地面長期貯存衛(wèi)星電源單機(jī)工作壽命可靠性建模與預(yù)計①

姜東升,侯學(xué)龍,胡太彬,趙海濤

(1.北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094;2.山東航天電子技術(shù)研究所,煙臺 264003)

0 引言

衛(wèi)星電源分系統(tǒng)電子設(shè)備單機(jī)包括:電源控制器(power control unit,PCU)、分流調(diào)節(jié)器、放電調(diào)節(jié)器、均衡管理器和配電管理器等電子設(shè)備[1],其任務(wù)是在光照期,分流和調(diào)節(jié)太陽電池陣輸出功率向整星穩(wěn)定供電,并對蓄電池組進(jìn)行充電;在地影期通過調(diào)節(jié)和控制蓄電池組的能量向整星提供穩(wěn)定的供電電壓。 衛(wèi)星電源電子設(shè)備具有設(shè)備功率大,發(fā)熱量高,使用的元器件數(shù)量多,功率大于0.1 W 的元器件多,且有長壽命和高可靠要求的特點(diǎn),其能否可靠地為整星供電,直接決定衛(wèi)星在軌飛行任務(wù)順利完成和分系統(tǒng)設(shè)備能否正常工作[2-3]。

過去衛(wèi)星地面測試時間很短,在軌工作時間很長,通常不考慮地面貯存對衛(wèi)星電子設(shè)備可靠性的影響,只考慮衛(wèi)星在軌壽命期間的可靠性。 而對于導(dǎo)彈等裝備,由于其通常在地面庫房貯存很長時間,然后發(fā)射工作,其貯存時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工作時間,其電子設(shè)備可靠性通常更關(guān)心地面貯存對可靠性的影響。 近些年來一些裝備型號由于任務(wù)特殊性,對衛(wèi)星提出了在出廠測試完畢后,要在地面貯存一段時間然后擇機(jī)發(fā)射,這就要求同時考慮衛(wèi)星地面貯存和在軌工作兩種狀態(tài)對衛(wèi)星電子設(shè)備可靠性的綜合影響。

傳統(tǒng)衛(wèi)星電子設(shè)備地面貯存和在軌工作可靠性數(shù)據(jù)的獲取一般有兩種方法:傳統(tǒng)的長期貯存試驗方法和目前工程常用的加速壽命試驗方法。 長期貯存試驗方法耗時長,對存儲環(huán)境穩(wěn)定性的要求比較嚴(yán)格,在貯存期內(nèi)由于產(chǎn)品性能參數(shù)隨時間變化很小,再加上測量系統(tǒng)誤差,要根據(jù)實際長期貯存試驗測量數(shù)據(jù)獲得產(chǎn)品性能變化規(guī)律,其可實施性的難度很大。 加速壽命試驗則是在試驗條件不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下[4-5],選用合理的加速因子,加大應(yīng)力因素(如熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力等),加快產(chǎn)品老化速度,根據(jù)加速老化后產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)推算出產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平下的可靠性指標(biāo)[6]。 該方法試驗費(fèi)用高,受應(yīng)力因子選取、失效機(jī)理研究、加速模型是否準(zhǔn)確等因素制約。 同時,又由于地面貯存時間和在軌工作時間兩種狀態(tài)相互耦合,需要進(jìn)行多種工作模式組合,開展大量試驗才能獲得不同地面貯存時間條件下對應(yīng)的可靠性試驗數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星研制通常出廠測試完成老煉試驗后即轉(zhuǎn)入靶場發(fā)射,不需要存儲,當(dāng)前一些裝備型號要求衛(wèi)星在出廠測試完畢后,要在地面貯存一段時間然后擇機(jī)發(fā)射。 地面長時間貯存對星上電子設(shè)備的可靠性影響不可忽略,當(dāng)前缺少這方面的研究,需要在衛(wèi)星設(shè)計階段開展地面貯存對電子設(shè)備在軌工作可靠性的影響進(jìn)行分析,建立電子設(shè)備地面存儲后的在軌使用可靠性模型。 本文提出了一種通過預(yù)計衛(wèi)星電源電子設(shè)備地面貯存非工作狀態(tài)失效率和在軌工作狀態(tài)失效率,利用文中推導(dǎo)的電源設(shè)備地面貯存/在軌工作可靠性模型對衛(wèi)星電源電子設(shè)備可靠性進(jìn)行評估的方法。

1 地面長期貯存后發(fā)射入軌衛(wèi)星電源電子單機(jī)可靠性建模分析

本文提出一種全新的電源設(shè)備地面貯存/在軌工作可靠性評估模型,該模型由地面發(fā)射前貯存時間為t的貯存期間產(chǎn)品的可靠性函數(shù)Rs(t)和貯存t時間后,工作時間為x時產(chǎn)品的可靠度函數(shù)Ru(x)組成,通過理論推導(dǎo)獲得電源設(shè)備地面貯存/在軌工作可靠性預(yù)計模型與Rs(t)和Ru(x)的計算關(guān)系。由于電源設(shè)備屬于電子設(shè)備,其可靠性服從指數(shù)分布,通過利用GJB/299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》及GJB/Z 108A—2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊》利用元器件應(yīng)力法計算獲得電源設(shè)備在貯存期間產(chǎn)品的失效率λ1,和發(fā)射入軌后工作失效率λ2,即可獲得電源設(shè)備地面貯存/在軌工作可靠性預(yù)計指標(biāo)。

常見電子設(shè)備可靠度定義為:電子設(shè)備在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的概率,它是描述可靠性的定量指標(biāo)。 用數(shù)學(xué)公式表示為:

其中R(t)表示系統(tǒng)的可靠度函數(shù);P表示概率;T表示系統(tǒng)發(fā)生故障前的工作時間,即系統(tǒng)的壽命,它是一個隨機(jī)變量;t表示系統(tǒng)的規(guī)定工作時間。式(1)明確的表述了可靠度的含義,即:系統(tǒng)的壽命大于規(guī)定工作時間的概率。

對于一個不可修電子系統(tǒng)來講,在什么時間發(fā)生故障完全是隨機(jī)的,系統(tǒng)一旦故障,其壽命便會終止,這類電子設(shè)備的壽命服從指數(shù)分布,其可靠度函數(shù)為:

其中:λ為失效率又稱故障率,在規(guī)定的條件下,產(chǎn)品在某時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率。

目前,由于多種原因,很多衛(wèi)星不是生產(chǎn)出來就直接發(fā)射入軌投入使用,而是要在地面貯存一段時間后,經(jīng)過測試一切正常后再發(fā)射入軌工作,因此需要建立衛(wèi)星電源電子設(shè)備地面長期貯存后發(fā)射入軌可靠性模型,即衛(wèi)星電源電子設(shè)備地面貯存/在軌工作可靠性模型。

對于星上某一電源產(chǎn)品,地面發(fā)射前貯存時間為T1,衛(wèi)星在軌工作時間為T2時;用Xt表示貯存時間T1后產(chǎn)品的壽命,則其可靠度函數(shù)可表示為:

對于星上某一電子設(shè)備,假設(shè)其貯存階段產(chǎn)品的壽命分布為指數(shù)分布[7];其使用階段的工作壽命也服從指數(shù)分布,假定其貯存失效率為λ1,工作失效率為λ2,則對于某星上電源電子設(shè)備在地面貯存時間T1,并發(fā)射入軌工作時間T2后產(chǎn)品的可靠度函數(shù)為:[8]

其中:Rs(T1)為貯存期間產(chǎn)品的可靠性函數(shù),即貯存可靠度函數(shù);Ru(T2)為貯存T1時間后,工作時間為T2時產(chǎn)品的可靠度函數(shù)。 對于地面長期存儲后發(fā)射入軌衛(wèi)星電源單機(jī)可靠性評估,如果獲取其貯存失效率λ1和工作失效率λ2即可通過計算獲得該設(shè)備地面長期存儲T1后發(fā)射入軌工作時間T2后產(chǎn)品的可靠度指標(biāo)。

2 某衛(wèi)星PCU 地面貯存/在軌壽命末期可靠性預(yù)計

衛(wèi)星電源設(shè)備一般由電阻、電容、二極管、三極管、集成電路等宇航級電子元器件組成,對于此類元器件國內(nèi)目前已經(jīng)積累了大量的試驗和統(tǒng)計數(shù)據(jù),已有成熟的標(biāo)準(zhǔn)和手冊來預(yù)計電子設(shè)備的失效率λ。 衛(wèi)星電源設(shè)備發(fā)射入軌工作狀態(tài)的失效率λ2,對于其中采用的國產(chǎn)電子元器件,其失效率可通過國軍標(biāo)GJB/299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》[9]預(yù)計得到;而對于進(jìn)口電子元器件的失效率,則可采用美軍標(biāo)MIL-HDBK-217F《電子設(shè)備可靠性預(yù)計》[10]預(yù)計得到。 衛(wèi)星電源設(shè)備地面貯存非工作狀態(tài)的失效率λ1,可通過國軍標(biāo)GJB/Z 108A—2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊》[11]預(yù)計獲得[12]。

某衛(wèi)星PCU 是衛(wèi)星電源系統(tǒng)的核心設(shè)備,起著穩(wěn)定一次母線電壓,分流太陽翼多余電流、為蓄電池組充電和為負(fù)載提供平穩(wěn)供電電壓和功率的作用。PCU 包含:母線誤差放大電路、蓄電池誤差放大電路、遙測遙控模塊、分流調(diào)節(jié)模塊和放電調(diào)節(jié)模塊。元器件的種類和數(shù)量多,有常見電阻、電容及集成電路,也包MOSFET 和快恢復(fù)二極管等大功率器件,共300 多種器件,一萬多只元器件[13]。 元器件的質(zhì)量等級見表1。 根據(jù)元器件質(zhì)量等級可以通過標(biāo)準(zhǔn)GJB/299C—2006 和 GJB/Z 108A—2006 獲取元器件的工作質(zhì)量系數(shù)和非工作質(zhì)量系數(shù)。

表1 PCU 使用器件質(zhì)量等級表Tab.1 Electronic components quality used in PCU

衛(wèi)星電源電子單機(jī)可靠性預(yù)計通常采用元器件應(yīng)力分析法計算失效率,該方法適用于電子設(shè)備詳細(xì)設(shè)計階段,在這個階段已具備了詳細(xì)的元器件清單、電應(yīng)力、環(huán)境溫度等信息,可以用于快速估算在研設(shè)備的可靠性[14]。

1)PCU 地面長期存儲失效率模型

PCU 使用各元器件在地面長期貯存失效率λNP計算方法參見GJB/Z 108A—2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計手冊》,PCU 所使用元器件地面長期貯存失效率預(yù)計模型見式(5)。

式中:λNP——非工作失效率,10-6/h;

λNb——非工作基本失效率,10-6/h;

πNE——非工作環(huán)境系數(shù);

πNQ——非工作質(zhì)量系數(shù);

πCYC——設(shè)備電源通斷電循環(huán)數(shù)。

對于PCU 使用各元器件的地面長期貯存失效率,利用地面長期貯存失效率預(yù)計模型式(5),從標(biāo)準(zhǔn) GJB/Z 108A—2006 查閱各元器件的 λNb、πNE、πNQ、πCYC即可通過計算獲得。

然后按照元器件計數(shù)法,根據(jù)下式計算PCU 的設(shè)備貯存失效率λ1:

式中:λNPi——為第i種元器件非工作失效率,10-6/h;

Ni——第i種元器件的數(shù)量;

n——PCU 中的元器件種類數(shù)。

2)PCU 發(fā)射入軌后工作失效率模型

PCU 使用各元器件發(fā)射入軌后工作失效率λp計算方法[8]參見GJB/299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》,以二極管為例,其發(fā)射入軌后工作失效率預(yù)計模型見式(7)。

式中:λp——工作失效率,10-6/h;

λb——工作基本失效率,10-6/h;

πE——工作環(huán)境系數(shù);

πQ——工作質(zhì)量系數(shù);

πr——額定電流系數(shù);

πA——應(yīng)用系數(shù);

πV——電壓應(yīng)力系數(shù);

πc——結(jié)構(gòu)系數(shù)。

對于PCU 使用各元器件的發(fā)射入軌后工作失效率,利用發(fā)射入軌后工作失效率預(yù)計模型式(7),從標(biāo)準(zhǔn) GJB/299C—2006 查閱各元器件的 λb、πE、πQ、πr、πA、πV、πc即可通過計算獲得。

然后按照下式計算PCU 的發(fā)射入軌工作設(shè)備失效率λ2:

式中:λPi——為第i種元器件發(fā)射入軌后工作失效率,10-6/h;

Ni——第i種元器件的數(shù)量;

n——PCU 中的元器件種類數(shù)。

獲取PCU 的地面長期存儲失效率λ1和發(fā)射入軌后工作失效率λ2即可通過式(4)計算獲得該設(shè)備地面長期存儲t時間,發(fā)射入軌使用時間x后產(chǎn)品的可靠度指標(biāo)。

某衛(wèi)星PCU 在軌設(shè)計壽命為12 年,按照上述方法分別計算其在地面貯存0 年、0.5 年、1 年、1.5年后發(fā)射入軌工作12 年壽命末期的可靠度變化趨勢,如圖1 所示,由圖中可靠度曲線可以看出對于地面貯存時間小于0. 5 年的電源設(shè)備,地面貯存對PCU 地面貯存/在軌工作可靠性影響很小,可以忽略地面貯存的影響。 而對于地面貯存時間大于1 年的電源設(shè)備,地面貯存對PCU 地面貯存/在軌工作可靠性影響就不能忽略了,必須在可靠性預(yù)計中考慮其影響。

圖1 PCU 發(fā)射入軌工作12 年的可靠度Fig.1 Reliability of PCU on orbit working for 12 years

3 結(jié)論

本文通過對衛(wèi)星電源單機(jī)地面貯存/在軌可靠性建模,并對某顆衛(wèi)星電源電子單機(jī)地面貯存/在軌工作壽命末期可靠性預(yù)計分析,給出了一種分析衛(wèi)星電源電子單機(jī)地面長期貯存后發(fā)射入軌可靠度的新方法、新思路。 對于評估衛(wèi)星地面長期存儲后發(fā)射入軌的星上電子設(shè)備的綜合可靠性,確保衛(wèi)星圓滿完成飛行任務(wù)具有重要意義。