翟廣泉 楊懿靜 胡學(xué)良 王躍 楊大偉 張凱 安博聰 李靜媛

空間機(jī)械制冷機(jī)環(huán)境與可靠性試驗方法研究

翟廣泉 楊懿靜 胡學(xué)良 王躍 楊大偉 張凱 安博聰 李靜媛

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

從空間機(jī)械制冷機(jī)的失效機(jī)理出發(fā)，在現(xiàn)有環(huán)境與可靠性試驗標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，針對空間制冷機(jī)可靠性要求高、研制周期緊、成本壓力大的特點，對常規(guī)試驗方案進(jìn)行了改進(jìn)與完善，提出了覆蓋制冷機(jī)研制全過程的試驗流程與試驗項目，最后針對改進(jìn)后的試驗方案進(jìn)行了初步的應(yīng)用分析，結(jié)果顯示該試驗方案能有效縮短試驗時間，剔除早期失效，并評估制冷機(jī)的壽命與可靠性。

空間制冷機(jī) 環(huán)境試驗 可靠性試驗 空間紅外相機(jī)

0 引言

空間紅外遙感相機(jī)通常采用制冷型紅外探測器，制冷機(jī)為其提供低溫環(huán)境，制冷性能和可靠性直接關(guān)系到紅外探測器的性能發(fā)揮。目前空間應(yīng)用的機(jī)械制冷機(jī)主要有斯特林制冷機(jī)和脈沖管制冷機(jī)，對壽命和可靠性的要求越來越高，有必要在研制階段開展全面的環(huán)境與可靠性試驗，以摸清產(chǎn)品性能底線和使用邊界，驗證環(huán)境適應(yīng)性，并定量評價壽命與可靠性。國內(nèi)外對制冷機(jī)如何進(jìn)行可靠性試驗，以及如何進(jìn)行加速試驗進(jìn)行了大量研究。美國JPL實驗室通過制冷機(jī)空間運行的可靠數(shù)據(jù)，進(jìn)行性能衰減分析和磨損失效分析，并對工質(zhì)氣體的污染機(jī)理、組分和對制冷性能的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究[1-2]。烏克蘭低溫技術(shù)研究所在制冷機(jī)壽命試驗方面進(jìn)行了深入研究，取得了令人矚目的成就[3]。國內(nèi)張曉明、吳亦農(nóng)等人針對制冷機(jī)工質(zhì)污染機(jī)理，提出了高溫加速的壽命試驗方案，并分別建立了加速因子計算模型[4-7]。

歐美國家針對軍用和航天產(chǎn)品的環(huán)境與可靠性試驗，制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我國也針對航天產(chǎn)品單件小批、可靠性要求高、空間環(huán)境復(fù)雜的特點，制定了《運載器、上面級和航天器試驗要求》[8]，并基于制冷機(jī)試驗方法制定了《斯特林制冷機(jī)通用規(guī)范》[9]和《SFZ5000 型星用斯特林制冷機(jī)詳細(xì)規(guī)范》[10]?，F(xiàn)有的制冷機(jī)試驗規(guī)范在環(huán)境與可靠性試驗驗證方面發(fā)揮了重要作用，但也暴露出諸多不足，例如：篩選試驗不充分，造成制冷機(jī)使用過程中發(fā)生早期失效；缺少零部件和材料級的試驗和面向試驗、分析、改進(jìn)的研制試驗，導(dǎo)致不能在制冷機(jī)研制初期發(fā)覺問題并加以改進(jìn)；缺少加速試驗和壽命評估模型，無法對制冷機(jī)壽命與可靠性進(jìn)行有效評估。

本文從制冷機(jī)的失效機(jī)理出發(fā)，充分借鑒國內(nèi)外產(chǎn)品開發(fā)過程中先進(jìn)的試驗理念和方法，特別是高加速試驗方法在縮短試驗時間、快速迭代開發(fā)新產(chǎn)品方面具有的優(yōu)勢，在現(xiàn)有的試驗規(guī)范的基礎(chǔ)上，引入了高加速壽命試驗和壽命篩選試驗；采用加速壽命試驗和模擬壽命試驗?zāi)Ｐ烷_展整機(jī)可靠性鑒定，并將試驗前移至材料和零件級，建立了面向制冷機(jī)研制全過程的試驗流程和試驗方案，在提升制冷機(jī)性能與可靠性的同時，還能縮短研制時間，降低成本。

1 制冷機(jī)典型失效機(jī)理

制冷機(jī)在研制過程中，要經(jīng)受各種力熱環(huán)境試驗的考核，并要經(jīng)歷運輸、存儲等狀態(tài)；在火箭發(fā)射主動段，需要承受復(fù)雜的振動環(huán)境；在軌長期運行期間，還要經(jīng)受真空、微重力、空間輻射、溫度等環(huán)境因素的影響，以上環(huán)境因素都會影響制冷機(jī)的性能與可靠性。

國內(nèi)外大量的研究和試驗表明[11-14]，制冷機(jī)的失效機(jī)理主要包括工質(zhì)泄漏、機(jī)械磨損、疲勞斷裂、工質(zhì)污染和環(huán)境應(yīng)力損傷等5個方面，其中疲勞斷裂和機(jī)械磨損與運動部件相關(guān)，工質(zhì)污染與材料、內(nèi)部氣體控制相關(guān)，工質(zhì)泄漏與工藝控制、篩選相關(guān)。工質(zhì)泄漏和環(huán)境應(yīng)力損傷等是由于施加力熱等環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致，一般在壽命早期就能暴露，而疲勞斷裂、工質(zhì)污染和機(jī)械磨損是由于長期工作導(dǎo)致的失效，一般在壽命末期暴露。

1）工質(zhì)泄漏。工質(zhì)氣體氦氣具有極強(qiáng)的滲透性，當(dāng)絕緣子、焊縫、密封接口和材料自身的裂紋等引起的泄漏達(dá)到一定水平，將引起制冷機(jī)的性能下降；在環(huán)境應(yīng)力的作用下，蓄冷器根部、焊接部位、連管彎曲等薄弱部位的應(yīng)力超過材料的許用應(yīng)力，也會導(dǎo)致工質(zhì)泄漏。

2）機(jī)械磨損。采用線性電機(jī)、板彈簧支撐、間隙密封的機(jī)械制冷機(jī)，其活塞和氣缸之間接近于非接觸，但是活塞與氣缸之間機(jī)械尺寸偏差、非平衡態(tài)開關(guān)機(jī)、快速啟停、地面重力作用導(dǎo)致活塞偏心、結(jié)構(gòu)熱變形等因素，都會導(dǎo)致活塞和氣缸磨損。一方面，這會產(chǎn)生大量的金屬或非金屬粉末，阻塞和污染回?zé)崞?，增大回?zé)崞鞯淖枇Γ档突責(zé)崞鞯男阅?；另一方面，磨損和劃傷會導(dǎo)致氣缸與活塞之間的間隙增大，使動態(tài)密封效果變差，降低制冷效率。另外，電機(jī)引線發(fā)生磨損，還會引起供電短路或斷路，造成制冷機(jī)無法正常工作。

3）疲勞斷裂。板彈簧和電機(jī)引線是制冷機(jī)內(nèi)易發(fā)生疲勞斷裂的主要元件，如果存在結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和工藝缺陷，在制冷機(jī)運行過程中可能會引起彈簧的斷裂或引線根部折斷。

4）工質(zhì)污染。工質(zhì)污染的來源包括工質(zhì)源氣體中帶有的雜質(zhì)氣體、零件表面清洗不徹底、充氣管路中殘留的雜質(zhì)氣體、材料的放氣和磨損粉塵等。對于前兩種污染可以通過充氣置換、氣體純化、高溫烘烤等手段進(jìn)行處理[12]。而材料（主要是非金屬材料）的放氣會在整個壽命周期對制冷機(jī)造成影響[15]，表現(xiàn)為輸入功率的增加或溫度的上升及波動[16-17]。

5）環(huán)境應(yīng)力損傷。航天器發(fā)射主動段要經(jīng)歷振動沖擊，可能引起制冷機(jī)結(jié)構(gòu)薄弱部位的損傷，造成活塞卡滯、工質(zhì)泄漏等故障，也可能對結(jié)構(gòu)造成潛在的損傷，在軌長期運行過程中逐漸暴露問題。

注：分別表示3種失效率曲線下的早期故障暴露時間；分別表示3種失效率曲線下隨機(jī)故障暴露時間；分別表示3種失效率曲線下隨機(jī)故障的發(fā)生率。

2 制冷機(jī)環(huán)境與可靠性試驗方案分析

2.1 常規(guī)試驗方案

受不同故障模式的影響，制冷機(jī)壽命期內(nèi)一般要經(jīng)歷3個階段[18]：早期失效期、隨機(jī)失效期、耗損失效期，自然情況下其失效率走勢如圖1中曲線A所示?；谠撛韲鴥?nèi)制冷機(jī)研制單位在充分總結(jié)國內(nèi)外制冷機(jī)試驗方法的基礎(chǔ)上，制定了《斯特林制冷機(jī)通用規(guī)范》[9]和《SFZ5000型星用斯特林制冷機(jī)詳細(xì)規(guī)范》[10]，對規(guī)范制冷機(jī)整機(jī)的環(huán)境與可靠性試驗具有重要意義?，F(xiàn)正在實施的制冷機(jī)試驗規(guī)范中規(guī)定的試驗包括環(huán)境應(yīng)力篩選試驗、環(huán)境鑒定試驗和環(huán)境驗收試驗[9-10]，具體試驗流程如2所示。制冷機(jī)進(jìn)行了環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）和環(huán)境試驗（ET）后，能夠在一定程度上剔除早期失效，發(fā)現(xiàn)環(huán)境應(yīng)力適應(yīng)性的不足，使制冷機(jī)的故障暴露時間縮短，失效率下降，失效率走勢如圖1中曲線B所示。

圖2 空間機(jī)械制冷機(jī)常規(guī)環(huán)境與可靠性試驗流程

2.2 改進(jìn)方案

制冷機(jī)研制開發(fā)需要針對失效機(jī)理識別技術(shù)風(fēng)險，制定相應(yīng)的措施，并通過環(huán)境與可靠性試驗對技術(shù)方案進(jìn)行驗證，對壽命與可靠性進(jìn)行評估。根據(jù)2008年以來國內(nèi)50余臺制冷機(jī)的在軌應(yīng)用情況來看，現(xiàn)有制冷機(jī)試驗規(guī)范在環(huán)境與可靠性試驗驗證中雖然發(fā)揮了重要作用，但也暴露出試驗項目不全面、試驗不充分等問題。為更好適應(yīng)當(dāng)前制冷機(jī)的研制與應(yīng)用，降低失效率，對常規(guī)試驗方案進(jìn)行了改進(jìn)，具體方案如下：

1）在方案階段（或工程預(yù)研階段），先開展材料和零部件的可靠性研制增長試驗，包括板彈簧疲勞試驗、密封檢漏試驗、磨損試驗、材料輻照試驗和放氣試驗等，以消除或降低疲勞斷裂和工質(zhì)泄漏和污染的風(fēng)險，獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐產(chǎn)品的可靠性設(shè)計；然后對工程樣機(jī)進(jìn)行力熱環(huán)境篩選試驗，以剔除早期失效，并驗證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

2）在初樣階段，開展整機(jī)高加速壽命試驗（HALT），在短時間內(nèi)暴露設(shè)計和工藝缺陷，通過試驗、分析、改進(jìn)，不斷提升產(chǎn)品的可靠性，消除或降低環(huán)境應(yīng)力損傷、工質(zhì)泄漏的風(fēng)險，確定初樣產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)；然后再進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選（ESS）和壽命篩選試驗（LST），并行開展加速壽命試驗、模擬壽命試驗和環(huán)境鑒定試驗。通過加速壽命試驗和模擬壽命試驗，完成可靠性指標(biāo)的驗證和壽命的評估，通過環(huán)境鑒定試驗驗證產(chǎn)品的設(shè)計方案、工藝方案是否滿足要求，并具有規(guī)定的鑒定余量。

3）在正樣階段，整機(jī)先進(jìn)行環(huán)境驗收試驗，然后進(jìn)行壽命篩選試驗；在完成加速壽命試驗和模擬壽命試驗且指標(biāo)滿足要求后，正樣產(chǎn)品交付用戶。

改進(jìn)后的試驗項目包括研制試驗、鑒定試驗和驗收試驗，其中增加了可靠性研制增長試驗（包括材料和零部件級、整機(jī)級的一系列試驗）、壽命篩選試驗、可靠性鑒定試驗。環(huán)境應(yīng)力篩選試驗和壽命篩選試驗?zāi)苡行П┞对缙谌毕?，再通過設(shè)計改進(jìn)，提升產(chǎn)品的固有可靠性，平均失效前時間（簡寫為MTTF）延長（即圖1中的1C+2C部分），失效率走勢如圖1曲線C所示。

改進(jìn)后試驗流程如圖3所示。按照該流程開展試驗可以用較短的時間和較低的成本最大限度地暴露早期缺陷，提升可靠性，實現(xiàn)失效曲線從B向C的轉(zhuǎn)移。

圖3 改進(jìn)后的空間機(jī)械制冷機(jī)環(huán)境與可靠性試驗流程

2.3 改進(jìn)措施

為了更好的提升制冷機(jī)性能與可靠性，對制冷機(jī)環(huán)境與可靠性試驗常規(guī)方案進(jìn)行完善，主要措施包括如下幾項。

（1）系統(tǒng)規(guī)劃試驗項目

針對疲勞斷裂、工質(zhì)泄漏兩種失效機(jī)理，可以在零件狀態(tài)開展可靠性研制增長試驗，在研制初期實施；通過充分的篩選試驗和環(huán)境試驗，有效降低環(huán)境應(yīng)力造成損傷的風(fēng)險；對于工質(zhì)污染和機(jī)械磨損兩種失效機(jī)理，可在排除其他失效模式的基礎(chǔ)上建立可靠性模型，利用模型開展鑒定試驗。系統(tǒng)規(guī)劃不同研制階段、不同層級、不同類型的試驗，能確保試驗覆蓋所有失效模式，具體試驗項目見表1。

表1 系統(tǒng)規(guī)劃的試驗項目

Tab.1 Failure mechanism and corresponding test items

注：表中“√”表示開展該項試驗，“–”表示不開展該項試驗。

（2）增加整機(jī)級壽命篩選試驗

從國內(nèi)目前在軌運行的50余臺制冷機(jī)的研制與應(yīng)用經(jīng)歷來分析，制冷機(jī)的早期故障均發(fā)生在交付后的1 000 h之內(nèi)，常見問題包括引線磨損、活塞磨損、工質(zhì)泄漏等，表明現(xiàn)有的環(huán)境應(yīng)力篩選條件不足以發(fā)現(xiàn)所有的早期缺陷[9-10]，需要在初樣及正樣階段增加1 000 h的壽命篩選試驗。

（3）增加可靠性研制增長試驗

制冷機(jī)在軌工作中要經(jīng)歷長期空間輻照，其材料（特別是非金屬材料）在經(jīng)歷空間輻照之后，會產(chǎn)生輻射裂解和輻射交聯(lián)，進(jìn)而影響其力學(xué)性能、電性能和其他使用特性，造成制冷性能下降。為提高制冷機(jī)的可靠性，并深入掌握制冷機(jī)的實際工作邊界、薄弱環(huán)節(jié)，需要在方案階段（或工程預(yù)研階段）和初樣階段開展輻照試驗、真空放氣試驗、磨損試驗、檢漏試驗和高加速壽命試驗等一系列的可靠性研制增長試驗。其中在方案階段（或工程預(yù)研階段）開展材料層級的輻照試驗和真空放氣試驗，能篩選出性能優(yōu)異的材料，確保制冷機(jī)長期穩(wěn)定運行；開展零部件層級的磨損試驗、彈簧疲勞試驗和檢漏試驗，能夠檢驗制冷機(jī)的裝配工藝以及密封特性[19]，提升零部件的可靠性，將技術(shù)風(fēng)險控制重心前移，同時降低成本，縮短研制周期。在初樣階段開展整機(jī)級高加速壽命試驗，可以確定產(chǎn)品應(yīng)力極限（工作極限和破壞極限），發(fā)現(xiàn)設(shè)計和工藝薄弱環(huán)節(jié)，不斷改進(jìn)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品的固有可靠性（不是確定可靠性），并使磨損段向右延伸（見圖1曲線C）[18]。

輻照試驗和真空放氣試驗分別按照文獻(xiàn)[20-22]中規(guī)定的方法進(jìn)行，其中真空放氣試驗質(zhì)損（TML）的淘汰線設(shè)定為1%，可凝揮發(fā)物（CVCM）的淘汰線設(shè)定為0.1%[12]。板彈簧疲勞試驗采用專用的試驗裝置的形式進(jìn)行，通過威布爾分析模型計算出制冷機(jī)MTTF來進(jìn)行可靠性評價[23-24]。檢漏試驗在完成壓縮機(jī)、膨脹機(jī)充氣之后進(jìn)行，通過隨機(jī)振動、耐壓試驗等來檢驗制冷機(jī)的密封特性，并根據(jù)漏率預(yù)測制冷機(jī)的泄漏壽命。高加速壽命試驗主要包括隨機(jī)振動試驗和溫度沖擊試驗，試驗采用步進(jìn)應(yīng)力加載的方式進(jìn)行[18]，其中步進(jìn)隨機(jī)振動試驗以驗收級隨機(jī)振動試驗條件（或者參考文獻(xiàn)[9]規(guī)定）為基準(zhǔn)值，按照0.25倍基準(zhǔn)值步進(jìn)遞增進(jìn)行，通過不斷試驗、分析、改進(jìn)的過程，直至能通過2倍基準(zhǔn)值的隨機(jī)振動為止；步進(jìn)溫度沖擊試驗以工作規(guī)范溫度（或者參考文獻(xiàn)[9]規(guī)定）為起始溫度上下限進(jìn)行快速變溫，步進(jìn)溫度為10 ℃，通過試驗、分析、改進(jìn)過程，直至將溫度外擴(kuò)40 ℃能通過試驗為止，并將此溫度定為極限工作溫度[18]。

（4）增加可靠性鑒定試驗，并選取相應(yīng)的評估模型

制冷機(jī)的主要失效機(jī)理如制冷機(jī)污染和部件老化磨損等都與時間有關(guān)，屬于耗損失效模式，所以目前通常用MTTF來描述制冷機(jī)的可靠性[1-2]。對高可靠、長壽命產(chǎn)品，在研制期間通過開展加速壽命試驗和模擬壽命試驗等可靠性鑒定試驗項目，并建立高溫加速模型和壽命預(yù)估模型，來實現(xiàn)對制冷機(jī)預(yù)期壽命與可靠性指標(biāo)的量化評估。

加速壽命試驗方法通常包括溫度循環(huán)、高溫工作、加大活塞行程等[25]。在前期完成了材料、零部件及整機(jī)級可靠性研制增長試驗和壽命篩選試驗后，失效風(fēng)險聚焦在機(jī)械磨損和工質(zhì)污染。為盡快估計制冷機(jī)的可靠性指標(biāo)，可建立以工質(zhì)污染為主的高溫加速模型（見式（1）），選用2～3臺制冷機(jī)進(jìn)行加速試驗，先進(jìn)行阻尼測試[22]，以排除活塞磨損的影響；然后，再進(jìn)行高溫加速試驗[4,6]，試驗溫度可參考前期高加速壽命試驗確定的工作極限溫度，一般不超過70 ℃[7]，目的是不顯著改變活塞和氣缸之間的間隙，以避免引入其他失效模式。通過制冷機(jī)高溫污染試驗（僅考慮工質(zhì)污染的情況），利用式（1）確定出加速因子F[7]，然后根據(jù)威布爾分布模型計算可靠性指標(biāo)。

式中為材料出氣總質(zhì)量特征常數(shù)；1為高溫試驗環(huán)境溫度；2為產(chǎn)品實際工作環(huán)境溫度；Δ0為初始環(huán)境下的出氣量；Δ1和Δ2分別為高溫試驗環(huán)境溫度和實際工作環(huán)境溫度下的出氣量；C為出氣時間；1、2分別為高溫試驗環(huán)境溫度和實際工作環(huán)境溫度下的出氣時間特征常數(shù)。1、2和在整機(jī)在特定溫度下的數(shù)值可以通過試驗進(jìn)行測定[5]。

制冷機(jī)在完成環(huán)境應(yīng)力篩選試驗和壽命篩選試驗后，選取不少于2臺進(jìn)行模擬實際使用狀態(tài)的模擬壽命試驗，試驗的外部環(huán)境（包括力、熱等環(huán)境條件）、工作模式等與在軌產(chǎn)品狀態(tài)一致，試驗過程中記錄環(huán)境溫度、制冷溫度、輸入功率等數(shù)據(jù)，采用壽命預(yù)估模型（為線性退化模型，見式（2））外推得到制冷機(jī)的壽命[24]。

()=+（2）

式中()為制冷機(jī)輸入功率指標(biāo)的閾值；為表征的工作時間即工作壽命；為漂移系數(shù)，反映了參數(shù)退化過程的退化速率；為制冷機(jī)功率初始值（穩(wěn)定值）。

3 應(yīng)用分析

改進(jìn)后的試驗方案應(yīng)用于制冷機(jī)研制過程，對于縮短試驗時間、提前暴露問題，提升可靠性，并有效評價壽命與可靠性發(fā)揮了重要作用。本文針對應(yīng)用效果，主要從以下三方面進(jìn)行分析。

（1）剔除早期失效的成效

模擬制冷機(jī)在軌使用環(huán)境與工況，在地面開展壽命篩選試驗，試驗時間為1 000 h，通過監(jiān)測功率，判斷是否發(fā)生早期失效。對已完成該項試驗的14款產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，有2款產(chǎn)品發(fā)生了早期失效，分別是活塞磨損和引線磨損（見圖4），發(fā)生故障的時間分別是380 h和681 h。剔除這兩款失效產(chǎn)品后，通過壽命篩選試驗的12款產(chǎn)品目前已在軌成功應(yīng)用，未再發(fā)生故障，說明壽命篩選試驗充分剔除了早期失效產(chǎn)品。

圖4 壽命篩選試驗檢測失效實例

（2）提升產(chǎn)品可靠性、縮短研制周期的成效

對制冷機(jī)使用的非金屬材料聚醚醚酮（PEEK），按照改進(jìn)方案中增設(shè)的可靠性研制增長試驗項目以及相關(guān)規(guī)范要求[24]進(jìn)行了輻照試驗，測得質(zhì)損（TML）為0.08%，可凝揮發(fā)物（CVCM）小于0.01%；輻照試驗前后材料性能無變化，滿足在軌8年使用要求。采用耐揮發(fā)性和耐輻照性能優(yōu)異的PEEK材料的制冷機(jī)，在地面測試試驗和在軌應(yīng)用過程中，均未發(fā)生因該材料的選用不當(dāng)引發(fā)的問題。

可靠性研制增長試驗中成效明顯的另一試驗項目為板彈簧疲勞試驗。本文統(tǒng)計了5組（每組20片）在專用工裝上進(jìn)行的板彈簧疲勞試驗測試數(shù)據(jù)，工作頻率為100 Hz，加速系數(shù)為2，試驗進(jìn)行時間為10 000 h，期間未發(fā)生疲勞失效。根據(jù)威布爾模型計算出MTTF為8.08年，滿足在軌工作8年的壽命要求，多子樣的加速試驗比常規(guī)模擬試驗時間縮短了86%。通過在零件階段開展疲勞試驗，提前驗證了板彈簧的設(shè)計和工藝，后續(xù)整機(jī)研制和應(yīng)用過程中未再發(fā)生板彈簧導(dǎo)致的故障。

在制冷機(jī)初樣階段增設(shè)的整機(jī)級高加速壽命試驗，以驗收級隨機(jī)振動試驗條件為基準(zhǔn)值，按照 0.25倍基準(zhǔn)值步進(jìn)遞增進(jìn)行功能性能測試，判斷隨機(jī)振動是否對產(chǎn)品造成損傷。以某次試驗為例，當(dāng)振動試驗量級加大到1.75倍時，發(fā)生蓄冷器根部開裂問題（見圖5（a）)，造成工質(zhì)泄露，在進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)后，繼續(xù)進(jìn)行至2倍量級試驗時，發(fā)生連管工質(zhì)泄露（見圖5（b）)，在對局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后，最終通過了2倍量級的隨機(jī)振動試驗考核。通過施加遠(yuǎn)高于壽命期內(nèi)所經(jīng)歷的環(huán)境應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)并消除了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提升了制冷機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力。

圖5 隨機(jī)振動試驗檢測失效實例

（3）有效評估制冷機(jī)壽命與可靠性的成效

本文通過高溫加速壽命試驗和模擬壽命試驗的具體試驗結(jié)果來說明增設(shè)這兩項可靠性鑒定試驗項目對于評估制冷機(jī)預(yù)期壽命、驗證制冷機(jī)可靠性的成效。

1）高溫加速試驗。該項試驗采用3臺制冷機(jī)進(jìn)行，制冷機(jī)的實際工作溫度為–10 ℃，加速試驗的溫度定在70 ℃，加速因子為6.3。參與試驗的制冷機(jī)分別完成了9 872 h、10 568 h、11 264 h的試驗，試驗期間未發(fā)生失效。根據(jù)威布爾模型計算出MTTF為73 380 h（約8.38年），僅用不到16個月的時間完成了加速壽命試驗，驗證了制冷機(jī)可靠性。

2）模擬壽命試驗。該試驗采用2臺（1#和2#）制冷機(jī)進(jìn)行。在整個壽命周期內(nèi)，保證冷端溫度在62 K以下所需要的輸入功率小于155 W，則可判定制冷機(jī)具有8年工作壽命。1#和2#制冷機(jī)在累積工作時間分為6 955 h和5 803 h（見圖6）時，采用線性模型對壓縮機(jī)功率進(jìn)行外推分析，1#和2#樣機(jī)地面壽命試驗數(shù)據(jù)外推8年壽命末期功率分別為123.7和119.8 W，滿足小于155 W的指標(biāo)要求。

圖6 模擬壽命試驗曲線

4 結(jié)束語

基于目前空間機(jī)械制冷機(jī)研制和應(yīng)用的現(xiàn)狀，在已有的試驗規(guī)范的基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，提出了系統(tǒng)全面的環(huán)境與可靠性試驗解決方案，增加了壽命篩選試驗、可靠性研制增長試驗和可靠性鑒定試驗，貫穿方案階段、初樣階段和正樣階段，并成功應(yīng)用于12個產(chǎn)品。

壽命篩選試驗的實施，有效解決了制冷機(jī)早期失效問題；材料和零件級的輻照、放氣、疲勞等試驗的開展，將研制重心前移，降低了整機(jī)研制的技術(shù)風(fēng)險，高加速壽命試驗方法的運用，能夠快速發(fā)現(xiàn)制冷機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，使迭代開發(fā)的模式得以實現(xiàn)；按照制冷機(jī)壽命與可靠性模型，開展可靠性鑒定試驗，對于客觀評價制冷機(jī)的壽命與可靠性具有重要意義。

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Research of Environment and Reliability Test Methods for the Space Mechanical Cooler

ZHAI Guangquan YANG Yijing HU Xueliang WANG Yue YANG Dawei ZHANG Kai AN Bocong LI Jingyuan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

From failure mechanism of the space mechanical cooler, based on standards of environment and reliability test, in view of characteristics of high reliability, short development cycle and low cost, the conventional test scheme was improved, and the test flow and items in the whole development process were proposed for the space mechanical cooler. Finally, a preliminary application analysis was made using the improved test scheme. The test time was effectively shortened, the early failure was eliminated, and the life and reliability of the refrigerator could be evaluated.

space cooler; environment test; reliability test; space infrared camera

V472.2

A

1009-8518(2023)03-0154-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.016

翟廣泉，男，1978年生，2003年獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)學(xué)士學(xué)位，高級工程師。主要研究方向為航天光學(xué)遙感器設(shè)計和產(chǎn)品保證。E-mail：gqzhai0929@163.com。

2022-11-01

國家自然科學(xué)基金（U22B2078）

翟廣泉, 楊懿靜, 胡學(xué)良, 等. 空間機(jī)械制冷機(jī)環(huán)境與可靠性試驗方法研究[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(3): 154-163.

ZHAI Guangquan, YANG Yijing, HU Xueliang, et al. Research of Environment and Reliability Test Methods for the Space Mechanical Cooler[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 154-163. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）