環(huán)境的考驗(yàn)，這就對(duì)其電性能、可靠性及壽命提出了嚴(yán)苛的要求，同時(shí)也對(duì)行波管放大器的質(zhì)量保證工作提出了更高的要求。

航天型號(hào)開展行波管放大器的質(zhì)量保證工作，主要依據(jù)用研雙方簽訂的研制技術(shù)要求/技術(shù)協(xié)議，部分研制技術(shù)要求或技術(shù)協(xié)議存在要求不全面、規(guī)定不具體等問題。此外，對(duì)于同一航天型號(hào)，不同用戶對(duì)同一類型產(chǎn)品提出的質(zhì)量保證要求不盡相同，甚至同一用戶對(duì)不同研制單位承擔(dān)的同一類型產(chǎn)品提出的要求也存在較大差異，導(dǎo)致航天型號(hào)的質(zhì)量保證工作缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量基線，同時(shí)研制單位開展產(chǎn)品攻關(guān)也缺乏統(tǒng)一的目標(biāo)要求。

目前，我國各航天型號(hào)均按照單機(jī)管理模式來開展行波管放大器的質(zhì)量保證工作。主要是將行波管放大器按照電性件 （EM）、鑒定件 （QM）和正樣件 （FM）等三種研制狀態(tài)，分別開展對(duì)應(yīng)的質(zhì)量保證工作。

a）對(duì)于電性件產(chǎn)品，主要在交付時(shí)對(duì)交付產(chǎn)品進(jìn)行100%的功能性能檢驗(yàn)。

b）對(duì)于鑒定件產(chǎn)品，一般要求抽取1臺(tái)樣品開展包括力學(xué)試驗(yàn)、熱學(xué)試驗(yàn)在內(nèi)的地面鑒定考核試驗(yàn)，給出鑒定結(jié)論，在交付時(shí)要求與電性件相同。

c）對(duì)于正樣件樣品，要求產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)與鑒定件一致，要求交付使用前應(yīng)100%接受并通過驗(yàn)收檢驗(yàn)。驗(yàn)收檢驗(yàn)主要包括力學(xué)試驗(yàn)及熱學(xué)試驗(yàn)，但應(yīng)力要求較鑒定檢驗(yàn)有所降低，在交付時(shí)要求與電性件、鑒定件相同。

1.2航天型號(hào)行波管放大器規(guī)范現(xiàn)狀

目前，我國缺乏適用的航天型號(hào)行波管放大器的相關(guān)規(guī)范，國家軍用標(biāo)準(zhǔn)中只有1994年發(fā)布的產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范GJB 2037-1994《星載C波段行波管放大器規(guī)范》，由于年代久遠(yuǎn)，作為單一頻段、較小的輸出功率、寬松的產(chǎn)品規(guī)范，已無法滿足當(dāng)前航天型號(hào)對(duì)于行波管放大器研制和應(yīng)用的需求。

對(duì)于行波管，國家軍用標(biāo)準(zhǔn)有覆蓋行波管、速調(diào)管、磁控管、充氣微波開關(guān)管、前向波放大管和回旋管等微波電子管的GJB 3312-1998《微波電子管總規(guī)范》，適用于軍用電子管的研制、鑒定及質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，但對(duì)于航天型號(hào)的要求尚有一定差距。此外，由于該規(guī)范覆蓋了眾多工藝、結(jié)構(gòu)差異較大的器件，對(duì)于行波管放大器的技術(shù)內(nèi)容明顯細(xì)化不夠。

對(duì)于行波管放大器，歐洲供貨時(shí)一般配備對(duì)應(yīng)規(guī)范 （specification）。以某具體產(chǎn)品對(duì)應(yīng)規(guī)范為例，規(guī)范中明示了產(chǎn)品的功能性能指標(biāo)、質(zhì)量可靠性指標(biāo)，規(guī)定了接收檢驗(yàn)（Acceptance Test）和原型飛行 （Proto-flight Model，PFM）檢驗(yàn)這兩種與交貨狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)類型，但缺少對(duì)于產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量控制的相關(guān)要求。

綜上，對(duì)于我國航天型號(hào)使用的行波管放大器，需要研究構(gòu)建統(tǒng)一的工程規(guī)范架構(gòu)，作為編制具體產(chǎn)品工程規(guī)范的技術(shù)參考，以引導(dǎo)、規(guī)范國產(chǎn)行波管放大器研制、驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)的技術(shù)活動(dòng)。一方面，為研制單位建立統(tǒng)一的研制質(zhì)量基線，使各研制單位有著相同的研制目標(biāo)和考核要求，促進(jìn)公平、有序競(jìng)爭(zhēng)；另一方面，對(duì)于同一航天型號(hào)的不同用戶，建立規(guī)范、統(tǒng)一的產(chǎn)品指標(biāo)體系和質(zhì)量控制要求，提升航天工程的整體質(zhì)量與可靠性。

2　航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)設(shè)計(jì)思路

在產(chǎn)品規(guī)范中，考核要求體系、性能參數(shù)指標(biāo)體系和質(zhì)量控制要求體系是最核心的技術(shù)內(nèi)容。本文主要圍繞上述三個(gè)方面來論述航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。

2.1考核要求體系設(shè)計(jì)

考核要求體系主要規(guī)定航天型號(hào)對(duì)于行波管放大器生產(chǎn)過程控制、整體質(zhì)量控制等方面的通用性要求。主要包括以下方面內(nèi)容。

a）內(nèi)部元器件要求。行波管放大器不同于一般的不可拆分的元器件，除電線電纜外，其電源部分還使用了場(chǎng)效應(yīng)管等元器件，這些內(nèi)部元器件直接影響了行波管放大器整體的性能及可靠性。以某型號(hào)配套的行波管放大器為例，在研制過程中發(fā)現(xiàn)參數(shù)超差，經(jīng)分析，問題最終定位于產(chǎn)品使用的電線電纜。因此，需要對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部使用元器件的質(zhì)量與可靠性明確考核要求，并對(duì)其替代、更換進(jìn)行約束限制。

b）極限試驗(yàn)要求。由于目前我國的行波管放大器尚處于初步應(yīng)用階段，飛行應(yīng)用數(shù)據(jù)缺乏，對(duì)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的失效模式和失效機(jī)理存在尚未認(rèn)識(shí)到位的可能。因此，應(yīng)對(duì)行波管放大器明確提出開展極限試驗(yàn)的要求，通過施加極限應(yīng)力獲取產(chǎn)品在極惡劣條件下的數(shù)據(jù)，分析后摸清產(chǎn)品的極限能力，對(duì)于出現(xiàn)失效的情況分析其機(jī)理，作為判斷產(chǎn)品整體可靠性的重要依據(jù)。

c）結(jié)構(gòu)工藝要求。行波管放大器結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，如行波管電子槍采用的工藝包括高溫Mo-Mn法金屬化、高溫釬焊、電阻焊、激光焊等，高頻系統(tǒng)采用的工藝包括表面薄膜沉積 （CVD）、冷彈壓裝配法、高溫釬焊等，電源采用的工藝包括電裝工藝、高壓變壓器的灌封工藝、三防涂覆工藝、機(jī)械裝配工藝等。為確保工藝的可靠性，在規(guī)范中應(yīng)明確提出對(duì)行波管放大器采用工藝的要求，如盡可能地采用經(jīng)過飛行驗(yàn)證的工藝，對(duì)于新工藝必須首先通過地面工藝鑒定，經(jīng)過評(píng)審批準(zhǔn)后方可采用。

d）抗輻照要求。航天型號(hào)使用的行波管放大器由于工作在具有各種輻射的空間環(huán)境中，空間輻射將導(dǎo)致產(chǎn)品性能的降低甚至失效。因此，在規(guī)范中應(yīng)根據(jù)不同航天型號(hào)工作的空間環(huán)境，明確對(duì)行波管放大器抗輻照劑量要求，并對(duì)其內(nèi)部選用元器件的抗輻照能力作出要求，禁用或限用對(duì)輻照敏感的材料或工藝。

行波管放大器工程規(guī)范建議考核項(xiàng)目見表1。

表1　行波管放大器工程規(guī)范考核項(xiàng)目

2.2性能參數(shù)指標(biāo)體系設(shè)計(jì)

通過對(duì)行波管放大器的功能性能特點(diǎn)，特別是對(duì)航天型號(hào)任務(wù)關(guān)注的特性參數(shù)的系統(tǒng)梳理后可以看出，行波管放大器工程規(guī)范的性能參數(shù)主要包括工作頻率范圍、工作帶寬等22項(xiàng)參數(shù)，見表2。

表2　性能參數(shù)指標(biāo)

2.3質(zhì)量控制要求體系設(shè)計(jì)

對(duì)于航天型號(hào)使用的普通元器件，其質(zhì)量控制一般要求產(chǎn)品應(yīng)通過鑒定檢驗(yàn)，并逐批或周期性開展質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，在生產(chǎn)過程中應(yīng)進(jìn)行用戶監(jiān)制，交付用戶時(shí)還需進(jìn)行使用方驗(yàn)收。目前，我國航天型號(hào)行波管放大器尚處于初步應(yīng)用階段，飛行數(shù)據(jù)缺乏，并具有以下特點(diǎn)：多為定制產(chǎn)品、種類多、數(shù)量少、價(jià)格高，普通元器件質(zhì)量控制手段還無法滿足航天型號(hào)要求。

目前的用研雙方簽署技術(shù)要求/技術(shù)協(xié)議一般僅規(guī)定鑒定級(jí)檢驗(yàn)及驗(yàn)收級(jí)檢驗(yàn)，分別作為鑒定件產(chǎn)品、正樣件產(chǎn)品質(zhì)量保證工作的依據(jù)。通過調(diào)研，除了上述要求外，各研制狀態(tài)的產(chǎn)品在交付用戶時(shí)需開展類似于普通元器件使用方驗(yàn)收的檢驗(yàn)，為避免其與驗(yàn)收級(jí)檢驗(yàn)混淆，應(yīng)明確提出在交付用戶時(shí)需開展交收檢驗(yàn)。此外，部分航天型號(hào)在產(chǎn)品研制過程中提出了監(jiān)制的相關(guān)要求。在充分分析目前航天型號(hào)實(shí)際做法的基礎(chǔ)上，吸納部分元器件質(zhì)量控制的要求，建議行波管放大器按照研制狀態(tài)的主維度規(guī)定相應(yīng)的質(zhì)量控制要求。

a）對(duì)于電性件產(chǎn)品，要求進(jìn)行使用方監(jiān)制和交收檢驗(yàn)。其中交收檢驗(yàn)在交付時(shí)進(jìn)行，主要開展功能性能方面的檢驗(yàn)。

b）對(duì)于鑒定件產(chǎn)品，要求進(jìn)行使用方監(jiān)制、鑒定檢驗(yàn)和交收檢驗(yàn)。其中鑒定檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)于航天型號(hào)中的鑒定級(jí)檢驗(yàn)，主要開展包括力學(xué)試驗(yàn)、熱學(xué)試驗(yàn)在內(nèi)的檢驗(yàn)項(xiàng)目，要求給出明確鑒定結(jié)論；交收檢驗(yàn)要求與電性件相同。

c）對(duì)于正樣件樣品，要求進(jìn)行使用方監(jiān)制、驗(yàn)收檢驗(yàn)和交收檢驗(yàn)。其中驗(yàn)收檢驗(yàn)對(duì)應(yīng)于航天型號(hào)中的驗(yàn)收級(jí)檢驗(yàn)，主要包括力學(xué)試驗(yàn)及熱學(xué)試驗(yàn)，但應(yīng)力要求較鑒定檢驗(yàn)有所降低；交收檢驗(yàn)要求與電性件相同。

檢驗(yàn)樣品的抽樣方式可參考目前航天型號(hào)的實(shí)際做法，具體要求：①鑒定檢驗(yàn)采用抽樣的方式，隨機(jī)抽取1臺(tái)樣品；②驗(yàn)收檢驗(yàn)要求對(duì)正樣件產(chǎn)品進(jìn)行100%抽樣；③各階段的交收檢驗(yàn)均對(duì)檢驗(yàn)樣品進(jìn)行100%抽樣。對(duì)于鑒定檢驗(yàn)及驗(yàn)收檢驗(yàn)具體要求，建議采用試驗(yàn)矩陣進(jìn)行規(guī)定，見表3。表3僅列出部分測(cè)試要求，表中還應(yīng)該包括 “試驗(yàn)方法”和 “檢驗(yàn)要求”，由于這些內(nèi)容與本文相關(guān)性不強(qiáng)，筆者予以省略，表5與之相同。

表3　鑒定　（驗(yàn)收）試驗(yàn)矩陣

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步明確各項(xiàng)試驗(yàn)采用的具體試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件、檢驗(yàn)要求及先后次序，建議增加鑒定（驗(yàn)收）檢驗(yàn)表（見表4），明確各項(xiàng)試驗(yàn)如重量及外觀檢驗(yàn)、初始測(cè)試等的試驗(yàn)方法、試驗(yàn)條件及檢驗(yàn)要求，并且明確試驗(yàn)次序不能調(diào)整。

表4　鑒定 （驗(yàn)收）檢驗(yàn)示例表

此外，表3中各項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)測(cè)試的時(shí)間點(diǎn)不盡相同，可能在試驗(yàn)前、試驗(yàn)中或試驗(yàn)后。因此，考慮引入不同的符號(hào)，明示各參數(shù)測(cè)試的時(shí)間點(diǎn)，見表5（表5僅列出部分測(cè)試要求）。表4與表5相結(jié)合即確定了具體明確的鑒定 （驗(yàn)收）檢驗(yàn)要求。

編制航天型號(hào)行波管放大器工程規(guī)范，可以為國產(chǎn)化行波管放大器的研制、生產(chǎn)、驗(yàn)收等各環(huán)節(jié)技術(shù)活動(dòng)提供統(tǒng)一、規(guī)范的考核評(píng)價(jià)依據(jù)，促進(jìn)航天型號(hào)任務(wù)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。國內(nèi)行波管放大器的質(zhì)量保證工作和規(guī)范研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首次從考核要求體系、性能參數(shù)指標(biāo)體系、質(zhì)量控制要求體系這三方面建立了航天行波管放大器工程規(guī)范的基本架構(gòu)，可有效指導(dǎo)相關(guān)規(guī)范的編制工作，建議按照此架構(gòu)制定具體產(chǎn)品的工程規(guī)范，并據(jù)此開展產(chǎn)品質(zhì)量保證工作，從而為航天型號(hào)使用的行波管放大器建立統(tǒng)一的質(zhì)量保證基線。

表5　鑒定 （驗(yàn)收）檢驗(yàn)測(cè)試矩陣

朱旭斌 （1980年—），男，博士，高級(jí)工程師，專業(yè)方向：微電子與固體電子學(xué)，現(xiàn)從事航天元器件保證與標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。