航天型號行波管放大器工程規范架構設計

朱旭斌　張皓東　王敬賢

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

航天型號行波管放大器工程規范架構設計

朱旭斌張皓東王敬賢

（航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

文摘：分析航天型號行波管放大器質量保證工作要求及相關規范的現狀，以考核要求、性能參數指標和質量控制要求等體系為研究重點，提出航天型號行波管放大器工程規范架構的設計思路。

行波管放大器；航天元器件；工程規范架構。

行波管放大器（TWTA）主要由行波管（TWT）和電源 （EPC）兩部分組成，是利用真空功率器件進行功率放大的一類產品，在導航和中繼衛星轉發器及遙感衛星高速數傳系統中應用廣泛，與固態放大器相比，TWTA在高頻率、寬頻帶、大功率等領域具有優勢，是星載系統中的關鍵設備。

目前，對于航天型號使用的行波管放大器，開展質量保證工作缺乏統一的、各方認可的規范性文件，不同航天用戶對于相同類型的行波管放大器、同一航天用戶對于不同研制單位的產品，提出的性能指標要求、考核要求、質量保證要求等都不盡相同。筆者提出行波管放大器工程規范架構的設計思路，希望為制定相應的產品工程規范、指導產品質量保證工作提供一定的技術參考。

1　航天型號行波管放大器研制現狀

1.1質量保證工作要求

我國航天型號使用的行波管放大器長期依賴進口，為了擺脫受制于人的被動局面，近年來，國內有多家單位開展了行波管及行波管放大器的研制工作，部分國產產品已經或即將在航天型號中得到應用。與進口產品相比，由于技術基礎明顯不足，在航天型號任務中，一般安排兩家研制單位并行承擔行波管放大器的研制工作，以降低研制風險。

航天型號具有系統復雜、可靠性要求高等特點，行波管放大器在使用過程中需要經歷力學環境、熱環境和空間輻射環境的考驗，這就對其電性能、可靠性及壽命提出了嚴苛的要求，同時也對行波管放大器的質量保證工作提出了更高的要求。

航天型號開展行波管放大器的質量保證工作，主要依據用研雙方簽訂的研制技術要求/技術協議，部分研制技術要求或技術協議存在要求不全面、規定不具體等問題。此外，對于同一航天型號，不同用戶對同一類型產品提出的質量保證要求不盡相同，甚至同一用戶對不同研制單位承擔的同一類型產品提出的要求也存在較大差異，導致航天型號的質量保證工作缺乏統一的質量基線，同時研制單位開展產品攻關也缺乏統一的目標要求。

目前，我國各航天型號均按照單機管理模式來開展行波管放大器的質量保證工作。主要是將行波管放大器按照電性件 （EM）、鑒定件 （QM）和正樣件 （FM）等三種研制狀態，分別開展對應的質量保證工作。

a）對于電性件產品，主要在交付時對交付產品進行100%的功能性能檢驗。

b）對于鑒定件產品，一般要求抽取1臺樣品開展包括力學試驗、熱學試驗在內的地面鑒定考核試驗，給出鑒定結論，在交付時要求與電性件相同。

c）對于正樣件樣品，要求產品技術狀態與鑒定件一致，要求交付使用前應100%接受并通過驗收檢驗。驗收檢驗主要包括力學試驗及熱學試驗，但應力要求較鑒定檢驗有所降低，在交付時要求與電性件、鑒定件相同。

1.2航天型號行波管放大器規范現狀

目前，我國缺乏適用的航天型號行波管放大器的相關規范，國家軍用標準中只有1994年發布的產品詳細規范GJB 2037-1994《星載C波段行波管放大器規范》，由于年代久遠，作為單一頻段、較小的輸出功率、寬松的產品規范，已無法滿足當前航天型號對于行波管放大器研制和應用的需求。

對于行波管，國家軍用標準有覆蓋行波管、速調管、磁控管、充氣微波開關管、前向波放大管和回旋管等微波電子管的GJB 3312-1998《微波電子管總規范》，適用于軍用電子管的研制、鑒定及質量一致性檢驗，但對于航天型號的要求尚有一定差距。此外，由于該規范覆蓋了眾多工藝、結構差異較大的器件，對于行波管放大器的技術內容明顯細化不夠。

對于行波管放大器，歐洲供貨時一般配備對應規范 （specification）。以某具體產品對應規范為例，規范中明示了產品的功能性能指標、質量可靠性指標，規定了接收檢驗（Acceptance Test）和原型飛行 （Proto-flight Model，PFM）檢驗這兩種與交貨狀態相對應的檢驗類型，但缺少對于產品生產過程質量控制的相關要求。

綜上，對于我國航天型號使用的行波管放大器，需要研究構建統一的工程規范架構，作為編制具體產品工程規范的技術參考，以引導、規范國產行波管放大器研制、驗收等各環節的技術活動。一方面，為研制單位建立統一的研制質量基線，使各研制單位有著相同的研制目標和考核要求，促進公平、有序競爭；另一方面，對于同一航天型號的不同用戶，建立規范、統一的產品指標體系和質量控制要求，提升航天工程的整體質量與可靠性。

2　航天型號行波管放大器工程規范架構設計思路

在產品規范中，考核要求體系、性能參數指標體系和質量控制要求體系是最核心的技術內容。本文主要圍繞上述三個方面來論述航天型號行波管放大器工程規范架構的設計思路。

2.1考核要求體系設計

考核要求體系主要規定航天型號對于行波管放大器生產過程控制、整體質量控制等方面的通用性要求。主要包括以下方面內容。

a）內部元器件要求。行波管放大器不同于一般的不可拆分的元器件，除電線電纜外，其電源部分還使用了場效應管等元器件，這些內部元器件直接影響了行波管放大器整體的性能及可靠性。以某型號配套的行波管放大器為例，在研制過程中發現參數超差，經分析，問題最終定位于產品使用的電線電纜。因此，需要對產品內部使用元器件的質量與可靠性明確考核要求，并對其替代、更換進行約束限制。

b）極限試驗要求。由于目前我國的行波管放大器尚處于初步應用階段，飛行應用數據缺乏，對產品可能出現的失效模式和失效機理存在尚未認識到位的可能。因此，應對行波管放大器明確提出開展極限試驗的要求，通過施加極限應力獲取產品在極惡劣條件下的數據，分析后摸清產品的極限能力，對于出現失效的情況分析其機理，作為判斷產品整體可靠性的重要依據。

c）結構工藝要求。行波管放大器結構工藝復雜，如行波管電子槍采用的工藝包括高溫Mo-Mn法金屬化、高溫釬焊、電阻焊、激光焊等，高頻系統采用的工藝包括表面薄膜沉積 （CVD）、冷彈壓裝配法、高溫釬焊等，電源采用的工藝包括電裝工藝、高壓變壓器的灌封工藝、三防涂覆工藝、機械裝配工藝等。為確保工藝的可靠性，在規范中應明確提出對行波管放大器采用工藝的要求，如盡可能地采用經過飛行驗證的工藝，對于新工藝必須首先通過地面工藝鑒定，經過評審批準后方可采用。

d）抗輻照要求。航天型號使用的行波管放大器由于工作在具有各種輻射的空間環境中，空間輻射將導致產品性能的降低甚至失效。因此，在規范中應根據不同航天型號工作的空間環境，明確對行波管放大器抗輻照劑量要求，并對其內部選用元器件的抗輻照能力作出要求，禁用或限用對輻照敏感的材料或工藝。

行波管放大器工程規范建議考核項目見表1。

表1　行波管放大器工程規范考核項目

2.2性能參數指標體系設計

通過對行波管放大器的功能性能特點，特別是對航天型號任務關注的特性參數的系統梳理后可以看出，行波管放大器工程規范的性能參數主要包括工作頻率范圍、工作帶寬等22項參數，見表2。

表2　性能參數指標

2.3質量控制要求體系設計

對于航天型號使用的普通元器件，其質量控制一般要求產品應通過鑒定檢驗，并逐批或周期性開展質量一致性檢驗，在生產過程中應進行用戶監制，交付用戶時還需進行使用方驗收。目前，我國航天型號行波管放大器尚處于初步應用階段，飛行數據缺乏，并具有以下特點：多為定制產品、種類多、數量少、價格高，普通元器件質量控制手段還無法滿足航天型號要求。

目前的用研雙方簽署技術要求/技術協議一般僅規定鑒定級檢驗及驗收級檢驗，分別作為鑒定件產品、正樣件產品質量保證工作的依據。通過調研，除了上述要求外，各研制狀態的產品在交付用戶時需開展類似于普通元器件使用方驗收的檢驗，為避免其與驗收級檢驗混淆，應明確提出在交付用戶時需開展交收檢驗。此外，部分航天型號在產品研制過程中提出了監制的相關要求。在充分分析目前航天型號實際做法的基礎上，吸納部分元器件質量控制的要求，建議行波管放大器按照研制狀態的主維度規定相應的質量控制要求。

a）對于電性件產品，要求進行使用方監制和交收檢驗。其中交收檢驗在交付時進行，主要開展功能性能方面的檢驗。

b）對于鑒定件產品，要求進行使用方監制、鑒定檢驗和交收檢驗。其中鑒定檢驗對應于航天型號中的鑒定級檢驗，主要開展包括力學試驗、熱學試驗在內的檢驗項目，要求給出明確鑒定結論；交收檢驗要求與電性件相同。

c）對于正樣件樣品，要求進行使用方監制、驗收檢驗和交收檢驗。其中驗收檢驗對應于航天型號中的驗收級檢驗，主要包括力學試驗及熱學試驗，但應力要求較鑒定檢驗有所降低；交收檢驗要求與電性件相同。

檢驗樣品的抽樣方式可參考目前航天型號的實際做法，具體要求：①鑒定檢驗采用抽樣的方式，隨機抽取1臺樣品；②驗收檢驗要求對正樣件產品進行100%抽樣；③各階段的交收檢驗均對檢驗樣品進行100%抽樣。對于鑒定檢驗及驗收檢驗具體要求，建議采用試驗矩陣進行規定，見表3。表3僅列出部分測試要求，表中還應該包括 “試驗方法”和 “檢驗要求”，由于這些內容與本文相關性不強，筆者予以省略，表5與之相同。

表3　鑒定　（驗收）試驗矩陣

在此基礎上，為進一步明確各項試驗采用的具體試驗方法、試驗條件、檢驗要求及先后次序，建議增加鑒定（驗收）檢驗表（見表4），明確各項試驗如重量及外觀檢驗、初始測試等的試驗方法、試驗條件及檢驗要求，并且明確試驗次序不能調整。

表4　鑒定 （驗收）檢驗示例表

此外，表3中各項試驗對應的參數測試的時間點不盡相同，可能在試驗前、試驗中或試驗后。因此，考慮引入不同的符號，明示各參數測試的時間點，見表5（表5僅列出部分測試要求）。表4與表5相結合即確定了具體明確的鑒定 （驗收）檢驗要求。

編制航天型號行波管放大器工程規范，可以為國產化行波管放大器的研制、生產、驗收等各環節技術活動提供統一、規范的考核評價依據，促進航天型號任務的長遠發展。國內行波管放大器的質量保證工作和規范研究現狀的基礎上，首次從考核要求體系、性能參數指標體系、質量控制要求體系這三方面建立了航天行波管放大器工程規范的基本架構，可有效指導相關規范的編制工作，建議按照此架構制定具體產品的工程規范，并據此開展產品質量保證工作，從而為航天型號使用的行波管放大器建立統一的質量保證基線。

表5　鑒定 （驗收）檢驗測試矩陣

朱旭斌 （1980年—），男，博士，高級工程師，專業方向：微電子與固體電子學，現從事航天元器件保證與標準化研究工作。