黃 威，王 彤，孫 明，史寶軍，鄧 崢

（中國(guó)航天宇航元器件工程中心，北京100094）

0 引言

宇航元器件飛行驗(yàn)證是驗(yàn)證在空間環(huán)境下元器件適用性和可靠性的有效方法。飛行驗(yàn)證通過獲取元器件在空間的應(yīng)用與運(yùn)行數(shù)據(jù)，開展環(huán)境適應(yīng)性分析，完善在軌使用策略，提高元器件技術(shù)成熟度和宇航應(yīng)用可靠性。

歐美宇航公司非常重視新型元器件的飛行驗(yàn)證工作[1]，重點(diǎn)是開展元器件關(guān)鍵技術(shù)研究和關(guān)鍵器件的在軌應(yīng)用情況評(píng)估。美國(guó)國(guó)防部2003年頒布的《技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)手冊(cè)》中明確提出了包括新型元器件在內(nèi)的各類元器件的技術(shù)準(zhǔn)備等級(jí)以及在真實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行地面條件和空間環(huán)境下的驗(yàn)證要求。NASA 的技術(shù)開發(fā)與演示研究組對(duì)于關(guān)鍵元器件/組件等的新技術(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)已形成常態(tài)化，例如：“探險(xiǎn)者55號(hào)”衛(wèi)星開展了MOS工藝器件輻射損傷探測(cè)試驗(yàn)，獲得了器件對(duì)空間輻射環(huán)境的敏感性數(shù)據(jù)；SAMPEX 衛(wèi)星、APEX/CRUX 衛(wèi)星對(duì)大容量的SRAM、光纖數(shù)據(jù)總線控制器以及MOSFET器件進(jìn)行了空間試驗(yàn)與評(píng)估。歐洲航天局（ESA）在元器件選用管理文件中明確規(guī)定，對(duì)于新型元器件，在宇航應(yīng)用前必須進(jìn)行評(píng)估。ESA 利用PROBA系列衛(wèi)星開展了新型元器件的在軌驗(yàn)證——PROBA-1衛(wèi)星開展了新型光學(xué)器件的驗(yàn)證，PROBA-2衛(wèi)星開展了商業(yè)等級(jí)元器件在軌驗(yàn)證。

近年來，我國(guó)在開展宇航元器件地面應(yīng)用驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)飛行驗(yàn)證[2]。中國(guó)航天宇航元器件工程中心研制了元器件在軌試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)元器件在軌測(cè)試及試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行探索——利用“實(shí)踐”系列衛(wèi)星開展了大規(guī)模FPGA 抗輻射性能測(cè)試、基于高精度高速的A/D器件微弱電參數(shù)測(cè)試等技術(shù)驗(yàn)證；利用貨運(yùn)飛船開展了DC/DC 轉(zhuǎn)換器、SRAM存儲(chǔ)器等32款元器件的飛行驗(yàn)證，獲取了一些元器件空間環(huán)境運(yùn)行數(shù)據(jù)。但與國(guó)外宇航公司相比，我國(guó)宇航元器件飛行驗(yàn)證工作開展得較晚，還不夠系統(tǒng)，對(duì)于飛行驗(yàn)證方法的研究也不夠深入。

本文結(jié)合元器件飛行驗(yàn)證的工作實(shí)際，明確飛行驗(yàn)證工作重點(diǎn)，梳理飛行驗(yàn)證試驗(yàn)方案要求和典型工作流程，并給出飛行驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析示例。

1 飛行驗(yàn)證目的與意義

依托元器件國(guó)產(chǎn)化重點(diǎn)工程，立足掌握元器件發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)，以完善元器件功能性能設(shè)計(jì)、提升國(guó)產(chǎn)元器件技術(shù)成熟度和可靠性、促進(jìn)元器件國(guó)產(chǎn)化、降低元器件成本為目標(biāo)，飛行驗(yàn)證工作圍繞2個(gè)“關(guān)鍵”——關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵器件——開展，重點(diǎn)涵蓋以下幾個(gè)方面：

1）開展元器件功能和性能耐受空間環(huán)境機(jī)理研究，如元器件輻射效應(yīng)機(jī)理、環(huán)境敏感性與參數(shù)退化特性研究、新工藝器件在軌使用適應(yīng)性驗(yàn)證等；

2）對(duì)新研器件的在軌可靠性試驗(yàn)，主要驗(yàn)證核心、關(guān)鍵器件在空間環(huán)境下的使用可靠性，驗(yàn)證器件在軌使用策略等；

3）開展商業(yè)級(jí)器件在軌測(cè)試及使用策略研究；

4）對(duì)于新用途、新功能元器件及組件開展演示驗(yàn)證。

需要注意的是，飛行驗(yàn)證并不等同于空間鑒定[3-4]——空間鑒定是非常復(fù)雜的工程，包括長(zhǎng)壽命（無法維修）、沖擊/振動(dòng)、輻射、真空和熱特性等多方面驗(yàn)證。NASA 認(rèn)為對(duì)于空間鑒定尚未有明確、量化的概念，飛行驗(yàn)證仍聚焦空間環(huán)境下的元器件可靠性試驗(yàn)。

2 飛行驗(yàn)證試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與工作流程

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

飛行驗(yàn)證與元器件進(jìn)入合格供方名錄前的地面應(yīng)用驗(yàn)證相比，在驗(yàn)證目的、驗(yàn)證對(duì)象和驗(yàn)證環(huán)境等方面體現(xiàn)出一定差異，詳見表1。

基于飛行驗(yàn)證的試驗(yàn)內(nèi)容和工作特點(diǎn)，試驗(yàn)方案需要：

1）明確驗(yàn)證目標(biāo)。在器件功能結(jié)構(gòu)分析、生產(chǎn)制造工藝分析的基礎(chǔ)上，確定飛行驗(yàn)證的目標(biāo)——開展機(jī)理研究的需確定研究方向；新研器件需要與應(yīng)用驗(yàn)證獲取的數(shù)據(jù)對(duì)比，明確在軌可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目、驗(yàn)證使用策略。

2）圍繞確定的試驗(yàn)方向開展飛行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，明確選取試驗(yàn)器件的產(chǎn)品狀態(tài)、子樣數(shù)量、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)評(píng)估方法等。

3）開展飛行試驗(yàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)，明確器件關(guān)鍵參數(shù)的測(cè)試、監(jiān)測(cè)方法，對(duì)于使用策略驗(yàn)證需明確激勵(lì)的產(chǎn)生方法、器件控制策略等。

4）結(jié)合器件在軌狀態(tài)參數(shù)測(cè)試和功能性能驗(yàn)證的需求，明確在軌飛行驗(yàn)證平臺(tái)的技術(shù)支持需求，包括結(jié)構(gòu)尺寸需求、供電接口需求、測(cè)控接口需求、熱控需求和在軌操作需求。

表1 元器件飛行驗(yàn)證與地面應(yīng)用驗(yàn)證比較Table 1 Differences between flight verification and ground application verification for space components

2.2 工作流程

飛行驗(yàn)證工作流程如圖1所示，主要步驟包括：

1）確定被試器件。結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康倪x取被試器件，開展器件結(jié)構(gòu)、功能性能分析，明確影響器件功能、性能的敏感要素。

2）實(shí)施器件地面應(yīng)用驗(yàn)證，開展器件功能、性能及壽命測(cè)試，獲得器件性能參數(shù)曲線和壽命試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，例如，單粒子敏感器件需選取同批次工藝器件進(jìn)行單粒子輻照試驗(yàn)，積累單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)；同時(shí)確認(rèn)器件使用的外部支持電路、測(cè)試電路，并對(duì)器件測(cè)試軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

3）確認(rèn)在軌試驗(yàn)方案。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康拿鞔_器件試驗(yàn)前工藝狀態(tài)以及參試器件數(shù)量，制定器件在軌試驗(yàn)方案——以開展機(jī)理研究為目標(biāo)的試驗(yàn)，關(guān)注同一應(yīng)力條件下器件的運(yùn)行或同一器件在不同應(yīng)力條件下的運(yùn)行參數(shù)獲取，確定應(yīng)用狀態(tài)和檢測(cè)方案；驗(yàn)證關(guān)鍵器件使用可靠性的試驗(yàn)，器件需要具備鑒定件狀態(tài)，在測(cè)試空間環(huán)境下器件運(yùn)行情況的同時(shí)，開展拉偏試驗(yàn)，對(duì)于單粒子敏感器件及部分器件必要時(shí)需驗(yàn)證其在軌使用策略；對(duì)于商業(yè)級(jí)器件，驗(yàn)證器件的性能、功能的穩(wěn)定性，制造工藝的可用性，器件的性能退化情況以及在軌重構(gòu)策略；新研元器件、組件的使用關(guān)注在軌條件、使用場(chǎng)景以及使用取得的效果等。

4）開展在軌試驗(yàn)裝置研制。根據(jù)試驗(yàn)需要開展試驗(yàn)支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)，研制元器件或組件在軌驗(yàn)證試驗(yàn)單元。

5）開展元器件在軌試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)元器件的在軌運(yùn)行情況，收集、分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。例如，對(duì)于單粒子敏感器件，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量、翻轉(zhuǎn)地址、翻轉(zhuǎn)時(shí)刻等。

6）結(jié)合應(yīng)用條件開展試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，給出器件運(yùn)行情況評(píng)價(jià)——國(guó)產(chǎn)元器件需明確改進(jìn)建議，進(jìn)口器件需明確空間環(huán)境適應(yīng)性建議。

3 飛行驗(yàn)證實(shí)踐

3.1 飛行驗(yàn)證裝置研制

飛行驗(yàn)證裝置是實(shí)現(xiàn)元器件在軌試驗(yàn)的基礎(chǔ)。與星船上的其他電子設(shè)備一樣，驗(yàn)證裝置需要適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射、在軌運(yùn)行的工作環(huán)境[5]，同時(shí)其功能、性能須滿足元器件測(cè)試等試驗(yàn)任務(wù)要求。中國(guó)航天宇航元器件工程中心研制的飛行驗(yàn)證裝置由公用平臺(tái)和試驗(yàn)載荷2部分組成，公用平臺(tái)包括結(jié)構(gòu)、熱控、供配電管理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/傳輸?shù)饶K，用于對(duì)系統(tǒng)的電源、控制等功能管理，提供測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和傳輸；試驗(yàn)載荷由各元器件試驗(yàn)單元組成，是元器件測(cè)試的載體。飛行驗(yàn)證裝置需要具備故障診斷、自主隔離與保護(hù)功能，以確保驗(yàn)證裝置的故障不會(huì)影響星船供配電系統(tǒng)安全。

元器件飛行驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)邏輯見圖2。

圖2 元器件飛行驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)邏輯Fig.2 Design logic of the flight verification device

3.2 飛行驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析與利用

飛行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來源包括：地面應(yīng)用驗(yàn)證開展的結(jié)構(gòu)分析、功能性能測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證、耐輻射能力評(píng)估和單板應(yīng)用穩(wěn)定性試驗(yàn)等獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；器件的在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)、空間環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)和在軌使用狀態(tài)等。

飛行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)分析需要關(guān)注地面應(yīng)用驗(yàn)證數(shù)據(jù)與在軌運(yùn)行狀態(tài)的比對(duì)，目的是構(gòu)建元器件關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)在軌使用期間的漂移、退化、劣化規(guī)律的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，找出變化趨勢(shì)、量值、頻度差異，查找器件薄弱環(huán)節(jié)，從而有針對(duì)性地改進(jìn)設(shè)計(jì)以提高產(chǎn)品可靠性。此外，飛行驗(yàn)證也需要關(guān)注器件使用可靠性，對(duì)于試驗(yàn)方案中軟件重構(gòu)、在軌使用策略的運(yùn)行情況應(yīng)該納入在軌應(yīng)用綜合評(píng)價(jià)。

實(shí)踐案例：中國(guó)航天宇航元器件工程中心利用“實(shí)踐”衛(wèi)星開展了15種新型國(guó)產(chǎn)元器件、高性能COTS器件的飛行驗(yàn)證，獲取的元器件在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，測(cè)試的SRAM器件、商用FPGA 在軌發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，結(jié)合元器件工藝與輻射效應(yīng)機(jī)理分析，完善了器件在軌使用策略。

4 展望

建立元器件在軌飛行驗(yàn)證平臺(tái)，為推動(dòng)宇航元器件可靠性提高提供了重要的技術(shù)支撐。隨著宇航元器件技術(shù)規(guī)劃的發(fā)展，完善飛行測(cè)試與驗(yàn)證技術(shù)，加強(qiáng)與地面應(yīng)用驗(yàn)證數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，必將進(jìn)一步提高自主研發(fā)的宇航元器件的可靠性。