宇航元器件飛行驗證研究與實踐

黃 威，王 彤，孫 明，史寶軍，鄧 崢

（中國航天宇航元器件工程中心，北京100094）

0 引言

宇航元器件飛行驗證是驗證在空間環(huán)境下元器件適用性和可靠性的有效方法。飛行驗證通過獲取元器件在空間的應(yīng)用與運行數(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證工作[1]，重點是開展元器件關(guān)鍵技術(shù)研究和關(guān)鍵器件的在軌應(yīng)用情況評估。美國國防部2003年頒布的《技術(shù)成熟度評價手冊》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)準備等級以及在真實應(yīng)用系統(tǒng)進行地面條件和空間環(huán)境下的驗證要求。NASA 的技術(shù)開發(fā)與演示研究組對于關(guān)鍵元器件/組件等的新技術(shù)驗證試驗已形成常態(tài)化，例如：“探險者55號”衛(wèi)星開展了MOS工藝器件輻射損傷探測試驗，獲得了器件對空間輻射環(huán)境的敏感性數(shù)據(jù)；SAMPEX 衛(wèi)星、APEX/CRUX 衛(wèi)星對大容量的SRAM、光纖數(shù)據(jù)總線控制器以及MOSFET器件進行了空間試驗與評估。歐洲航天局（ESA）在元器件選用管理文件中明確規(guī)定，對于新型元器件，在宇航應(yīng)用前必須進行評估。ESA 利用PROBA系列衛(wèi)星開展了新型元器件的在軌驗證——PROBA-1衛(wèi)星開展了新型光學器件的驗證，PROBA-2衛(wèi)星開展了商業(yè)等級元器件在軌驗證。

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

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

1 飛行驗證目的與意義

依托元器件國產(chǎn)化重點工程，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、提升國產(chǎn)元器件技術(shù)成熟度和可靠性、促進元器件國產(chǎn)化、降低元器件成本為目標，飛行驗證工作圍繞2個“關(guān)鍵”——關(guān)鍵技術(shù)與關(guān)鍵器件——開展，重點涵蓋以下幾個方面：

1）開展元器件功能和性能耐受空間環(huán)境機理研究，如元器件輻射效應(yīng)機理、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)性驗證等；

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

3）開展商業(yè)級器件在軌測試及使用策略研究；

4）對于新用途、新功能元器件及組件開展演示驗證。

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

2 飛行驗證試驗方案設(shè)計與工作流程

2.1 試驗方案設(shè)計

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

基于飛行驗證的試驗內(nèi)容和工作特點，試驗方案需要：

1）明確驗證目標。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，確定飛行驗證的目標——開展機理研究的需確定研究方向；新研器件需要與應(yīng)用驗證獲取的數(shù)據(jù)對比，明確在軌可靠性試驗項目、驗證使用策略。

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

3）開展飛行試驗詳細設(shè)計，明確器件關(guān)鍵參數(shù)的測試、監(jiān)測方法，對于使用策略驗證需明確激勵的產(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)測試和功能性能驗證的需求，明確在軌飛行驗證平臺的技術(shù)支持需求，包括結(jié)構(gòu)尺寸需求、供電接口需求、測控接口需求、熱控需求和在軌操作需求。

表1 元器件飛行驗證與地面應(yīng)用驗證比較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)合試驗目的選取被試器件，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）實施器件地面應(yīng)用驗證，開展器件功能、性能及壽命測試，獲得器件性能參數(shù)曲線和壽命試驗基礎(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行單粒子輻照試驗，積累單粒子效應(yīng)數(shù)據(jù)；同時確認器件使用的外部支持電路、測試電路，并對器件測試軟件進行驗證。

3）確認在軌試驗方案。根據(jù)試驗目的明確器件試驗前工藝狀態(tài)以及參試器件數(shù)量，制定器件在軌試驗方案——以開展機理研究為目標的試驗，關(guān)注同一應(yīng)力條件下器件的運行或同一器件在不同應(yīng)力條件下的運行參數(shù)獲取，確定應(yīng)用狀態(tài)和檢測方案；驗證關(guān)鍵器件使用可靠性的試驗，器件需要具備鑒定件狀態(tài)，在測試空間環(huán)境下器件運行情況的同時，開展拉偏試驗，對于單粒子敏感器件及部分器件必要時需驗證其在軌使用策略；對于商業(yè)級器件，驗證器件的性能、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、使用場景以及使用取得的效果等。

4）開展在軌試驗裝置研制。根據(jù)試驗需要開展試驗支撐平臺設(shè)計，研制元器件或組件在軌驗證試驗單元。

5）開展元器件在軌試驗，監(jiān)測元器件的在軌運行情況，收集、分析試驗數(shù)據(jù)。例如，對于單粒子敏感器件，試驗數(shù)據(jù)包括單粒子翻轉(zhuǎn)數(shù)量、翻轉(zhuǎn)地址、翻轉(zhuǎn)時刻等。

6）結(jié)合應(yīng)用條件開展試驗數(shù)據(jù)分析，給出器件運行情況評價——國產(chǎn)元器件需明確改進建議，進口器件需明確空間環(huán)境適應(yīng)性建議。

3 飛行驗證實踐

3.1 飛行驗證裝置研制

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

元器件飛行驗證裝置設(shè)計邏輯見圖2。

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

3.2 飛行驗證數(shù)據(jù)分析與利用

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

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

實踐案例：中國航天宇航元器件工程中心利用“實踐”衛(wèi)星開展了15種新型國產(chǎn)元器件、高性能COTS器件的飛行驗證，獲取的元器件在軌試驗數(shù)據(jù)分析表明，測試的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證平臺，為推動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，完善飛行測試與驗證技術(shù)，加強與地面應(yīng)用驗證數(shù)據(jù)的比對分析，必將進一步提高自主研發(fā)的宇航元器件的可靠性。