航天元器件的質量分析與控制

張凱

（北京航天微機電技術研究所，北京，100094）

航天元器件的質量分析與控制

張凱

（北京航天微機電技術研究所，北京，100094）

航天元器件；可靠性；質量標準；質量控制。

航天元器件作為航天大系統的基本組成部分，對航天工程的功能、性能、壽命、研制周期、成本以及任務成功與否都有著極其重要的作用和影響，其質量與可靠性直接影響航天工程的成敗。隨著載人航天工程、北斗衛星導航系統、高分辨率對地觀測系統、新一代運載火箭等國家重大科技專項的陸續實施，我國航天科技工業已進入一個新的發展時期，對航天元器件的質量與可靠性提出了更高的要求。

對于航天元器件而言，特殊的應用場合對其提出了很多特殊要求：①航天工程涉及的技術和專業領域廣，決定了其使用的各類元器件品種多；②宇航產品的小批量，決定了配套的元器件產品小批量和需求不連續；③作為通用基礎產品，決定了同一種元器件需滿足不同型號、不同使用部位的要求；④航天型號發射后的不可維修性，決定了對元器件可靠性要求高；⑤航天型號工作環境復雜，決定了元器件要在輻照、真空、高低溫交變等惡劣環境下保持其性能的穩定性等[1]。為了提高航天元器件的質量以適應現階段航天型號的要求，除了要進一步加強元器件生產廠商的質量控制能力外，更需要從頂層策劃、選用標準控制和應用驗證等方面進行探索，用研雙方共同努力以提升我國航天元器件的技術水平和應用水平。

1 統一標準選用，提高航天元器件設計可靠性

1.1 航天元器件選用標準現狀

我國目前的元器件管理體系，存在同一種元器件由于研制立項途徑不同，對應多份詳細規范的情況：有通過新品立項的詳細規范，有通過型譜的詳細規范，有通過貫標的詳細規范，有通過可靠性增長的詳細規范，還有直接面向具體用戶使用的詳細規范。

隨著我國航天行業對元器件的質量控制理念和質量保證手段的不斷提升，借鑒ESA和NASA等國外先進成熟的元器件保證經驗，目前總體院所的元器件保證主管機關已經基本形成了航天元器件保證的系統體系。這其中很重要的一個方面就是采購規范的制定，例如，航天一院有LRMS采購規范，航天五院有CAST采購規范，航天八院有SAST采購規范等。但是由于認識水平的不同、具體用戶使用要求的不同，再加上國家軍用標準通用規范的不夠完善，導致不同的詳細規范和采購規范之間對于同一種元器件的要求存在明顯差異。這些差異有具體技術指標的差異、過程質量控制要求的差異、試驗檢驗項目的差異、監制驗收要求的差異等，這些差異給設計師系統的設計驗證、研制單位的質量控制、用戶的選用使用等都造成極大的不便，影響了航天元器件固有質量與可靠性的提升。

1.2 統一的標準是提升設計可靠性的基本保證

航天元器件一般要經過模樣階段的關鍵技術攻關、初樣階段的攻關以及摸底試驗、試樣階段的工藝穩定性驗證、鑒定試驗以及不同管理要求下的認證等，才能正式應用于航天型號。其中，設計定型之前的設計過程是保證元器件固有質量與可靠性的關鍵過程。

航天元器件作為通用基礎產品，應保證滿足不同航天型號的使用要求，用戶在選用時也應選擇標準貨架產品，而不應隨意增加定制類要求。這就需要在元器件設計之初，應充分識別應用需求，包括：應用系統的性能要求、應用環境、可測性、可靠性、抗輻照特性、電／機械性能以及極限參數等。

設計過程是一個復雜、反復迭代的過程，只有實施統一的標準要求才能做到有的放矢，前期的設計驗證才能做得充分。同時，航天元器件本身就是一個復雜的系統，一項指標的改變、一處結構的更改往往會直接或間接影響其他性能以及可靠性。這種影響有時不能直接顯現，必須通過系統的設計、分析、驗證才能做到。如果設計之初的標準不統一，而在產品設計定型后再提出不同要求，就很難通過正向的設計過程進行充分驗證。

因此，為保證在設計過程中充分進行產品質量與可靠性的提升工作，應保證航天元器件標準的統一性和協調性。

1.3 盡快實現元器件標準/規范的統一

只有標準/規范的統一才能帶來產品的標準化和貨架化。要實現標準/規范的統一，應由統一的管理機構對航天元器件實施統一的管理。在美國，其軍用元器件由國防供應中心 （DSCC）統一管理，宇航元器件由NASA統一領導、組織和策劃；在歐洲，ESA作為歐洲各成員國航天產品研制、生產、發射活動的統一管理機構，為保證宇航元器件質量與可靠性及有效管理，專門成立了空間元器件協調組織 （ESCC），統一負責歐洲空間元器件的質量保證工作，并負責ESA空間元器件文件和規范的協調與制定任務[2]。

借鑒和參考國外的先進經驗，我國航天工業目前由航天標準化與產品保證研究院牽頭進行元器件標準體系的建設工作，以 “建立統一完整、先進實用的中國宇航元器件標準體系， 規范宇航元器件研發、生產、驗證、使用全過程，全面滿足航天型號需求”為目的[3]，制定了一批宇航用元器件的通用規范。這些工作能夠規范航天元器件產品體系，加強元器件的選用控制，引導使用標準產品，提高產品設計的針對性和可獲得性；降低生產和采購成本，促進航天元器件產業的發展。同時，應進一步加強這些標準/規范的強制執行力度，使其在各航天院/所、航天型號中得到落實和應用。

另外，針對相當一部分元器件沒有總規范，不能系統地對該類型元器件提出質量控制要求，亟需對這類元器件的總規范進行研究，及早地形成相關的標準。

2 建立元器件型譜，做好面向未來應用的前期驗證

由于航天元器件的自身特點及其使用場合的廣泛性，必然要求航天元器件需滿足型譜化和系列化的要求，以滿足不同使用場合的要求。如同一種連接器產品的接觸件數量、接觸件種類往往有多種組合方式，同一種電纜組件產品的電纜和連接器也有多種組合方式，但是這些差異并不能改變元器件本身的公共屬性特征，不能將其作為多種元器件進行管理。

航天元器件在研制之初，往往只針對特定用戶的單一需求。用戶一般從自身的使用要求出發，但不同用戶之間對于同一類似產品的要求往往也會存在差異。如果在產品研制之初未充分考慮產品的型譜規劃，在產品使用后為了驗證這種差異帶來的影響同時滿足質量管理要求，就需要做大量的試驗驗證和鑒定定型工作，這并不利于產品質量的控制。因此，需要在產品開發過程中，重點關注產品的導向作用，從技術角度規劃預判產品的應用方向和發展方向，站在技術前沿，考慮后續增長的需求，以產品為中心及早建立型譜規劃，提前做好技術狀態固化和產品化的工作，將市場導向與產品導向相結合。

實施型譜化計劃，能以很強的針對性反映整機對元器件的需求牽引，又以其技術性能的先進性和產品系列的完整性滿足整機用戶對元器件的要求。同時，在制定元器件標準/規范時，考慮整合一個系列的元器件編制成標準/規范，即將一個系列里不同型號的元器件整合在一個詳細規范中描述，有利于前期進行充分的設計試驗驗證，提高產品固有質量與可靠性。在元器件型譜化建設中，也可以進一步規范航天元器件系列，統一元器件識別號，有利于航天元器件的規范管理，同時為面向未來的應用做好前期驗證工作。

3 加強試用驗證，暴露航天元器件早期缺陷

3.1 用戶試用的必要性和有效性

實踐證明，用戶的實際使用是暴露航天元器件缺陷、改進提高其質量水平的有效手段。用戶試用驗證一般有兩種方式：一是應用驗證，二是實際試用。

航天元器件應用驗證是指對元器件在航天工程應用前開展的一系列的試驗、分析、評估和綜合評價等工作，以確定元器件的研制成熟度及其在航天工程中的適用性，并綜合分析評價得出元器件的可用性。這種驗證充分模擬元器件的實際使用環境，搭建了元器件研制和應用之間的橋梁。應用驗證工作能充分驗證元器件固有特性、板級適應性和系統適應性，暴露產品的固有缺陷和性能邊界，是提高航天元器件質量與可靠性的有效手段。但由于用戶的實際使用工況比較復雜，應用驗證并不能完整地再現用戶的真實過程，部分產品應用缺陷不能充分暴露。

用戶的試用是結合真實的應用環境，在實際使用過程中驗證元器件的質量與可靠性。試用的過程中，用戶更加關注的是系統和整機的性能，不會刻意地驗證元器件的固有特性。但恰恰是這種 “忽視”能更好地驗證元器件的兼容性和可靠性，在真實的環境中暴露其使用缺陷。對用戶使用操作要求高的元器件產品，在此過程中也會暴露出用戶的使用問題，通過改進，避免實際使用過程中質量問題的發生。在型號的預研和方案階段，應盡可能地鼓勵使用初樣或試樣元器件產品，以便早期暴露其缺陷，為型號的初樣和正樣階段打好基礎。

3.2 元器件信息共享

信息系統的建設與利用應成為提高元器件質量的重要手段。通過信息系統可以實現資源共享、快速問題通報、相似質量問題的 “舉一反三”等功能，避免重復勞動，并且在元器件用戶、供應商和元器件保證機構間搭建一個信息交流平臺，及時反映并了解各方需求。

通過建立航天元器件數據庫，共享元器件產品信息、實驗數據和使用信息等，使得元器件供應商能夠了解航天用戶的需求，及時掌握使用中的問題，積極改進相關技術工藝；而航天用戶也能夠通過信息系統了解更多的產品信息，制定相應的評估和測試方案，并將問題及時進行反饋，促進航天元器件供應狀況的持續改進。

4 完善過程控制，提高航天元器件的產品保證能力

a）研制廠商的生產過程控制能力，是航天元器件質量的根本保證。隨著我國航天工業的發展，元器件生產的質量保證能力發生了很大變化，除了按傳統的質量管理模式進行過程控制外，更應將產品保證的思想和方法引入元器件的研制過程中。以風險識別與控制的核心思想完善元器件的全過程控制，推動元器件過程質量控制工作向主動預防控制、過程質量確認、零缺陷系統工程管理的轉變。

b）航天元器件過程確認文件 （PID）的建設和固化管理，是提高元器件過程控制能力的有效手段。PID為航天器用元器件建立了一個精確基準，由元器件的結構設計、原材料、制造工藝和控制要求組成，用于元器件的生產控制，對生產中和生產后必須進行的檢驗、試驗進行全面規定。元器件生產廠商應建立PID，對元器件的生產過程控制提出具體的要求，利用PID固化元器件生產工藝和產品狀態，保持其生產基線的穩定性。

PID主要控制要素包括：①生產線認證和資格維持；②產品關鍵原材料控制；③產品設計要求；④產品工藝要求；⑤產品生產制造；⑥承制方外協控制；⑦產品檢驗試驗要求；⑧產品包裝運輸要求；⑨產品交付要求。

5 鼓勵新技術應用，嚴控技術狀態更改

在電子技術高速發展的今天，元器件的生命周期越來越短。大多數半導體器件的設計使用壽命是3年～10年，先進的集成電路生產工藝每12至18個月就會發生變化。航天型號研制和使用的周期長決定了航天元器件產品更新慢，產品更新換代速度慢必然造成的技術落后和市場占有率的下降。這就造成一些新技術在航天元器件上的應用變的越來越難，新技術帶來的產品質量的提升在航天元器件上也得不到體現。

因此，應根據先進技術的發展方向，推動一些老產品的更新換代，鼓勵新技術、新工藝在成熟產品上的應用，以技術改進促進質量提升，從而形成良性循環，重塑航天元器件的技術引領作用。同時，針對新技術的應用，也應進行充分的論證和試驗驗證，嚴格按技術狀態更改五項原則進行管控，避免由于驗證不充分導致的新質量問題產生。

我國航天工業已進入一個快速發展時期，多型號并舉，研制與批產并重，型號研制周期短，航天事業面臨著實現跨越發展的新階段。作為航天大系統重要技術資源的航天元器件，其穩定的質量對保證航天事業的成功與發展起著至關重要的作用。在新形勢下，應創新機制與體制，通過用研雙方以及統一高效的元器件專業管理機構的共同努力，以統一的標準為核心，以型譜化建設為發展方向，借助信息共享和新技術的助力，加強研制廠家的過程管控能力，持續提高航天元器件的質量水平，保證航天型號任務的順利完成。

［1］晉文亮.國外航天元器件發展現狀與思考［J］. 航天標準化， 2009 （3）.

［2］蔡娜，王敬賢.國外航天元器件發展經驗簡析 ［J］. 航天標準化， 2010 （4）.

［3］朱恒靜，夏泓.宇航用元器件通用規范的設計思路 ［J］.電子產品可靠性與環境試驗,2012， 30 （2）.

［4］張紅旗，李海燕.談宇航元器件詳細規范的編制 ［J］.質量與可靠性， 2011 （5）.

［5］唐章東，張凱，等.航天用元器件應用驗證方法及其應用實例 ［J］.航天器環境工程，2013， 30 （3）.

走向新年

樹，又添了一圈年輪。那密密的圈圈，向風，向雨，訴說著又一個逝去的故事；為枝，為葉，編織著又一個即將到來的繁茂與昌盛。

人，又送走了一年四季。是春的纏綿，把她交給夢中的情人；是夏的熱情，把她揉進平凡的工作；是秋的成熟，把她展示在歲月的櫥窗；是冬的潔白，把她譜寫成一首辭舊迎新的詩行。

告別今歲，不是告別我們精心構筑的憧憬，不是告別我們等待很久的每一輪旭日東升和每一片晚霞如火!

走向新年，走向一片嶄新的天地。且以一顆今歲還在澎湃的心去熱愛新年的分分秒秒，以一雙跋涉了春夏秋冬的腳去踩踏來年的每一場風風雨雨，以兩只更為睿智的眼睛去感應明天的每一份清新、每一份驚喜，以一種更為成熟的情感去品味未來生活的酸甜苦辣。請張開成熟而有力的雙臂，擁抱新年吧!

走向新年，就是走向一片芳草茵茵的大地，走向一方欣欣向榮的森林，走向一個充滿希望也充滿挑戰的美好世界。

（陜西省寶雞市文化大廈 楊麗麗）

文 摘：針對航天元器件研制的現狀，提出提升航天元器件質量與可靠性的建議與思路：以統一的標準為基本保證，提高元器件設計的可靠性；建立元器件型譜規劃，做好面向未來應用的前期驗證工作；加強應用驗證和用戶試用，通過信息系統建設實現資源共享；以過程確認文件 （PID）的建設為依托，快速提升研制廠商的過程控制能力；鼓勵新技術在航天元器件上的應用，做好技術狀態控制工作。

張凱 （1983年—），男，碩士，高級工程師，現主要從事航天產品保證管理工作。