探討航天產(chǎn)品綜合環(huán)境應力試驗

方煥輝，劉國紅，朱友忠北京航天自動控制研究所

探討航天產(chǎn)品綜合環(huán)境應力試驗

方煥輝，劉國紅，朱友忠
北京航天自動控制研究所

航天產(chǎn)品在實際使用過程中，由于所處外部環(huán)境的復雜性和特殊性，在多種因素的共同作用下，產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)很容易發(fā)生故障。綜合環(huán)境應力試驗能夠很好的解決這一問題，真是地反映航天產(chǎn)品實際使用環(huán)境，從而了解產(chǎn)品各個方面的可靠性，這也是當前航天設備主要采用的試驗方式。本文通過詳細闡述航天器電子產(chǎn)品綜合環(huán)境應力試驗方案以及試驗程序，得出綜合環(huán)境應力試驗對于查找航天器電子產(chǎn)品缺陷和弊端擁有極強的有效性。

航天器；電子產(chǎn)品；綜合環(huán)境應力試驗

引言

綜合環(huán)境應力試驗是隨著科學技術的不斷進步，在最近十幾年的時間里逐步發(fā)展并得以廣泛應用的一種新型試驗技術，其主要試驗方法是模擬航天產(chǎn)品經(jīng)歷的實際環(huán)境，同時給電子產(chǎn)品施加包括溫濕度、振動在內(nèi)的綜合環(huán)境應力以及電應力，使航天產(chǎn)品在這種真實的外力作用下，激發(fā)出在設計和制造中存在的缺陷，并使得這種缺陷顯現(xiàn)為故障，再對故障進行科學地分析研究，并予以糾正，以達到提高航天產(chǎn)品可靠性的目的。

航天器電子產(chǎn)品不同于其他電子產(chǎn)品，它要承受來自復雜環(huán)境的多種應力作用，這一特殊性決定了其必須具有極強的可靠性。綜合環(huán)境應力試驗通過模擬其經(jīng)歷的實際環(huán)境，可以有效的暴露產(chǎn)品的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，具有極強的現(xiàn)實意義。

一、綜合環(huán)境應力試驗方案解析

1、綜合環(huán)境的確定

航天器電子產(chǎn)品的整個使用周期要經(jīng)歷多種不同的復雜環(huán)境，包括在地面環(huán)境下進行的運輸、存儲、總裝，以及在空中環(huán)境下的發(fā)射入軌、在軌飛行等等，在這一系列的環(huán)節(jié)中，電子成品要承受溫度、振動、噪聲、沙塵、霉菌等多種環(huán)境應力的共同作用[1]，而包括振動、沖擊在內(nèi)的動力學環(huán)境也會在整個過程中呈現(xiàn)不同的狀態(tài)。因此，航天電子產(chǎn)品在使用過程中的各個階段，要承受來自多種環(huán)境應力的共同作用，其發(fā)生的故障也多是這些環(huán)境應力共同作用的結(jié)果。

盡管綜合環(huán)境應力試驗可以有效地暴露電子產(chǎn)品在多種環(huán)境因素共同作用下發(fā)生的故障，但在實際試驗進行中，并不能將電子產(chǎn)品要經(jīng)受的所有環(huán)境應力都統(tǒng)一施加在一個試驗裝置中，這樣不但難以控制，還會增加成本、影響進度。因此，在進行綜合環(huán)境應力試驗時，應綜合考核電子產(chǎn)品最為敏感的應力環(huán)境。

航天器電子產(chǎn)品經(jīng)受的環(huán)境因素十分復雜，但溫濕度和振動是電子產(chǎn)品最為敏感的應力環(huán)境。據(jù)國內(nèi)某基地對于航天器電子產(chǎn)品失效原因統(tǒng)計：溫度占43.3%，振動占28.7%，濕度占16%[2]，這三種應力是導致電子產(chǎn)品失效的最大也是最核心因素。鑒于對電子產(chǎn)品環(huán)境應力敏感性和試驗可操作性的綜合考慮，航天器選擇將溫度、濕度、振動和電應力同時作用于電子產(chǎn)品，進行綜合考核。

2、試驗對象

航天器配套電子產(chǎn)品數(shù)量眾多，多達數(shù)百臺，如若全部進行綜合環(huán)境應力試驗，不但成本巨大，進度也十分緩慢。因此在選擇電子產(chǎn)品進行綜合環(huán)境應力試驗時，應遵循以下三點原則：

（1）起到重要作用的控制類產(chǎn)品；

（2）最新研發(fā)出來的電子產(chǎn)品，以及舊有電子產(chǎn)品但進行了較大更改的；

（3）肩負著關鍵飛行任務的電子產(chǎn)品。

基于對以上三點原則的綜合考量，試驗從每發(fā)航天器選擇大約15臺發(fā)揮著重要作用的電子產(chǎn)品進行綜合考核。在進行綜合環(huán)境應力試驗前，每一臺參與試驗的電子產(chǎn)品都應先進行單項環(huán)境應力試驗。

3、試驗裝置要求

綜合環(huán)境應力試驗對于試驗裝置的要求極高，必須配置自動控制系統(tǒng)，且具備報警功能和保護功能，試驗程序要進行數(shù)字化編制，設置好溫濕度等參數(shù)，做好試驗數(shù)據(jù)的記錄，試驗過程中注意觀察試驗狀態(tài)，對于暴露出來的故障進行科學診斷。

二、綜合環(huán)境應力試驗程序

1、試驗中的溫度應力設計

參照Q/W1223《航天器組建熱試驗技術要求》，將溫度應力的上下限值分別設定為70攝氏度和零下35攝氏度。由于溫度變化的速率是影響試驗故障篩選的重要因素，為確保試驗效果，應在可行范圍內(nèi)，盡量加大溫度變化速率。理論上來講，電子產(chǎn)品故障篩選的溫度變化速率應大于等于5℃/min，但受熱慣性影響，產(chǎn)品本身的實際溫度變化速率很難超過5℃/min，再加上絕大部分電子產(chǎn)品具有較高的熱耗，更加大了溫度變化速率的難度。因此，在進行綜合環(huán)境應力的溫度應力設計時，將電子產(chǎn)品本身的變溫率設定為3-5℃/min。

2、試驗中的濕度應力設計

綜合環(huán)境應力試驗中的濕度應力設計，一般設定為95%上限，以便充分考核產(chǎn)品在高濕和高溫環(huán)境下的承受能力。同時，在進行試驗時，當電子產(chǎn)品由高溫環(huán)境轉(zhuǎn)入低溫環(huán)境后，若產(chǎn)品存在密封不嚴的缺陷，產(chǎn)品內(nèi)部可能會出現(xiàn)受潮的問題，導致異常發(fā)生；而產(chǎn)品外部插件也可能由于溫度的變化出現(xiàn)結(jié)露的狀況，產(chǎn)品的設計和制造存在薄弱環(huán)節(jié)，有可能導致短路等故障發(fā)生。

3、試驗中的振動應力設計

振動分為正弦振動和隨機振動，而電子產(chǎn)品對隨機振動環(huán)境更加敏感。由于電子產(chǎn)品所分布的艙段不同，上升時所承受的隨機振動力度和環(huán)境也不相同。為加強考核力度，使試驗效果達到最佳，試驗時將振動應力設定為最大值，并且為電子產(chǎn)品施加振動應力時，施力方向應與火箭發(fā)射方向保持一致，總量級加速度均方根植要求達到4.55g，功率譜密度要求如下圖[3]。

4、試驗中的電應力設計

航天器為電子產(chǎn)品提供的電壓為27V，在進行綜合環(huán)境應力試驗時，對于每個循環(huán)的上限電壓30V和下限電壓24V，均要求工作時間不能少于30分鐘，以便更準確的考核電子產(chǎn)品在電壓上限和電壓下限不同的條件下能否正常工作。在加電過程中，需時刻檢測電子產(chǎn)品的性能。

航天器處于不同飛行階段時，電子產(chǎn)品會更改開關機狀態(tài)，以滿足任務要求。因此，試驗中，應為每個循環(huán)的高低溫階段設計3次關機、啟動，以便檢測電子產(chǎn)品是否具有較強的斷電后重新啟動的能力。

三、綜合環(huán)境應力試驗效果分析

經(jīng)過以上科學嚴謹?shù)木C合環(huán)境試驗方案和試驗程序設計，可以準確的考核出航天器電子產(chǎn)品是否具有較強的可靠性。普遍來講，經(jīng)過綜合環(huán)境應力試驗，電子產(chǎn)品最常暴露出的典型故障主要分為三種：（1）印制電路板存在虛焊、虛接或焊接位置偏差、焊接力度不夠等問題，這種缺陷一般會在溫度和隨機振動應力作用下暴露出來。（2）一些電子產(chǎn)品的材料選用不合適，比如一些電子產(chǎn)品采用硅膠橡膠一類的材料，這類材料在溫度變化過程中會產(chǎn)生熱脹冷縮，也容易在外部環(huán)境因素作用下發(fā)生變形，從而引發(fā)故障發(fā)生。（3）一些電子產(chǎn)品表面涂層耐受力不足，在面對溫度、濕度的頻繁劇烈變動時，容易發(fā)生涂層脫落。還有一些產(chǎn)品接插件設計不合理，在高濕環(huán)境下容易受潮，低溫環(huán)境下容易結(jié)露，如此便會發(fā)生短路故障。

結(jié)語

綜合環(huán)境應力試驗，為我國航天器電子產(chǎn)品可靠性的考核提供了必要手段。分析后可知它具有以下幾點優(yōu)勢：首先，它可以更真實地模擬電子產(chǎn)品的實際使用環(huán)境；其次，綜合環(huán)境應力試驗可以更真實地反映電子產(chǎn)品在實際使用環(huán)境下可能出現(xiàn)的故障模式；再次，綜合環(huán)境應力試驗能夠更直觀、更充分的將電子產(chǎn)品暴露出的缺陷轉(zhuǎn)換為故障，更方便對發(fā)現(xiàn)的缺陷進行改進，提高產(chǎn)品可靠性。做好綜合環(huán)境應力試驗，避免電子產(chǎn)品在實際使用過程中發(fā)生故障或失效，可以夯實航天器成功發(fā)射基礎，加快推進航天強國建設，不斷譜寫航天事業(yè)發(fā)展新篇章。

[1]林震,沈朝暉.淺談綜合環(huán)境應力試驗[C].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗技術經(jīng)驗交流會，2001∶50-53.

[2]張偉.溫、濕振三綜合環(huán)境試驗技術的應用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2004（6）：38-41

[3]雷劍宇，霍佳婧，楚麗妍.裝備環(huán)境工程[J].航天器關鍵電子產(chǎn)品綜合環(huán)境應力試驗，2012（10）：6-9