可靠性强化试验技术在航天产品研制中的应用

孙海峰 胡海峰 翟邵蕾 宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京 100854

可靠性强化试验技术在航天产品研制中的应用

孙海峰 胡海峰 翟邵蕾 宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京 100854

随着航天技术的发展，对于装备的可靠性提出了更高的要求。目前航天产品的可靠性试验多为传统方法，对于高可靠长寿命的航天产品，用传统方法来发现潜在缺陷是极其困难的。可靠性强化试验作为一种新型的试验技术，效率高、成本低，可以从根本上提高航天产品固有可靠性，目前已在航天运载火箭领域得到应用。

可靠性强化试验；航天产品研制；应用

随着航天技术的发展，对航天产品的质量与可靠性提出了更高的要求。深空探测航天器的长时间在轨运行，武器装备全天候、多地域化的作战需求，对产品的功能、性能指标要求越来越高。结构的复杂化和集成的高密度化，造成产品的内部环境越来越严酷，因此对航天产品的可靠性、寿命及环境适应性提出了更高的要求，对产品设计和可靠性技术提出了新的挑战。

航天产品具有高可靠长寿命的特点，对于这类产品，采用传统可靠性试验方法发现潜在缺陷极其困难，可靠性强化试验作为一种新型的试验技术，效率高、成本低，可以快速激发产品潜在缺陷，实现航天产品可靠性的有效增长。

1 可靠性强化试验技术概述

可靠性强化试验属于激发试验的范畴，采用应力水平远远超过正常使用环境的激发应力进行试验，快速激发产品潜在缺陷，使其以故障形式表现出来，通过故障原因分析、失效模式分析和改进措施消除缺陷，提高产品可靠性，并大幅提高试验效率，降低成本[1]。

美国G.K.Hobbs， K.A.Gray和L.W.Condra等人是最早从事可靠性强化试验研究的几位专家，他们称这种试验为高加速寿命试验(HALT)和高加速应力筛选(HASS)。HALT用于产品的设计阶段，HALT有2个目的：1)通过HALT快速找出产品设计及制造的缺陷，改善设计，增加产品可靠度并缩短研制周期；2)查找和确定产品承受各种应力的范围和界限。HASS用于产品的生产阶段，目的是快速暴露产品在生产过程中的各种制造缺陷，其关键是利用HALT测得产品极限，找出适当的筛选量级以剔除早期缺陷。HALT是HASS的前提，只有完成了适当的HALT，并且发现的问题都得到解决，确定了各种应力的范围和界限后才可以开展HASS。

波音公司在应用该技术时，提出了可靠性强化试验(Reliability Enhancement Testing，RET)的概念[2]。可靠性强化试验突出了这类试验的特点，可以认为可靠性强化试验包括了HALT和HASS的内容，作为这类试验技术的统称较为合理。

2 强化试验在航天领域应用必要性分析

在航天产品研制初期，其可靠性往往通过试验—分析—改进—再试验的反复过程来提高，直到满足研制目标，在这个过程中，产品的设计和制造工艺不断地暴露出缺陷，经过分析和改进不断地趋于完善，从而使产品的可靠性不断地提高，这种反复的过程称为可靠性增长，可靠性增长是保证产品满足设计可靠性指标的一种有效途径[3]。

传统的可靠性增长试验主要通过环境模拟试验暴露产品的设计和工艺缺陷及薄弱环节，采取纠正措施，提高产品可靠性。对高可靠长寿命航天产品的可靠性增长而言，真实环境模拟实验在短时间内难以激发产品潜在缺陷，因此可靠性增长时间长、费用消耗大。而从航天产品可靠性增长的目的来看，试验目的在于暴露产品薄弱环节，有别于以可靠性量化统计为目的的验证试验，没有必要完全模拟产品服役的典型环境，而应该以提高试验对缺陷的激发效率为目标。

对于可靠性评估而言，高可靠长寿命的航天产品性能退化缓慢，在有限的时间内无法获得足够的退化数据来精确估计其可靠性和寿命，在这种情况下，需要使用更高应力条件下得到的性能退化数据外推至设计或使用应力条件，从而估计得到正常使用条件下产品的可靠性或使用寿命。

因此，需要针对航天产品研究高效的可靠性试验技术，以满足工程实践中对这类高可靠长寿命产品可靠性保障的需要。可靠性强化试验技术为航天产品可靠性的增长和评估提供了一条有效的技术途径。

3 强化试验在航天产品研制中的应用

可靠性强化试验技术在国内航天领域进行了相关理论研究和实际工程应用，新一代中型运载火箭控制系统目前已完成关键产品的可靠性强化试验，通过试验，快速暴露并解决了产品存在的问题，提高了产品可靠性，取得了不错的成果。

本文以新一代中型运载火箭控制系统产品可靠性强化试验为例，对可靠性强化试验在航天产品研制中的应用情况进行描述。

3.1 试验时机

在新一代中型运载火箭控制系统的研制过程中，在型号初样研制阶段开展了可靠性强化试验。控制系统先通过实施可靠性强化试验实现产品固有可靠性的高效增长，再实施模拟正常环境下进行的可靠性增长试验来评估可靠性，并进一步提高产品的固有可靠性。

图1给出可靠性强化试验在新一代中型运载火箭研制中的应用模式。

图1 可靠性强化试验在航天产品研制中的应用模式

3.2 试验剖面

3.2.1 试验项目和试验顺序

在有限的试品数量条件下，按产品损伤由轻到重的原则逐步施加试验应力确定试验剖面。新一代中型运载火箭控制系统产品强化试验项目和试验顺序如下：

1) 降温步进应力试验；

2) 升温步进应力试验；

3) 温度循环步进应力试验；

4) 振动步进应力试验；

5) 温度-振动综合环境应力试验。

3.2.2 试验应力条件设计

新一代中型运载火箭控制系统遵循“尽可能暴露产品缺陷，又不超过产品破坏极限”的原则，结合产品工作的真实环境，适当增加环境应力开展强化试验，试验条件根据产品应力极限进行设计。

产品应力极限的定义见图2，对几种应力极限做了对比[4]：

1)技术规范极限：由产品设计者或制造者规定的应力极限，产品预期在该极限内工作；

2)设计极限：设计这种产品在该极限内工作不会失效。技术规范极限和设计极限之差称为设计余量；

3)工作极限：在定量确定有关应力对可靠性影响的加速试验过程中，施加于产品的工作应力极限；

4)破坏极限：产品能在其范围内工作而不出现不可逆失效的应力极限。破坏极限可以通过可靠性强化试验测定；

5)环境应力筛选(ESS)极限：可通过可靠性强化试验确定，而且通常处于工作极限之内；

6)可靠性强化试验(RET)极限：是完成一个试验进程时最终所达到的应力极限值，该值不会超过产品破坏极限。

图2 产品的各种应力极限定义

新一代中型运载火箭控制系统产品可靠性强化试验项目的应力条件设计如下：

1)降温步进应力试验

起始温度T0≤产品设计极限下限；

低温极限温度TLG≥产品破坏极限下限；

规定降温步进次数=(T0-TLG)/Δt，Δt为降温步长；

2)升温步进应力试验

起始温度T0≥产品设计极限上限；

高温极限温度TLG≤产品破坏极限上限；

规定升温步进次数=(TLG-T0)/Δt，Δt为升温步长；

3)温度循环步进应力试验

温度循环范围(低温TL～高温TH)：TL>TLG，TH

起始温度变化率ΔT0≥产品设计极限上限；

极限温度变化率ΔTG≤试验箱极限能力；

规定温度循环步进次数=(ΔTG-ΔT0)/ΔT，ΔT为温度变化率步长；

4)振动步进应力试验

起始振动量级A0≥设计极限上限；

极限振动量级AG≤破坏极限上限；

规定振动步进次数=(AG-A0)/ΔA，ΔA为振动量级步长；

振动敏感方向：试验后通过FMEA分析获得；

5)温度-振动综合环境应力试验

温度循环范围(低温TL～高温TH)：TL>TLG，TH

温度变化率ΔT<ΔTG；

振动量级A

3.2.3 试验剖面设计

(1)降温步进应力试验

设定试验的起始温度为T0(℃)，温度变化率为ΔT(℃/min)，保温时间以受试产品达到温度稳定所需要的最短时间为准，降温步长为Δt(℃)，阶段温度稳定后维持一定的时间，之后对受试产品执行至少一次的功能和性能测试。如测试结果正常，则将温度再降低Δt(℃)，待温度稳定维持一定的时间，再对受试产品进行功能和性能测试；如不正常，则重复当前温度进行试验。以此类推，直至完成了规定步长的降温试验。降温步进应力试验剖面如图3所示。

图3 降温步进应力试验剖面

(2)升温步进应力试验

设定试验的起始温度为T0(℃)，温度变化率为ΔT(℃)/min，保温时间以受试产品达到温度稳定所需要的最短时间为准，升温步长为Δt(℃)，阶段温度稳定后维持一定的时间，之后对受试产品执行至少一次的功能和性能测试。如测试结果正常，则将温度再升高Δt(℃)，待温度稳定维持一定的时间，再对受试产品进行功能和性能测试；如不正常，则重复当前温度进行试验。以此类推，直至完成了规定步长的升温试验。升温步进应力试验剖面如图4所示。

图4 升温步进应力试验剖面

(3)温度循环步进应力试验

设定温度循环范围为低温TL(℃)～高温TH℃，起始温度变化率为ΔT0(℃)/min，温度变化率步长ΔT(℃)/min。在每个温度循环范围内进行高低温度变化，每个温度变化率进行一定次数的温度循环，在每个循环的最高温度及最低温度对受试产品进行功能和性能测试，如测试结果正常，则将温度变化率再升高ΔT(℃)/min；如不正常，则重复当前温度变化率进行试验。以此类推，最终完成规定步长的温度循环步进应力试验。温度循环步进应力试验剖面如图5所示。

图5 温度循环步进应力试验剖面

(4)振动步进应力试验

起始振动量级A0，振动量级步长为ΔA，每个振动量级停留一定时间，对受试产品执行至少一次的功能和性能测试。如测试结果正常，则将振动量级升高ΔA；如不正常，则重复当前振动量级进行试验。以此类推，最终完成规定步长的振动步进应力试验。

结束试验后，按照FMEA分析结果，分析故障的严酷度类别，在3个正交轴方向极限振动量级相同的情况下，以出现最高严酷度故障的方向为振动敏感方向；在3个方向极限振动量级不同的情况下，以出现极限振动量级最小的方向为振动敏感方向。

振动步进应力试验剖面如图6所示。

图6 振动步进应力试验剖面

(5)温度-振动综合环境应力试验

将快速温变循环试验及振动试验同时进行，验证产品在温度振动复合应力条件下产品的耐受能力。设定温度循环范围为低温TL(℃)～高温TH(℃)，振动量级A，振动方向为振动步进应力试验获得的振动敏感方向，温度变化率为ΔT(℃)/min。在每个温度循环的最高及最低温度各振动一定时间，并对受试产品进行功能和性能测试，以便及时发现由于温变应力和振动应力同时作用于受试产品而出现的故障情况。重复进行试验循环数，直至完成一定数量的温度循环。

温度-振动综合步进应力试验剖面见图7。

图7 温度-振动综合环境应力试验剖面

4 应用效果分析与讨论

4.1 应用效果

为了及早暴露电子产品设计、工艺方面的可靠性薄弱环节，进一步摸清产品对力、热环境条件的设计余量，提高产品强壮性，新一代中型运载火箭控制系统在初样研制阶段对影响安全和飞行成败的箭上电子(含机电)产品实施了可靠性强化试验。

受试产品代表了设计和生产中所使用的制造工艺，是通过了环境应力筛选和验收试验后的验收合格产品，并且已经通过了例行试验的考核。新一代中型运载火箭控制系统参加可靠性强化试验的产品共计29台，期间出现问题16个，问题分类统计如图8所示。

图8 可靠性强化试验问题分类统计

按环境影响因素分析，温度和振动是影响设备可靠性的主要因素，问题分类统计如图9所示。

图9 环境因素问题统计分析

在解决上述问题的过程中，控制系统设备固有可靠性得到了提高，从而保证了首飞过程控制系统零问题。

4.2 分析与讨论

1)通过试验验证，可靠性强化试验能够在较短的时间内，快速激发产品缺陷，实现了航天产品可靠性的有效增长。可靠性强化试验率高、成本低，解决了设计阶段无法模拟真实使用环境条件而带来的试验有效性问题，同时解决了为提高设备可靠性而提高设计裕度带来的成本大幅增加的问题，特别适合具有高可靠、长寿命产品特性的航天领域；

2)通过对试验过程中出现问题的分析，温度和振动是影响航天产品可靠性的主要因素，分别占故障总数的25%和75%，因此，后续应该加强对航天产品HALT试验中的应力研究，如温度、振动、温度振动综合应力以及其他试验应力研究。同时加强加速环境选择和试验剖面确定技术的研究，以便快速发现航天产品在各种应力下的缺陷；

3)虽然受试产品都已经通过了环境应力筛选、验收试验和例行试验的考核，但是经过强化试验，仍暴露出相当数量的缺陷，说明在新工艺、新器件的应用过程中，仍旧存在由于工艺一致性和生产过程无法量化导致的产品缺陷，因此应开展对于航天产品HASS试验的研究，建立科学规范的筛选试验剖面，提高筛选试验的有效性，使产品的早期缺陷都能够得到充分激发，筛选和剔除产品工艺和元件的早期故障。

5 结论

如何实现航天产品可靠性的高效增长是航天领域所面临的重要研究课题。本文通过分析传统试验方法在航天产品可靠性增长及评估方面的不足，提出了可靠性强化试验方法在航天领域应用的必要性，并对试验剖面进行了设计，同时对试验取得的效果进行了分析。

同时也应该注意到，当前可靠性强化试验并没有一个规范化的试验设计方案和实施方法，主要是以激发产品缺陷为目的，没有明确的可靠性增长目标，也没有行之有效的评估方法，无法对整个增长过程进行跟踪和控制，试验时间和强度主要取决于研制部门的态度和决策，具有一定的盲目性。因此，在航天产品研制过程中，应进一步加强可靠性强化试验方法的标准规范、试验评估技术以及相关的试验设备和控制技术的研究，规范可靠性强化试验的设计与实施。

[1] 陈循，陶俊勇，张春华. 可靠性强化试验与加速寿命试验综述[J]. 国防科技大学学报, 2002, 24(4): 29-32. (Chen Xun, Tao Junyong, Zhang Chunhua. Reliability Enhancement Testing and Accelerated Life Testing: An Introductory Review[J]. Journal of National University of Defense Technology， 2002, 24(4): 29-32.)

[2] 姜同敏. 可靠性强化试验[J]. 环境技术, 2000, 26(1):3-6.(Jiang Tongmin. Reliability Enhancement Testing[J]. Environmental Technology, 2000, 1(1): 3-6.)

[3] 邓爱民. 高可靠长寿命产品可靠性技术研究[D].国防科学技术大学研究生院，2006. (Deng Aimin. Research of High-reliability and Long-lifetime Products Reliability[D]. Graduate School of National University of Defense Technology, 2006.)

[4] 姜同敏，金玫．可靠性强化试验技术及在航空工程中的应用[J]．航空工程与维修，2000，16(1)：32-34. (Jiang Tongmin, Jin Mei. Application of Reliability Enhancement Testing in Aviation Engineering[J]. Aviation Maintenance & Engineering, 2000，16(1): 32-34.)

TheApplicationofReliabilityEnhancementTestingTechnologyIntheDevelopmentofAerospaceEquipment

Sun Haifeng， Hu Haifeng， Zhai Shaolei， Song Zhengyu

Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100854, China

Withthedevelopmentofaerospacetechnology,higherreliabilityofequipmentisdemanded.Butnowadays,mostofthereliabilitytestingforthespaceequipmentisstillusingtraditionalmethodswhicharesodifficulttofindpossiblefaultsoftheequipmentregardingitshigherreliabilityandlongerlife.Thereliabilityenhancementtestingisanewtypeofreliabilitytestingmethod,canimprovetheaerospaceequipmentinherentreliabilitywithhigherefficiencyandlowercostsandhasalreadybeenappliedtothenationallaunchvehicle.

Reliabilityenhancementtesting;Developmentofaerospaceequipment;Application

TP202+.1

A

1006-3242(2017)05-0092-06

2015-08-27

孙海峰(1976-)，男，河北人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为航天控制系统综合设计及可靠性工程理论；胡海峰(1978-)，男，河北人，硕士研究生，研究员，主要研究方向为航天控制系统综合设计及航天标准化；翟邵蕾(1982-)，女，河北人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为航天控制系统冗余设计技术；宋征宇(1970-)，男，浙江人，博士生导师，研究员，主要研究方向为飞行器控制、制导与仿真技术。