航天電子設(shè)備在沖擊環(huán)境下的失效問題研究

丁 沛 劉文會 王佳南

(北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076)

0 引言

爆炸分離沖擊是由安裝在結(jié)構(gòu)上的火工裝置動作所導(dǎo)致的裝備局部強(qiáng)作用機(jī)械瞬態(tài)響應(yīng)。這種響應(yīng)量級高、頻帶寬、持續(xù)時間短，是航天電子設(shè)備所經(jīng)歷的最嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境之一，會對航天器上的儀器設(shè)備產(chǎn)生不利影響，特別是對電子設(shè)備的破壞作用尤為顯著。

歷史上，人們在經(jīng)歷了眾多由爆炸沖擊導(dǎo)致的飛行故障后，逐漸意識到爆炸沖擊環(huán)境的嚴(yán)酷性和嚴(yán)重性，開始重視爆炸沖擊環(huán)境的相關(guān)研究。經(jīng)過幾十年的研究，人們在爆炸沖擊環(huán)境的產(chǎn)生過程、環(huán)境特點、對儀器設(shè)備的破壞機(jī)理、環(huán)境預(yù)示及試驗條件制定等方面取得了大量成果，并形成了一系列規(guī)范，大大降低了爆炸沖擊引起的飛行故障率。

國內(nèi)對爆炸沖擊環(huán)境的研究開始于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過多年研究，對該領(lǐng)域工作的認(rèn)識逐步提高，相關(guān)的管理體系不斷完善，在沖擊測量、環(huán)境評估和試驗?zāi)M等方面制定了詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)方法和操作規(guī)范，有力支撐了爆炸沖擊的深入研究和型號產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，但在破壞機(jī)理、環(huán)境預(yù)示和試驗?zāi)M等方面還有待進(jìn)一步提高。

1 爆炸分離沖擊環(huán)境的特點及危害

航天器上大量使用火工裝置完成某些特定功能，如連接與釋放、切割與破碎等功能。這些火工裝置動作時會產(chǎn)生高量級、寬頻帶、短時間的復(fù)雜振蕩性爆炸沖擊載荷，其頻率范圍通常在100 Hz～1 000 kHz，持續(xù)時間50 μs～20 ms，加速度響應(yīng)幅值范圍可達(dá)300g～300 000g。爆炸分離沖擊的加速度響應(yīng)時間歷程一般會劇烈振蕩，如圖1所示，并具有一個接近10 μs的基本上升時間，響應(yīng)時間歷程本質(zhì)上是隨機(jī)的，重復(fù)性很小。

火工裝置動作時，除了火工裝置附近有塑性變形外，較大型箭體結(jié)構(gòu)僅僅傳遞彈性波，而本身不易受爆炸分離沖擊的影響(細(xì)長結(jié)構(gòu)、輕薄結(jié)構(gòu)和脆性材料結(jié)構(gòu)除外)。但是，爆炸分離沖擊可能對所有電子設(shè)備產(chǎn)生不利影響。不利影響的程度一般隨著爆炸分離沖擊的量級和持續(xù)時間的增大而增大，并且隨著離火工裝置的距離增大而減小。當(dāng)爆炸分離沖擊產(chǎn)生的材料應(yīng)力波波長與裝備中微電子器件固有頻率的波長一致時，會加劇不利影響。

典型爆炸分離沖擊造成的故障包括：

1)細(xì)長結(jié)構(gòu)或薄壁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。2)繼電器抖動。3)電位計滑移、閥芯誤動作。4)螺栓松動。5)脆性部件(如陶瓷、晶體、環(huán)氧樹脂材料、玻璃封裝材料、焊點、電纜引線頭等)的裂紋和斷裂。6)密封失效。7)電路板損傷、電路板故障。8)多余物遷移造成短路。9)微電子芯片結(jié)構(gòu)變形。10)運行的電容器、晶振器或混合電路模塊在沖擊過程中暫時失效。

另外，爆炸分離沖擊的加熱效應(yīng)和電離效應(yīng)引起的故障并不多見，但是，可能在電氣系統(tǒng)中產(chǎn)生一個突棘干擾。

2 對爆炸分離沖擊環(huán)境認(rèn)識的歷史過程

早期，由于設(shè)備的沖擊試驗規(guī)范幅值是100g，而振動規(guī)范效值為50g(rms)～100g(rms)，所以大家普遍低估沖擊環(huán)境的嚴(yán)重性。但1960年出現(xiàn)了繼電器因爆炸沖擊失效進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)失敗的重大事故，使得人們開始重視爆炸分離沖擊環(huán)境的嚴(yán)重性，并加強(qiáng)了實際環(huán)境測量。在隨后的幾年中，引入地震研究中使用的沖擊響應(yīng)譜，對爆炸分離沖擊環(huán)境的描述逐漸從時域轉(zhuǎn)向沖擊響應(yīng)譜。

由于實測的沖擊值可高達(dá)6 000g～10 000g，這讓很多設(shè)計者擔(dān)心電子設(shè)備的沖擊環(huán)境適應(yīng)性，因此開展了大量降沖擊和隔沖擊研究。約在1966年，有研究者認(rèn)為既然爆炸分離沖擊是由火工品引起的，那么減少火工品藥量就可以降低沖擊量級。然而實際并非如此，V型包帶爆炸分離沖擊主要是應(yīng)變能引起的，切割索爆炸分離沖擊主要是切割一定厚度的金屬板引起的，同時，藥量減少過多還會影響分離任務(wù)的完成。還有人認(rèn)為通過藥量的精準(zhǔn)控制，就可實現(xiàn)沖擊環(huán)境的精準(zhǔn)控制，但實測數(shù)據(jù)顯示，藥量微小變化下(百分之幾)的沖擊量級變化也很大(-50%～100%)。約在1964年—1975年，有人研究了部件間界面處加入柔性材料降低爆炸分離沖擊傳遞量級的方法，但由于界面往往需要承載能力和一定的剛度，因此這種隔沖擊方法并不實用。

在研究從沖擊源和傳遞路徑上降低沖擊的同時，人們也加強(qiáng)了試驗?zāi)M技術(shù)方面的研究。1969年左右，在認(rèn)識到用跌落沖擊脈沖模擬爆炸分離沖擊試驗后，人們開始采用振動臺產(chǎn)生振蕩衰減波來進(jìn)行試驗考核。在1979年—1985年，又逐步發(fā)展出用機(jī)械裝置撞擊和用火工裝置模擬爆炸分離沖擊環(huán)境的試驗方法。這些模擬試驗的開展，使得大量產(chǎn)品暴露出了缺陷，也讓人們加深了對沖擊環(huán)境的認(rèn)識。

3 國外電子設(shè)備的沖擊失效

美國馬歇爾航天中心對1983年—1998年間美國運載火箭的22次事故進(jìn)行了統(tǒng)計分析，其中有5次為分離系統(tǒng)引起的，爆炸分離沖擊環(huán)境造成了含有陶瓷材料的儀器、電磁閥、繼電器以及電路板發(fā)生了故障。

Moening調(diào)查了14個飛行項目里共發(fā)生的88次故障。經(jīng)檢查組檢查，其中有41次故障肯定是由爆炸分離沖擊引起的，另外有44起也大概率是由爆炸分離沖擊引起的，即共有85次是確定或大概率由爆炸分離沖擊環(huán)境引起的，如表1所示。

表1 與爆炸分離沖擊有關(guān)的飛行事故

3.1 繼電器抖動

有4起由繼電器抖動引起的飛行故障，都造成了災(zāi)難性事故。引起故障的沖擊響應(yīng)譜峰值為600g～4 000g，頻率在2 000 Hz以上。造成這些事故的原因是由于對沖擊環(huán)境的預(yù)估不足，或沒有進(jìn)行系統(tǒng)級的沖擊試驗。其中，一個設(shè)備只經(jīng)受了沖擊響應(yīng)譜峰值160g的試驗考核，但實際飛行中沖擊量級大于2 000g；另一個設(shè)備只經(jīng)受了沖擊響應(yīng)譜峰值60g的試驗考核，但實際飛行中沖擊量級為1 100g。

3.2 導(dǎo)線破斷和玻璃碎裂

由導(dǎo)線破斷和玻璃碎裂引起的硬件故障有30起，其中，有17起造成災(zāi)難性事故，占該類事故的56.7%，另外13起造成任務(wù)降級。造成這類事故的沖擊量級都比較高，其沖擊響應(yīng)譜2 000 Hz以上的峰值在3 000g以上。造成故障的原因與沖擊速度線有關(guān)，即沖擊譜量級大于0.8f(f是以Hz為單位的沖擊響應(yīng)譜頻率)。

3.3 污染粒子擴(kuò)散

由集成電路和半導(dǎo)體上的焊料球或污染物遷移從而引起儀器短路的飛行故障有29起，其中24起造成災(zāi)難性事故。這類故障在沖擊響應(yīng)譜峰值較高和較低的情況下都會發(fā)生，且一般并不與爆炸分離沖擊同時發(fā)生，而是在爆炸分離沖擊發(fā)生后的一段時間內(nèi)(3 s～100 s)。

3.4 微電子芯片結(jié)構(gòu)變形

這種類型的故障比較少，在地面爆炸分離沖擊試驗中偶爾會出現(xiàn)沖擊源附近的支架等屈服或斷裂，在表1中沒有此類故障。

3.5 故障原因總結(jié)

發(fā)生這些事故的原因，可以從設(shè)計和試驗兩個方面進(jìn)行分析。

發(fā)生爆炸分離沖擊故障設(shè)計上的原因：

1)電子系統(tǒng)加電后不允許有中斷現(xiàn)象(如繼電器)。2)不好的火工裝置設(shè)計，有時能產(chǎn)生很高的沖擊級環(huán)境。3)有些敏感設(shè)備太接近爆炸分離沖擊源了，總體設(shè)計上不合理。4)元部件容易受到污染而短路，設(shè)計上有缺點，采用鈍化措施可大大減少故障率。

發(fā)生爆炸分離沖擊故障試驗上的原因：

1)元部件沒有進(jìn)行充分合格試驗。2)沒有進(jìn)行過系統(tǒng)級爆炸分離沖擊試驗。3)沒有足夠的元件和部件篩選。

4 國內(nèi)電子設(shè)備的沖擊失效

在國內(nèi)航天發(fā)展史上，也曾經(jīng)出現(xiàn)多次由爆炸分離沖擊導(dǎo)致的飛行故障，因此，航空航天業(yè)是國內(nèi)展開沖擊環(huán)境研究較早的行業(yè)之一。北京強(qiáng)度環(huán)境研究所承擔(dān)了大量航天沖擊試驗課題，通過對2013年—2017年間試驗資料的整理，從近3 000項試驗中收集了33項產(chǎn)品出現(xiàn)故障的試驗，如表2所示。

表2 爆炸分離沖擊試驗中的產(chǎn)品損壞情況

表2所列的故障產(chǎn)品中，有21項為電子元器件損壞，12項為結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋或斷裂等破壞。電子元器件損壞的產(chǎn)品中，13項為8 000g量級試驗下?lián)p壞(占61.9%)，根據(jù)拐點和低頻量級不同，其試驗條件可分為4組，如表3所示。

表3 8 000g量級產(chǎn)品損壞的沖擊試驗條件統(tǒng)計

圖2列出了4種試驗條件的沖擊響應(yīng)譜，從圖2中可以看出，只有條件4為高頻能量高、低頻能量較低，因此只容易引起電子元器件故障，而不容易引起結(jié)構(gòu)破壞。條件1～條件3不僅高頻能量高，且低頻能量也較大，既容易引起電子元器件故障，也容易引起結(jié)構(gòu)破壞。尤其是當(dāng)拐點頻率較低時，為使試驗曲線在拐點處進(jìn)入容差帶，往往會使低頻、高頻范圍的曲線貼近上容差，造成沖擊環(huán)境更為惡劣。近年來，由于國內(nèi)航天業(yè)對沖擊環(huán)境的日益重視，電子設(shè)備設(shè)計單位已經(jīng)積累了大量沖擊防護(hù)經(jīng)驗，連續(xù)性的產(chǎn)品沖擊故障已經(jīng)很少出現(xiàn)，偶爾發(fā)生是型號研制中出現(xiàn)新的惡劣沖擊條件，或新進(jìn)入航天領(lǐng)域的配套單位缺乏相關(guān)經(jīng)驗而導(dǎo)致的。

5 結(jié)語

本文回顧了國內(nèi)外對爆炸分離沖擊環(huán)境的認(rèn)識及其技術(shù)發(fā)展的歷史，人們對爆炸分離沖擊環(huán)境的認(rèn)識是在大量的飛行故障基礎(chǔ)上逐漸建立和提高的。隨著對爆炸沖擊環(huán)境的產(chǎn)生、特點、危害、防護(hù)措施、模擬試驗和環(huán)境預(yù)示等的不斷研究，在取得了大量研究成果的同時，還形成了一系列規(guī)范，大幅降低了與爆炸分離沖擊有關(guān)的飛行故障。但在沖擊損傷、失效機(jī)理等方面的研究上，還有待進(jìn)一步的努力。