一种运载火箭地面电子设备贮存期及使用寿命确定方法

A Method for Determining the Storage Period and Service Life of Launch Vehicle Ground Electronic Equipment

摘要: 本文介绍了运载火箭地面电子产品贮存期与使用寿命上暴露出的薄弱环节，分析了美国航天电子设备贮存期及使用寿命的研究现状，并重点介绍了航天电子设备贮存期及使用寿命确定方法，给出了可供参考的在不同使用条件、质量等级、使用频次、复杂程度的产品贮存期与使用寿命估计指标，最后通过长征五号部分重复使用电子产品进行了验证。

Abstract: In this article, weak link of storage life and service life of aerospace products is introduced. The research status of U.S. aerospace electronic equipment storage and service life was analyzed. The method to determine the storage life and ser-vice life of aerospace products is recommended. The estimation indexes of product storage life and service life for different service conditions, quality grade, service frequency, complexity are pre-sented. In the end, the method is verified by part of Long March reuseable electronic equipment.

1. 背景

航天电子设备长期贮存或长期使用后都会损耗产品寿命。以往由于火箭上电子设备“即产即用”的特点，产品贮存及使用寿命管理上的薄弱环节暴露的不明显。近年来，我国运载火箭进入高密度发射阶段，长期使用的地面设备陆续贮存到贮存期或接近贮存期，产品贮存及使用寿命上的薄弱环节被暴露出来，尤其是火箭发射用地面电子设备贮存期及使用寿命确定不合理导致大量设备超期使用，给运载火箭在发射窗口内可靠发射带来了风险，尤其是在海南文昌发射次数增加的情况下，产品贮存于使用寿命问题暴露的更加突出，贮存期与使用寿命确定方法成为领域内重要研究内容。

2. 贮存期及使用寿命确定方法研究现状

2.1. 贮存期及使用寿命的基本概念

航天电子产品贮存期是指产品从正式交付之日起，在规定的包装、维护和贮存条件下，能满足战术技术性能要求的存放期限 [1]，使用寿命是指产品使用到无论从技术上还是经济上考虑都不宣再使用，而必须大修或报废时的寿命单位数。实际上，重复使用电子产品尤其是地面电子设备在其全寿命周期内，贮存与使用这两种情形相互影响相互作用，产品在使用后贮存，贮存后使用，都会损耗产品寿命，因此对产品而言两种约束同时存在。

2.2. 国外贮存期及使用寿命确定方法研究现状

航天电子产品贮存期与使用寿命确定方法往往借鉴武器装备领域的相关经验。早在20世纪50年代，美国科研人员对装备进行贮存性能的研究，以外场贮存方式，通过元器件、零部件等外场贮存试验数据对整机进行贮存期与使用寿命进行评估。20世纪60年代美国在开始组织实施装备贮存可靠性计划(The Storage Reliability of Materiel Program, SRMMP)和贮存可靠性研究计划(The Storage Reliability Research Program, SRRP) [2]。基本思路是收集全美范围内的现场贮存数据并辅以少量的加速试验、特殊测试等，获得大量的元器件、材料产品及部分整机设备贮存可靠性数据，然后由下至上逐级向上评估出分系统直至武器系统的贮存寿命，进而指导武器系统的设计工作。

经过十几年的努力，美国的SRMMP和SRRP取得了很大成功，并形成了贮存可靠性数据库，并明确要求美国军火制造商依据上述数据库中的数据进行后续产品的设计工作。到了20世纪80年代，美国对装备贮存可靠性设计的研究更加深入，建立了预测不工作周期对装备可靠性定量影响的分析方法，并以电子元器件为主给出了一系列元器件、材料的非工作失效率评估模型及大量的相关数据，这些模型可用于评估多种贮存环境下元器件的贮存失效率，为多用途导弹的设计提供依据。20世纪90年代以后，主要根据几十年的贮存设计技术积累进行健康诊断的方法加以解决，必要时通过采用加速贮存试验获得产品的贮存可靠性信息，进而在较短时间内实现产品贮存寿命评估。

俄罗斯、欧盟等均采用加速贮存试验地方法进行贮存期与使用寿命的评估，不过由于技术保密等原因，其技术细节情况披露极少，尚无法参考。

2.3. 国内研究现状

我国自上世纪60年代逐步开展贮存期与使用寿命研究、贮存试验等工作。我国在六十年代对首代航天装备进行过现场贮存试验，积累了一定的实践经验。原航天部从20世纪60年代开始，开展了航天装备“三防”(防老化、防腐蚀、防霉变)等研究，当时的工作重点主要在分析贮存环境对贮存可靠性的影响，进而提高装备的环境适应性。上世纪60年代后期开始相继开展多个型号航天装备的现场贮存试验，积累了一定的经验 [3]。

本世纪，中国运载火箭技术研究院相继开展了某型航天装备贮存延寿工程，通过加速贮存试验与自然贮存试验相结合的方法，其中加速贮存试验按照产品结构的组成形式，采用非金属材料及电子元器件、部组件、整机加速贮存层层递进的方式，通过对各级试验结果的分析、验证和反推，最终预示出产品的贮存期，自然贮存试验依靠贮存试验产品和部队收集自然贮存信息，并利用年度检测、贮存弹到期时的地面试验以及发射训练、飞行试验结果，进行自然贮存与加速贮存对比验证，最终对加速贮存试验的预示结论进行验证，进而指导后续改进型型号产品的研制工作。

总体来讲，国内贮存可靠性方而的研究起步较晚，但随着国家的逐步重视，近几年国内学者在贮存可靠性领域进行了大量研究，前沿的基于性能退化的贮存期分析思想已被国内多个研究机构采用并做了探索工作，该方法无疑正逐步成为高可靠产品可靠性分析的首选方法。通过已有的贮存信息，分析相关影响因素，进而快速估计出产品贮存期与使用寿命，同时在贮存与使用过程中通过详细记录数据，实时监测与健康管理保证产品正常运行 [4]。

3. 贮存期的确定

3.1. 贮存期指标确定的理论方法

研究电子设备故障与时间关系的宏观统计规律主要是研究故障率随时间变化的规律。在一段时间内，具有代表性的是浴盆曲线，如图1所示。

Figure 1. Schematic diagram of a typical bathtub curve

图1. 典型浴盆曲线示意图

理论上，通过不断计算或评估设备的故障率，便可估算设备寿命，但在工程实际中无法得到实测指标和估计指标的情况下，尤其在海南文昌发射场的湿度、温度、盐雾等条件对地面电子设备影响难以估计时，运载火箭地面电子设备贮存期的确定可通过类比分析得出。由于电子产品贮存期影响寿命的因素相似，其理论计算模型具体如下：

$T_{NG}=\frac{T_J{\pi }_{NQ}}{A{\pi }_{NE}{\pi }_{CYC}}$

式中：

$T_{NG}$ ——设备非工作贮存期；

A——复杂度调整系数；

${\pi }_{NE}$ ——环境系数比例；

${\pi }_{CYC}$ ——电源通断循环系数比例；

${\pi }_{NQ}$ ——质量系数比例；

$T_J$ ——贮存期基准值。

3.2. 模型中的参数取值

3.2.1. 环境系数比例

重复使用地面电子设备所处环境直接影响产品贮存期与使用寿命，总的来说环境越好贮存期与使用寿命越长。环境系数比例为该设备所处环境与所选用基准之间的环境系数比值。其中“环境类别”部分参照国内各大运载火箭发射场实际监测环境，“环境系数选取”依据典型环境监测数据后相互比值确定，环境系数比例为该设备与所选用基准之间的通断循环系数比值。运载火箭地面电子设备非工作环境分类、说明及环境系数取值方法见表1。

Table 1. Classification and value method of non-working environment

表1. 非工作环境分类及取值方法

3.2.2. 通–断循环系数

重复使用地面电子设备非工作电源通断循环系数表征产品实际使用的频次。其中“设备通电使用频次”一列参考GJB/Z 108A《电子设备非工作状态可靠性预计手册》中“每千小时使用次数”折合成“每年使用次数”，其中一年按12个月，每个月按720小时计算，具体见表2。

Table 2. On-off cycle coefficient value method

表2. 通–断循环系数取值方法

3.2.3. 复杂度调整系数

重复使用地面电子设备复杂度直接影响产品贮存期与使用寿命，总的来说产品越复杂贮存期与使用寿命越短，其中 $7N_{IC}+1.5N_T+N_D+N_N$ 是本文提供的一个经验判别公式，判别依据具体见表3。

Table 3. Description of complexity

表3. 复杂度相关说明

其中：

$N_{IC}$ ——集成的电路总数量；

$N_T$ ——晶体管数量；

$N_D$ ——二极管数量；

$N_{IC}$ ——无源元器件数量。

3.2.4. 质量系数

元器件质量直接影响其使用寿命，不同质量等级对元器件非工作失效率的影响程度以非工作质量系数 ${\pi }_{NQ}$ 来表示，其取值取决于元器件的质量等级。在元器件的标准中，一般都规定了元器件在制造、检验及筛选过程中的质量控制水准，按此不同控制水准组织生产和管理的产品，具有不同的质量档次。于是，产品标准是划分其质量等级的主要依据，如下表4。

Table 4. Description of quality levels

表4. 质量等级说明

3.2.5. 贮存期基准值

贮存期基准值尽可能选取技术状态、贮存条件、产品质量相似的到寿产品。经调研CZ-2C、CZ-3A、CZ-5、CZ-7型号地面电子设备情况，为尽可能做到基准值的明晰，选取在自然贮存状态下，贮存期普遍达27.5年(含2.5年周转期)、年检测试电源通–断循环间隔大于1000 h产品作为基准。这也与目前重复使用地面电子设备贮存期指标相印证。在缺乏到寿产品信息的情况下，可选取下列基准数据，见表5。

Table 5. Benchmark data sheet

表5. 基准数据表

3.3. 典型产品贮存期指标的确定结论

基于上述分析，给出目前各类地面电子设备贮存期参考指标，如下表6~9。

Table 6. Reference indicators for storage period of ground self-developed equipment (without electricity)

表6. 地面自研设备贮存期参考指标(不通电)

Table 7. The reference index for the storage period of ground electronic equipment (low power-on frequency)

表7. 地面电子设备贮存期参考指标(通电频率低)

Table 8. Reference indicators for storage period of various ground electronic equipment (medium power-on frequency)

表8. 各类地面电子设备贮存期参考指标(通电频率中等)

Table 9. The reference index of the storage period of ground electronic equipment (high power-on frequency)

表9. 地面电子设备贮存期参考指标(通电频率高)

4. 使用寿命的确定

4.1. 使用寿命的理论确定方法

在无法得到实测指标和估计指标的情况下，重复使用地面电子设备的使用寿命可用累积通电时间来表征，其过程可视作产品在工作时由于温度升高造成的寿命损耗，因此可通过温度加速退化寿命模型来近似拟合。本标准推荐选用我院以往加速贮存试验中成熟模型——阿伦尼乌斯模型，具体如下：

$AF=\frac{T_{LJ}}{T_{NG}}=\exp \left(\frac{Ea}{k}\right)\left[\frac{1}{t_{LJ}}-\frac{1}{t_{NG}}\right]$

式中：

$AF$ ：加速因子；

$T_{LJ}$ ：累积通电时间；

$T_{NG}$ ：设备非工作贮存期；

$t_{NG}$ ：贮存温度；

$t_{LJ}$ ：工作温度；

k：波尔兹曼常数 = 8.617 × 10⁻⁵ eV/K；

Ea：损伤机理和材料的激活能。

4.2. 模型中的参数取值

累积通电时间的模型中的参数取值如下

a) 贮存温度

如果有明确贮存温度的，按照已明确的贮存温度取值。没有明确贮存温度的取20摄氏度。

b) 工作温度

如果有明确工作温度的，按照已明确的工作温度取值。没有明确工作温度的取40摄氏度。

c) 激活能

如果有明确激活能的，按照已明确的激活能取值。没有明确激活能的取0.8 J∙mol⁻¹。

4.3. 累计通电时间的参考指标

各类地面电子设备累积通电时间参考指标如下表10。

Table 10. The reference index of cumulative power-on time of ground electronic equipment

表10. 地面电子设备累积通电时间参考指标

5. 理论应用

针对现有地面设备情况，选取长征五号部分地面电子设备产品进行数据对比，结果基本吻合，如表11所示。

Table 11. The actual storage period of a certain type of ground electronic equipment

表11. 某型号地面电子设备实际贮存期

6. 总结

本文介绍了一种运载火箭地面电子设备贮存期与使用寿命确定方法，分析了美国航天电子设备贮存期及使用寿命的研究现状，并重点介绍了重复使用地面电子设备贮存期及使用寿命模型，给出了可供参考的在不同使用条件、质量等级、使用频次、复杂程度的产品贮存期与使用寿命估计指标，最后通过长征五号部分产品进行了验证。