航天運載器飛行控制電子產品可靠性與成本分析

胡海峰，宋征宇

（1. 北京航天自動控制研究所，北京，100854；2. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076）

0 引 言

20世紀90年代，受制于工業基礎和技術水平，中國航天運載器開始研究和應用系統級冗余技術，控制系統普遍采用冗余設計，選用高質量等級元器件，開展大量的可靠性試驗，系統可靠性大幅提升[1～4]。進入21世紀，中國啟動了新一代運載火箭研制，控制系統繼承上述可靠性研制思路，導致產品成本顯著增加。同時，近年來隨著空間技術迅猛發展，航天運輸系統正由“解決如何進入空間”轉向“解決如何低成本進入空間”。低成本面臨諸多挑戰，如何確保高可靠性并降低成本，成為提升市場競爭力的重要研究課題。

本文以新一代運載火箭普遍采用的三模冗余綜合控制器為例，建立可靠性模型，提出元器件分類方法和質量等級調整策略，研究可靠性設計與成本的關系模型；以配電器和驅動器為例，計算分析可靠性驗證與成本的關系。結果表明，適當降低元器件等級、開展系統級優化設計能夠降低器件成本約 50%；目前選用高質量等級器件、采用1臺產品開展可靠性增長的試驗方法導致“過設計”，可靠性允許的范圍內降低元器件質量等級、采用多臺產品開展可靠性增長試驗，避免“過設計”和“過試驗”，能夠顯著降低飛行試驗運營成本，且發射數量越大，成本降低越多。

1 可靠性模型建立

1.1 可靠性分析模型

綜合控制器是航天運載器的重要電子設備，整機采用三模冗余體制，由冗余模塊、光耦自測板、底板、電源測試板等組成，冗余模塊由電源板、CPU板、功率板組成，冗余模塊進行三取二表決，圖1為系統可靠性框圖。

圖1 航天運載器綜合控制器框圖Fig.1 Block Diagram of Integrated Controller for Aerospace Vehicles

根據可靠性框圖，建立其可靠性數學模型[5～7]。

串聯系統的失效率為各器件（部件）失效率之和，計算失效率λj：

式中 λj為總失效率，10-6/h；λGi為第i種部件（元器件）的通用失效率，10-6/h；πQi為第i種部件（元器件）的通用質量系數； Ni為第i種部件（元器件）的數量；n為所用元器件的種類數目。

同理，計算冗余模塊的失效率λ0：

電子元器件壽命分布取負指數分布，在作用期內失效率是一個常數，計算可靠度R：

1.2 增長試驗驗證模型

按指數定時截尾方案，計算通電總時間 TP：

式中 n為參試產品數；RL為可靠性增長目標值；γ為置信度； tt0為產品溫度循環任務時間。

計算單個產品試驗循環數N：

式中 TP為通電總時間；T0P為單個溫度循環中通電工作時間。

總均方根加速度 Grms＞10g，按威布爾分布模型計算隨機振動總時間 TV：

式中 m為威布爾分布形狀參數。

總均方根加速度 Grms＞10g，按指數分布模型計算隨機振動總時間 TV：

式中 n為參試產品數；f為失效數； χγ2,2f+2為置信度為γ的χ2分布下側分位點；tv0為產品隨機振動任務時間。

2 數值算例

2.1 可靠性與成本算例

新一代運載火箭某綜合控制器飛行時間t=650 s，可靠性指標R指標=0.999 99，共選用2924只元器件，全部為高質量等級，元器件成本高達約112.1907萬元，為便于開展可靠性與成本分析，將元器件分為3類（見表1），并制定元器件質量等級調整策略（見表2）。

表1 元器件分類Tab.1 Components Classification

表2 元器件質量等級調整策略Tab.2 Re-adjusting Policies of Component Quality Grades

提出4種元器件選用方案：a）全部采用高質量等級；b）第1類調整質量等級；c）第1類、第2類調整質量等級；d）3類均調整質量等級。針對該4種方案，分別按照式（6）計算可靠性，并概略統計每種方案的元器件成本（見表3）。

表3 可靠性與成本計算結果（R=0.99999）Tab.3 Calculation Results of Reliability and Cost (R=0.99999)

2.2 增長試驗算例

按 f=0，γ=0.7，tt0=625 s，m =1.2，v0t=60 s代入式（7）～（10），計算配電器和驅動器的試驗時間（見表4）。參試設備數量n不同時的試驗應力時間見表5。

表4 可靠性增長試驗應力時間Tab.4 Stress Time of Reliability Increasing Experiments

表5 參試設備數量n不同時的試驗時間Tab.5 Experiment Time for Different Numbers of Devices

3 分析與討論

a）新一代航天運載器綜控器類設備的3類器件數量分別為26只、183只和2715只，數量占比分別為0.89%、6.26%和92.85%，采用高質量等級元器件總成本約112.1907萬元，成本占比分別為36.4%、47.4%和16.2%，可靠性為0.999 998 541，第1類和第2類元器件數量和占比為7.15%，成本占比高達83.8%，見圖2。由于綜控器采用了三模冗余設計，當適當降低元器件質量等級時，仍具有不小于0.999 99的高可靠性。根據計算結果擬合建立成本與可靠性關系模型，見圖3。隨著可靠性的提高，成本急劇增加，可靠性越高，提升可靠性的費效比越低，圖3中方案3是關系模型的拐點，在此之前隨可靠性增加成本增長較緩，之后隨可靠性增加成本上升急劇增大。僅調整第 1類和第 2類器件質量等級，成本可減少 53%以上，但對可靠性影響較小，第3類器件數量多，對成本影響小，但對可靠性影響較顯著。因此，綜控器類設備僅調整第 1類和第2類器件質量等級，產品可靠性較高且降成本效果顯著。

圖2 可靠性與成本計算Fig.2 Calculation Results of Reliability and Cost

圖3 成本與可靠性關系模型Fig.3 Relationship Model of Reliability and Cost

b）高可靠性的配電器和驅動器類電子產品增長試驗中需施加1656～3404 h電應力、191.1～755.2 h振動應力，而該類產品的飛行工作時間僅為300～625 s，電應力、振動應力施加時間分別為飛行工作時間的數萬和數千倍（見圖4）。傳統試驗中，采用1臺產品開展可靠性增長試驗，尤其是可靠性指標較高時，必然施加遠超出使用壽命的電應力和振動應力，為了實現可靠性增長指標，也必然會采用更高等級的器件、增加更大的設計裕度，在提升產品可靠性的同時，也導致成本大幅增加。因此配電器和驅動器類產品，由于可靠性指標高，采用1臺產品開展試驗時，為順利完成試驗，該類產品存在“過設計”和“過試驗”，而避免“過設計”和“過試驗”是降成本的關鍵。

圖4 試驗時間與飛行時間對比(n=1)Fig.4 Time Comparison of Experimentand Flight (n=1)

c）為進一步開展成本分析，建立元器件總成本與增長試驗和飛行試驗的器件成本模型。

式中 f為原方案元器件成本總量，萬元；g為降成本方案元器件成本總量，萬元；0λ為原方案單臺元器件成本，常值，萬元；n為可靠性增長試驗設備臺數，臺；m為飛行試驗產品數量，臺；η為器件質量調整后的成本系數（小于1）。

大量采用G和G+元器件的CZ-3A、CZ-2F的同類控制設備增長試驗的電應力時間分別為664 h、664 h，因此選用G和G+元器件、采用相同工藝生產的同類設備可經歷至少664 h的增長試驗，且具有較好的可靠性，根據表5數據，可取n=4。根據降成本方案統計，η∈(0.595,0.605,0.599)，取η=0.6。代入式（11）、式（12），可得：

根據式（13）～（15），建立成本與飛行試驗產品數量的關系模型，見圖 5。在產品飛行試驗數量較小（m=1,2,3）時，原方案（高質量等級）成本較低；隨著飛行試驗數量增加，降成本（元器件調整質量等級）方案成本優勢逐漸顯現，當飛行試驗數量為4時，降成本方案已優于原方案；飛行試驗數量為10時，成本降低為76.4%；飛行試驗數量為 100時，成本降低為61.8%。因此，可靠性允許的范圍內降低元器件質量等級、采用多臺產品開展可靠性增長試驗，雖然初始成本有所增加，但降低了飛行試驗運營成本，且發射數量越大，成本降低越多。

圖5 成本與飛行試驗產品數量的關系模型Fig.5 Relationship Model of Costand Number of Flight Products

d）宇航級元器件的價格昂貴、生產周期長、性能落后等固有缺點成為航天運載器降成本、制約技術發展的瓶頸，在成本和先進性與可靠性同等重要的約束下，工業級商用器件進行針對性的選用、分析、篩選試驗和板卡級考核，能夠既確保可靠性又大幅降低成本。尤其是考慮到飛行任務時間短、執行近地軌道任務的航天運載器，其元器件的應用環境主要考慮發射階段顯著的機械沖擊、振動和恒定加速度應力，而工業級商用器件采用塑料封裝，比傳統軍用陶瓷封裝有更好的抗機械振動、沖擊和恒定加速度的特性，而且由于沒有空腔，也不存在可動多余物引起的內部短路問題，而該類器件可大幅降低成本。

e）航天運載器電子產品降成本的同時，也要確保可靠，因此需研究低成本匹配的可靠性設計準則及試驗體系：

1）采取整機優化設計，有效估計產品期望壽命，避免“過設計”；

2）基于宇航任務應用條件進行器件選用適用性分析，結合任務剖面實際溫度環境選擇工業級商用器件；

3）研究制定禁限用工藝應對措施，如工業級商用器件經常采用的純錫易生錫須導致短路、塑封吸潮引起內部腐蝕，可采用重新涂覆、加厚三防漆保護、電裝前烘焙、干燥貯存等措施；

4）減少或合并抽樣數量，優化整機篩選量級，研究高效應力篩選方法，提高抗環境能力，結合單機、單板應用條件設計板級篩選考核試驗；

5）針對工業級商用塑封器件選用，增加潮濕敏感性分級測試、加電溫度循環、板級振動試驗、涂三防漆保護等考核；

6）開展整機強化試驗，提高試驗效率，快速激發缺陷，采取措施提高瓶頸環節可靠性；

7）采用多臺（建議不少于4臺）產品開展增長試驗，避免采用1臺產品開展試驗帶來“過設計”；

8）采取定量分析和持續增長試驗評估相結合的方法，開展高可靠、小子樣航天運載器電子產品的可靠性定量評估。

4 結束語

高可靠約束下降低航天運載器成本，是商業航天發射市場的外在要求，也是航天運載器提升核心競爭力的內在需求。而新一代航天運載器飛行控制電子產品，可靠性要求高，全部采用高質量等級元器件、開展大量實驗，在確保可靠性的同時，導致成本大幅提升。本文以新一代運載高可靠飛行控制電子設備為例，從元器件選用、增長試驗的角度對電子產品降成本進行了分析，給出了航天運載器電子產品降成本的原則和方法，可以在運載火箭電氣系統研制中推廣應用。