航天电子设备在冲击环境下的失效问题研究

丁 沛 刘文会 王佳南

(北京强度环境研究所，北京 100076)

0 引言

爆炸分离冲击是由安装在结构上的火工装置动作所导致的装备局部强作用机械瞬态响应。这种响应量级高、频带宽、持续时间短，是航天电子设备所经历的最严酷的力学环境之一，会对航天器上的仪器设备产生不利影响，特别是对电子设备的破坏作用尤为显著。

历史上，人们在经历了众多由爆炸冲击导致的飞行故障后，逐渐意识到爆炸冲击环境的严酷性和严重性，开始重视爆炸冲击环境的相关研究。经过几十年的研究，人们在爆炸冲击环境的产生过程、环境特点、对仪器设备的破坏机理、环境预示及试验条件制定等方面取得了大量成果，并形成了一系列规范，大大降低了爆炸冲击引起的飞行故障率。

国内对爆炸冲击环境的研究开始于20世纪70年代。经过多年研究，对该领域工作的认识逐步提高，相关的管理体系不断完善，在冲击测量、环境评估和试验模拟等方面制定了详细的标准方法和操作规范，有力支撑了爆炸冲击的深入研究和型号产品的研制生产，但在破坏机理、环境预示和试验模拟等方面还有待进一步提高。

1 爆炸分离冲击环境的特点及危害

航天器上大量使用火工装置完成某些特定功能，如连接与释放、切割与破碎等功能。这些火工装置动作时会产生高量级、宽频带、短时间的复杂振荡性爆炸冲击载荷，其频率范围通常在100 Hz～1 000 kHz，持续时间50 μs～20 ms，加速度响应幅值范围可达300g～300 000g。爆炸分离冲击的加速度响应时间历程一般会剧烈振荡，如图1所示，并具有一个接近10 μs的基本上升时间，响应时间历程本质上是随机的，重复性很小。

火工装置动作时，除了火工装置附近有塑性变形外，较大型箭体结构仅仅传递弹性波，而本身不易受爆炸分离冲击的影响(细长结构、轻薄结构和脆性材料结构除外)。但是，爆炸分离冲击可能对所有电子设备产生不利影响。不利影响的程度一般随着爆炸分离冲击的量级和持续时间的增大而增大，并且随着离火工装置的距离增大而减小。当爆炸分离冲击产生的材料应力波波长与装备中微电子器件固有频率的波长一致时，会加剧不利影响。

典型爆炸分离冲击造成的故障包括：

1)细长结构或薄壁结构失稳。2)继电器抖动。3)电位计滑移、阀芯误动作。4)螺栓松动。5)脆性部件(如陶瓷、晶体、环氧树脂材料、玻璃封装材料、焊点、电缆引线头等)的裂纹和断裂。6)密封失效。7)电路板损伤、电路板故障。8)多余物迁移造成短路。9)微电子芯片结构变形。10)运行的电容器、晶振器或混合电路模块在冲击过程中暂时失效。

另外，爆炸分离冲击的加热效应和电离效应引起的故障并不多见，但是，可能在电气系统中产生一个突棘干扰。

2 对爆炸分离冲击环境认识的历史过程

早期，由于设备的冲击试验规范幅值是100g，而振动规范效值为50g(rms)～100g(rms)，所以大家普遍低估冲击环境的严重性。但1960年出现了继电器因爆炸冲击失效进而导致发射任务失败的重大事故，使得人们开始重视爆炸分离冲击环境的严重性，并加强了实际环境测量。在随后的几年中，引入地震研究中使用的冲击响应谱，对爆炸分离冲击环境的描述逐渐从时域转向冲击响应谱。

由于实测的冲击值可高达6 000g～10 000g，这让很多设计者担心电子设备的冲击环境适应性，因此开展了大量降冲击和隔冲击研究。约在1966年，有研究者认为既然爆炸分离冲击是由火工品引起的，那么减少火工品药量就可以降低冲击量级。然而实际并非如此，V型包带爆炸分离冲击主要是应变能引起的，切割索爆炸分离冲击主要是切割一定厚度的金属板引起的，同时，药量减少过多还会影响分离任务的完成。还有人认为通过药量的精准控制，就可实现冲击环境的精准控制，但实测数据显示，药量微小变化下(百分之几)的冲击量级变化也很大(-50%～100%)。约在1964年—1975年，有人研究了部件间界面处加入柔性材料降低爆炸分离冲击传递量级的方法，但由于界面往往需要承载能力和一定的刚度，因此这种隔冲击方法并不实用。

在研究从冲击源和传递路径上降低冲击的同时，人们也加强了试验模拟技术方面的研究。1969年左右，在认识到用跌落冲击脉冲模拟爆炸分离冲击试验后，人们开始采用振动台产生振荡衰减波来进行试验考核。在1979年—1985年，又逐步发展出用机械装置撞击和用火工装置模拟爆炸分离冲击环境的试验方法。这些模拟试验的开展，使得大量产品暴露出了缺陷，也让人们加深了对冲击环境的认识。

3 国外电子设备的冲击失效

美国马歇尔航天中心对1983年—1998年间美国运载火箭的22次事故进行了统计分析，其中有5次为分离系统引起的，爆炸分离冲击环境造成了含有陶瓷材料的仪器、电磁阀、继电器以及电路板发生了故障。

Moening调查了14个飞行项目里共发生的88次故障。经检查组检查，其中有41次故障肯定是由爆炸分离冲击引起的，另外有44起也大概率是由爆炸分离冲击引起的，即共有85次是确定或大概率由爆炸分离冲击环境引起的，如表1所示。

表1 与爆炸分离冲击有关的飞行事故

3.1 继电器抖动

有4起由继电器抖动引起的飞行故障，都造成了灾难性事故。引起故障的冲击响应谱峰值为600g～4 000g，频率在2 000 Hz以上。造成这些事故的原因是由于对冲击环境的预估不足，或没有进行系统级的冲击试验。其中，一个设备只经受了冲击响应谱峰值160g的试验考核，但实际飞行中冲击量级大于2 000g；另一个设备只经受了冲击响应谱峰值60g的试验考核，但实际飞行中冲击量级为1 100g。

3.2 导线破断和玻璃碎裂

由导线破断和玻璃碎裂引起的硬件故障有30起，其中，有17起造成灾难性事故，占该类事故的56.7%，另外13起造成任务降级。造成这类事故的冲击量级都比较高，其冲击响应谱2 000 Hz以上的峰值在3 000g以上。造成故障的原因与冲击速度线有关，即冲击谱量级大于0.8f(f是以Hz为单位的冲击响应谱频率)。

3.3 污染粒子扩散

由集成电路和半导体上的焊料球或污染物迁移从而引起仪器短路的飞行故障有29起，其中24起造成灾难性事故。这类故障在冲击响应谱峰值较高和较低的情况下都会发生，且一般并不与爆炸分离冲击同时发生，而是在爆炸分离冲击发生后的一段时间内(3 s～100 s)。

3.4 微电子芯片结构变形

这种类型的故障比较少，在地面爆炸分离冲击试验中偶尔会出现冲击源附近的支架等屈服或断裂，在表1中没有此类故障。

3.5 故障原因总结

发生这些事故的原因，可以从设计和试验两个方面进行分析。

发生爆炸分离冲击故障设计上的原因：

1)电子系统加电后不允许有中断现象(如继电器)。2)不好的火工装置设计，有时能产生很高的冲击级环境。3)有些敏感设备太接近爆炸分离冲击源了，总体设计上不合理。4)元部件容易受到污染而短路，设计上有缺点，采用钝化措施可大大减少故障率。

发生爆炸分离冲击故障试验上的原因：

1)元部件没有进行充分合格试验。2)没有进行过系统级爆炸分离冲击试验。3)没有足够的元件和部件筛选。

4 国内电子设备的冲击失效

在国内航天发展史上，也曾经出现多次由爆炸分离冲击导致的飞行故障，因此，航空航天业是国内展开冲击环境研究较早的行业之一。北京强度环境研究所承担了大量航天冲击试验课题，通过对2013年—2017年间试验资料的整理，从近3 000项试验中收集了33项产品出现故障的试验，如表2所示。

表2 爆炸分离冲击试验中的产品损坏情况

表2所列的故障产品中，有21项为电子元器件损坏，12项为结构出现裂纹或断裂等破坏。电子元器件损坏的产品中，13项为8 000g量级试验下损坏(占61.9%)，根据拐点和低频量级不同，其试验条件可分为4组，如表3所示。

表3 8 000g量级产品损坏的冲击试验条件统计

图2列出了4种试验条件的冲击响应谱，从图2中可以看出，只有条件4为高频能量高、低频能量较低，因此只容易引起电子元器件故障，而不容易引起结构破坏。条件1～条件3不仅高频能量高，且低频能量也较大，既容易引起电子元器件故障，也容易引起结构破坏。尤其是当拐点频率较低时，为使试验曲线在拐点处进入容差带，往往会使低频、高频范围的曲线贴近上容差，造成冲击环境更为恶劣。近年来，由于国内航天业对冲击环境的日益重视，电子设备设计单位已经积累了大量冲击防护经验，连续性的产品冲击故障已经很少出现，偶尔发生是型号研制中出现新的恶劣冲击条件，或新进入航天领域的配套单位缺乏相关经验而导致的。

5 结语

本文回顾了国内外对爆炸分离冲击环境的认识及其技术发展的历史，人们对爆炸分离冲击环境的认识是在大量的飞行故障基础上逐渐建立和提高的。随着对爆炸冲击环境的产生、特点、危害、防护措施、模拟试验和环境预示等的不断研究，在取得了大量研究成果的同时，还形成了一系列规范，大幅降低了与爆炸分离冲击有关的飞行故障。但在冲击损伤、失效机理等方面的研究上，还有待进一步的努力。