地面长期贮存卫星电源单机工作寿命可靠性建模与预计①

2021-02-23姜东升侯学龙胡太彬赵海涛

空间电子技术 2021年5期

姜东升,侯学龙,胡太彬,赵海涛

(1.北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;2.山东航天电子技术研究所,烟台 264003)

0 引言

卫星电源分系统电子设备单机包括:电源控制器(power control unit,PCU)、分流调节器、放电调节器、均衡管理器和配电管理器等电子设备[1],其任务是在光照期,分流和调节太阳电池阵输出功率向整星稳定供电,并对蓄电池组进行充电;在地影期通过调节和控制蓄电池组的能量向整星提供稳定的供电电压。卫星电源电子设备具有设备功率大,发热量高,使用的元器件数量多,功率大于0.1 W 的元器件多,且有长寿命和高可靠要求的特点,其能否可靠地为整星供电,直接决定卫星在轨飞行任务顺利完成和分系统设备能否正常工作[2-3]。

过去卫星地面测试时间很短,在轨工作时间很长,通常不考虑地面贮存对卫星电子设备可靠性的影响,只考虑卫星在轨寿命期间的可靠性。而对于导弹等装备,由于其通常在地面库房贮存很长时间,然后发射工作,其贮存时间远远大于工作时间,其电子设备可靠性通常更关心地面贮存对可靠性的影响。近些年来一些装备型号由于任务特殊性,对卫星提出了在出厂测试完毕后,要在地面贮存一段时间然后择机发射,这就要求同时考虑卫星地面贮存和在轨工作两种状态对卫星电子设备可靠性的综合影响。

传统卫星电子设备地面贮存和在轨工作可靠性数据的获取一般有两种方法:传统的长期贮存试验方法和目前工程常用的加速寿命试验方法。长期贮存试验方法耗时长,对存储环境稳定性的要求比较严格,在贮存期内由于产品性能参数随时间变化很小,再加上测量系统误差,要根据实际长期贮存试验测量数据获得产品性能变化规律,其可实施性的难度很大。加速寿命试验则是在试验条件不改变产品失效机理的前提下[4-5],选用合理的加速因子,加大应力因素(如热应力、机械应力和电应力等),加快产品老化速度,根据加速老化后产品的试验数据推算出产品在正常应力水平下的可靠性指标[6]。该方法试验费用高,受应力因子选取、失效机理研究、加速模型是否准确等因素制约。同时,又由于地面贮存时间和在轨工作时间两种状态相互耦合,需要进行多种工作模式组合,开展大量试验才能获得不同地面贮存时间条件下对应的可靠性试验数据。

卫星研制通常出厂测试完成老炼试验后即转入靶场发射,不需要存储,当前一些装备型号要求卫星在出厂测试完毕后,要在地面贮存一段时间然后择机发射。地面长时间贮存对星上电子设备的可靠性影响不可忽略,当前缺少这方面的研究,需要在卫星设计阶段开展地面贮存对电子设备在轨工作可靠性的影响进行分析,建立电子设备地面存储后的在轨使用可靠性模型。本文提出了一种通过预计卫星电源电子设备地面贮存非工作状态失效率和在轨工作状态失效率,利用文中推导的电源设备地面贮存/在轨工作可靠性模型对卫星电源电子设备可靠性进行评估的方法。

1 地面长期贮存后发射入轨卫星电源电子单机可靠性建模分析

本文提出一种全新的电源设备地面贮存/在轨工作可靠性评估模型,该模型由地面发射前贮存时间为t的贮存期间产品的可靠性函数Rs(t)和贮存t时间后,工作时间为x时产品的可靠度函数Ru(x)组成,通过理论推导获得电源设备地面贮存/在轨工作可靠性预计模型与Rs(t)和Ru(x)的计算关系。由于电源设备属于电子设备,其可靠性服从指数分布,通过利用GJB/299C—2006《电子设备可靠性预计手册》及GJB/Z 108A—2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》利用元器件应力法计算获得电源设备在贮存期间产品的失效率λ1,和发射入轨后工作失效率λ2,即可获得电源设备地面贮存/在轨工作可靠性预计指标。

常见电子设备可靠度定义为:电子设备在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率,它是描述可靠性的定量指标。用数学公式表示为:

其中R(t)表示系统的可靠度函数;P表示概率;T表示系统发生故障前的工作时间,即系统的寿命,它是一个随机变量;t表示系统的规定工作时间。式(1)明确的表述了可靠度的含义,即:系统的寿命大于规定工作时间的概率。

对于一个不可修电子系统来讲,在什么时间发生故障完全是随机的,系统一旦故障,其寿命便会终止,这类电子设备的寿命服从指数分布,其可靠度函数为:

其中:λ为失效率又称故障率,在规定的条件下,产品在某时刻后的单位时间内发生失效的概率。

目前,由于多种原因,很多卫星不是生产出来就直接发射入轨投入使用,而是要在地面贮存一段时间后,经过测试一切正常后再发射入轨工作,因此需要建立卫星电源电子设备地面长期贮存后发射入轨可靠性模型,即卫星电源电子设备地面贮存/在轨工作可靠性模型。

对于星上某一电源产品,地面发射前贮存时间为T1,卫星在轨工作时间为T2时;用Xt表示贮存时间T1后产品的寿命,则其可靠度函数可表示为:

对于星上某一电子设备,假设其贮存阶段产品的寿命分布为指数分布[7];其使用阶段的工作寿命也服从指数分布,假定其贮存失效率为λ1,工作失效率为λ2,则对于某星上电源电子设备在地面贮存时间T1,并发射入轨工作时间T2后产品的可靠度函数为:[8]

其中:Rs(T1)为贮存期间产品的可靠性函数,即贮存可靠度函数;Ru(T2)为贮存T1时间后,工作时间为T2时产品的可靠度函数。对于地面长期存储后发射入轨卫星电源单机可靠性评估,如果获取其贮存失效率λ1和工作失效率λ2即可通过计算获得该设备地面长期存储T1后发射入轨工作时间T2后产品的可靠度指标。

2 某卫星PCU 地面贮存/在轨寿命末期可靠性预计

卫星电源设备一般由电阻、电容、二极管、三极管、集成电路等宇航级电子元器件组成,对于此类元器件国内目前已经积累了大量的试验和统计数据,已有成熟的标准和手册来预计电子设备的失效率λ。卫星电源设备发射入轨工作状态的失效率λ2,对于其中采用的国产电子元器件,其失效率可通过国军标GJB/299C—2006《电子设备可靠性预计手册》[9]预计得到;而对于进口电子元器件的失效率,则可采用美军标MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》[10]预计得到。卫星电源设备地面贮存非工作状态的失效率λ1,可通过国军标GJB/Z 108A—2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》[11]预计获得[12]。

某卫星PCU 是卫星电源系统的核心设备,起着稳定一次母线电压,分流太阳翼多余电流、为蓄电池组充电和为负载提供平稳供电电压和功率的作用。PCU 包含:母线误差放大电路、蓄电池误差放大电路、遥测遥控模块、分流调节模块和放电调节模块。元器件的种类和数量多,有常见电阻、电容及集成电路,也包MOSFET 和快恢复二极管等大功率器件,共300 多种器件,一万多只元器件[13]。元器件的质量等级见表1。根据元器件质量等级可以通过标准GJB/299C—2006 和 GJB/Z 108A—2006 获取元器件的工作质量系数和非工作质量系数。

表1 PCU 使用器件质量等级表Tab.1 Electronic components quality used in PCU

卫星电源电子单机可靠性预计通常采用元器件应力分析法计算失效率,该方法适用于电子设备详细设计阶段,在这个阶段已具备了详细的元器件清单、电应力、环境温度等信息,可以用于快速估算在研设备的可靠性[14]。

1)PCU 地面长期存储失效率模型

PCU 使用各元器件在地面长期贮存失效率λNP计算方法参见GJB/Z 108A—2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》,PCU 所使用元器件地面长期贮存失效率预计模型见式(5)。

式中:λNP——非工作失效率,10-6/h;

λNb——非工作基本失效率,10-6/h;

πNE——非工作环境系数;

πNQ——非工作质量系数;

πCYC——设备电源通断电循环数。

对于PCU 使用各元器件的地面长期贮存失效率,利用地面长期贮存失效率预计模型式(5),从标准 GJB/Z 108A—2006 查阅各元器件的 λNb、πNE、πNQ、πCYC即可通过计算获得。

然后按照元器件计数法,根据下式计算PCU 的设备贮存失效率λ1:

式中:λNPi——为第i种元器件非工作失效率,10-6/h;

Ni——第i种元器件的数量;

n——PCU 中的元器件种类数。

2)PCU 发射入轨后工作失效率模型

PCU 使用各元器件发射入轨后工作失效率λp计算方法[8]参见GJB/299C—2006《电子设备可靠性预计手册》,以二极管为例,其发射入轨后工作失效率预计模型见式(7)。

式中:λp——工作失效率,10-6/h;

λb——工作基本失效率,10-6/h;

πE——工作环境系数;

πQ——工作质量系数;

πr——额定电流系数;

πA——应用系数;

πV——电压应力系数;

πc——结构系数。

对于PCU 使用各元器件的发射入轨后工作失效率,利用发射入轨后工作失效率预计模型式(7),从标准 GJB/299C—2006 查阅各元器件的 λb、πE、πQ、πr、πA、πV、πc即可通过计算获得。

然后按照下式计算PCU 的发射入轨工作设备失效率λ2:

式中:λPi——为第i种元器件发射入轨后工作失效率,10-6/h;

Ni——第i种元器件的数量;

n——PCU 中的元器件种类数。

获取PCU 的地面长期存储失效率λ1和发射入轨后工作失效率λ2即可通过式(4)计算获得该设备地面长期存储t时间,发射入轨使用时间x后产品的可靠度指标。

某卫星PCU 在轨设计寿命为12 年,按照上述方法分别计算其在地面贮存0 年、0.5 年、1 年、1.5年后发射入轨工作12 年寿命末期的可靠度变化趋势,如图1 所示,由图中可靠度曲线可以看出对于地面贮存时间小于0. 5 年的电源设备,地面贮存对PCU 地面贮存/在轨工作可靠性影响很小,可以忽略地面贮存的影响。而对于地面贮存时间大于1 年的电源设备,地面贮存对PCU 地面贮存/在轨工作可靠性影响就不能忽略了,必须在可靠性预计中考虑其影响。