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        航天運載器飛行控制電子產(chǎn)品可靠性與成本分析

        2018-12-26 07:55:42胡海峰宋征宇
        關(guān)鍵詞:失效率元器件器件

        胡海峰,宋征宇

        (1. 北京航天自動控制研究所,北京,100854;2. 中國運載火箭技術(shù)研究院,北京,100076)

        0 引 言

        20世紀(jì)90年代,受制于工業(yè)基礎(chǔ)和技術(shù)水平,中國航天運載器開始研究和應(yīng)用系統(tǒng)級冗余技術(shù),控制系統(tǒng)普遍采用冗余設(shè)計,選用高質(zhì)量等級元器件,開展大量的可靠性試驗,系統(tǒng)可靠性大幅提升[1~4]。進(jìn)入21世紀(jì),中國啟動了新一代運載火箭研制,控制系統(tǒng)繼承上述可靠性研制思路,導(dǎo)致產(chǎn)品成本顯著增加。同時,近年來隨著空間技術(shù)迅猛發(fā)展,航天運輸系統(tǒng)正由“解決如何進(jìn)入空間”轉(zhuǎn)向“解決如何低成本進(jìn)入空間”。低成本面臨諸多挑戰(zhàn),如何確保高可靠性并降低成本,成為提升市場競爭力的重要研究課題。

        本文以新一代運載火箭普遍采用的三模冗余綜合控制器為例,建立可靠性模型,提出元器件分類方法和質(zhì)量等級調(diào)整策略,研究可靠性設(shè)計與成本的關(guān)系模型;以配電器和驅(qū)動器為例,計算分析可靠性驗證與成本的關(guān)系。結(jié)果表明,適當(dāng)降低元器件等級、開展系統(tǒng)級優(yōu)化設(shè)計能夠降低器件成本約 50%;目前選用高質(zhì)量等級器件、采用1臺產(chǎn)品開展可靠性增長的試驗方法導(dǎo)致“過設(shè)計”,可靠性允許的范圍內(nèi)降低元器件質(zhì)量等級、采用多臺產(chǎn)品開展可靠性增長試驗,避免“過設(shè)計”和“過試驗”,能夠顯著降低飛行試驗運營成本,且發(fā)射數(shù)量越大,成本降低越多。

        1 可靠性模型建立

        1.1 可靠性分析模型

        綜合控制器是航天運載器的重要電子設(shè)備,整機采用三模冗余體制,由冗余模塊、光耦自測板、底板、電源測試板等組成,冗余模塊由電源板、CPU板、功率板組成,冗余模塊進(jìn)行三取二表決,圖1為系統(tǒng)可靠性框圖。

        圖1 航天運載器綜合控制器框圖Fig.1 Block Diagram of Integrated Controller for Aerospace Vehicles

        根據(jù)可靠性框圖,建立其可靠性數(shù)學(xué)模型[5~7]。

        串聯(lián)系統(tǒng)的失效率為各器件(部件)失效率之和,計算失效率λj:

        式中 λj為總失效率,10-6/h;λGi為第i種部件(元器件)的通用失效率,10-6/h;πQi為第i種部件(元器件)的通用質(zhì)量系數(shù); Ni為第i種部件(元器件)的數(shù)量;n為所用元器件的種類數(shù)目。

        同理,計算冗余模塊的失效率λ0:

        電子元器件壽命分布取負(fù)指數(shù)分布,在作用期內(nèi)失效率是一個常數(shù),計算可靠度R:

        1.2 增長試驗驗證模型

        按指數(shù)定時截尾方案,計算通電總時間 TP:

        式中 n為參試產(chǎn)品數(shù);RL為可靠性增長目標(biāo)值;γ為置信度; tt0為產(chǎn)品溫度循環(huán)任務(wù)時間。

        計算單個產(chǎn)品試驗循環(huán)數(shù)N:

        式中 TP為通電總時間;T0P為單個溫度循環(huán)中通電工作時間。

        總均方根加速度 Grms>10g,按威布爾分布模型計算隨機振動總時間 TV:

        式中 m為威布爾分布形狀參數(shù)。

        總均方根加速度 Grms>10g,按指數(shù)分布模型計算隨機振動總時間 TV:

        式中 n為參試產(chǎn)品數(shù);f為失效數(shù); χγ2,2f+2為置信度為γ的χ2分布下側(cè)分位點;tv0為產(chǎn)品隨機振動任務(wù)時間。

        2 數(shù)值算例

        2.1 可靠性與成本算例

        新一代運載火箭某綜合控制器飛行時間t=650 s,可靠性指標(biāo)R指標(biāo)=0.999 99,共選用2924只元器件,全部為高質(zhì)量等級,元器件成本高達(dá)約112.1907萬元,為便于開展可靠性與成本分析,將元器件分為3類(見表1),并制定元器件質(zhì)量等級調(diào)整策略(見表2)。

        表1 元器件分類Tab.1 Components Classification

        表2 元器件質(zhì)量等級調(diào)整策略Tab.2 Re-adjusting Policies of Component Quality Grades

        提出4種元器件選用方案:a)全部采用高質(zhì)量等級;b)第1類調(diào)整質(zhì)量等級;c)第1類、第2類調(diào)整質(zhì)量等級;d)3類均調(diào)整質(zhì)量等級。針對該4種方案,分別按照式(6)計算可靠性,并概略統(tǒng)計每種方案的元器件成本(見表3)。

        表3 可靠性與成本計算結(jié)果(R=0.99999)Tab.3 Calculation Results of Reliability and Cost (R=0.99999)

        2.2 增長試驗算例

        按 f=0,γ=0.7,tt0=625 s,m =1.2,v0t=60 s代入式(7)~(10),計算配電器和驅(qū)動器的試驗時間(見表4)。參試設(shè)備數(shù)量n不同時的試驗應(yīng)力時間見表5。

        表4 可靠性增長試驗應(yīng)力時間Tab.4 Stress Time of Reliability Increasing Experiments

        表5 參試設(shè)備數(shù)量n不同時的試驗時間Tab.5 Experiment Time for Different Numbers of Devices

        3 分析與討論

        a)新一代航天運載器綜控器類設(shè)備的3類器件數(shù)量分別為26只、183只和2715只,數(shù)量占比分別為0.89%、6.26%和92.85%,采用高質(zhì)量等級元器件總成本約112.1907萬元,成本占比分別為36.4%、47.4%和16.2%,可靠性為0.999 998 541,第1類和第2類元器件數(shù)量和占比為7.15%,成本占比高達(dá)83.8%,見圖2。由于綜控器采用了三模冗余設(shè)計,當(dāng)適當(dāng)降低元器件質(zhì)量等級時,仍具有不小于0.999 99的高可靠性。根據(jù)計算結(jié)果擬合建立成本與可靠性關(guān)系模型,見圖3。隨著可靠性的提高,成本急劇增加,可靠性越高,提升可靠性的費效比越低,圖3中方案3是關(guān)系模型的拐點,在此之前隨可靠性增加成本增長較緩,之后隨可靠性增加成本上升急劇增大。僅調(diào)整第 1類和第 2類器件質(zhì)量等級,成本可減少 53%以上,但對可靠性影響較小,第3類器件數(shù)量多,對成本影響小,但對可靠性影響較顯著。因此,綜控器類設(shè)備僅調(diào)整第 1類和第2類器件質(zhì)量等級,產(chǎn)品可靠性較高且降成本效果顯著。

        圖2 可靠性與成本計算Fig.2 Calculation Results of Reliability and Cost

        圖3 成本與可靠性關(guān)系模型Fig.3 Relationship Model of Reliability and Cost

        b)高可靠性的配電器和驅(qū)動器類電子產(chǎn)品增長試驗中需施加1656~3404 h電應(yīng)力、191.1~755.2 h振動應(yīng)力,而該類產(chǎn)品的飛行工作時間僅為300~625 s,電應(yīng)力、振動應(yīng)力施加時間分別為飛行工作時間的數(shù)萬和數(shù)千倍(見圖4)。傳統(tǒng)試驗中,采用1臺產(chǎn)品開展可靠性增長試驗,尤其是可靠性指標(biāo)較高時,必然施加遠(yuǎn)超出使用壽命的電應(yīng)力和振動應(yīng)力,為了實現(xiàn)可靠性增長指標(biāo),也必然會采用更高等級的器件、增加更大的設(shè)計裕度,在提升產(chǎn)品可靠性的同時,也導(dǎo)致成本大幅增加。因此配電器和驅(qū)動器類產(chǎn)品,由于可靠性指標(biāo)高,采用1臺產(chǎn)品開展試驗時,為順利完成試驗,該類產(chǎn)品存在“過設(shè)計”和“過試驗”,而避免“過設(shè)計”和“過試驗”是降成本的關(guān)鍵。

        圖4 試驗時間與飛行時間對比(n=1)Fig.4 Time Comparison of Experimentand Flight (n=1)

        c)為進(jìn)一步開展成本分析,建立元器件總成本與增長試驗和飛行試驗的器件成本模型。

        式中 f為原方案元器件成本總量,萬元;g為降成本方案元器件成本總量,萬元;0λ為原方案單臺元器件成本,常值,萬元;n為可靠性增長試驗設(shè)備臺數(shù),臺;m為飛行試驗產(chǎn)品數(shù)量,臺;η為器件質(zhì)量調(diào)整后的成本系數(shù)(小于1)。

        大量采用G和G+元器件的CZ-3A、CZ-2F的同類控制設(shè)備增長試驗的電應(yīng)力時間分別為664 h、664 h,因此選用G和G+元器件、采用相同工藝生產(chǎn)的同類設(shè)備可經(jīng)歷至少664 h的增長試驗,且具有較好的可靠性,根據(jù)表5數(shù)據(jù),可取n=4。根據(jù)降成本方案統(tǒng)計,η∈(0.595,0.605,0.599),取η=0.6。代入式(11)、式(12),可得:

        根據(jù)式(13)~(15),建立成本與飛行試驗產(chǎn)品數(shù)量的關(guān)系模型,見圖 5。在產(chǎn)品飛行試驗數(shù)量較小(m=1,2,3)時,原方案(高質(zhì)量等級)成本較低;隨著飛行試驗數(shù)量增加,降成本(元器件調(diào)整質(zhì)量等級)方案成本優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn),當(dāng)飛行試驗數(shù)量為4時,降成本方案已優(yōu)于原方案;飛行試驗數(shù)量為10時,成本降低為76.4%;飛行試驗數(shù)量為 100時,成本降低為61.8%。因此,可靠性允許的范圍內(nèi)降低元器件質(zhì)量等級、采用多臺產(chǎn)品開展可靠性增長試驗,雖然初始成本有所增加,但降低了飛行試驗運營成本,且發(fā)射數(shù)量越大,成本降低越多。

        圖5 成本與飛行試驗產(chǎn)品數(shù)量的關(guān)系模型Fig.5 Relationship Model of Costand Number of Flight Products

        d)宇航級元器件的價格昂貴、生產(chǎn)周期長、性能落后等固有缺點成為航天運載器降成本、制約技術(shù)發(fā)展的瓶頸,在成本和先進(jìn)性與可靠性同等重要的約束下,工業(yè)級商用器件進(jìn)行針對性的選用、分析、篩選試驗和板卡級考核,能夠既確??煽啃杂执蠓档统杀?。尤其是考慮到飛行任務(wù)時間短、執(zhí)行近地軌道任務(wù)的航天運載器,其元器件的應(yīng)用環(huán)境主要考慮發(fā)射階段顯著的機械沖擊、振動和恒定加速度應(yīng)力,而工業(yè)級商用器件采用塑料封裝,比傳統(tǒng)軍用陶瓷封裝有更好的抗機械振動、沖擊和恒定加速度的特性,而且由于沒有空腔,也不存在可動多余物引起的內(nèi)部短路問題,而該類器件可大幅降低成本。

        e)航天運載器電子產(chǎn)品降成本的同時,也要確??煽浚虼诵柩芯康统杀酒ヅ涞目煽啃栽O(shè)計準(zhǔn)則及試驗體系:

        1)采取整機優(yōu)化設(shè)計,有效估計產(chǎn)品期望壽命,避免“過設(shè)計”;

        2)基于宇航任務(wù)應(yīng)用條件進(jìn)行器件選用適用性分析,結(jié)合任務(wù)剖面實際溫度環(huán)境選擇工業(yè)級商用器件;

        3)研究制定禁限用工藝應(yīng)對措施,如工業(yè)級商用器件經(jīng)常采用的純錫易生錫須導(dǎo)致短路、塑封吸潮引起內(nèi)部腐蝕,可采用重新涂覆、加厚三防漆保護(hù)、電裝前烘焙、干燥貯存等措施;

        4)減少或合并抽樣數(shù)量,優(yōu)化整機篩選量級,研究高效應(yīng)力篩選方法,提高抗環(huán)境能力,結(jié)合單機、單板應(yīng)用條件設(shè)計板級篩選考核試驗;

        5)針對工業(yè)級商用塑封器件選用,增加潮濕敏感性分級測試、加電溫度循環(huán)、板級振動試驗、涂三防漆保護(hù)等考核;

        6)開展整機強化試驗,提高試驗效率,快速激發(fā)缺陷,采取措施提高瓶頸環(huán)節(jié)可靠性;

        7)采用多臺(建議不少于4臺)產(chǎn)品開展增長試驗,避免采用1臺產(chǎn)品開展試驗帶來“過設(shè)計”;

        8)采取定量分析和持續(xù)增長試驗評估相結(jié)合的方法,開展高可靠、小子樣航天運載器電子產(chǎn)品的可靠性定量評估。

        4 結(jié)束語

        高可靠約束下降低航天運載器成本,是商業(yè)航天發(fā)射市場的外在要求,也是航天運載器提升核心競爭力的內(nèi)在需求。而新一代航天運載器飛行控制電子產(chǎn)品,可靠性要求高,全部采用高質(zhì)量等級元器件、開展大量實驗,在確保可靠性的同時,導(dǎo)致成本大幅提升。本文以新一代運載高可靠飛行控制電子設(shè)備為例,從元器件選用、增長試驗的角度對電子產(chǎn)品降成本進(jìn)行了分析,給出了航天運載器電子產(chǎn)品降成本的原則和方法,可以在運載火箭電氣系統(tǒng)研制中推廣應(yīng)用。

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