探討航天產品綜合環境應力試驗

方煥輝，劉國紅，朱友忠北京航天自動控制研究所

探討航天產品綜合環境應力試驗

方煥輝，劉國紅，朱友忠
北京航天自動控制研究所

航天產品在實際使用過程中，由于所處外部環境的復雜性和特殊性，在多種因素的共同作用下，產品的薄弱環節很容易發生故障。綜合環境應力試驗能夠很好的解決這一問題，真是地反映航天產品實際使用環境，從而了解產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品綜合環境應力試驗方案以及試驗程序，得出綜合環境應力試驗對于查找航天器電子產品缺陷和弊端擁有極強的有效性。

航天器；電子產品；綜合環境應力試驗

引言

綜合環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品經歷的實際環境，同時給電子產品施加包括溫濕度、振動在內的綜合環境應力以及電應力，使航天產品在這種真實的外力作用下，激發出在設計和制造中存在的缺陷，并使得這種缺陷顯現為故障，再對故障進行科學地分析研究，并予以糾正，以達到提高航天產品可靠性的目的。

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

一、綜合環境應力試驗方案解析

1、綜合環境的確定

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

盡管綜合環境應力試驗可以有效地暴露電子產品在多種環境因素共同作用下發生的故障，但在實際試驗進行中，并不能將電子產品要經受的所有環境應力都統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，在進行綜合環境應力試驗時，應綜合考核電子產品最為敏感的應力環境。

航天器電子產品經受的環境因素十分復雜，但溫濕度和振動是電子產品最為敏感的應力環境。據國內某基地對于航天器電子產品失效原因統計：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品失效的最大也是最核心因素。鑒于對電子產品環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品，進行綜合考核。

2、試驗對象

航天器配套電子產品數量眾多，多達數百臺，如若全部進行綜合環境應力試驗，不但成本巨大，進度也十分緩慢。因此在選擇電子產品進行綜合環境應力試驗時，應遵循以下三點原則：

（1）起到重要作用的控制類產品；

（2）最新研發出來的電子產品，以及舊有電子產品但進行了較大更改的；

（3）肩負著關鍵飛行任務的電子產品。

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

3、試驗裝置要求

綜合環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，且具備報警功能和保護功能，試驗程序要進行數字化編制，設置好溫濕度等參數，做好試驗數據的記錄，試驗過程中注意觀察試驗狀態，對于暴露出來的故障進行科學診斷。

二、綜合環境應力試驗程序

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，盡量加大溫度變化速率。理論上來講，電子產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，在進行綜合環境應力的溫度應力設計時，將電子產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，以便充分考核產品在高濕和高溫環境下的承受能力。同時，在進行試驗時，當電子產品由高溫環境轉入低溫環境后，若產品存在密封不嚴的缺陷，產品內部可能會出現受潮的問題，導致異常發生；而產品外部插件也可能由于溫度的變化出現結露的狀況，產品的設計和制造存在薄弱環節，有可能導致短路等故障發生。

3、試驗中的振動應力設計

振動分為正弦振動和隨機振動，而電子產品對隨機振動環境更加敏感。由于電子產品所分布的艙段不同，上升時所承受的隨機振動力度和環境也不相同。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，并且為電子產品施加振動應力時，施力方向應與火箭發射方向保持一致，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

航天器為電子產品提供的電壓為27V，在進行綜合環境應力試驗時，對于每個循環的上限電壓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，需時刻檢測電子產品的性能。

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

三、綜合環境應力試驗效果分析

經過以上科學嚴謹的綜合環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品是否具有較強的可靠性。普遍來講，經過綜合環境應力試驗，電子產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）一些電子產品的材料選用不合適，比如一些電子產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生熱脹冷縮，也容易在外部環境因素作用下發生變形，從而引發故障發生。（3）一些電子產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，容易發生涂層脫落。還有一些產品接插件設計不合理，在高濕環境下容易受潮，低溫環境下容易結露，如此便會發生短路故障。

結語

綜合環境應力試驗，為我國航天器電子產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勢：首先，它可以更真實地模擬電子產品的實際使用環境；其次，綜合環境應力試驗可以更真實地反映電子產品在實際使用環境下可能出現的故障模式；再次，綜合環境應力試驗能夠更直觀、更充分的將電子產品暴露出的缺陷轉換為故障，更方便對發現的缺陷進行改進，提高產品可靠性。做好綜合環境應力試驗，避免電子產品在實際使用過程中發生故障或失效，可以夯實航天器成功發射基礎，加快推進航天強國建設，不斷譜寫航天事業發展新篇章。

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

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

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