航天运载器飞行控制电子产品可靠性与成本分析

胡海峰，宋征宇

（1. 北京航天自动控制研究所，北京，100854；2. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

0 引 言

20世纪90年代，受制于工业基础和技术水平，中国航天运载器开始研究和应用系统级冗余技术，控制系统普遍采用冗余设计，选用高质量等级元器件，开展大量的可靠性试验，系统可靠性大幅提升[1～4]。进入21世纪，中国启动了新一代运载火箭研制，控制系统继承上述可靠性研制思路，导致产品成本显著增加。同时，近年来随着空间技术迅猛发展，航天运输系统正由“解决如何进入空间”转向“解决如何低成本进入空间”。低成本面临诸多挑战，如何确保高可靠性并降低成本，成为提升市场竞争力的重要研究课题。

本文以新一代运载火箭普遍采用的三模冗余综合控制器为例，建立可靠性模型，提出元器件分类方法和质量等级调整策略，研究可靠性设计与成本的关系模型；以配电器和驱动器为例，计算分析可靠性验证与成本的关系。结果表明，适当降低元器件等级、开展系统级优化设计能够降低器件成本约 50%；目前选用高质量等级器件、采用1台产品开展可靠性增长的试验方法导致“过设计”，可靠性允许的范围内降低元器件质量等级、采用多台产品开展可靠性增长试验，避免“过设计”和“过试验”，能够显著降低飞行试验运营成本，且发射数量越大，成本降低越多。

1 可靠性模型建立

1.1 可靠性分析模型

综合控制器是航天运载器的重要电子设备，整机采用三模冗余体制，由冗余模块、光耦自测板、底板、电源测试板等组成，冗余模块由电源板、CPU板、功率板组成，冗余模块进行三取二表决，图1为系统可靠性框图。

图1 航天运载器综合控制器框图Fig.1 Block Diagram of Integrated Controller for Aerospace Vehicles

根据可靠性框图，建立其可靠性数学模型[5～7]。

串联系统的失效率为各器件（部件）失效率之和，计算失效率λj：

式中 λj为总失效率，10-6/h；λGi为第i种部件（元器件）的通用失效率，10-6/h；πQi为第i种部件（元器件）的通用质量系数； Ni为第i种部件（元器件）的数量；n为所用元器件的种类数目。

同理，计算冗余模块的失效率λ0：

电子元器件寿命分布取负指数分布，在作用期内失效率是一个常数，计算可靠度R：

1.2 增长试验验证模型

按指数定时截尾方案，计算通电总时间 TP：

式中 n为参试产品数；RL为可靠性增长目标值；γ为置信度； tt0为产品温度循环任务时间。

计算单个产品试验循环数N：

式中 TP为通电总时间；T0P为单个温度循环中通电工作时间。

总均方根加速度 Grms＞10g，按威布尔分布模型计算随机振动总时间 TV：

式中 m为威布尔分布形状参数。

总均方根加速度 Grms＞10g，按指数分布模型计算随机振动总时间 TV：

式中 n为参试产品数；f为失效数； χγ2,2f+2为置信度为γ的χ2分布下侧分位点；tv0为产品随机振动任务时间。

2 数值算例

2.1 可靠性与成本算例

新一代运载火箭某综合控制器飞行时间t=650 s，可靠性指标R指标=0.999 99，共选用2924只元器件，全部为高质量等级，元器件成本高达约112.1907万元，为便于开展可靠性与成本分析，将元器件分为3类（见表1），并制定元器件质量等级调整策略（见表2）。

表1 元器件分类Tab.1 Components Classification

表2 元器件质量等级调整策略Tab.2 Re-adjusting Policies of Component Quality Grades

提出4种元器件选用方案：a）全部采用高质量等级；b）第1类调整质量等级；c）第1类、第2类调整质量等级；d）3类均调整质量等级。针对该4种方案，分别按照式（6）计算可靠性，并概略统计每种方案的元器件成本（见表3）。

表3 可靠性与成本计算结果（R=0.99999）Tab.3 Calculation Results of Reliability and Cost (R=0.99999)

2.2 增长试验算例

按 f=0，γ=0.7，tt0=625 s，m =1.2，v0t=60 s代入式（7）～（10），计算配电器和驱动器的试验时间（见表4）。参试设备数量n不同时的试验应力时间见表5。

表4 可靠性增长试验应力时间Tab.4 Stress Time of Reliability Increasing Experiments

表5 参试设备数量n不同时的试验时间Tab.5 Experiment Time for Different Numbers of Devices

3 分析与讨论

a）新一代航天运载器综控器类设备的3类器件数量分别为26只、183只和2715只，数量占比分别为0.89%、6.26%和92.85%，采用高质量等级元器件总成本约112.1907万元，成本占比分别为36.4%、47.4%和16.2%，可靠性为0.999 998 541，第1类和第2类元器件数量和占比为7.15%，成本占比高达83.8%，见图2。由于综控器采用了三模冗余设计，当适当降低元器件质量等级时，仍具有不小于0.999 99的高可靠性。根据计算结果拟合建立成本与可靠性关系模型，见图3。随着可靠性的提高，成本急剧增加，可靠性越高，提升可靠性的费效比越低，图3中方案3是关系模型的拐点，在此之前随可靠性增加成本增长较缓，之后随可靠性增加成本上升急剧增大。仅调整第 1类和第 2类器件质量等级，成本可减少 53%以上，但对可靠性影响较小，第3类器件数量多，对成本影响小，但对可靠性影响较显著。因此，综控器类设备仅调整第 1类和第2类器件质量等级，产品可靠性较高且降成本效果显著。

图2 可靠性与成本计算Fig.2 Calculation Results of Reliability and Cost

图3 成本与可靠性关系模型Fig.3 Relationship Model of Reliability and Cost

b）高可靠性的配电器和驱动器类电子产品增长试验中需施加1656～3404 h电应力、191.1～755.2 h振动应力，而该类产品的飞行工作时间仅为300～625 s，电应力、振动应力施加时间分别为飞行工作时间的数万和数千倍（见图4）。传统试验中，采用1台产品开展可靠性增长试验，尤其是可靠性指标较高时，必然施加远超出使用寿命的电应力和振动应力，为了实现可靠性增长指标，也必然会采用更高等级的器件、增加更大的设计裕度，在提升产品可靠性的同时，也导致成本大幅增加。因此配电器和驱动器类产品，由于可靠性指标高，采用1台产品开展试验时，为顺利完成试验，该类产品存在“过设计”和“过试验”，而避免“过设计”和“过试验”是降成本的关键。

图4 试验时间与飞行时间对比(n=1)Fig.4 Time Comparison of Experimentand Flight (n=1)

c）为进一步开展成本分析，建立元器件总成本与增长试验和飞行试验的器件成本模型。

式中 f为原方案元器件成本总量，万元；g为降成本方案元器件成本总量，万元；0λ为原方案单台元器件成本，常值，万元；n为可靠性增长试验设备台数，台；m为飞行试验产品数量，台；η为器件质量调整后的成本系数（小于1）。

大量采用G和G+元器件的CZ-3A、CZ-2F的同类控制设备增长试验的电应力时间分别为664 h、664 h，因此选用G和G+元器件、采用相同工艺生产的同类设备可经历至少664 h的增长试验，且具有较好的可靠性，根据表5数据，可取n=4。根据降成本方案统计，η∈(0.595,0.605,0.599)，取η=0.6。代入式（11）、式（12），可得：

根据式（13）～（15），建立成本与飞行试验产品数量的关系模型，见图 5。在产品飞行试验数量较小（m=1,2,3）时，原方案（高质量等级）成本较低；随着飞行试验数量增加，降成本（元器件调整质量等级）方案成本优势逐渐显现，当飞行试验数量为4时，降成本方案已优于原方案；飞行试验数量为10时，成本降低为76.4%；飞行试验数量为 100时，成本降低为61.8%。因此，可靠性允许的范围内降低元器件质量等级、采用多台产品开展可靠性增长试验，虽然初始成本有所增加，但降低了飞行试验运营成本，且发射数量越大，成本降低越多。

图5 成本与飞行试验产品数量的关系模型Fig.5 Relationship Model of Costand Number of Flight Products

d）宇航级元器件的价格昂贵、生产周期长、性能落后等固有缺点成为航天运载器降成本、制约技术发展的瓶颈，在成本和先进性与可靠性同等重要的约束下，工业级商用器件进行针对性的选用、分析、筛选试验和板卡级考核，能够既确保可靠性又大幅降低成本。尤其是考虑到飞行任务时间短、执行近地轨道任务的航天运载器，其元器件的应用环境主要考虑发射阶段显著的机械冲击、振动和恒定加速度应力，而工业级商用器件采用塑料封装，比传统军用陶瓷封装有更好的抗机械振动、冲击和恒定加速度的特性，而且由于没有空腔，也不存在可动多余物引起的内部短路问题，而该类器件可大幅降低成本。

e）航天运载器电子产品降成本的同时，也要确保可靠，因此需研究低成本匹配的可靠性设计准则及试验体系：

1）采取整机优化设计，有效估计产品期望寿命，避免“过设计”；

2）基于宇航任务应用条件进行器件选用适用性分析，结合任务剖面实际温度环境选择工业级商用器件；

3）研究制定禁限用工艺应对措施，如工业级商用器件经常采用的纯锡易生锡须导致短路、塑封吸潮引起内部腐蚀，可采用重新涂覆、加厚三防漆保护、电装前烘焙、干燥贮存等措施；

4）减少或合并抽样数量，优化整机筛选量级，研究高效应力筛选方法，提高抗环境能力，结合单机、单板应用条件设计板级筛选考核试验；

5）针对工业级商用塑封器件选用，增加潮湿敏感性分级测试、加电温度循环、板级振动试验、涂三防漆保护等考核；

6）开展整机强化试验，提高试验效率，快速激发缺陷，采取措施提高瓶颈环节可靠性；

7）采用多台（建议不少于4台）产品开展增长试验，避免采用1台产品开展试验带来“过设计”；

8）采取定量分析和持续增长试验评估相结合的方法，开展高可靠、小子样航天运载器电子产品的可靠性定量评估。

4 结束语

高可靠约束下降低航天运载器成本，是商业航天发射市场的外在要求，也是航天运载器提升核心竞争力的内在需求。而新一代航天运载器飞行控制电子产品，可靠性要求高，全部采用高质量等级元器件、开展大量实验，在确保可靠性的同时，导致成本大幅提升。本文以新一代运载高可靠飞行控制电子设备为例，从元器件选用、增长试验的角度对电子产品降成本进行了分析，给出了航天运载器电子产品降成本的原则和方法，可以在运载火箭电气系统研制中推广应用。