探讨航天产品综合环境应力试验

方焕辉，刘国红，朱友忠北京航天自动控制研究所

探讨航天产品综合环境应力试验

方焕辉，刘国红，朱友忠
北京航天自动控制研究所

航天产品在实际使用过程中，由于所处外部环境的复杂性和特殊性，在多种因素的共同作用下，产品的薄弱环节很容易发生故障。综合环境应力试验能够很好的解决这一问题，真是地反映航天产品实际使用环境，从而了解产品各个方面的可靠性，这也是当前航天设备主要采用的试验方式。本文通过详细阐述航天器电子产品综合环境应力试验方案以及试验程序，得出综合环境应力试验对于查找航天器电子产品缺陷和弊端拥有极强的有效性。

航天器；电子产品；综合环境应力试验

引言

综合环境应力试验是随着科学技术的不断进步，在最近十几年的时间里逐步发展并得以广泛应用的一种新型试验技术，其主要试验方法是模拟航天产品经历的实际环境，同时给电子产品施加包括温湿度、振动在内的综合环境应力以及电应力，使航天产品在这种真实的外力作用下，激发出在设计和制造中存在的缺陷，并使得这种缺陷显现为故障，再对故障进行科学地分析研究，并予以纠正，以达到提高航天产品可靠性的目的。

航天器电子产品不同于其他电子产品，它要承受来自复杂环境的多种应力作用，这一特殊性决定了其必须具有极强的可靠性。综合环境应力试验通过模拟其经历的实际环境，可以有效的暴露产品的缺陷和薄弱环节，具有极强的现实意义。

一、综合环境应力试验方案解析

1、综合环境的确定

航天器电子产品的整个使用周期要经历多种不同的复杂环境，包括在地面环境下进行的运输、存储、总装，以及在空中环境下的发射入轨、在轨飞行等等，在这一系列的环节中，电子成品要承受温度、振动、噪声、沙尘、霉菌等多种环境应力的共同作用[1]，而包括振动、冲击在内的动力学环境也会在整个过程中呈现不同的状态。因此，航天电子产品在使用过程中的各个阶段，要承受来自多种环境应力的共同作用，其发生的故障也多是这些环境应力共同作用的结果。

尽管综合环境应力试验可以有效地暴露电子产品在多种环境因素共同作用下发生的故障，但在实际试验进行中，并不能将电子产品要经受的所有环境应力都统一施加在一个试验装置中，这样不但难以控制，还会增加成本、影响进度。因此，在进行综合环境应力试验时，应综合考核电子产品最为敏感的应力环境。

航天器电子产品经受的环境因素十分复杂，但温湿度和振动是电子产品最为敏感的应力环境。据国内某基地对于航天器电子产品失效原因统计：温度占43.3%，振动占28.7%，湿度占16%[2]，这三种应力是导致电子产品失效的最大也是最核心因素。鉴于对电子产品环境应力敏感性和试验可操作性的综合考虑，航天器选择将温度、湿度、振动和电应力同时作用于电子产品，进行综合考核。

2、试验对象

航天器配套电子产品数量众多，多达数百台，如若全部进行综合环境应力试验，不但成本巨大，进度也十分缓慢。因此在选择电子产品进行综合环境应力试验时，应遵循以下三点原则：

（1）起到重要作用的控制类产品；

（2）最新研发出来的电子产品，以及旧有电子产品但进行了较大更改的；

（3）肩负着关键飞行任务的电子产品。

基于对以上三点原则的综合考量，试验从每发航天器选择大约15台发挥着重要作用的电子产品进行综合考核。在进行综合环境应力试验前，每一台参与试验的电子产品都应先进行单项环境应力试验。

3、试验装置要求

综合环境应力试验对于试验装置的要求极高，必须配置自动控制系统，且具备报警功能和保护功能，试验程序要进行数字化编制，设置好温湿度等参数，做好试验数据的记录，试验过程中注意观察试验状态，对于暴露出来的故障进行科学诊断。

二、综合环境应力试验程序

1、试验中的温度应力设计

参照Q/W1223《航天器组建热试验技术要求》，将温度应力的上下限值分别设定为70摄氏度和零下35摄氏度。由于温度变化的速率是影响试验故障筛选的重要因素，为确保试验效果，应在可行范围内，尽量加大温度变化速率。理论上来讲，电子产品故障筛选的温度变化速率应大于等于5℃/min，但受热惯性影响，产品本身的实际温度变化速率很难超过5℃/min，再加上绝大部分电子产品具有较高的热耗，更加大了温度变化速率的难度。因此，在进行综合环境应力的温度应力设计时，将电子产品本身的变温率设定为3-5℃/min。

2、试验中的湿度应力设计

综合环境应力试验中的湿度应力设计，一般设定为95%上限，以便充分考核产品在高湿和高温环境下的承受能力。同时，在进行试验时，当电子产品由高温环境转入低温环境后，若产品存在密封不严的缺陷，产品内部可能会出现受潮的问题，导致异常发生；而产品外部插件也可能由于温度的变化出现结露的状况，产品的设计和制造存在薄弱环节，有可能导致短路等故障发生。

3、试验中的振动应力设计

振动分为正弦振动和随机振动，而电子产品对随机振动环境更加敏感。由于电子产品所分布的舱段不同，上升时所承受的随机振动力度和环境也不相同。为加强考核力度，使试验效果达到最佳，试验时将振动应力设定为最大值，并且为电子产品施加振动应力时，施力方向应与火箭发射方向保持一致，总量级加速度均方根植要求达到4.55g，功率谱密度要求如下图[3]。

4、试验中的电应力设计

航天器为电子产品提供的电压为27V，在进行综合环境应力试验时，对于每个循环的上限电压30V和下限电压24V，均要求工作时间不能少于30分钟，以便更准确的考核电子产品在电压上限和电压下限不同的条件下能否正常工作。在加电过程中，需时刻检测电子产品的性能。

航天器处于不同飞行阶段时，电子产品会更改开关机状态，以满足任务要求。因此，试验中，应为每个循环的高低温阶段设计3次关机、启动，以便检测电子产品是否具有较强的断电后重新启动的能力。

三、综合环境应力试验效果分析

经过以上科学严谨的综合环境试验方案和试验程序设计，可以准确的考核出航天器电子产品是否具有较强的可靠性。普遍来讲，经过综合环境应力试验，电子产品最常暴露出的典型故障主要分为三种：（1）印制电路板存在虚焊、虚接或焊接位置偏差、焊接力度不够等问题，这种缺陷一般会在温度和随机振动应力作用下暴露出来。（2）一些电子产品的材料选用不合适，比如一些电子产品采用硅胶橡胶一类的材料，这类材料在温度变化过程中会产生热胀冷缩，也容易在外部环境因素作用下发生变形，从而引发故障发生。（3）一些电子产品表面涂层耐受力不足，在面对温度、湿度的频繁剧烈变动时，容易发生涂层脱落。还有一些产品接插件设计不合理，在高湿环境下容易受潮，低温环境下容易结露，如此便会发生短路故障。

结语

综合环境应力试验，为我国航天器电子产品可靠性的考核提供了必要手段。分析后可知它具有以下几点优势：首先，它可以更真实地模拟电子产品的实际使用环境；其次，综合环境应力试验可以更真实地反映电子产品在实际使用环境下可能出现的故障模式；再次，综合环境应力试验能够更直观、更充分的将电子产品暴露出的缺陷转换为故障，更方便对发现的缺陷进行改进，提高产品可靠性。做好综合环境应力试验，避免电子产品在实际使用过程中发生故障或失效，可以夯实航天器成功发射基础，加快推进航天强国建设，不断谱写航天事业发展新篇章。

[1]林震,沈朝晖.浅谈综合环境应力试验[C].电子产品可靠性与环境试验技术经验交流会，2001∶50-53.

[2]张伟.温、湿振三综合环境试验技术的应用[J].电子产品可靠性与环境试验，2004（6）：38-41

[3]雷剑宇，霍佳婧，楚丽妍.装备环境工程[J].航天器关键电子产品综合环境应力试验，2012（10）：6-9