可靠性強化試驗技術在航天產品研制中的應用

孫海峰 胡海峰 翟邵蕾 宋征宇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

可靠性強化試驗技術在航天產品研制中的應用

孫海峰 胡海峰 翟邵蕾 宋征宇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

隨著航天技術的發展，對于裝備的可靠性提出了更高的要求。目前航天產品的可靠性試驗多為傳統方法，對于高可靠長壽命的航天產品，用傳統方法來發現潛在缺陷是極其困難的。可靠性強化試驗作為一種新型的試驗技術，效率高、成本低，可以從根本上提高航天產品固有可靠性，目前已在航天運載火箭領域得到應用。

可靠性強化試驗；航天產品研制；應用

隨著航天技術的發展，對航天產品的質量與可靠性提出了更高的要求。深空探測航天器的長時間在軌運行，武器裝備全天候、多地域化的作戰需求，對產品的功能、性能指標要求越來越高。結構的復雜化和集成的高密度化，造成產品的內部環境越來越嚴酷，因此對航天產品的可靠性、壽命及環境適應性提出了更高的要求，對產品設計和可靠性技術提出了新的挑戰。

航天產品具有高可靠長壽命的特點，對于這類產品，采用傳統可靠性試驗方法發現潛在缺陷極其困難，可靠性強化試驗作為一種新型的試驗技術，效率高、成本低，可以快速激發產品潛在缺陷，實現航天產品可靠性的有效增長。

1 可靠性強化試驗技術概述

可靠性強化試驗屬于激發試驗的范疇，采用應力水平遠遠超過正常使用環境的激發應力進行試驗，快速激發產品潛在缺陷，使其以故障形式表現出來，通過故障原因分析、失效模式分析和改進措施消除缺陷，提高產品可靠性，并大幅提高試驗效率，降低成本[1]。

美國G.K.Hobbs， K.A.Gray和L.W.Condra等人是最早從事可靠性強化試驗研究的幾位專家，他們稱這種試驗為高加速壽命試驗(HALT)和高加速應力篩選(HASS)。HALT用于產品的設計階段，HALT有2個目的：1)通過HALT快速找出產品設計及制造的缺陷，改善設計，增加產品可靠度并縮短研制周期；2)查找和確定產品承受各種應力的范圍和界限。HASS用于產品的生產階段，目的是快速暴露產品在生產過程中的各種制造缺陷，其關鍵是利用HALT測得產品極限，找出適當的篩選量級以剔除早期缺陷。HALT是HASS的前提，只有完成了適當的HALT，并且發現的問題都得到解決，確定了各種應力的范圍和界限后才可以開展HASS。

波音公司在應用該技術時，提出了可靠性強化試驗(Reliability Enhancement Testing，RET)的概念[2]。可靠性強化試驗突出了這類試驗的特點，可以認為可靠性強化試驗包括了HALT和HASS的內容，作為這類試驗技術的統稱較為合理。

2 強化試驗在航天領域應用必要性分析

在航天產品研制初期，其可靠性往往通過試驗—分析—改進—再試驗的反復過程來提高，直到滿足研制目標，在這個過程中，產品的設計和制造工藝不斷地暴露出缺陷，經過分析和改進不斷地趨于完善，從而使產品的可靠性不斷地提高，這種反復的過程稱為可靠性增長，可靠性增長是保證產品滿足設計可靠性指標的一種有效途徑[3]。

傳統的可靠性增長試驗主要通過環境模擬試驗暴露產品的設計和工藝缺陷及薄弱環節，采取糾正措施，提高產品可靠性。對高可靠長壽命航天產品的可靠性增長而言，真實環境模擬實驗在短時間內難以激發產品潛在缺陷，因此可靠性增長時間長、費用消耗大。而從航天產品可靠性增長的目的來看，試驗目的在于暴露產品薄弱環節，有別于以可靠性量化統計為目的的驗證試驗，沒有必要完全模擬產品服役的典型環境，而應該以提高試驗對缺陷的激發效率為目標。

對于可靠性評估而言，高可靠長壽命的航天產品性能退化緩慢，在有限的時間內無法獲得足夠的退化數據來精確估計其可靠性和壽命，在這種情況下，需要使用更高應力條件下得到的性能退化數據外推至設計或使用應力條件，從而估計得到正常使用條件下產品的可靠性或使用壽命。

因此，需要針對航天產品研究高效的可靠性試驗技術，以滿足工程實踐中對這類高可靠長壽命產品可靠性保障的需要。可靠性強化試驗技術為航天產品可靠性的增長和評估提供了一條有效的技術途徑。

3 強化試驗在航天產品研制中的應用

可靠性強化試驗技術在國內航天領域進行了相關理論研究和實際工程應用，新一代中型運載火箭控制系統目前已完成關鍵產品的可靠性強化試驗，通過試驗，快速暴露并解決了產品存在的問題，提高了產品可靠性，取得了不錯的成果。

本文以新一代中型運載火箭控制系統產品可靠性強化試驗為例，對可靠性強化試驗在航天產品研制中的應用情況進行描述。

3.1 試驗時機

在新一代中型運載火箭控制系統的研制過程中，在型號初樣研制階段開展了可靠性強化試驗。控制系統先通過實施可靠性強化試驗實現產品固有可靠性的高效增長，再實施模擬正常環境下進行的可靠性增長試驗來評估可靠性，并進一步提高產品的固有可靠性。

圖1給出可靠性強化試驗在新一代中型運載火箭研制中的應用模式。

圖1 可靠性強化試驗在航天產品研制中的應用模式

3.2 試驗剖面

3.2.1 試驗項目和試驗順序

在有限的試品數量條件下，按產品損傷由輕到重的原則逐步施加試驗應力確定試驗剖面。新一代中型運載火箭控制系統產品強化試驗項目和試驗順序如下：

1) 降溫步進應力試驗；

2) 升溫步進應力試驗；

3) 溫度循環步進應力試驗；

4) 振動步進應力試驗；

5) 溫度-振動綜合環境應力試驗。

3.2.2 試驗應力條件設計

新一代中型運載火箭控制系統遵循“盡可能暴露產品缺陷，又不超過產品破壞極限”的原則，結合產品工作的真實環境，適當增加環境應力開展強化試驗，試驗條件根據產品應力極限進行設計。

產品應力極限的定義見圖2，對幾種應力極限做了對比[4]：

1)技術規范極限：由產品設計者或制造者規定的應力極限，產品預期在該極限內工作；

2)設計極限：設計這種產品在該極限內工作不會失效。技術規范極限和設計極限之差稱為設計余量；

3)工作極限：在定量確定有關應力對可靠性影響的加速試驗過程中，施加于產品的工作應力極限；

4)破壞極限：產品能在其范圍內工作而不出現不可逆失效的應力極限。破壞極限可以通過可靠性強化試驗測定；

5)環境應力篩選(ESS)極限：可通過可靠性強化試驗確定，而且通常處于工作極限之內；

6)可靠性強化試驗(RET)極限：是完成一個試驗進程時最終所達到的應力極限值，該值不會超過產品破壞極限。

圖2 產品的各種應力極限定義

新一代中型運載火箭控制系統產品可靠性強化試驗項目的應力條件設計如下：

1)降溫步進應力試驗

起始溫度T0≤產品設計極限下限；

低溫極限溫度TLG≥產品破壞極限下限；

規定降溫步進次數=(T0-TLG)/Δt，Δt為降溫步長；

2)升溫步進應力試驗

起始溫度T0≥產品設計極限上限；

高溫極限溫度TLG≤產品破壞極限上限；

規定升溫步進次數=(TLG-T0)/Δt，Δt為升溫步長；

3)溫度循環步進應力試驗

溫度循環范圍(低溫TL～高溫TH)：TL>TLG，TH

起始溫度變化率ΔT0≥產品設計極限上限；

極限溫度變化率ΔTG≤試驗箱極限能力；

規定溫度循環步進次數=(ΔTG-ΔT0)/ΔT，ΔT為溫度變化率步長；

4)振動步進應力試驗

起始振動量級A0≥設計極限上限；

極限振動量級AG≤破壞極限上限；

規定振動步進次數=(AG-A0)/ΔA，ΔA為振動量級步長；

振動敏感方向：試驗后通過FMEA分析獲得；

5)溫度-振動綜合環境應力試驗

溫度循環范圍(低溫TL～高溫TH)：TL>TLG，TH

溫度變化率ΔT<ΔTG；

振動量級A

3.2.3 試驗剖面設計

(1)降溫步進應力試驗

設定試驗的起始溫度為T0(℃)，溫度變化率為ΔT(℃/min)，保溫時間以受試產品達到溫度穩定所需要的最短時間為準，降溫步長為Δt(℃)，階段溫度穩定后維持一定的時間，之后對受試產品執行至少一次的功能和性能測試。如測試結果正常，則將溫度再降低Δt(℃)，待溫度穩定維持一定的時間，再對受試產品進行功能和性能測試；如不正常，則重復當前溫度進行試驗。以此類推，直至完成了規定步長的降溫試驗。降溫步進應力試驗剖面如圖3所示。

圖3 降溫步進應力試驗剖面

(2)升溫步進應力試驗

設定試驗的起始溫度為T0(℃)，溫度變化率為ΔT(℃)/min，保溫時間以受試產品達到溫度穩定所需要的最短時間為準，升溫步長為Δt(℃)，階段溫度穩定后維持一定的時間，之后對受試產品執行至少一次的功能和性能測試。如測試結果正常，則將溫度再升高Δt(℃)，待溫度穩定維持一定的時間，再對受試產品進行功能和性能測試；如不正常，則重復當前溫度進行試驗。以此類推，直至完成了規定步長的升溫試驗。升溫步進應力試驗剖面如圖4所示。

圖4 升溫步進應力試驗剖面

(3)溫度循環步進應力試驗

設定溫度循環范圍為低溫TL(℃)～高溫TH℃，起始溫度變化率為ΔT0(℃)/min，溫度變化率步長ΔT(℃)/min。在每個溫度循環范圍內進行高低溫度變化，每個溫度變化率進行一定次數的溫度循環，在每個循環的最高溫度及最低溫度對受試產品進行功能和性能測試，如測試結果正常，則將溫度變化率再升高ΔT(℃)/min；如不正常，則重復當前溫度變化率進行試驗。以此類推，最終完成規定步長的溫度循環步進應力試驗。溫度循環步進應力試驗剖面如圖5所示。

圖5 溫度循環步進應力試驗剖面

(4)振動步進應力試驗

起始振動量級A0，振動量級步長為ΔA，每個振動量級停留一定時間，對受試產品執行至少一次的功能和性能測試。如測試結果正常，則將振動量級升高ΔA；如不正常，則重復當前振動量級進行試驗。以此類推，最終完成規定步長的振動步進應力試驗。

結束試驗后，按照FMEA分析結果，分析故障的嚴酷度類別，在3個正交軸方向極限振動量級相同的情況下，以出現最高嚴酷度故障的方向為振動敏感方向；在3個方向極限振動量級不同的情況下，以出現極限振動量級最小的方向為振動敏感方向。

振動步進應力試驗剖面如圖6所示。

圖6 振動步進應力試驗剖面

(5)溫度-振動綜合環境應力試驗

將快速溫變循環試驗及振動試驗同時進行，驗證產品在溫度振動復合應力條件下產品的耐受能力。設定溫度循環范圍為低溫TL(℃)～高溫TH(℃)，振動量級A，振動方向為振動步進應力試驗獲得的振動敏感方向，溫度變化率為ΔT(℃)/min。在每個溫度循環的最高及最低溫度各振動一定時間，并對受試產品進行功能和性能測試，以便及時發現由于溫變應力和振動應力同時作用于受試產品而出現的故障情況。重復進行試驗循環數，直至完成一定數量的溫度循環。

溫度-振動綜合步進應力試驗剖面見圖7。

圖7 溫度-振動綜合環境應力試驗剖面

4 應用效果分析與討論

4.1 應用效果

為了及早暴露電子產品設計、工藝方面的可靠性薄弱環節，進一步摸清產品對力、熱環境條件的設計余量，提高產品強壯性，新一代中型運載火箭控制系統在初樣研制階段對影響安全和飛行成敗的箭上電子(含機電)產品實施了可靠性強化試驗。

受試產品代表了設計和生產中所使用的制造工藝，是通過了環境應力篩選和驗收試驗后的驗收合格產品，并且已經通過了例行試驗的考核。新一代中型運載火箭控制系統參加可靠性強化試驗的產品共計29臺，期間出現問題16個，問題分類統計如圖8所示。

圖8 可靠性強化試驗問題分類統計

按環境影響因素分析，溫度和振動是影響設備可靠性的主要因素，問題分類統計如圖9所示。

圖9 環境因素問題統計分析

在解決上述問題的過程中，控制系統設備固有可靠性得到了提高，從而保證了首飛過程控制系統零問題。

4.2 分析與討論

1)通過試驗驗證，可靠性強化試驗能夠在較短的時間內，快速激發產品缺陷，實現了航天產品可靠性的有效增長。可靠性強化試驗率高、成本低，解決了設計階段無法模擬真實使用環境條件而帶來的試驗有效性問題，同時解決了為提高設備可靠性而提高設計裕度帶來的成本大幅增加的問題，特別適合具有高可靠、長壽命產品特性的航天領域；

2)通過對試驗過程中出現問題的分析，溫度和振動是影響航天產品可靠性的主要因素，分別占故障總數的25%和75%，因此，后續應該加強對航天產品HALT試驗中的應力研究，如溫度、振動、溫度振動綜合應力以及其他試驗應力研究。同時加強加速環境選擇和試驗剖面確定技術的研究，以便快速發現航天產品在各種應力下的缺陷；

3)雖然受試產品都已經通過了環境應力篩選、驗收試驗和例行試驗的考核，但是經過強化試驗，仍暴露出相當數量的缺陷，說明在新工藝、新器件的應用過程中，仍舊存在由于工藝一致性和生產過程無法量化導致的產品缺陷，因此應開展對于航天產品HASS試驗的研究，建立科學規范的篩選試驗剖面，提高篩選試驗的有效性，使產品的早期缺陷都能夠得到充分激發，篩選和剔除產品工藝和元件的早期故障。

5 結論

如何實現航天產品可靠性的高效增長是航天領域所面臨的重要研究課題。本文通過分析傳統試驗方法在航天產品可靠性增長及評估方面的不足，提出了可靠性強化試驗方法在航天領域應用的必要性，并對試驗剖面進行了設計，同時對試驗取得的效果進行了分析。

同時也應該注意到，當前可靠性強化試驗并沒有一個規范化的試驗設計方案和實施方法，主要是以激發產品缺陷為目的，沒有明確的可靠性增長目標，也沒有行之有效的評估方法，無法對整個增長過程進行跟蹤和控制，試驗時間和強度主要取決于研制部門的態度和決策，具有一定的盲目性。因此，在航天產品研制過程中，應進一步加強可靠性強化試驗方法的標準規范、試驗評估技術以及相關的試驗設備和控制技術的研究，規范可靠性強化試驗的設計與實施。

[1] 陳循，陶俊勇，張春華. 可靠性強化試驗與加速壽命試驗綜述[J]. 國防科技大學學報, 2002, 24(4): 29-32. (Chen Xun, Tao Junyong, Zhang Chunhua. Reliability Enhancement Testing and Accelerated Life Testing: An Introductory Review[J]. Journal of National University of Defense Technology， 2002, 24(4): 29-32.)

[2] 姜同敏. 可靠性強化試驗[J]. 環境技術, 2000, 26(1):3-6.(Jiang Tongmin. Reliability Enhancement Testing[J]. Environmental Technology, 2000, 1(1): 3-6.)

[3] 鄧愛民. 高可靠長壽命產品可靠性技術研究[D].國防科學技術大學研究生院，2006. (Deng Aimin. Research of High-reliability and Long-lifetime Products Reliability[D]. Graduate School of National University of Defense Technology, 2006.)

[4] 姜同敏，金玫．可靠性強化試驗技術及在航空工程中的應用[J]．航空工程與維修，2000，16(1)：32-34. (Jiang Tongmin, Jin Mei. Application of Reliability Enhancement Testing in Aviation Engineering[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2000，16(1): 32-34.)

TheApplicationofReliabilityEnhancementTestingTechnologyIntheDevelopmentofAerospaceEquipment

Sun Haifeng， Hu Haifeng， Zhai Shaolei， Song Zhengyu

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854, China

Withthedevelopmentofaerospacetechnology,higherreliabilityofequipmentisdemanded.Butnowadays,mostofthereliabilitytestingforthespaceequipmentisstillusingtraditionalmethodswhicharesodifficulttofindpossiblefaultsoftheequipmentregardingitshigherreliabilityandlongerlife.Thereliabilityenhancementtestingisanewtypeofreliabilitytestingmethod,canimprovetheaerospaceequipmentinherentreliabilitywithhigherefficiencyandlowercostsandhasalreadybeenappliedtothenationallaunchvehicle.

Reliabilityenhancementtesting;Developmentofaerospaceequipment;Application

TP202+.1

A

1006-3242(2017)05-0092-06

2015-08-27

孫海峰(1976-)，男，河北人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為航天控制系統綜合設計及可靠性工程理論；胡海峰(1978-)，男，河北人，碩士研究生，研究員，主要研究方向為航天控制系統綜合設計及航天標準化；翟邵蕾(1982-)，女，河北人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為航天控制系統冗余設計技術；宋征宇(1970-)，男，浙江人，博士生導師，研究員，主要研究方向為飛行器控制、制導與仿真技術。