可靠性高加速試驗技術(shù)及其在我國空間站應用領域?qū)嵤┑目傮w思路

劉 凱，呂從民，黨 煒，伏洪勇

（1.中國科學院大學，北京100049；2.中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心，北京100094）

可靠性高加速試驗技術(shù)及其在我國空間站應用領域?qū)嵤┑目傮w思路

劉 凱1，2，呂從民2，黨 煒2，伏洪勇2

（1.中國科學院大學，北京100049；2.中國科學院空間應用工程與技術(shù)中心，北京100094）

我國載人空間站任務計劃運營周期10年以上，期間開展長期、持續(xù)的空間科學與應用研究，對應用有效載荷提出了“長壽命、低成本”的任務需求，需要采用高加速試驗技術(shù)（HALT、HASS）提高并評估航天產(chǎn)品的可靠性。早期的高加速試驗多用于民用產(chǎn)品，且多采用定性方法。近年來高加速試驗的研究取得持續(xù)進展，逐漸注重HALT、HASS的定量研究。本文結(jié)合我國空間站應用領域“長壽命、低成本”的任務需求，提出了HALT?HASS?ADT（HHA）的高加速試驗集成方法及其總體實施思路。

可靠性；高加速壽命試驗；高加速應力篩選；加速退化試驗；空間站

1 引言

可靠性試驗是為了測定、評價、分析和提高產(chǎn)品的可靠性而進行的各種試驗的總稱［1］?？煽啃栽囼灥脑囼灄l件根據(jù)產(chǎn)品壽命剖面（含任務剖面）確定。通過可靠性試驗，可以暴露產(chǎn)品在設計、工藝、器件、材料等方面的潛在缺陷，從而分析改進提高產(chǎn)品可靠性并達到預定水平，或驗證產(chǎn)品可靠性指標是否達到規(guī)定要求［1］。目前，航天器的設計壽命要求幾年甚至十幾年［2］，相應地要求航天產(chǎn)品具有高可靠、長壽命特征，模擬產(chǎn)品使用條件的可靠性試驗方法往往無法在有限試驗時間內(nèi)獲取足夠的故障數(shù)據(jù)，或者試驗時間過長、成本過高，試驗效益比較低。

可靠性高加速試驗技術(shù)起源于20世紀50～60年代的老練試驗和70年代的環(huán)境應力篩選，美國學者Gregg Hobbs［3］將這種試驗方法稱為高加速壽命試驗（Highly Accelerated Life Testing，HALT）和高加速應力篩選（Highly Accelerated Stress Screening，HASS），HALT針對早期設計和驗證階段，而HASS針對產(chǎn)品生產(chǎn)階段。該試驗技術(shù)已經(jīng)在 Boeing［4］、Otis［5］等公司的設備研制過程中得到了廣泛應用，由此獲得了高可靠性，縮短了產(chǎn)品的研制周期，取得了明顯的經(jīng)濟效益。

高加速試驗技術(shù)采用比產(chǎn)品正常工作更加嚴酷的試驗條件，激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，更多地獲得產(chǎn)品壽命、性能等可靠性信息，從而改進產(chǎn)品設計，提升可靠性。對于大多數(shù)的高可靠性、長壽命產(chǎn)品來講，更加關注某些性能指標隨時間不斷退化和演變過程，因此可以利用加速退化數(shù)據(jù)分析代替失效數(shù)據(jù)分析來進行產(chǎn)品的可靠性評估。

我國載人空間站任務計劃運營周期10年以上［6］，要求空間科學實驗相關的基礎支持系統(tǒng)“高可靠、長壽命、低成本”。可靠性高加速試驗技術(shù)為滿足空間應用有效載荷的可靠性需求提供了一條行之有效的途徑。

本文在分析國內(nèi)外高加速試驗技術(shù)的理論、工程應用和發(fā)展趨勢的基礎上，結(jié)合我國載人空間站應用任務特點和需求，提出在空間站應用領域?qū)嵤└呒铀僭囼灱夹g(shù)的總體思路。

2 可靠性加速試驗技術(shù)內(nèi)涵

2.1加速試驗的基本方法

加速試驗包括加速壽命試驗（Accelerated Life Testing，ALT）、加速退化試驗（Accelerated Degradation Testing，ADT）、高加速壽命試驗（HALT）和高加速應力篩選試驗（HASS）等?？傮w上，所有加速試驗的理論依據(jù)是失效物理學［1］，應力越高，缺陷部位的疲勞和破壞比無缺陷部位快得多。

在試驗方法方面，高加速試驗采用的應力量級遠高于一般加速試驗，通過選擇合適的高加速試驗剖面，可以保證失效機理一致性，極端應力只是加快了潛在故障的激發(fā)過程，而不會引入新的失效模式和失效機理［1］。對于應力類型和施加方法，HALT、HASS主要采用綜合環(huán)境應力（如溫度循環(huán)和隨機振動應力）和工作應力，應力施加順序一般為低溫步進、高溫步進、溫度循環(huán)、振動步進、溫度循環(huán)和振動步進綜合應力；ALT、ADT在工程上主要采用單加速應力，如溫度、振動或電應力，應力施加方式包括恒定應力、步進應力和序進應力［1］。在應力水平方面，加速試驗的應力水平均超過產(chǎn)品規(guī)范。各種加速試驗的應力范圍如圖1所示。

在數(shù)據(jù)分析方面，在失效機理一致的前提下，ALT針對加速壽命數(shù)據(jù)，通過加速模型外推得到正常條件下的壽命分布。對于具有退化特征的產(chǎn)品，ADT通過加速退化模型和失效閾值，將退化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為偽壽命數(shù)據(jù)［7］，然后可利用ALT數(shù)據(jù)分析方法對偽壽命數(shù)據(jù)進行分析。

在應用特點上，ADT采用性能退化數(shù)據(jù)，研究產(chǎn)品由退化到假定失效的過程。對于如空間站的長壽命工程任務，利用ADT評估產(chǎn)品退化到某種程度時的可靠性，根據(jù)評估結(jié)果進行預防性維修和健康狀態(tài)監(jiān)測［8］，可以極大地節(jié)約維修時間和費用。因此，ADT更適用于空間站可維修的特點。

2.2壽命分布

加速試驗中產(chǎn)品的失效機理不變即服從同一種壽命分布，壽命分布應用于所有加速試驗中［9］。常用的包括指數(shù)分布、威布爾分布、正態(tài)分布和對數(shù)正態(tài)分布。對于航天產(chǎn)品，主要包括電子學、機電產(chǎn)品兩大類：

指數(shù)分布可以很好地描述電子元器件、電子設備的壽命，其重要的一個特性是失效率為常數(shù)；

威布爾分布主要用于描述疲勞失效，適用于軸承、運動機構(gòu)等機電產(chǎn)品的壽命分布［7］。

2.3加速模型

加速模型表征壽命特征和應力水平的關系，應用于所有加速試驗中［9］。常見的加速模型包括阿倫尼斯（Arrhenius）模型、逆冪律模型、艾林（Eyring）模型等。一般對于航天電子學產(chǎn)品，采用阿倫尼斯模型；對于機電類產(chǎn)品，采用逆冪律模型。

1）阿倫尼斯（Arrhenius）模型

Arrhenius模型是一種物理加速模型，適用于電子學產(chǎn)品。該模型以溫度作為加速應力，高溫能使半導體電子元器件內(nèi)部化學反應加快，促使產(chǎn)品退化或失效。該模型如式（1）［7］：

式中，ξ為特征壽命；A為與產(chǎn)品有關的正常數(shù)；E為材料有關的激活能（eV）；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度（K）。

2）逆冪律模型

逆冪律模型是一種經(jīng)驗加速模型，主要用于機械產(chǎn)品和電工產(chǎn)品中。該模型主要以電應力作為加速應力，壽命特征隨著應力的上升而按負次冪函數(shù)下降。該模型如式（2）［7］：

式中，c為與激活能有關的正常數(shù)；v為電應力。

2.4加速退化模型

加速退化模型用于ADT中退化數(shù)據(jù)的分析。產(chǎn)品的退化過程可以用退化軌跡來進行描述，常見的退化軌跡包括線形、凸形、凹形。目前，一般采用兩種方法對退化數(shù)據(jù)進行建模分析，如圖2所示。

1）偽壽命分布模型：將產(chǎn)品性能退化量或與之相關的參數(shù)作為時間的函數(shù)，利用退化方程描述偽壽命值與應力水平的關系［7］。

2）退化量分布模型：將性能退化量看作隨機變量，不同樣本在同一時刻的退化數(shù)據(jù)作為該隨機變量的一組實現(xiàn)［7］。

退化量分布一般包括為威布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布和正態(tài)分布。其中，由于威布爾分布函數(shù)具有冪律特征，具有為不同失效模式提供便于處理的完整形式的能力，因此大多情況下選擇威布爾分布的退化量分布模型［7］。

2.5可靠性評估方法

目前，可靠性評估主要包括經(jīng)典統(tǒng)計學方法和貝葉斯方法。前者適用于樣本量較大的情況，能較好地代表總體的分布；后者適用于小樣本的情況。

1）ALT的可靠性評估方法

對于ALT，選擇適當?shù)膲勖植?，評估加速應力下的分布參數(shù)；根據(jù)加速模型，外推正常條件下的分布參數(shù)，從而評估產(chǎn)品可靠性［7］。

2）ADT的可靠性評估方法

對于ADT，可基于偽壽命分布和退化量分布建立加速退化模型。若基于偽壽命分布，選擇退化軌跡模型；根據(jù)失效閾值，估計偽失效壽命，選擇偽壽命分布；根據(jù)加速模型，外推正常條件下的壽命分布，進而評估產(chǎn)品可靠性。若基于退化量分布，選擇退化量的分布模型；分布參數(shù)一般為時間和應力的函數(shù)，根據(jù)加速模型，外推正常條件下的退化量分布參數(shù)；根據(jù)失效閾值，評估產(chǎn)品可靠性［10］。

3）貝葉斯評估方法

對于小樣本的情況，貝葉斯方法基本思想是假設壽命分布參數(shù)有“先驗分布”，利用貝葉斯公式，根據(jù)先驗分布和試驗數(shù)據(jù)推導出“后驗分布”［7］。

后驗分布擴充了產(chǎn)品的可靠性信息，因此評估的結(jié)果更為準確。

3 高加速試驗在航天領域的應用情況

3.1航天應用實例

在一般加速試驗方面，國內(nèi)外針對在軌壽命有限的產(chǎn)品或部／組件，通過加速試驗開展任務壽命驗證。美國航空航天局（NASA）對航天電池［11］、軸承［12］、CMOS器件［13］等產(chǎn)品開展了廣泛的加速試驗研究，以此提高并評估產(chǎn)品的可靠性。歐洲航天局（ESA）對太陽能阻斷二極管和電池板繞線［14］進行加速試驗，在短期內(nèi)加速暴露產(chǎn)品潛在缺陷，驗證在軌任務壽命。我國載人航天工程空間應用系統(tǒng)較早地采用加速試驗技術(shù)，針對定標機構(gòu)、調(diào)焦機構(gòu)、指向鏡、固態(tài)功放、分離脫落插頭、激光器組件、制冷機等長壽命高可靠產(chǎn)品開展了可靠性加速試驗驗證與評估研究，取得了較好的研究成果。此外，加速試驗技術(shù)已應用于我國航天電連接器［15］、月球車驅(qū)動系統(tǒng)密封副［16］的可靠性研究，取得了一批重要的應用成果。

在高加速試驗方面，國內(nèi)外將高加速試驗技術(shù)用于航空［4］、汽車［17］、電腦［18］等工業(yè)領域，在提高產(chǎn)品可靠性、減少研發(fā)成本方面發(fā)揮了巨大作用。但在航天領域，關于HALT和HASS技術(shù)應用的公開報道較少。美國利用激振錘形成分布式激振系統(tǒng)，對衛(wèi)星整星進行HALT試驗［3］；我國對星載銣原子頻標設計并實施HALT試驗，為改進產(chǎn)品設計、提高可靠性提供依據(jù)［10］。

在加速試驗標準方面，ALT的相關標準制定較多。我國1981年頒布了恒定應力試驗的4個國家標準GB2689.1～4－81［19?22］，2004年頒布了彈藥元件步進應力試驗的國軍標 GJB5103?2004［23］。相比之下，國內(nèi)外關于高加速試驗的標準制定較少，國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會（IPC）在2010年頒布了電源設備的高加速試驗標準IPC9592A［24］、國際電工委員會（IEC）在2013年頒布了關于定性與定量加速試驗方法的標準IEC62506［25］，我國在2012年頒布了電工電子產(chǎn)品的 HALT國家標準 GB／T29309?2012［26］，這些標準的對象均是針對地面和航空產(chǎn)品。

由此可見，一般加速試驗技術(shù)在航天應用較為廣泛，但高加速試驗技術(shù)目前多用于民用批量產(chǎn)品，且多采用定性方法提高可靠性，如何采用高加速試驗技術(shù)，定量提高、評估航天產(chǎn)品可靠性，成為航天領域應用的難點。

3.2高加速試驗技術(shù)發(fā)展趨勢

1）HALT和HASS技術(shù)

近年來，HALT與HASS的研究取得持續(xù)進展，其發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，逐漸注重HALT結(jié)果用于壽命預測的研究。在分析失效機理一致的前提下，目前業(yè)內(nèi)利用交流驅(qū)動機平衡電阻器的HALT結(jié)果，預測外場壽命［27］。第二，逐漸關注HASS剖面的定量驗證。目前業(yè)內(nèi)開展了基于W?hler方程（S?N曲線）和Miner準則的疲勞算法，進行HASS隨機振動剖面安全性驗證的研究［28］。

2）ADT技術(shù)

近年來產(chǎn)品集成度越來越高，其中有些為小批量甚至單件產(chǎn)品，面對這樣的情況，ADT技術(shù)的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：第一，多退化特征系統(tǒng)可靠性研究的關注程度逐漸升高。功能復雜的系統(tǒng)級產(chǎn)品往往具有多個退化特征，需要計算性能參數(shù)之間的協(xié)方差，通過相依函數(shù)（Copula function）推導聯(lián)合分布函數(shù)。第二，貝葉斯方法在可靠性評估的應用逐漸增多。航天領域往往使用小批量甚至單件產(chǎn)品，貝葉斯方法通過對相似產(chǎn)品先驗信息的挖掘，不斷更新性能退化的可靠性信息，提高可靠性評估的精度。

4 我國空間站應用領域?qū)嵤└呒铀僭囼灥乃悸?/h2>

4.1應用領域任務需求

我國載人空間站建成后，在運行和管理階段的主要任務是：開展長期、持續(xù)的載人航天活動和空間科學研究、空間應用、技術(shù)試驗等活動；根據(jù)空間科學及應用的需要進行空間站擴展和載荷更換；對空間站進行維護維修和評估，延長使用壽命［6］?？臻g站應用任務對有效載荷可靠性的要求主要體現(xiàn)在“長壽命、低成本”兩個方面：

1）關鍵和重要的應用項目壽命要求長、可靠性要求高。載人空間站設計壽命長達10年，并具有通過維護維修延長使用壽命的能力［6］，對于有效載荷信息系統(tǒng)、實驗柜支持系統(tǒng)等關鍵／重要產(chǎn)品應采用HALT、ADT等試驗技術(shù)開展長壽命驗證，或根據(jù)性能退化情況實施視情維修或預防維修。

2）應用項目創(chuàng)新性強、指標先進，沒有高性能、高等級的元器件／部組件可選用，將不得不選用商用貨架（COTS）高性能產(chǎn)品，需要解決COTS產(chǎn)品的可靠性保證和試驗成本問題。

國外航天領域使用COTS器件的研究始于20世紀70年代，并從90年代中期開始處于全面發(fā)展階段［29］。2013年，NASA JPL報告指出微電子塑封器件（PEMs）大量用于航天工程中［30］。國內(nèi)航天領域也逐漸使用COTS產(chǎn)品，載人航天空間應用系統(tǒng)在COTS產(chǎn)品可靠性方面開展了探索并得到了飛行驗證，如大容量存儲器、光收發(fā)模塊等。實踐表明針對COTS產(chǎn)品，通過采用合適的可靠性試驗（含高加速試驗技術(shù)）可以保證產(chǎn)品可靠性，同時大大減少試驗時間，實現(xiàn)試驗成本最大程度的降低。

4.2總體實施思路

目前，國內(nèi)航天領域缺少統(tǒng)一的高加速試驗方法和標準，為了滿足我國載人空間站應用任務特點和需求，在前期工程研究和實踐的基礎上，本文提出一個基于長壽命產(chǎn)品退化特征的可靠性高加速試驗技術(shù)航天應用保證框架，即綜合HALT?HASS?ADT（HHA）的高加速試驗集成方法?？傮w思路是：

1）在充分研究產(chǎn)品失效機理的基礎上，選擇試驗項目、應力類型、組合方式和施加方式，對產(chǎn)品實施HALT試驗，探索產(chǎn)品的應力極限量值，為HASS初始剖面的制定提供依據(jù)；

2）依據(jù)HALT的試驗結(jié)果，制定HASS初始剖面，而后進行HASS剖面的有效性驗證；

3）建立產(chǎn)品加速模型、性能退化模型，選擇應力類型、組合方式和施加方式，建立關鍵性能參數(shù)集，開展ADT試驗，通過數(shù)據(jù)甄別／數(shù)據(jù)融合，充分利用HALT／HASS退化數(shù)據(jù)進行模型驗證，也可作為貝葉斯先驗信息，進行可靠性評估和剩余有效壽命預測；

4）將產(chǎn)品的退化特征、剩余壽命預測的結(jié)果用于HASS剖面安全性驗證，并完成HASS剖面的優(yōu)化，并將此剖面用于批量產(chǎn)品的高加速篩選過程中。

5 結(jié)論

1）本文綜述了國內(nèi)外高加速試驗（HALT、HASS）的理論和工程應用，高加速試驗多用于民用產(chǎn)品領域，且多采用定性方法提高產(chǎn)品可靠性。近年來，高加速試驗的研究取得持續(xù)進展，逐漸注重HALT、HASS的定量研究，為高加速試驗在航天領域的應用提供借鑒。

2）結(jié)合我國載人空間站應用領域“長壽命、低成本”的任務需求，本文提出綜合HALT?HASS?ADT（HHA）的高加速試驗集成方法及實施的總體思路，對于航天產(chǎn)品長壽命驗證、進行預防性維修、提高試驗效益等具有作用，為滿足空間站應用任務需求提供了一條行之有效的途徑。

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（責任編輯：龐迎春）

Highly Accelerated Reliability Testing and Thoughts of Its Implementation on China Manned Space Station

LIU Kai1，2，LYU Congmin2，DANG Wei2，F(xiàn)U Hongyong2

（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.Technology and Engineering Centre for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

China manned space station will operate for over ten years.Long term and sustained space science and application researches will be conducted during its operation.So the application payloads must meet the“l(fā)ong life and low cost”mission requirement.Thus highly accelerated tes?ting（including HALT and HASS）is needed to improve and estimate the reliability of the space products.Early highly accelerated testing is commonly used in the civilian products and often with qualitative methods.In recent years，the research on highly accelerated testing has made consistent progress，and quantitative study of HALT and HASS is emphasized.According to the“l(fā)ong life and low cost”mission requirement in the space station application field，a HHA accelerated testing method was proposed in this paper by the integration of HALT，HASS and ADT.In addition，the o?verall implementation of HHA accelerated testing method was also proposed.

reliability；highly accelerated life testing；highly accelerated stress screening；acceler?ated degradation testing；space station

V416.3

：A

：1674?5825（2017）02?0222?05

2016?04?18；

2017?02?28

總裝備部預研基金（9140A19021315ZK31267）

劉凱，男，博士，工程師，研究方向為可靠性系統(tǒng)工程。E?mail：lk＠csu.ac.cn