文献《Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments》点评

冯振兴

（北京强度环境研究所，北京100076）

0 前言

星、弹、船上的部件（器件）有效载荷，有不少要通过采购或外购获得。这些对任务完成至关重要的部件或器件，在上天前如何保证万无一失，不能仅靠几个监管人员或一纸合同，而是要靠科学、严密、到位的试验考核。由于缺少严格的试验把关而导致巨大经济损失和国内、国际负面影响，不是没有遇到，而是有前车之鉴。文献[1-2]（下简称“文献”）介绍的是针对外购件的环境试验方法，其中包括材料与结构污染分析，振动、热、辐射等环境试验等，以确保飞行任务的圆满完成，因此对文献进行点评有其重要意义。

1 文献的背景

正如文献作者在其“引言”中所表达的：NASA现在使用的远距离通信设备都是先进的产品，其中绝大部分光学器件是外购件。由于这些产品的供应商以及他们的分部往往变化不定，一旦购买或引进了这些产品，它们的质量标准体系与NASA质量标准或军标体系肯定不会完全一致。怎么办？要改变军标体制谈何容易，产品的质量要求、合格鉴定、风险对策等都必须加以考虑，而时间不等人。所以唯一的方法就是需要制定一套严格的试验规范，在引入这些外购件之前进行充分的、必要的环境试验，包括真空、振动、热循环、辐射等。原作者把该方法称之为“用于太空飞行的外购光学件工艺技术保证法”。下面详细介绍该方法的核心内容。

2 考核外购商用光纤部件的工艺技术保证法

该方法包括4个部分：

1）确定环境试验的总体要求或目标

关于要求或目标，原作者是这样说的：“把部件中的关键或重要元器件的技术性能参数在试验期间以及试验后偏离设计值的偏差检测出来。”很明显，质量控制部门关注的是对设计部门特别重要的这些技术参数在承受设计鉴定环境试验后是否有变化。变化的范围是否超出设计极限值是地面环境试验关注的最终目标。只要设计人员看到环境试验单位发出的这份试验结果报告，就可以判断这个外购件是否可以上天。

2）确定环境试验条件

a.材料污染分析试验条件；

b.器件单元级（box level）随机振动试验条件（部件级加倍）；

c.热环境试验条件（高于最严酷热环境或极限温度10 ℃）；

d.辐射环境条件（取最坏的设计考核条件）。

3）失效模式研究

确定失效模式相对应的技术参数及其环境试验条件。

4）试验方法剪裁

原则是保证按该方法进行空间环境试验时能找准（capturing）尽可能多的失效模式。

5）试验计划

要确定保证飞行任务安全、可靠所必不可少的试验项目以及设定与失效模式相关的监测点。

以上这 5部分内容，文献中有的作了详细介绍，有的并没有详述，比如试验方法剪裁问题。但本“点评”作者认为：人们可以从文章中的3个实例中得到一些启发，并结合我国实际情况,学习进行有针对性的试验剪裁方法。

3 考核外购商用光纤部件的环境试验鉴定计划

这是文献的核心内容之一。原文是这样介绍环境试验鉴定计划的：第一，要明确规定一些重要或关键性技术参数。这些参数必须在试验前后是一致的，或者说是稳定的。如果把性能参数作为试验考核的最终目标，那么这些性能参数的“允差”（在文献中用“可接受变化”来表达）是多少要明确规定，比如传感器的输出波长在执行任务时受到热交变环境后它的漂移量是多少。第二，要确定试验件是零部件级还是系统级的。第三，考虑试验时间、试验设备以及器材等试验相关因素后，确定试验件的抽样件数。除此以外的内容还有：1）结构材料分析；2）振动或冲击试验；3）热交变或热老化试验；4）辐射试验；5）根据特定的飞行任务提出是否要进行附加试验的建议。该文献还简要说明了前4部分的内容，下面一一介绍如下。

3.1 结构材料空间特性分析试验

由于光纤部件本身的特点，这项工作是所有试验工作的重中之重。分析工作是通过地面模拟的空间环境试验，包括真空、热交变或热循环、振动、辐射等试验，以发现诸如组装、封装、胶接等材料和工艺缺陷以及由于工艺缺陷造成气体泄漏这类潜在的污染问题。这项工作与普通的结构或材料的破坏或损伤机理分析不同，有它固有的特殊性，尤其是辐射对光学器件材料的影响最大。在空间发射史上，出现过某个光学器件不能正常工作，造成巨大损失的先例。比如文献中提到的“伽马射线大面积空间一号激光器”（GLAS Laser 1）曾经在太空工作失效过。

3.2 振动或冲击试验

我们非常熟悉振动或冲击环境试验。这篇文献特别指出：振动或冲击环境试验条件必须按照“系统技术条件”中的“部件级”条件制定并要相应指定需要监测的参数。这点非常重要，因为试验结果是否有用，一要保证试验件与振动台连接的边界条件，二要保证试验环境是总体设计部门规定的鉴定试验规范。这些在“系统技术条件”中有明文规定，必须一丝不苟地执行，才能获得有效的试验结果。

3.3 热交变或老化试验

文献是这样指出的：“对一些参数及其有可能会发生的失效模式进行定义，并在试验中始终监测这些参数。”为了确保光学电子器件能在太空中长时间（一般5年以上）可靠工作，需要重点开展地面模拟冷热交变试验，以暴露冷热交变冲击后出现或潜在的故障。发生故障前，哪些技术参数可能会出现异常，在试验前必须做到心中有数。

3.4 辐射试验

文献是这样说的：“在使用辐射数学模型确定损伤加速倍率时，如果试验条件允许，则使用最坏的辐射条件。”由于要通过地面环境模拟试验获得光电子器件在太空工作环境下的各种可靠性设计参数，包括平均无故障工作时间、设计寿命、风险度，必须确定合适的加速因子，否则在地面无法实现几年这样长时间连续工作环境的老化试验。

环境鉴定试验计划制定后，下步工作就是具体设定真空、振动、热与辐射等环境试验参数。由于专业所限，本文只是对热与振动环境试验参数的设定以及试验的细节予以介绍。

4 振动环境参数及其试验细节

哥达德空间飞行中心（GSFC）所采购的商用光电子器件用于短期、低投资工程项目的星上仪表检测设备，可以参照EO-1卫星分系统环境试验标准。该卫星的分系统振动试验量级[2]（见表 1）可以直接用于商用光电子器件的振动环境试验。

表1 商用光电子器件振动环境试验水平*Table 1 Random vibration levels for small parts and components based on GEVS protoflight level

表 1给出的是一个梯形随机振动试验谱。本“点评”作者要推荐这篇文献的原因之一就是这个非常珍贵的试验谱。也就是说，太空探测用的高精尖、需要上天工作数年的光电子产品，可以参照这个随机振动试验谱在地面飞行前进行可靠性、性能合格鉴定试验。此外，该文献提供的试验现场照片也是值得仔细琢磨与推敲的，因为从照片中可以获得非常有价值的信息，比如取自文献[1]的 2个图（图1与图2）。通过这2个图的比较，可发现振动试验人员非常想要获得的信息，包括试验夹具的结构与台面的连接以及试验监测或监控的位置及其固定方法。

图1 不带试验件的，但在试验夹具上安装了监控传感器的现场照片Fig.1 Small components for vibration test based on box level established on EO-1

图2 显示试验件（带绿色电缆的）与试验夹具连接的实际照片Fig.2 AVIMS vibration fixture for ground test of cable assemblies

5 热环境试验参数及其试验细节

文献[1]指出：用于太空长时间工作的光电子器件热环境试验标准现在还没有制定。一般情况下，典型且适中的量级为-25～85 ℃；也可以参照Telcordia公司采用的从-45～80 ℃的量级。如果是“黑箱”试验件的热环境试验，可以按10 ℃的速率递增，直到达至每个试件的极值为止。热循环或热交变的次数由零部件类型确定。比如：零部件准备用于高可靠性组件类型，可以设定60次；属于高风险的类型，设定30次；光电子航空器件，设定100或大于100次；高功率系统比这个次数还要高。

6 实例

文献[1]提供了3个实例：1）航天飞机返回飞行；2）水星激光高度仪；3）地球科学激光高度仪。文献分别通过实例1）的光纤集束（pigtaled）瞄准仪和激光器二极管，实例2）的3个试验件，实例3）的光纤、组装件、二极管3个试验件——总共8个试验件的真空、振动、热、辐射等空间环境鉴定试验，通过实物照片、图表和简单明了的文字、数据，提供给同行们参考使用。鉴于专业所限，下面仅对水星激光高度仪的3个试验件（见图3、图4）的热环境与振动环境的试验参数作一些说明（参见表 2）。至于其他 2个环境，相关专家或试验人员可对照原文推敲。

图3 水星激光高度仪照片[1]Fig.3 Photo of the Mercury Laser Altimeter(MLA)

图4 水星激光高度仪1∶1地面仿真试验件[2]Fig.4 Bottom view of MLA mock-up with actual assemblies

性能要求：所有试验件都要在试验后保证其精度＜0.4 dB，850 nm。

振动：3个方向，每个方向试验 3 min。表 2是它的试验规范。

表2 水星激光高度仪随机振动试验规范Table 2 Test outline of random vibration test of MLA

热环境：-30～50 ℃，90次循环，至少设置42个监测点，25 min均热处理（soak），2 ℃/min的温升速率。

7 文献结论中的亮点

本“点评”作者看到文献结论中有一个亮点值得引起注意，即通过材料、结构的失效机理的研究与分析，可以节约数千美元并推荐使用 Telcordia公司的产品。在市场经济环境以及政府采购工作公开招标的背景下，试验部门不偏不倚地提出这样的结论，无疑对发展我国航天事业有利。但是，这四位数美元的节省，在该文献作者作为特邀论文在2005年3月国际光学工程学会“智能结构与材料，智能传感器工艺技术与测量系统”年会上发表的文章[2]中，只有“成本的减少”，而没有具体数据。可见，文献[1]（幻灯片讲稿）较文献[2]（论文全文）可能含有更多技术信息。

在 http：//misspiggy.gsfc.nasa.gov/photonics 网站，列有几十篇由文献作者M.N.Ott撰写的科技报告，内容十分丰富，有助于对光学电子器件工程可靠性设计、鉴定、评估等方面的深入了解。

8 结束语

俗话说：隔行如隔山。受专业知识所限制，本“点评”肯定有若干不到位的地方。希望读者特别是有关光学电子器件方面的专家、技术人员补充。欢迎通过邮箱fengzx2002@sina.com 与笔者讨论，批评指正。谢谢！

（References）

[1]Ott M N.Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments (Conference Presentation Slides)[EB/OL].(2005-03-09)[2007-09-27].http：//misspiggy.gsfc.nasa.gov/photonics

[2]Ott M N.Validation of commercial fiber optic components for aerospace environments[C]//SPIE Conference on Smart Structures and Materials： Smart Sensor Technology and Measurement Systems.SPIE 5758, 2005-03