電子單機板卡在軌維修設(shè)計研究

摘 要：隨著中國空間站建成并轉(zhuǎn)入運營階段，空間站的維修問題已逐步凸顯?？臻g站使用壽命10年，惡劣的空間環(huán)境與飛行器壽命之間的矛盾對空間站的運營提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，特別是電子單機受影響最為顯著，延長電子單機在軌運行壽命的問題亟需解決，開展單機的精細(xì)化維修研究勢在必行。現(xiàn)以電子單機為例，開展電子單機板卡在軌同構(gòu)化、精細(xì)化維修技術(shù)研究，綜合考慮板卡的物理性能檢測、維修和維修后基本性能測試等全周期維修工作，構(gòu)建單機維修系統(tǒng)，實現(xiàn)了電子單機的板卡級精細(xì)化維修，提升了電子單機空間維修和維護的能力，從而保障了航天器長期安全可靠運行。

關(guān)鍵詞：空間站；電子單機；精細(xì)化；單機維修系統(tǒng)

中圖分類號：V476.1" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0051-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.011

0" " 引言

近年來，在軌故障已逐步超過發(fā)射故障，成為航天器最主要的危險源。通過對270多個電子設(shè)備故障案例的分析[1]，發(fā)現(xiàn)近80%的故障屬于永久性故障，通常由靜電放電、設(shè)計缺陷或損耗等問題造成；通過故障分析還發(fā)現(xiàn)載人航天器的在軌故障通常只是個別器件/部件發(fā)生問題而導(dǎo)致整個單機設(shè)備或系統(tǒng)無法工作，造成巨大的資源浪費。因此，針對電子單機類設(shè)備在軌維修技術(shù)的研究，對提高中國空間站電子設(shè)備可靠性和維修水平具有重大意義，開展載人航天器電子單機內(nèi)部在軌可更換單元（Orbital Replacement Unit，ORU）維修性設(shè)計研究顯得十分必要。未來，人類足跡將進一步向深空、向其他行星拓展，用于執(zhí)行在軌服務(wù)、任務(wù)的艙外活動系統(tǒng)和操作概念方案也需要隨之更新和演進，以適應(yīng)復(fù)雜的空間環(huán)境和任務(wù)需求，為此開展板卡級的精細(xì)化維修研究勢在必行。

本文研究了板卡在軌精細(xì)操作技術(shù)，在故障定位到電子單機內(nèi)相應(yīng)板卡的基礎(chǔ)上，利用通用工具將故障板卡從電子單機上拆卸下，完成板卡的PCB板與連接器的解焊，利用在軌焊接技術(shù)完成正常的PCB板與板卡連接器焊接，從而實現(xiàn)板卡的在軌精細(xì)化維修操作。

1nbsp; " 國內(nèi)外在軌維修現(xiàn)狀

1.1" " 國內(nèi)研究情況

我國空間站項目從立項之初到建成運營已走過30多年的歷程，考慮到目前航天員駐留時間較短，維修時間短，我國開展在軌維修研究起步較晚，無論是研究還是應(yīng)用都仍然處于起步階段，基礎(chǔ)還很薄弱，需要加大投入力度。我國空間焊接技術(shù)的在軌應(yīng)用目前幾乎是空白，亟需開展這方面的研究以適應(yīng)航天事業(yè)的發(fā)展，將航天器在軌維修性技術(shù)與空間站運營結(jié)合起來，走出我國航天發(fā)展的新路徑。

1.2" " 國外研究情況

國外從20世紀(jì)60年代初就開始開展航天員在軌維修空間站方面的研究。太空焊接維修是解決備件短缺問題的一個技術(shù)途徑，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展和實驗，國外已在太空焊接技術(shù)的在軌試驗研究方面取得較大發(fā)展，表1[2-3]是國外空間焊接試驗開展情況的部分統(tǒng)計。

2" " 電子類單機特點

對電子單機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析可以發(fā)現(xiàn)：每個板卡都有相對獨立的電路，并且多為PCB板卡加外插連接器，最后由屏蔽盒封裝的結(jié)構(gòu)形式。其中屏蔽盒在整個結(jié)構(gòu)重量中占比較大，同時也增加了電子單機的體積，該部分結(jié)構(gòu)的主要作用是承受發(fā)射階段惡劣的力學(xué)環(huán)境載荷，確保內(nèi)部板卡在發(fā)射過程中不被損壞，并提供內(nèi)部PCB板電路安裝的支撐，同時提供一個電磁屏蔽環(huán)境以滿足相關(guān)的電磁兼容要求，在功能使用上基本沒有發(fā)揮作用。

板卡作為電子類單機的重要組成部分，主要由絕緣件、接插件、電路、PCB板、芯片等元器件組裝而成，可作為獨立的一級ORU進行維修，它的失效模式已成為電子單機主要失效模式之一，其故障時機難以預(yù)測，相對于預(yù)防性維修策略，板卡級故障以修復(fù)性維修為主，即電子單機發(fā)生故障時，將故障定位到內(nèi)部板卡，并維修更換故障板卡，最終恢復(fù)單機功能。因此，研發(fā)板卡維修系統(tǒng)對于板卡的在軌修復(fù)很有必要。

3" " 單機維修系統(tǒng)

基于空間站長期有人的特點，面向板卡的精細(xì)維修更換，綜合考慮板卡的物理性能檢測、更換及其維修后基本性能測試等全周期維修，針對某板卡（圖1）提出了板卡維修系統(tǒng)，其由物理性能檢測單元、原位維修更換單元和基本性能檢測單元組成。

3.1" " 物理性能檢測單元

物理性能檢測單元主要開展PCB板的物理性能檢測，確認(rèn)新板卡的PCB板的狀態(tài)。物理性能檢測單元依托于AI技術(shù)構(gòu)建板卡狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，采用數(shù)據(jù)比對技術(shù)實現(xiàn)板卡的物理性能檢測。板卡狀態(tài)數(shù)據(jù)庫以板卡正常驗收交付狀態(tài)為數(shù)據(jù)源進行構(gòu)建，智能視覺檢測終端提取產(chǎn)品特征后與數(shù)據(jù)庫的板卡狀態(tài)進行對比分析，進而實現(xiàn)物理性能檢測。

物理性能檢測單元內(nèi)置智能視覺檢測終端，并設(shè)置板卡操作區(qū)域、連接器（供電和傳遞信息）和操作界面，智能視覺檢測終端和板卡操作區(qū)域的相關(guān)位置固定，避免人為操作帶來的問題。物理性能檢測單元的具體情況如下：

1）智能視覺檢測終端主要實現(xiàn)對板卡的掃描成像，并與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行比對。

2）板卡操作區(qū)域為抽屜式結(jié)構(gòu)，位于物理檢測單元底部區(qū)域，如圖2所示。板卡操作區(qū)域前面板設(shè)置操作把手和鎖緊裝置，操作把手用于實現(xiàn)操作區(qū)域的打開和閉合，鎖緊裝置位于板卡操作區(qū)域的兩側(cè)，實現(xiàn)操作區(qū)域的鎖緊功能；板卡操作區(qū)域內(nèi)部設(shè)置板卡固定槽位，實現(xiàn)板卡的固定。

3）對外設(shè)置兩個連接器負(fù)責(zé)供電和信息的傳遞，通過轉(zhuǎn)接線纜實現(xiàn)與平臺的連接。

4）操作界面如圖3所示，用于實現(xiàn)人機交互操作，設(shè)置“開機” “板卡類型” “開始” “停止”和“關(guān)機”鍵，板卡類型采用下拉菜單的形式。

物理性能檢測單元操作程序如圖4所示。

3.2" " 原位維修更換單元

原位維修更換單元主要開展PCB板的原位更換，為降低焊接作業(yè)對操作人員帶來的危害，擬在專用焊接裝置中實現(xiàn)PCB板與連接器的連接。PCB板原位更換時涉及PCB板拆卸、連接器解焊和焊接等操作。

PCB板和連接器的拆裝為常規(guī)的螺釘拆裝操作，按照QJ 3117A—2011《航天電子電氣產(chǎn)品手工焊接工藝技術(shù)要求》中“電子元器件的引線或?qū)Ь€的端頭插裝后，應(yīng)露出印制電路板1.5 mm±0.8 mm”的規(guī)定執(zhí)行。

連接器解焊和焊接均在專用焊接裝置中實施。研究表明：太空釬焊時，真空環(huán)境、微重力環(huán)境有助于增強毛細(xì)作用，釬料在太空中的潤濕鋪展效果比地面要好，釬料能填充更大的纖縫間隙，降低了對裝配的要求，釬焊纖縫缺陷相對較少[4]。同時，考慮到釬焊時需要釬料和釬劑，為減少焊后余料的產(chǎn)生及對艙內(nèi)環(huán)境的污染，PCB板原位更換時采用手動釬焊實現(xiàn)連接器和PCB板的連接，焊接時選用自釬劑釬料。

專用焊接裝置內(nèi)部設(shè)置電烙鐵和自釬劑釬料，均在焊接裝置內(nèi)部防漂固定，其對外接口由開關(guān)、操作口、板卡安裝區(qū)域、連接器和廢氣收納口組成，如圖5所示。

專用焊接裝置各對外接口具體如下：

1）開關(guān)：開關(guān)負(fù)責(zé)將電路打開，給電烙鐵安全供電。

2）操作口：操作口位于操作裝置一側(cè)，設(shè)置兩個操作手套，供操作員手部進入操作，操作時雙手協(xié)同。

3）板卡安裝區(qū)域：該區(qū)域結(jié)構(gòu)與物理性能檢測單元類似，內(nèi)部設(shè)置板卡固定區(qū)域，用于板卡在解焊和焊接時的固定；外部設(shè)置操作把手和鎖緊裝置，用于實現(xiàn)板卡安裝區(qū)域的取出和固定。

4）連接器：設(shè)置供電連接器，通過轉(zhuǎn)接線纜實現(xiàn)與平臺的連接，提供安全用電。

5）廢氣收納口：位于專用焊接裝置右側(cè)，用于連接收納裝置，在解焊和焊接完成后使用，以便收集多余廢棄物。

原位維修更換單元操作程序如圖6所示。

3.3" " 基本性能檢測單元

基本性能檢測單元主要開展更換PCB板后的板卡基本性能測試?；拘阅軝z測單元依托于板卡基本性能構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，采用數(shù)據(jù)對比技術(shù)實現(xiàn)板卡基本性能的檢測。

基本性能檢測單元對外接口為連接器（4個）和操作界面，具體如下：

1）基本性能檢測單元集成檢測程序，兩個連接器負(fù)責(zé)供電和信息的傳遞，實現(xiàn)與平臺的供電連接和信息交互，另外兩個連接器實現(xiàn)與待檢測板卡的連接，如圖7所示。其中，考慮到待檢板卡的連接器型號規(guī)格不同，通過轉(zhuǎn)接線實現(xiàn)不同板卡與基本性能檢測單元的連接。

2）操作界面如圖8所示，用于實現(xiàn)人機交互操作，設(shè)置“開機” “板卡類型” “檢測項目” “啟動” “停止”和“關(guān)機”，板卡類型和檢測項目采用下拉菜單的形式。

基本性能檢測單元操作程序如圖9所示。

4" " 結(jié)束語

空間站設(shè)計使用壽命10年，還要考慮后面的延壽問題和功能擴展問題?？臻g環(huán)境惡劣，電子設(shè)備受影響最為顯著，延長飛行器電子設(shè)備在軌運行壽命、開展板卡精細(xì)化維修勢在必行。本文提出了一種全周期的板卡維修系統(tǒng)，包括物理性能檢測單元、原位維修更換單元和基本性能檢測單元，對后續(xù)電子設(shè)備維修系統(tǒng)的構(gòu)建具有一定的參考意義。

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[3] 馮吉才，王厚勤，張秉剛，等.空間焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].焊接學(xué)報，2015，36（6）：107-112.

[4] 王敏.空間站在軌焊接作業(yè)條件及接口技術(shù)分析[J].焊接，2021（2）：34-37.

收稿日期：2024-07-17

作者簡介：徐勝（1979—），男，江西人，博士研究生，高級工程師，主要從事在軌維修、工效學(xué)研究工作。

通信作者：周恒（1991—），男，河北人，碩士研究生，工程師，主要從事在軌維修研究工作。