某型終端控制器壽命與可靠性評估方法研究

代永德 欒家輝 朱興高 石士進(jìn) 韓慧超

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某型終端控制器壽命與可靠性評估方法研究

代永德 欒家輝 朱興高 石士進(jìn) 韓慧超

（中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

針對某衛(wèi)星平臺、各分系統(tǒng)和各單機(jī)的壽命和可靠性指標(biāo)的地面綜合評價(jià)問題，提出一種基于無失效數(shù)據(jù)的單機(jī)壽命與可靠性評估方法。以某型終端控制器為研究對象，針對其主要故障模式提出了電子類產(chǎn)品的壽命與可靠性評估模型和方法，應(yīng)用控制器的地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)和相似產(chǎn)品在軌飛行數(shù)據(jù)，對終端控制器開展壽命與可靠性評估計(jì)算。

終端控制器；壽命與可靠性；貝葉斯方法；指數(shù)分布

1 引言

目前國內(nèi)低軌衛(wèi)星的設(shè)計(jì)壽命一般為3～5年，根據(jù)未來衛(wèi)星任務(wù)需求，平臺提出了設(shè)計(jì)壽命達(dá)到8年的指標(biāo)，明確要求“完成平臺系統(tǒng)、分系統(tǒng)和關(guān)鍵單機(jī)的長壽命的設(shè)計(jì)、分析及部分關(guān)鍵單機(jī)的壽命試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)平臺設(shè)計(jì)壽命不低于8年”，相對于當(dāng)前水平技術(shù)跨越很大。

2 產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)

終端控制器由接口電路、配電器、主份控制器、備份控制器組成，4個盒體拼裝后臥式安裝，通過AIRBORN連接器相連。終端控制器三維模型見圖1。

圖1 終端控制器三維模型

終端控制器是某衛(wèi)星平臺捕獲跟蹤分系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是接收來自數(shù)管分系統(tǒng)的總線指令，完成對衛(wèi)星的角度程控跟蹤、GPS程控跟蹤、軌道程控跟蹤或自動跟蹤，采用雙機(jī)冷備份，外部接口連接，如圖2所示。

圖2 終端控制器組成框圖

3 產(chǎn)品試驗(yàn)及在軌應(yīng)用情況

終端控制器進(jìn)行了地面鑒定試驗(yàn)，包括力學(xué)試驗(yàn)（正弦振動試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)）、熱真空試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)，均無異常情況。

平臺終端控制器為XX-14基礎(chǔ)上預(yù)研型號，在XX-14基礎(chǔ)上為適應(yīng)平臺做了適應(yīng)性修改，單機(jī)產(chǎn)品DC/DC的輸入母線電壓由28V調(diào)整到42V，其基本功能完全與XX-14一樣。XX-14分為XX-14（A）與XX-14（B）兩顆星，平臺上終端控制器與這兩顆星完全一樣，目前在軌運(yùn)行良好，均無失效。

4 產(chǎn)品壽命與可靠性評估方案

4.1 產(chǎn)品壽命與可靠性要求

根據(jù)衛(wèi)星公用平臺要求，控制器壽命要求在軌工作30000h。產(chǎn)品在軌承受的空間輻射劑量大，存儲單元受單粒子事件和設(shè)備散熱問題影響顯著。輻射效應(yīng)分為總劑量累積效應(yīng)和單粒子效應(yīng)，總劑量累積效應(yīng)可以通過屏蔽的方式解決，這一點(diǎn)在國內(nèi)外很多飛行器上已得到驗(yàn)證。但是單粒子效應(yīng)則必須從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度仔細(xì)分析才能解決。終端控制器位于載荷倉內(nèi)，工作溫度范圍為-15～50℃。

4.2 產(chǎn)品主要故障模式及壽命評估特征量

終端控制器是電子產(chǎn)品，根據(jù)終端控制器的FMEA，其主要故障模式為主驅(qū)動電路不能工作，電源電路無電源輸出，接口電路不能給其他分機(jī)供電及發(fā)送開關(guān)機(jī)指令等。不存在單點(diǎn)故障模式，沒有嚴(yán)重性等級為I、II的故障模式，其主要故障模式為溫度、輻照或者力學(xué)環(huán)境導(dǎo)致的器件失效，在設(shè)計(jì)保證的情況下，其主要故障模式為電子器件的隨機(jī)失效。終端控制器在軌間歇性工作，其可靠性指標(biāo)要求為8年壽命末期可靠度為0.99，置信度取0.7。終端控制器在軌間歇運(yùn)行，其壽命特征量為工作時(shí)間。

4.3 評估模型

依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能要求，為了提高可靠性，整機(jī)采用了1?1冷備，針對整機(jī)開展的地面鑒定級試驗(yàn)，其可靠性框圖如圖3所示，其可靠性數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

其中：N——冷備單元個數(shù)；T——累計(jì)總試驗(yàn)時(shí)間；r——試驗(yàn)失效數(shù)；t——任務(wù)時(shí)間。

4.4 評估方法

終端控制器為電子產(chǎn)品，選用工作時(shí)間為特征量采用指數(shù)分布模型開展評估，采用Bayes方法：

可靠性計(jì)算方法可采用指數(shù)分布模型直接評估計(jì)算或應(yīng)用Bayes方法評估計(jì)算，Bayes方法評估中綜合應(yīng)用了產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)、試驗(yàn)及在軌信息，更多地反映產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)情況。

4.4.1 可靠度計(jì)算方法

4.4.1.1 指數(shù)分布模型直接計(jì)算

指數(shù)分布模型可靠度按公式（3）～（6）計(jì)算。

4.4.1.2 Bayes方法評估計(jì)算

a. 驗(yàn)前信息轉(zhuǎn)換方法

（0，1）為驗(yàn)前信息，上述公式是將驗(yàn)前信息按置信度0.6壓縮。

b. 相容性分析

對驗(yàn)前信息（0，0）與現(xiàn)場試驗(yàn)信息（，）進(jìn)行相容性分析，可根據(jù)雙邊區(qū)間估計(jì)計(jì)算公式（8）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)。

c. 驗(yàn)后信息計(jì)算

綜合現(xiàn)場試驗(yàn)信息（，）和驗(yàn)前信息（0，0），單元的驗(yàn)后特征量按照式（9）計(jì)算：

d. 可靠性評估計(jì)算

將1，1分別代替，應(yīng)用式（3）～式（6）計(jì)算得到相應(yīng)的可靠度。

4.4.2 可靠性評估方法

終端控制器的可靠性為主終端控制器和備終端控制器的雙機(jī)冷備，采用CMSR方法評估。

4.4.3 壽命評估方法

終端控制器為電子產(chǎn)品，在軌主要故障模式為隨機(jī)失效，因此在壽命評估中對進(jìn)行評估：

4.5 評估數(shù)據(jù)

根據(jù)可靠性評估模型，本次評估將采集終端控制器的可靠性預(yù)計(jì)信息、地面試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)和在軌飛行數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)情況如下：根據(jù)終端控制器失效率匯總表，其失效率預(yù)計(jì)值為1270.1988fit。

與單機(jī)產(chǎn)品相似的在軌衛(wèi)星共有2顆。根據(jù)地面數(shù)據(jù)和在軌數(shù)據(jù)整理終端控制器的壽命與可靠性評估模型數(shù)據(jù)，得到終端控制器的評估數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 終端控制器可靠性評估數(shù)據(jù)采集卡（其中，飛行數(shù)據(jù)截至平臺驗(yàn)收）

綜合相似產(chǎn)品在軌飛行數(shù)據(jù)和地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到等效累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間，為單機(jī)產(chǎn)品壽命與可靠性的評估提供數(shù)據(jù)支持。

5 壽命與可靠性評估計(jì)算

5.1 可靠性評估計(jì)算

根據(jù)上文介紹的評估方法，直接應(yīng)用指數(shù)分布方法和Bayes方法分別對終端控制器的可靠性進(jìn)行了評估計(jì)算。

應(yīng)用表1的在軌和試驗(yàn)信息應(yīng)用指數(shù)分布模型評估得到的終端控制器可靠性點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的可靠性置信下限分別為0.890039和0.566967。

綜合應(yīng)用產(chǎn)品預(yù)計(jì)信息和表1的試驗(yàn)信息，應(yīng)用Bayes方法評估得到終端控制器的可靠性點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的可靠性置信下限分別為0.999831和0.998981。

5.2 壽命評估計(jì)算

對終端控制器的壽命評估，僅應(yīng)用在軌和試驗(yàn)信息開展，根據(jù)式（18），應(yīng)用式（19）的評估結(jié)果，計(jì)算得到終端控制器的點(diǎn)估計(jì)和置信度0.7下的置信下限分別為68.7年和13.7年。

6 結(jié)束語

終端控制器為A類電子產(chǎn)品，工作時(shí)間要求為30000h，目前最長在軌時(shí)間為14400h；綜合利用可靠性預(yù)計(jì)值、地面試驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)，評估計(jì)算得到置信度0.7的可靠度下限為0.998981，滿足可靠性要求0.99，可認(rèn)為終端控制器可靠性設(shè)計(jì)滿足要求；由于地面試驗(yàn)、在軌數(shù)據(jù)不充分，基于已有數(shù)據(jù)評估計(jì)算得到置信度0.7的可靠度下限為0.566967，建議在后續(xù)型號進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)，為驗(yàn)證可靠性水平提供支持。

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Research on Evaluation Method to Life and Reliability of Terminal Controller Based on Zero-failure Data

Dai Yongde Luan Jiahui Zhu Xinggao Shi Shijin Han Huichao

(China Astronautics Standards Institute, Beijing 100071)

Aiming at ground comprehensive assessment problem of the life and reliability indexes for a certain satellite platform, sub-system and stand-alone device, a method for life and reliability of stand-alone device which based on zero-failure data is proposed. A certain terminal controller is taken as the research object, and the life and reliability evaluation model and method of electronic products are proposed according to the main failure modes. Base on the ground test data and the on-orbit flight data of terminal controller, the life and reliability are calculated.

terminal controller；life and reliability；bayesian method；exponential distribution

2018-11-09

代永德（1992），碩士，可靠性專業(yè)；研究方向：航天產(chǎn)品壽命與可靠性評估。

基于MBD方法的典型空間機(jī)電產(chǎn)品可靠性定量設(shè)計(jì)分析技術(shù)研究（JSZL2015203B030）。