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热真空试验方法探析

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《电子产品可靠性与环境试验杂志》2016年第4期

摘要:

热真空试验是针对航天产品特有的试验项目,其一般参照相应的试验标准和方法进行。但是,如果标准中规定的试验条件过松,则有可能达不到检测产品的真实性能的目的;如果试验条件过严,则又可能导致过试验现象,影响产品的性能。因此,对航天产品热真空试验的相关标准进行了对比分析,以期对该试验项目相关标准的正确选择和应用提供一定的参考。

关键词:

航天产品;热真空试验;试验标准;试验方法

0引言

航天产品在使用的过程中出现故障时一般不能维修或极不易维修,因此,其一旦出现故障,就极易造成整体停止运行的事故,从而带来严重的经济损失和政治后果。同时,由于产品要求高可靠、长寿命,因而有必要在产品投入使用前对产品的环境适应性进行检验,以降低使用风险,保证产品安全、可靠地运行。为了实现上述目的,在科研和生产过程中一般广泛地采用人工模拟环境试验对产品的环境适应性进行验证。热真空试验属于热试验的一部分,是空间环境模拟试验中非常重要的试验之一,被广泛地应用于卫星组件、分系统和整星的鉴定和验收中[1]。目前,航天产品的热真空试验一般都参照相关的标准和试验方法进行,但是,不同的标准对于试验条件的要求又有细微的差别,因而本文对航天产品的热真空试验标准与方法进行了分析,以期为航天机构合理地参照相关标准,选择适用的试验方法提供一定的借鉴。

1热真空试验相关标准与方法的作用

对太阳幅射、冷黑环境和真空环境进行的工作模拟试验被叫做热真空试验。环境热真空试验是指在规定的压力与鉴定级或验收级热真空试验温度条件下,暴露航天产品的设计与工艺问题,评定其工作性能,验证其飞行功能的试验。过松的试验条件无法达到检测产品的真正性能的目的,从而无法为航天产品的具体使用提供有效的依据,使得有质量隐患的航天产品冒险工作[2];过严或不适当的试验条件与试验措施又会导致过试验,影响航天产品的性能,产生隐患,进而影响航天产品的后续使用。因此,美国、欧洲和我国都颁布了一系列的试验标准,各监测与试验单位也起草了各自的企标与试验方法,以指导热真空试验的顺利开展。热真空试验应力条件是随着社会科技水平、制造组装工艺的发展和人们对空间试验(热真空试验)的认识的提高而不断地发展的[3],我国的热真空试验标准与欧洲、美国的标准有一定的差别,这也是由于产品具体的工艺水平、各自对空间试验的认识和产品的实际应用的环境存在一定的差异所带来的结果。此外,各种标准经过试验一段时间后要进行重新修正,颁布新的试验标准,也是基于以上的原因。

2各版热真空试验标准的分析

目前,各国热真空试验中常使用的标准有:欧洲标准化组织标准ECSS-E-10-03(1998);美军标MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994、MIL-STD-1540d-1999和IL-STD-1540E-2002;我国的国军标GJB1027-1990[4]与GJB1027A-2005。我国还有监督单位或试验单位编制的部分企业热真空试验方法标准或规范,包括:QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》[5]《集成电路热真空试验方法与和程序》《微波组件热真空试验方法》《固态微波放大器热真空试验技术规范》和《空间行波管热真空试验技术规范》等。国军标GJB1027-1990在编制过程中借鉴了MIL-STD-1540B-1982的部分内容,后期颁布的GJB1027A-2005在编制过程中也根据我国的国情参考了美军标MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002;此外,各个企标编写时也参考了美军标MIL-STD-150B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002与国军标GJB1027-1990和GJB1027A-2005。因此,这里我们着重讨论MIL-STD-1540C-1994、MIL-STD-1540E-2002、GJB1027-1990和GJB1027A-2005,并简单地讨论一下在空间试验(热真空试验)中各试验单位较常使用的QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》。

2.1美军标MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994与MIL-STD-1540E-2002的比较

美军标MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994与MIL-STD-1540E-2002之间的差异如表1所示。对比美军标MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002发现,这3个标准中,MIL-STD-1540C-1994规定的试验条件最为严格,但在使用了几年后,颁布的MIL-STD-1540E-2002的要求较MIL-STD-1540C-1994又有了一定程度的降低,有回归MIL-STD-1540B-1982的迹象。究其原因,主要有3点:1)社会科技水平、制造组装工艺有了一定的发展,因而试验要求可以相应地降低;2)使用MIL-STD-1540C-1994后美国航天业出现了几次航天事故[2],这些事故与当时所使用的MIL-STD-1540C-1994要求的试验严酷,造成过试验多少有些关联;3)从表1的数据来分析,MIL-STD-1540C-1994的循环次数过多和总试验时间过长,造成了试验室试验能力的浪费,影响了整个产品的正式交货周期。而MIL-STD-1540E-2002使用至今未改动,已经完全代替了先前使用的标准,且现在各国航天部门在编制各自的航天试验标准时均较多地参照了MIL-STD-1540E-2002,这也说明了MIL-STD-1540E-2002已是一部趋于成熟的航天产品的试验标准。

2.2国军标GJB1027-1990与GJB1027A-2005的比较

GJB1027-1990与GJB1027A-2005的比较如表2所示。GJB1027-1990与GJB1027A-2005的差别主要体现在以下几个方面。

a)循环次数不同GJB1027-1990是参考美军标MIL-STD-1540B-1982的部分内容编写的,因此,其规定循环次数至少为3次;GJB1027A-2005是参照MIL-STD-1540C-1994与MIL-STD-1540E-2002,再结合国内航天行业的实际情况编写的,因此,其规定循环次数最多为9次,鉴定试验循环次数为6.5~8.5次,验收试验的循环次数是2.5~4.5次。0.5次是为了遵循航天产品的高进高出(高温开始高温结束)原则,这也是人们对空间试验的认识有所提高的结果。

b)循环时间不同GJB1027-1990中规定的保持时间为12h,这是因为航天器上天工作的白昼时间转换为12h[3]。但是,由于热真空试验设备技术水平与试验手段的提高,1h内热真空设备内已经基本能够达到温度平衡,工作4h后航天器产品本身也达到了热平衡状态,因此4h就已足够考验航天器的性能。时间过长,一方面可能会造成过试验,对航天产品的性能产生隐患;另一方面则是会造成资源的浪费,所以GJB1027A-2005中将试验保持时间修改为了4h。

c)试验压力不同GJB1027-1990要求真空压力≤1.3×10-3Pa[3],而GJB1027A-2005将这一要求降低到≤6.65×10-3Pa,这是因为,在≤6.65×10-3Pa的真空环境下也足以考验航天器的性能;另外也是考虑到目前国内热真空设备的性能存在差异,降低真空压力的要求能够让更多的试验单位进行热真空试验;再三,真空度的降低还可以节约整个试验的时间,保护试验资源等。

d)压力误差不同GJB1027-1990与GJB1027A-2005对压力误差的规定的差异主要体现在当施加的压力小于0.133Pa时,即:GJB2027-1990规定,当压力<0.133Pa时,允许误差为±50%;GJB1027A-2005规定,当压力<0.133Pa时,允许误差为±80%。原因同上,考虑到试验设备的要求,许多真空设备的真空检测部件采用电离规或冷规,它们的误差范围是随着真实度的提高而偏离增大的;而当真空压力≤6.65×10-2Pa后,真空微放电现象已经趋于稳定,现在使用的GJB1027A-2005规定的真空压力≤6.65×10-3Pa足够检验产品的性能,所以这时候(<0.133Pa)的误差范围可以增大。

e)温度误差不同GJB1027-1990规定的温度误差是±3℃[3],而GJB1027A-2005则规定允许的温度误差为低温(T+40)℃/高温(T0-4)℃,这与MIL-STD-1540E-2002替换MIL-STD-1540C-1994的目的一样,都是为了避免过试验产生,以保证热真空试验的安全与可靠。GJB1027A-2005与GJB1027-1990相比,在试验时间、循环次数、首循环高(低)温开始试验、试验容差和试验范围等方面都有不小的改变,现在空间试验中,已基本不再使用GJB1027-1990,而是选择GJB1027A-2005,这是产品的生产工艺进步的结果,也是人们对空间试验认识的提高的结果。

2.3QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》

在企标中,QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》对热真空试验的阐述是比较详细的,对试验的实际开展具有较强的指导意义,现在被国内热真空试验单位使用得较多,这里也对其进行简单的介绍。QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》是一部专门关于热真空试验的试验方法,它阐述了热真空试验的目的、试验环境、试验设备、试验程序与方法、试验中断处理和试验记录等内容,指导性与可操作性都较强。例如:在QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》中,关于控温传感器的布置的规定如下所述。1)产品的热交换方式以传导为主时(低温),控温传感器安置在产品的底板上;2)产品的热交换方式以幅射为主时(高温),控温传感器安置在产品外壳的热平衡处[4]。在实际操作时,热真空循环既包括高温循环也包括低温循环,但是,目前许多热真空设备并不具有双控温传感器,在这种情况下,只能折中地布置控温传感器。在热真空试验过程中,高温更要求控温精确,尤其是对于大功率产品而言,因此,从保护产品的目的出发,此时控温传感器应安置在产品外壳的热平衡点上。在有了MIL-STD-1540E-2002与GJB1027A-2005标准后,我们还要使用QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》,这主要是因为前两个标准都只是对空间试验的要求作了定质要求,由于航天产品的功率、频率和噪声等参数要求各不相同,因此,不同的产品的热真空试验的方法或要求也就应该有所区别,而这种区别在MIL-STD-1540E-2002与GJB1027A-2005中并没有得到体现。值得称道的是QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》对热真空试验的目的、环境、设备、试验程序和方法等都进行了量化规定,这对于具体试验的实施有着极大的指导意义。不同的航天产品的工作目的一般都是不同的,因而其功率、频率和噪声等参数也不尽相同。有些航天产品由于其自身的特点,其试验条件要求更高,已超出了现有标准的规定,对这些航天产品进行热真空试验时,可以在原有标准的基础上,在补充协议中加以规定,但原则上不能降低要求。例如:功放产品对温度变化率较为敏感,所以其热真空试验要求其变温速率大于1或1.5,甚至更高;且对工作温度偏差要求较高,要求高温(T+40)℃,低温(T0-4)℃。这时按早期的MIL-STD-1540B-1982与GJB1027-1990或现在的MIL-STD-1540E-2002与GJB1027A-2005进行试验都无法达到检验目的,由此就应该针对产品本身的特点来制定一些补充规定和要求,以保证达到检验目的。有些航天产品根据其自身的特点,其试验条件的要求可以降低,例如:在达到试验目的的前提下,非功率产品在热真空试验中仅要求升降温时变温速率大于0.5,平均变温速率大于或等于1即可。这些可以在其补充规定和要求中加以体现,这也是对试验资源的一种保护。所以,现在热真空试验也不是全部依照MIL-STD-1540E-2002、GJB1027A-2005和QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》等直接去进行试验,试验过程中还根据航天产品自身的特点编制了许多的检验验收技术要求(或协议)与补充协议(或要求),这都是允许的。

3结束语

GJB1027A-2005从2006年颁布至今已有10年时间了,这10年也正是我国航天事业井喷的10年,并且还在持续地发展中。这也反映了GJB1027A-2005的合理性,或是说其较适合指导我国航天产品的热真空试验[2]。QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》(中国航天工业总公司)从起草到现在已有20年的时间,但还在使用,许多监督单位或试验单位在编制新的航天航空标准或试验方法的时候也在借鉴其部分内容,说明了其广泛的适用性。目前的做法是,进行航天环境试验时,其依据标准较多地选择了MIL-STD-1540E-2002与GJB1027A-2005;其试验方法则较多地选择QJ2630.1-1994《卫星组件空间环境试验方法》。这是因为,前面两个标准是已经趋于成熟的标准,适用于我们现在的工艺水平,反映了我们对空间试验的认识程度;后面这个试验方法对于我们进行具体的空间试验有着较高的指导价值。

参考文献:

[1]柯受全.卫星环境工程和模拟试验[M].北京:中国宇航出版社,1993.

[2]中国航天标准化研究所.运载器、上面级和航天器试验要求:GJB1027A-2005[S].北京:国防科委军标出版发行部,2005.

[3]刘中华,李树杰,刘国强.热真空试验设备中的控温方式研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2012,30(4):7-11.

[4]航空航天工业部第五研究院.卫星环境试验要求:GJB1027-1990[S].

[5]中国航天工业公司五院.卫星组件空间环境试验方法热真空试验:QJ2630.1-1994[S].

作者:刘中华 单位:中国电子科技集团公司第十三研究所

电子产品可靠性与环境试验杂志责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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