電子單機板卡在軌維修設計研究

摘 要：隨著中國空間站建成并轉入運營階段，空間站的維修問題已逐步凸顯。空間站使用壽命10年，惡劣的空間環境與飛行器壽命之間的矛盾對空間站的運營提出了嚴峻挑戰，特別是電子單機受影響最為顯著，延長電子單機在軌運行壽命的問題亟需解決，開展單機的精細化維修研究勢在必行。現以電子單機為例，開展電子單機板卡在軌同構化、精細化維修技術研究，綜合考慮板卡的物理性能檢測、維修和維修后基本性能測試等全周期維修工作，構建單機維修系統，實現了電子單機的板卡級精細化維修，提升了電子單機空間維修和維護的能力，從而保障了航天器長期安全可靠運行。

關鍵詞：空間站；電子單機；精細化；單機維修系統

中圖分類號：V476.1" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）23-0051-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.23.011

0" " 引言

近年來，在軌故障已逐步超過發射故障，成為航天器最主要的危險源。通過對270多個電子設備故障案例的分析[1]，發現近80%的故障屬于永久性故障，通常由靜電放電、設計缺陷或損耗等問題造成；通過故障分析還發現載人航天器的在軌故障通常只是個別器件/部件發生問題而導致整個單機設備或系統無法工作，造成巨大的資源浪費。因此，針對電子單機類設備在軌維修技術的研究，對提高中國空間站電子設備可靠性和維修水平具有重大意義，開展載人航天器電子單機內部在軌可更換單元（Orbital Replacement Unit，ORU）維修性設計研究顯得十分必要。未來，人類足跡將進一步向深空、向其他行星拓展，用于執行在軌服務、任務的艙外活動系統和操作概念方案也需要隨之更新和演進，以適應復雜的空間環境和任務需求，為此開展板卡級的精細化維修研究勢在必行。

本文研究了板卡在軌精細操作技術，在故障定位到電子單機內相應板卡的基礎上，利用通用工具將故障板卡從電子單機上拆卸下，完成板卡的PCB板與連接器的解焊，利用在軌焊接技術完成正常的PCB板與板卡連接器焊接，從而實現板卡的在軌精細化維修操作。

1nbsp; " 國內外在軌維修現狀

1.1" " 國內研究情況

我國空間站項目從立項之初到建成運營已走過30多年的歷程，考慮到目前航天員駐留時間較短，維修時間短，我國開展在軌維修研究起步較晚，無論是研究還是應用都仍然處于起步階段，基礎還很薄弱，需要加大投入力度。我國空間焊接技術的在軌應用目前幾乎是空白，亟需開展這方面的研究以適應航天事業的發展，將航天器在軌維修性技術與空間站運營結合起來，走出我國航天發展的新路徑。

1.2" " 國外研究情況

國外從20世紀60年代初就開始開展航天員在軌維修空間站方面的研究。太空焊接維修是解決備件短缺問題的一個技術途徑，經過近半個世紀的發展和實驗，國外已在太空焊接技術的在軌試驗研究方面取得較大發展，表1[2-3]是國外空間焊接試驗開展情況的部分統計。

2" " 電子類單機特點

對電子單機內部結構進行分析可以發現：每個板卡都有相對獨立的電路，并且多為PCB板卡加外插連接器，最后由屏蔽盒封裝的結構形式。其中屏蔽盒在整個結構重量中占比較大，同時也增加了電子單機的體積，該部分結構的主要作用是承受發射階段惡劣的力學環境載荷，確保內部板卡在發射過程中不被損壞，并提供內部PCB板電路安裝的支撐，同時提供一個電磁屏蔽環境以滿足相關的電磁兼容要求，在功能使用上基本沒有發揮作用。

板卡作為電子類單機的重要組成部分，主要由絕緣件、接插件、電路、PCB板、芯片等元器件組裝而成，可作為獨立的一級ORU進行維修，它的失效模式已成為電子單機主要失效模式之一，其故障時機難以預測，相對于預防性維修策略，板卡級故障以修復性維修為主，即電子單機發生故障時，將故障定位到內部板卡，并維修更換故障板卡，最終恢復單機功能。因此，研發板卡維修系統對于板卡的在軌修復很有必要。

3" " 單機維修系統

基于空間站長期有人的特點，面向板卡的精細維修更換，綜合考慮板卡的物理性能檢測、更換及其維修后基本性能測試等全周期維修，針對某板卡（圖1）提出了板卡維修系統，其由物理性能檢測單元、原位維修更換單元和基本性能檢測單元組成。

3.1" " 物理性能檢測單元

物理性能檢測單元主要開展PCB板的物理性能檢測，確認新板卡的PCB板的狀態。物理性能檢測單元依托于AI技術構建板卡狀態數據庫，采用數據比對技術實現板卡的物理性能檢測。板卡狀態數據庫以板卡正常驗收交付狀態為數據源進行構建，智能視覺檢測終端提取產品特征后與數據庫的板卡狀態進行對比分析，進而實現物理性能檢測。

物理性能檢測單元內置智能視覺檢測終端，并設置板卡操作區域、連接器（供電和傳遞信息）和操作界面，智能視覺檢測終端和板卡操作區域的相關位置固定，避免人為操作帶來的問題。物理性能檢測單元的具體情況如下：

1）智能視覺檢測終端主要實現對板卡的掃描成像，并與數據庫數據進行比對。

2）板卡操作區域為抽屜式結構，位于物理檢測單元底部區域，如圖2所示。板卡操作區域前面板設置操作把手和鎖緊裝置，操作把手用于實現操作區域的打開和閉合，鎖緊裝置位于板卡操作區域的兩側，實現操作區域的鎖緊功能；板卡操作區域內部設置板卡固定槽位，實現板卡的固定。

3）對外設置兩個連接器負責供電和信息的傳遞，通過轉接線纜實現與平臺的連接。

4）操作界面如圖3所示，用于實現人機交互操作，設置“開機” “板卡類型” “開始” “停止”和“關機”鍵，板卡類型采用下拉菜單的形式。

物理性能檢測單元操作程序如圖4所示。

3.2" " 原位維修更換單元

原位維修更換單元主要開展PCB板的原位更換，為降低焊接作業對操作人員帶來的危害，擬在專用焊接裝置中實現PCB板與連接器的連接。PCB板原位更換時涉及PCB板拆卸、連接器解焊和焊接等操作。

PCB板和連接器的拆裝為常規的螺釘拆裝操作，按照QJ 3117A—2011《航天電子電氣產品手工焊接工藝技術要求》中“電子元器件的引線或導線的端頭插裝后，應露出印制電路板1.5 mm±0.8 mm”的規定執行。

連接器解焊和焊接均在專用焊接裝置中實施。研究表明：太空釬焊時，真空環境、微重力環境有助于增強毛細作用，釬料在太空中的潤濕鋪展效果比地面要好，釬料能填充更大的纖縫間隙，降低了對裝配的要求，釬焊纖縫缺陷相對較少[4]。同時，考慮到釬焊時需要釬料和釬劑，為減少焊后余料的產生及對艙內環境的污染，PCB板原位更換時采用手動釬焊實現連接器和PCB板的連接，焊接時選用自釬劑釬料。

專用焊接裝置內部設置電烙鐵和自釬劑釬料，均在焊接裝置內部防漂固定，其對外接口由開關、操作口、板卡安裝區域、連接器和廢氣收納口組成，如圖5所示。

專用焊接裝置各對外接口具體如下：

1）開關：開關負責將電路打開，給電烙鐵安全供電。

2）操作口：操作口位于操作裝置一側，設置兩個操作手套，供操作員手部進入操作，操作時雙手協同。

3）板卡安裝區域：該區域結構與物理性能檢測單元類似，內部設置板卡固定區域，用于板卡在解焊和焊接時的固定；外部設置操作把手和鎖緊裝置，用于實現板卡安裝區域的取出和固定。

4）連接器：設置供電連接器，通過轉接線纜實現與平臺的連接，提供安全用電。

5）廢氣收納口：位于專用焊接裝置右側，用于連接收納裝置，在解焊和焊接完成后使用，以便收集多余廢棄物。

原位維修更換單元操作程序如圖6所示。

3.3" " 基本性能檢測單元

基本性能檢測單元主要開展更換PCB板后的板卡基本性能測試。基本性能檢測單元依托于板卡基本性能構建數據庫，采用數據對比技術實現板卡基本性能的檢測。

基本性能檢測單元對外接口為連接器（4個）和操作界面，具體如下：

1）基本性能檢測單元集成檢測程序，兩個連接器負責供電和信息的傳遞，實現與平臺的供電連接和信息交互，另外兩個連接器實現與待檢測板卡的連接，如圖7所示。其中，考慮到待檢板卡的連接器型號規格不同，通過轉接線實現不同板卡與基本性能檢測單元的連接。

2）操作界面如圖8所示，用于實現人機交互操作，設置“開機” “板卡類型” “檢測項目” “啟動” “停止”和“關機”，板卡類型和檢測項目采用下拉菜單的形式。

基本性能檢測單元操作程序如圖9所示。

4" " 結束語

空間站設計使用壽命10年，還要考慮后面的延壽問題和功能擴展問題。空間環境惡劣，電子設備受影響最為顯著，延長飛行器電子設備在軌運行壽命、開展板卡精細化維修勢在必行。本文提出了一種全周期的板卡維修系統，包括物理性能檢測單元、原位維修更換單元和基本性能檢測單元，對后續電子設備維修系統的構建具有一定的參考意義。

[參考文獻]

[1] 譚春林，胡太彬，王大鵬，等.國外航天器在軌故障統計與分析[J].航天器工程，2011，20（4）：130-136.

[2] 邱惠中.空間焊接的現狀和發展前景[J].航天工藝，1990（6）：52-59.

[3] 馮吉才，王厚勤，張秉剛，等.空間焊接技術研究現狀及展望[J].焊接學報，2015，36（6）：107-112.

[4] 王敏.空間站在軌焊接作業條件及接口技術分析[J].焊接，2021（2）：34-37.

收稿日期：2024-07-17

作者簡介：徐勝（1979—），男，江西人，博士研究生，高級工程師，主要從事在軌維修、工效學研究工作。

通信作者：周恒（1991—），男，河北人，碩士研究生，工程師，主要從事在軌維修研究工作。