探討航天產(chǎn)品綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

方煥輝，劉國(guó)紅，朱友忠北京航天自動(dòng)控制研究所

探討航天產(chǎn)品綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

方煥輝，劉國(guó)紅，朱友忠
北京航天自動(dòng)控制研究所

航天產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中，由于所處外部環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，在多種因素的共同作用下，產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)很容易發(fā)生故障。綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫慕鉀Q這一問(wèn)題，真是地反映航天產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境，從而了解產(chǎn)品各個(gè)方面的可靠性，這也是當(dāng)前航天設(shè)備主要采用的試驗(yàn)方式。本文通過(guò)詳細(xì)闡述航天器電子產(chǎn)品綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)程序，得出綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)對(duì)于查找航天器電子產(chǎn)品缺陷和弊端擁有極強(qiáng)的有效性。

航天器；電子產(chǎn)品；綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

引言

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)是隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在最近十幾年的時(shí)間里逐步發(fā)展并得以廣泛應(yīng)用的一種新型試驗(yàn)技術(shù)，其主要試驗(yàn)方法是模擬航天產(chǎn)品經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境，同時(shí)給電子產(chǎn)品施加包括溫濕度、振動(dòng)在內(nèi)的綜合環(huán)境應(yīng)力以及電應(yīng)力，使航天產(chǎn)品在這種真實(shí)的外力作用下，激發(fā)出在設(shè)計(jì)和制造中存在的缺陷，并使得這種缺陷顯現(xiàn)為故障，再對(duì)故障進(jìn)行科學(xué)地分析研究，并予以糾正，以達(dá)到提高航天產(chǎn)品可靠性的目的。

航天器電子產(chǎn)品不同于其他電子產(chǎn)品，它要承受來(lái)自復(fù)雜環(huán)境的多種應(yīng)力作用，這一特殊性決定了其必須具有極強(qiáng)的可靠性。綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)通過(guò)模擬其經(jīng)歷的實(shí)際環(huán)境，可以有效的暴露產(chǎn)品的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，具有極強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

一、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)方案解析

1、綜合環(huán)境的確定

航天器電子產(chǎn)品的整個(gè)使用周期要經(jīng)歷多種不同的復(fù)雜環(huán)境，包括在地面環(huán)境下進(jìn)行的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、總裝，以及在空中環(huán)境下的發(fā)射入軌、在軌飛行等等，在這一系列的環(huán)節(jié)中，電子成品要承受溫度、振動(dòng)、噪聲、沙塵、霉菌等多種環(huán)境應(yīng)力的共同作用[1]，而包括振動(dòng)、沖擊在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)環(huán)境也會(huì)在整個(gè)過(guò)程中呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。因此，航天電子產(chǎn)品在使用過(guò)程中的各個(gè)階段，要承受來(lái)自多種環(huán)境應(yīng)力的共同作用，其發(fā)生的故障也多是這些環(huán)境應(yīng)力共同作用的結(jié)果。

盡管綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)可以有效地暴露電子產(chǎn)品在多種環(huán)境因素共同作用下發(fā)生的故障，但在實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行中，并不能將電子產(chǎn)品要經(jīng)受的所有環(huán)境應(yīng)力都統(tǒng)一施加在一個(gè)試驗(yàn)裝置中，這樣不但難以控制，還會(huì)增加成本、影響進(jìn)度。因此，在進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)綜合考核電子產(chǎn)品最為敏感的應(yīng)力環(huán)境。

航天器電子產(chǎn)品經(jīng)受的環(huán)境因素十分復(fù)雜，但溫濕度和振動(dòng)是電子產(chǎn)品最為敏感的應(yīng)力環(huán)境。據(jù)國(guó)內(nèi)某基地對(duì)于航天器電子產(chǎn)品失效原因統(tǒng)計(jì)：溫度占43.3%，振動(dòng)占28.7%，濕度占16%[2]，這三種應(yīng)力是導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效的最大也是最核心因素。鑒于對(duì)電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力敏感性和試驗(yàn)可操作性的綜合考慮，航天器選擇將溫度、濕度、振動(dòng)和電應(yīng)力同時(shí)作用于電子產(chǎn)品，進(jìn)行綜合考核。

2、試驗(yàn)對(duì)象

航天器配套電子產(chǎn)品數(shù)量眾多，多達(dá)數(shù)百臺(tái)，如若全部進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，不但成本巨大，進(jìn)度也十分緩慢。因此在選擇電子產(chǎn)品進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)遵循以下三點(diǎn)原則：

（1）起到重要作用的控制類(lèi)產(chǎn)品；

（2）最新研發(fā)出來(lái)的電子產(chǎn)品，以及舊有電子產(chǎn)品但進(jìn)行了較大更改的；

（3）肩負(fù)著關(guān)鍵飛行任務(wù)的電子產(chǎn)品。

基于對(duì)以上三點(diǎn)原則的綜合考量，試驗(yàn)從每發(fā)航天器選擇大約15臺(tái)發(fā)揮著重要作用的電子產(chǎn)品進(jìn)行綜合考核。在進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)前，每一臺(tái)參與試驗(yàn)的電子產(chǎn)品都應(yīng)先進(jìn)行單項(xiàng)環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)。

3、試驗(yàn)裝置要求

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)對(duì)于試驗(yàn)裝置的要求極高，必須配置自動(dòng)控制系統(tǒng)，且具備報(bào)警功能和保護(hù)功能，試驗(yàn)程序要進(jìn)行數(shù)字化編制，設(shè)置好溫濕度等參數(shù)，做好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，試驗(yàn)過(guò)程中注意觀察試驗(yàn)狀態(tài)，對(duì)于暴露出來(lái)的故障進(jìn)行科學(xué)診斷。

二、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)程序

1、試驗(yàn)中的溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)

參照Q/W1223《航天器組建熱試驗(yàn)技術(shù)要求》，將溫度應(yīng)力的上下限值分別設(shè)定為70攝氏度和零下35攝氏度。由于溫度變化的速率是影響試驗(yàn)故障篩選的重要因素，為確保試驗(yàn)效果，應(yīng)在可行范圍內(nèi)，盡量加大溫度變化速率。理論上來(lái)講，電子產(chǎn)品故障篩選的溫度變化速率應(yīng)大于等于5℃/min，但受熱慣性影響，產(chǎn)品本身的實(shí)際溫度變化速率很難超過(guò)5℃/min，再加上絕大部分電子產(chǎn)品具有較高的熱耗，更加大了溫度變化速率的難度。因此，在進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力的溫度應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，將電子產(chǎn)品本身的變溫率設(shè)定為3-5℃/min。

2、試驗(yàn)中的濕度應(yīng)力設(shè)計(jì)

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)中的濕度應(yīng)力設(shè)計(jì)，一般設(shè)定為95%上限，以便充分考核產(chǎn)品在高濕和高溫環(huán)境下的承受能力。同時(shí)，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電子產(chǎn)品由高溫環(huán)境轉(zhuǎn)入低溫環(huán)境后，若產(chǎn)品存在密封不嚴(yán)的缺陷，產(chǎn)品內(nèi)部可能會(huì)出現(xiàn)受潮的問(wèn)題，導(dǎo)致異常發(fā)生；而產(chǎn)品外部插件也可能由于溫度的變化出現(xiàn)結(jié)露的狀況，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造存在薄弱環(huán)節(jié)，有可能導(dǎo)致短路等故障發(fā)生。

3、試驗(yàn)中的振動(dòng)應(yīng)力設(shè)計(jì)

振動(dòng)分為正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)，而電子產(chǎn)品對(duì)隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境更加敏感。由于電子產(chǎn)品所分布的艙段不同，上升時(shí)所承受的隨機(jī)振動(dòng)力度和環(huán)境也不相同。為加強(qiáng)考核力度，使試驗(yàn)效果達(dá)到最佳，試驗(yàn)時(shí)將振動(dòng)應(yīng)力設(shè)定為最大值，并且為電子產(chǎn)品施加振動(dòng)應(yīng)力時(shí)，施力方向應(yīng)與火箭發(fā)射方向保持一致，總量級(jí)加速度均方根植要求達(dá)到4.55g，功率譜密度要求如下圖[3]。

4、試驗(yàn)中的電應(yīng)力設(shè)計(jì)

航天器為電子產(chǎn)品提供的電壓為27V，在進(jìn)行綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于每個(gè)循環(huán)的上限電壓30V和下限電壓24V，均要求工作時(shí)間不能少于30分鐘，以便更準(zhǔn)確的考核電子產(chǎn)品在電壓上限和電壓下限不同的條件下能否正常工作。在加電過(guò)程中，需時(shí)刻檢測(cè)電子產(chǎn)品的性能。

航天器處于不同飛行階段時(shí)，電子產(chǎn)品會(huì)更改開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)，以滿足任務(wù)要求。因此，試驗(yàn)中，應(yīng)為每個(gè)循環(huán)的高低溫階段設(shè)計(jì)3次關(guān)機(jī)、啟動(dòng)，以便檢測(cè)電子產(chǎn)品是否具有較強(qiáng)的斷電后重新啟動(dòng)的能力。

三、綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)效果分析

經(jīng)過(guò)以上科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木C合環(huán)境試驗(yàn)方案和試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確的考核出航天器電子產(chǎn)品是否具有較強(qiáng)的可靠性。普遍來(lái)講，經(jīng)過(guò)綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，電子產(chǎn)品最常暴露出的典型故障主要分為三種：（1）印制電路板存在虛焊、虛接或焊接位置偏差、焊接力度不夠等問(wèn)題，這種缺陷一般會(huì)在溫度和隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力作用下暴露出來(lái)。（2）一些電子產(chǎn)品的材料選用不合適，比如一些電子產(chǎn)品采用硅膠橡膠一類(lèi)的材料，這類(lèi)材料在溫度變化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮，也容易在外部環(huán)境因素作用下發(fā)生變形，從而引發(fā)故障發(fā)生。（3）一些電子產(chǎn)品表面涂層耐受力不足，在面對(duì)溫度、濕度的頻繁劇烈變動(dòng)時(shí)，容易發(fā)生涂層脫落。還有一些產(chǎn)品接插件設(shè)計(jì)不合理，在高濕環(huán)境下容易受潮，低溫環(huán)境下容易結(jié)露，如此便會(huì)發(fā)生短路故障。

結(jié)語(yǔ)

綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，為我國(guó)航天器電子產(chǎn)品可靠性的考核提供了必要手段。分析后可知它具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：首先，它可以更真實(shí)地模擬電子產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境；其次，綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)可以更真實(shí)地反映電子產(chǎn)品在實(shí)際使用環(huán)境下可能出現(xiàn)的故障模式；再次，綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)?zāi)軌蚋庇^、更充分的將電子產(chǎn)品暴露出的缺陷轉(zhuǎn)換為故障，更方便對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，提高產(chǎn)品可靠性。做好綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，避免電子產(chǎn)品在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)生故障或失效，可以夯實(shí)航天器成功發(fā)射基礎(chǔ)，加快推進(jìn)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)，不斷譜寫(xiě)航天事業(yè)發(fā)展新篇章。

[1]林震,沈朝暉.淺談綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)[C].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，2001∶50-53.

[2]張偉.溫、濕振三綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004（6）：38-41

[3]雷劍宇，霍佳婧，楚麗妍.裝備環(huán)境工程[J].航天器關(guān)鍵電子產(chǎn)品綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)，2012（10）：6-9