航天電子產品熱環境試驗策略研究

吳清才

（中國科學院空間應用工程與技術中心，北京 100094）

航天電子產品的熱設計均要通過熱環境試驗驗證，熱環境試驗驗證項目通常會在“型號任務設計建造規范”中規定，更多的時候是通過“型號任務產品試驗技術要求”明確。文中研究并給出了航天電子產品熱環境試驗類別、試驗項目、試驗余量、溫度控制點選擇、溫度保持時間、試驗順序、產品性能測試要求、試驗中斷處理、再試驗等方面的策略。實踐證明，科學合理的試驗策略，不僅能夠大大提高試驗的有效性，還可以有效驗證產品設計的正確性和提高產品可靠性[1]。文中研究提出的航天電子產品熱環境試驗策略對衛星、飛船、導彈等武器裝備電子產品熱環境試驗驗證工作具有較強的指導和借鑒作用。

1 熱環境試驗驗證的類別及試驗項目

航天電子產品熱試驗類別有研制試驗、鑒定試驗、準鑒定試驗和驗收試驗[2—6]。

試驗項目有熱循環試驗、熱真空試驗和老煉試驗。航天電子產品有時也需要做熱平衡試驗，可參照GJB 1033A中規定的程序進行[7]，文中將不予討論。

1.1 研制試驗

研制試驗是非正式試驗，新研制產品或對繼承性產品有重大修改時，一般情況下應做研制試驗。研制試驗在產品研制的方案階段或初樣階段早期進行。

研制試驗的目的是驗證組件設計方案和工藝方案的正確性和合理性，獲得用于組件設計和制造的有用資料，如選擇設計方案、確定設計參數、驗證設計余量（性能余量，環境設計余量，壽命余量等）、識別失效模式和檢驗工藝過程等。研制試驗的試驗項目可以多于鑒定試驗規定的試驗項目，試驗嚴酷度至少不低于鑒定試驗要求，以確定組件的能力和臨界的設計性能及故障模式。研制試驗的類型很廣泛，有元器件、原材料、制造工藝、線路板、部件級、組件級、試驗夾具、試驗方法等的研制試驗。

研制試驗可以反復進行，通過“試驗—分析—改進”（TAAF）的過程逐步提高產品的固有可靠性，直至滿足設計要求。因此，研制試驗通常與可靠性研制/增長試驗結合起來考慮。

1.2 鑒定試驗

鑒定試驗的目的是驗證鑒定組件的性能指標是否滿足設計要求，是否具有規定的設計余量。鑒定試驗的結果是評價組件環境適應性和可靠性的依據。

嚴格說鑒定試驗組件是從同批次多件產品中隨機抽取來確定的，它與飛行產品具有同樣的圖樣、材料、加工工藝和制造過程。在只先投產一件產品的情況下，可以將該產品作為鑒定試驗件使用，但技術狀態應與飛行產品一致，試驗過程中所做的狀態更改應反映到飛行產品中。一般情況下，鑒定試驗通過的組件不再用于飛行。

1）熱循環試驗。驗證組件在鑒定級熱循環應力環境下的工作能力，并能經受住在驗收試驗期間施加于飛行組件的熱循環環境。

2）熱真空試驗。驗證組件在規定壓力和鑒定級熱循環應力環境下的工作能力，并能承受在驗收試驗期間施加于飛行組件的熱真空環境。

1.3 準鑒定試驗

準鑒定試驗的目的是驗證準鑒定組件的性能指標是否滿足設計要求，是否具有適飛能力。準鑒定試驗的結果也是評價組件環境適應性和可靠性的依據。

準鑒定試驗組件一般是在經過鑒定試驗合格后的產品上做了適應性修改的產品。通常是在首件產品上按準鑒定條件進行試驗，試驗后用于飛行。由于修改后不做鑒定試驗，設計余量沒有得到驗證，使用時存在著一定的風險。

1）熱循環試驗。驗證組件在準鑒定級熱循環應力環境下的工作能力，并能經受住在驗收試驗期間施加于飛行組件的熱循環環境。

2）熱真空試驗。驗證組件在規定壓力和準鑒定級熱循環應力環境下的工作能力，并能承受在驗收試驗期間施加于飛行組件的熱真空環境。

1.4 驗收試驗

驗收試驗的目的是檢驗飛行組件的性能是否滿足設計要求，檢測組件的潛在質量缺陷。驗收試驗的結果是評價飛行組件是否滿足飛行要求的依據。驗收試驗件應按照正樣產品的圖樣、材料、加工工藝、制造過程和質量控制程序生產，同批次組件的技術狀態應一致。

1）熱循環試驗。在常壓熱循環環境中暴露組件材料和工藝制造質量方面的潛在缺陷。

2）熱真空試驗。在真空熱循環環境中暴露組件材料和工藝制造質量方面的潛在缺陷。

3）老煉試驗（不含機械活動組件的磨合）。對組件施加驗收級熱應力和電應力環境，在規定的作用時間內，暴露由于材料和制造質量缺陷所造成的早期故障，并驗證組件是否能在此環境中平穩、協調和受控狀態下運行，其性能指標和最后持續無故障時間是否滿足要求。

2 熱環境試驗余量及性能指標符合性判定

2.1 熱環境試驗余量確定

熱試驗余量包括溫度余量和循環次數，主要應考慮以下因素的影響。

1）鑒定組件和驗收組件之間可能存在的差別，以及使用期間性能降級。

2）試驗條件的允許偏差，在溫度保持時間內和電子產品運行測試期間，電子產品溫度應始終控制在試驗溫度允許偏差范圍內。

3）保證鑒定試驗量級不低于驗收試驗量級。

4）防止由于重復試驗和使用時環境應力所造成的熱疲勞損壞。

為剔除產品潛在缺陷和早期失效，鑒定溫度范圍一般以驗收試驗溫度上、下限值為基準外擴10℃，但至少應為105℃（-35～70℃）；驗收溫度范圍以產品熱設計溫度（工作溫度）上、下限值為基準外擴10℃，但至少應為85℃（-25～60℃）。鑒定試驗循環次數一般是驗收試驗循環次數的2倍，準鑒定試驗循環次數與驗收試驗循環次數相同。電子產品各種溫度之間的關系如圖1所示[2，8]。

圖1 電子產品各種溫度之間的關系Fig.1 The relationship diagram between the various experimental temperatures of electronic products

2.2 產品性能指標符合性判定

1）驗收級試驗時，在驗收溫度范圍內組件工作正常，性能指標允許有超差，但在熱設計溫度范圍（工作溫度范圍）內應滿足要求。

2）準鑒定級試驗時，在準鑒定溫度范圍內組件工作正常，性能指標允許有超差，但在熱設計溫度基礎上外擴5℃的范圍內應滿足要求。

3）鑒定級熱試驗時，在鑒定溫度范圍內組件工作正常，性能指標允許有超差，但在熱設計溫度基礎上外擴10℃的范圍內應滿足要求。

3 熱環境試驗策略[1—2，9—10]

3.1 試驗順序[11]

熱試驗一般在力學環境試驗之后進行。試驗順序有熱循環熱真空老煉和熱真空熱循環老煉兩種情況。型號可以選擇其中一種進行：如果試驗的第一個循環從高溫半循環開始，那么最后一個循環應增加半個循環，并以高溫半循環結束。

試驗組件在進、出試驗容器前、后應進行外觀清潔和多余物檢查。試驗組件在試驗前、后要進行詳細的電性能和功能測試。試驗前的測試結果應作為試驗過程中、試驗結束后性能測試結果比較的依據。

3.2 溫度控制點選擇和溫度保持時間

試驗溫度控制點選擇的原則如下所述。

1）熱真空試驗的溫度控制點應選在試驗電子產品上有代表性的非熱源處（一般是安裝底板耳片附近）。

2）熱循環試驗的溫度控制點應選在電子產品的背風面，并且是外加熱源熱輻射不能直接到達的地方。

3）溫度控制點選取應為最少，盡可能選擇1點，復雜電子產品可考慮選擇幾個溫度控制點。

4）溫度控制點位置應盡量與電子產品接口數據單規定的遙測溫度點位置一致。

由于不同電子產品的質量不同，其熱慣性也不同，因此，為達到內部熱平衡溫度所需的溫度，保持時間也不同。參照一些型號電子產品熱試驗觀測到的規律，質量≤2 kg的試驗組件所需的溫度保持時間為0.5 h，2～8 kg的為1 h，8～15 kg的為1.5 h，＞15 kg的溫度保持時間＞1.5 h（具體按溫度穩定判據確定）。

3.3 熱循環試驗策略

熱循環試驗條件[12]：試驗壓力為正常環境壓力；高、低溫的試驗溫度可根據任務要求確定；驗收級試驗的循環次數為12.5次，鑒定級為25.5次；變溫速率為3～5 ℃/min；試驗剖面參見GJB 1027A[2]。

熱循環試驗策略包括以下內容。

1）熱循環的最后四個循環應為無故障循環。

2）為了防止低溫時電子產品表面和內部產生冷凝水，應在試驗箱（容器）內充滿干燥空氣或氮氣，最后半個循環應為高溫半循環，并應使電子產品處于通電工作狀態。

3）試驗電子產品應帶真實負載試驗，如不可能，應采用模擬負載代替。

4）在整個試驗過程中，電子產品應通電工作，在第一個循環和最后一個循環應做熱啟動和冷熱啟動各3次，并進行性能檢測，有主、備份的電子產品，其主、備份應各做3次。中間循環只做主要參數的監測。對于電子產品內的冗余電路或通道應經歷各種工作工況，并盡最大可能檢測敏感參數，檢查故障和間歇現象。

5）帶有主動熱控的電子產品（包括機、光、電）應在組裝成電子產品前，按電子產品要求單獨對其中的電子部件部分先進行熱循環試驗。

6）有主、備冗余電路或通道的電子產品，其工作時間應平均分配。

3.4 熱真空試驗策略

電子產品熱真空試驗條件[12]：試驗壓力≤6.65×10-3Pa；高、低溫的試驗溫度可根據任務要求確定；驗收級試驗的循環次數為3.5次，鑒定級為6.5次；變溫速率≥1℃/min；試驗剖面參見GJB 1027A（第一個和最后一個循環的溫度剖面相同。壓力剖面不同，第一個循環只有抽真空過程，最后一個循環只有復壓過程）[2]。

熱真空試驗策略包括以下內容。

1）試驗電子產品應帶真實負載做試驗，如不可能，應使用模擬負載代替。

2）在整個試驗過程中應通電工作，在第一個循環和最后一個循環應作熱啟動和冷啟動各3次，并進行性能檢測。有主、備份的電子產品，其主、備份應各進行3次。中間循環只做主要參數的監測。對于電子產品內的冗余電路或通道都要經歷各種工作工況，并盡最大可能檢測敏感參數，檢查故障和間歇現象。

3）運動機械電子產品要監測性能參數（如電流消耗、阻力矩或阻力、啟動時間、速度或加速度），鑒定試驗時，要在極端溫度下確定運動機械電子產品的力和力矩余量。一般情況下，在鑒定試驗時要驗證最低允許的力和力矩余量。

4）對于閥、推力器和其他類似的電子產品，應在極端試驗溫度下驗證其與工作液體的兼容性。

5）在上升階段和入軌真空運行早期階段工作的電工電子產品，需在第一個循環的初期進行低氣壓放電和微放電試驗，且試驗壓力降到20 Pa的時間不少于10 min。此時電子產品應通電工作，并檢測是否有電暈放電現象。在試驗容器壓力降至試驗壓力過程中，應檢測微波高功率電子產品有否出現微放電現象。

6）具有高壓且在入軌前不工作的電子產品，在試驗壓力達到規定值后接通電源。

7）具有主動熱控電子產品（機、光、電）的電子部件，在組裝成整機前應按一般電子產品要求進行試驗。組裝成整機后應帶熱控電子產品（或部件）進行熱真空試驗，驗證整機的性能指標是否滿足設計要求，并對熱控性能和控制能力的余量進行驗證。

8）有主、備冗余電路或通道的電子產品，其工作時間應平均分配。

3.5 老煉試驗策略

電子產品老練試驗條件[12]：試驗壓力為正常環境壓力；試驗溫度為驗收級高、低溫試驗要求的溫度值；循環時間包括驗收級熱真空和熱循環試驗高溫和低溫試驗溫度下的試驗時間，累積試驗時間為300 h（不包含升降溫時間、溫度保持時間以及性能指標的測試時間，只計算累計高、低溫≥4 h電子產品性能測試的時間）；變溫速率為3～5℃/min；試驗剖面參見GJB 1027A（第一個和最后一個循環的溫度剖面相同。壓力剖面不同，第一個循環只有抽真空過程，最后一個循環只有復壓過程）[2]。

熱真空試驗策略包括以下內容。

1）在老練試驗的熱循環最后100 h內，電子產品應為無故障工作。

2）電子產品內部有備份電路或通道時，主份和備份電路或通道各工作150 h，最后50 h主、備份應為無故障工作。

3）帶有主動熱控的電子產品或帶有光學部件不能進行熱循環試驗的，在組裝前應對其電子部件按上述試驗條件和試驗要求進行通電老煉。

4）如果電子產品內部有短壽命的器件或部件，可以把此器件或部件斷開，用模擬負載代替進行老煉。

5）老煉過程應進行電子產品供電電壓標稱值±10%的電源拉偏試驗，正、負拉偏各至少進行2個熱循環，具體拉偏時間和方式應在有關試驗文件中規定。

6）考慮到電子產品的型號使用要求，如果高溫端累計試驗時間（150 h）不能滿足要求，可延長每個循環的高溫端工作時間（高、低溫端工作時間可以不對稱）或另增加高溫浸泡試驗（具體要求應在有關試驗文件中規定）。在規定時間內，高溫條件下電子產品應通電運行，并定時進行性能測試，使之達到型號規定的時間要求。

4 試驗中斷與中斷后處理

在試驗過程中，發現試驗異常后一般需要中斷試驗，并進行相應處理。造成試驗中斷的主要原因有：

1）試驗設備出現故障或地面保障條件不滿足試驗要求。如果經分析證實試驗條件沒有對試件產生過應力，故障排除后可繼續進行試驗。根據試驗中斷的具體情況，決定試驗是重新開始或是從試驗中斷發生時的狀態開始。如果試驗條件對試件產生了過應力，一般需要將試件從試驗設備上拆下來，對試件進行過應力影響的分析后，確定是否需要對產品進行修復，或重新投產后再試驗。

2）試件出現異常、故障。試件出現異常時，應根據異常立即做出是否需要中斷試驗的決策，只要繼續試驗不影響異常現象區域或者籍以試驗才能查找故障的部位時，試驗可繼續進行；如果繼續試驗已沒有意義時應中斷試驗。試驗中斷后，將試件從試驗設備上拆下來，對試件進行故障分析后，確定是否需要對產品進行修復，或重新投產后再試驗。

3）欠試驗條件。發現由于試驗量級設置錯誤或加載控制超差使試驗條件低于允許偏差下限值時，應立即中斷試驗。試驗量級重新設置或修正控制參數后，試驗應重新開始或補充欠試驗部分。欠試驗部分的試驗時間不計入試驗總時間內。

4）過試驗條件。發現由于試驗量級設置錯誤或加載控制超差使試驗條件高于允許偏差上限值時，應立即中斷試驗。如果過試驗條件對試件不造成損傷，性能滿足使用要求，試驗條件應重新設置或修正控制參數，在中斷點處繼續試驗，中斷前的試驗時間可以計入試驗總時間內。如果過試驗條件對試件造成結構損傷或性能超差，應將試件從試驗設備上拆下來，對試件進行故障分析后，確定是否需要對產品進行修復或重新投產后再試驗。

5 再試驗策略[2—3]

再試驗是由于產品在試驗過程中出現試驗異常、產品更改設計或返修、飛行環境的增加、制造過程的變化等因素需要重復以前進行的試驗。不同型號的產品宜根據產品的具體情況來處理再試驗問題。

5.1 鑒定或驗收過程中出現異常后的再試驗

此種情況可按照本文第4章的策略處理。

5.2 鑒定后的再試驗

1）更改設計后的再鑒定。當需要對產品進行設計更改時，需要分析這種更改對以前鑒定試驗的影響程度，以及新的設計是否可能引入新的失效機理，然后對再鑒定的程度作出折衷考慮，這種折衷需要對試驗費用和可接受的風險進行權衡。如果產品的設計更改影響以前進行的其他鑒定試驗項目的有效性時，則需要對該項目再試驗，否則只需對發生更改的部分進行再試驗。

2）制造過程改變后的再鑒定。產品制造過程的改變包括加工程序、方法的變化以及生產廠家的改變，這些變動要求用再鑒定來重新驗證所制造的產品中不會被引入不可預計的變化。制造過程的變化對再鑒定程度的影響需要考慮產品重新設計的性質、重要性、設計冗余度，同樣需要在試驗費用和可接受的風險之間進行折衷。

3）飛行環境變化后的再鑒定。當一個型號經過鑒定試驗的產品改變了在航天器上的安裝位置或用于另一個型號時，如果新的環境比以前鑒定環境更嚴酷，使鑒定余量減少到不足原來鑒定余量的1/2，或雖然環境不比以前嚴酷，但產品的性能比以前要求高，宜考慮再鑒定。繼承以前通過了鑒定試驗產品的同時需要對產品進行必要的修改，可能需要進行準鑒定級的再鑒定。

5.3 驗收后的再試驗

1）修復后的再驗收。產品在驗收試驗后發生修復時，包括拆卸和重新裝配、更換元器件等，應對修復工作量的大小和嚴重程度作出分析和評估，重大的修復可能使以前的驗收試驗無效，需要全部重復或部分重復以前的試驗，少量的修復則不一定影響以前試驗的有效性。如果修復后需要進行再驗收試驗，應考慮再試驗次數對產品疲勞壽命的影響，再驗收試驗次數與產品的鑒定余量、試驗時間有關，如振動試驗有4 dB鑒定余量，2 min試驗持續時間，可允許4次驗收試驗，包括飛行1次、驗收1次、再驗收2次。如果修復技術和修復環境與原來制造時有較大差別，宜考慮再驗收試驗。

2）軟件固化后的再驗收。有應用軟件的產品在芯片（包括飛行和非飛行）落焊前進行了驗收級環境試驗，但在軟件固化芯片落焊后，應進行熱循環再驗收試驗。試驗量級和時間可按驗收級減半實施。

3）貯存后的再驗收。如果用于飛行的正樣產品在驗收試驗后直到執行任務之前經過了長期貯存（6個月或更長），或者批量生產的定型產品使用時貯存期已超過6個月，在貯存期內除了對產品的性能和功能需進行定期檢查和對特殊產品（如行波管、磁帶記錄儀、蓄電池、機構、電機等）進行維護保養外，在使用之前還應進行性能測試。是否需要進行熱環境再驗收試驗，應通過評估長期貯存環境是否對產品的力學性能、焊接質量等方面造成有害影響來確定，熱環境再驗收試驗一般只需要進行熱循環試驗。

6 結語

文中給出的航天電子產品熱環境試驗策略經過在幾十顆衛星和飛船產品上進行實踐證明，可以在保障產品安全可靠的條件下，剔除產品在設計、工藝、元器件等方面存在的缺陷，可以有效發現產品的早期失效，對保證型號任務長期可靠在軌運行提供了有力保障。

在推進實施過程中也存在各種問題和人為思想上的阻礙。一方面存在環境試驗與環境適應性試驗的概念混淆，錯誤地認為環境試驗應該按照產品工作溫度范圍去實施。另一方面存在成功就是成熟的誤區，錯誤地認為經過飛行驗證過的產品沒有必要再按照更高的要求進行環境試驗。

環境適應性設計是產品設計的重要組成部分，同時也是產品開展熱設計的重要依據，型號任務的兩種系統應充分重視型號產品的試驗設計、試驗要求的制定和監督實施[13—14]。

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