熱真空試驗方法探析范文

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《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗雜志》2016年第4期

摘要：

熱真空試驗是針對航天產(chǎn)品特有的試驗項目，其一般參照相應(yīng)的試驗標準和方法進行。但是，如果標準中規(guī)定的試驗條件過松，則有可能達不到檢測產(chǎn)品的真實性能的目的；如果試驗條件過嚴，則又可能導致過試驗現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的性能。因此，對航天產(chǎn)品熱真空試驗的相關(guān)標準進行了對比分析，以期對該試驗項目相關(guān)標準的正確選擇和應(yīng)用提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：

航天產(chǎn)品；熱真空試驗；試驗標準；試驗方法

0引言

航天產(chǎn)品在使用的過程中出現(xiàn)故障時一般不能維修或極不易維修，因此，其一旦出現(xiàn)故障，就極易造成整體停止運行的事故，從而帶來嚴重的經(jīng)濟損失和政治后果。同時，由于產(chǎn)品要求高可靠、長壽命，因而有必要在產(chǎn)品投入使用前對產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進行檢驗，以降低使用風險，保證產(chǎn)品安全、可靠地運行。為了實現(xiàn)上述目的，在科研和生產(chǎn)過程中一般廣泛地采用人工模擬環(huán)境試驗對產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進行驗證。熱真空試驗屬于熱試驗的一部分，是空間環(huán)境模擬試驗中非常重要的試驗之一，被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星組件、分系統(tǒng)和整星的鑒定和驗收中[1]。目前，航天產(chǎn)品的熱真空試驗一般都參照相關(guān)的標準和試驗方法進行，但是，不同的標準對于試驗條件的要求又有細微的差別，因而本文對航天產(chǎn)品的熱真空試驗標準與方法進行了分析，以期為航天機構(gòu)合理地參照相關(guān)標準，選擇適用的試驗方法提供一定的借鑒。

1熱真空試驗相關(guān)標準與方法的作用

對太陽幅射、冷黑環(huán)境和真空環(huán)境進行的工作模擬試驗被叫做熱真空試驗。環(huán)境熱真空試驗是指在規(guī)定的壓力與鑒定級或驗收級熱真空試驗溫度條件下，暴露航天產(chǎn)品的設(shè)計與工藝問題，評定其工作性能，驗證其飛行功能的試驗。過松的試驗條件無法達到檢測產(chǎn)品的真正性能的目的，從而無法為航天產(chǎn)品的具體使用提供有效的依據(jù)，使得有質(zhì)量隱患的航天產(chǎn)品冒險工作[2]；過嚴或不適當?shù)脑囼灄l件與試驗措施又會導致過試驗，影響航天產(chǎn)品的性能，產(chǎn)生隱患，進而影響航天產(chǎn)品的后續(xù)使用。因此，美國、歐洲和我國都頒布了一系列的試驗標準，各監(jiān)測與試驗單位也起草了各自的企標與試驗方法，以指導熱真空試驗的順利開展。熱真空試驗應(yīng)力條件是隨著社會科技水平、制造組裝工藝的發(fā)展和人們對空間試驗（熱真空試驗）的認識的提高而不斷地發(fā)展的[3]，我國的熱真空試驗標準與歐洲、美國的標準有一定的差別，這也是由于產(chǎn)品具體的工藝水平、各自對空間試驗的認識和產(chǎn)品的實際應(yīng)用的環(huán)境存在一定的差異所帶來的結(jié)果。此外，各種標準經(jīng)過試驗一段時間后要進行重新修正，頒布新的試驗標準，也是基于以上的原因。

2各版熱真空試驗標準的分析

目前，各國熱真空試驗中常使用的標準有：歐洲標準化組織標準ECSS-E-10-03（1998）；美軍標MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994、MIL-STD-1540d-1999和IL-STD-1540E-2002；我國的國軍標GJB1027-1990[4]與GJB1027A-2005。我國還有監(jiān)督單位或試驗單位編制的部分企業(yè)熱真空試驗方法標準或規(guī)范，包括：QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》[5]《集成電路熱真空試驗方法與和程序》《微波組件熱真空試驗方法》《固態(tài)微波放大器熱真空試驗技術(shù)規(guī)范》和《空間行波管熱真空試驗技術(shù)規(guī)范》等。國軍標GJB1027-1990在編制過程中借鑒了MIL-STD-1540B-1982的部分內(nèi)容，后期頒布的GJB1027A-2005在編制過程中也根據(jù)我國的國情參考了美軍標MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002；此外，各個企標編寫時也參考了美軍標MIL-STD-150B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002與國軍標GJB1027-1990和GJB1027A-2005。因此，這里我們著重討論MIL-STD-1540C-1994、MIL-STD-1540E-2002、GJB1027-1990和GJB1027A-2005，并簡單地討論一下在空間試驗（熱真空試驗）中各試驗單位較常使用的QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》。

2.1美軍標MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994與MIL-STD-1540E-2002的比較

美軍標MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994與MIL-STD-1540E-2002之間的差異如表1所示。對比美軍標MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002發(fā)現(xiàn)，這3個標準中，MIL-STD-1540C-1994規(guī)定的試驗條件最為嚴格，但在使用了幾年后，頒布的MIL-STD-1540E-2002的要求較MIL-STD-1540C-1994又有了一定程度的降低，有回歸MIL-STD-1540B-1982的跡象。究其原因，主要有3點：1）社會科技水平、制造組裝工藝有了一定的發(fā)展，因而試驗要求可以相應(yīng)地降低；2）使用MIL-STD-1540C-1994后美國航天業(yè)出現(xiàn)了幾次航天事故[2]，這些事故與當時所使用的MIL-STD-1540C-1994要求的試驗嚴酷，造成過試驗多少有些關(guān)聯(lián)；3）從表1的數(shù)據(jù)來分析，MIL-STD-1540C-1994的循環(huán)次數(shù)過多和總試驗時間過長，造成了試驗室試驗?zāi)芰Φ睦速M，影響了整個產(chǎn)品的正式交貨周期。而MIL-STD-1540E-2002使用至今未改動，已經(jīng)完全代替了先前使用的標準，且現(xiàn)在各國航天部門在編制各自的航天試驗標準時均較多地參照了MIL-STD-1540E-2002，這也說明了MIL-STD-1540E-2002已是一部趨于成熟的航天產(chǎn)品的試驗標準。

2.2國軍標GJB1027-1990與GJB1027A-2005的比較

GJB1027-1990與GJB1027A-2005的比較如表2所示。GJB1027-1990與GJB1027A-2005的差別主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

a）循環(huán)次數(shù)不同GJB1027-1990是參考美軍標MIL-STD-1540B-1982的部分內(nèi)容編寫的，因此，其規(guī)定循環(huán)次數(shù)至少為3次；GJB1027A-2005是參照MIL-STD-1540C-1994與MIL-STD-1540E-2002，再結(jié)合國內(nèi)航天行業(yè)的實際情況編寫的，因此，其規(guī)定循環(huán)次數(shù)最多為9次，鑒定試驗循環(huán)次數(shù)為6.5～8.5次，驗收試驗的循環(huán)次數(shù)是2.5～4.5次。0.5次是為了遵循航天產(chǎn)品的高進高出（高溫開始高溫結(jié)束）原則，這也是人們對空間試驗的認識有所提高的結(jié)果。

b）循環(huán)時間不同GJB1027-1990中規(guī)定的保持時間為12h，這是因為航天器上天工作的白晝時間轉(zhuǎn)換為12h[3]。但是，由于熱真空試驗設(shè)備技術(shù)水平與試驗手段的提高，1h內(nèi)熱真空設(shè)備內(nèi)已經(jīng)基本能夠達到溫度平衡，工作4h后航天器產(chǎn)品本身也達到了熱平衡狀態(tài)，因此4h就已足夠考驗航天器的性能。時間過長，一方面可能會造成過試驗，對航天產(chǎn)品的性能產(chǎn)生隱患；另一方面則是會造成資源的浪費，所以GJB1027A-2005中將試驗保持時間修改為了4h。

c）試驗壓力不同GJB1027-1990要求真空壓力≤1.3×10-3Pa[3]，而GJB1027A-2005將這一要求降低到≤6.65×10-3Pa，這是因為，在≤6.65×10-3Pa的真空環(huán)境下也足以考驗航天器的性能；另外也是考慮到目前國內(nèi)熱真空設(shè)備的性能存在差異，降低真空壓力的要求能夠讓更多的試驗單位進行熱真空試驗；再三，真空度的降低還可以節(jié)約整個試驗的時間，保護試驗資源等。

d）壓力誤差不同GJB1027-1990與GJB1027A-2005對壓力誤差的規(guī)定的差異主要體現(xiàn)在當施加的壓力小于0.133Pa時，即：GJB2027-1990規(guī)定，當壓力<0.133Pa時，允許誤差為±50%；GJB1027A-2005規(guī)定，當壓力<0.133Pa時，允許誤差為±80%。原因同上，考慮到試驗設(shè)備的要求，許多真空設(shè)備的真空檢測部件采用電離規(guī)或冷規(guī)，它們的誤差范圍是隨著真實度的提高而偏離增大的；而當真空壓力≤6.65×10-2Pa后，真空微放電現(xiàn)象已經(jīng)趨于穩(wěn)定，現(xiàn)在使用的GJB1027A-2005規(guī)定的真空壓力≤6.65×10-3Pa足夠檢驗產(chǎn)品的性能，所以這時候（<0.133Pa）的誤差范圍可以增大。

e）溫度誤差不同GJB1027-1990規(guī)定的溫度誤差是±3℃[3]，而GJB1027A-2005則規(guī)定允許的溫度誤差為低溫（T+40）℃/高溫（T0-4）℃，這與MIL-STD-1540E-2002替換MIL-STD-1540C-1994的目的一樣，都是為了避免過試驗產(chǎn)生，以保證熱真空試驗的安全與可靠。GJB1027A-2005與GJB1027-1990相比，在試驗時間、循環(huán)次數(shù)、首循環(huán)高（低）溫開始試驗、試驗容差和試驗范圍等方面都有不小的改變，現(xiàn)在空間試驗中，已基本不再使用GJB1027-1990，而是選擇GJB1027A-2005，這是產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝進步的結(jié)果，也是人們對空間試驗認識的提高的結(jié)果。

2.3QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》

在企標中，QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》對熱真空試驗的闡述是比較詳細的，對試驗的實際開展具有較強的指導意義，現(xiàn)在被國內(nèi)熱真空試驗單位使用得較多，這里也對其進行簡單的介紹。QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》是一部專門關(guān)于熱真空試驗的試驗方法，它闡述了熱真空試驗的目的、試驗環(huán)境、試驗設(shè)備、試驗程序與方法、試驗中斷處理和試驗記錄等內(nèi)容，指導性與可操作性都較強。例如：在QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》中，關(guān)于控溫傳感器的布置的規(guī)定如下所述。1）產(chǎn)品的熱交換方式以傳導為主時（低溫），控溫傳感器安置在產(chǎn)品的底板上；2）產(chǎn)品的熱交換方式以幅射為主時（高溫），控溫傳感器安置在產(chǎn)品外殼的熱平衡處[4]。在實際操作時，熱真空循環(huán)既包括高溫循環(huán)也包括低溫循環(huán)，但是，目前許多熱真空設(shè)備并不具有雙控溫傳感器，在這種情況下，只能折中地布置控溫傳感器。在熱真空試驗過程中，高溫更要求控溫精確，尤其是對于大功率產(chǎn)品而言，因此，從保護產(chǎn)品的目的出發(fā)，此時控溫傳感器應(yīng)安置在產(chǎn)品外殼的熱平衡點上。在有了MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005標準后，我們還要使用QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》，這主要是因為前兩個標準都只是對空間試驗的要求作了定質(zhì)要求，由于航天產(chǎn)品的功率、頻率和噪聲等參數(shù)要求各不相同，因此，不同的產(chǎn)品的熱真空試驗的方法或要求也就應(yīng)該有所區(qū)別，而這種區(qū)別在MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005中并沒有得到體現(xiàn)。值得稱道的是QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》對熱真空試驗的目的、環(huán)境、設(shè)備、試驗程序和方法等都進行了量化規(guī)定，這對于具體試驗的實施有著極大的指導意義。不同的航天產(chǎn)品的工作目的一般都是不同的，因而其功率、頻率和噪聲等參數(shù)也不盡相同。有些航天產(chǎn)品由于其自身的特點，其試驗條件要求更高，已超出了現(xiàn)有標準的規(guī)定，對這些航天產(chǎn)品進行熱真空試驗時，可以在原有標準的基礎(chǔ)上，在補充協(xié)議中加以規(guī)定，但原則上不能降低要求。例如：功放產(chǎn)品對溫度變化率較為敏感，所以其熱真空試驗要求其變溫速率大于1或1.5，甚至更高；且對工作溫度偏差要求較高，要求高溫（T+40）℃，低溫（T0-4）℃。這時按早期的MIL-STD-1540B-1982與GJB1027-1990或現(xiàn)在的MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005進行試驗都無法達到檢驗?zāi)康模纱司蛻?yīng)該針對產(chǎn)品本身的特點來制定一些補充規(guī)定和要求，以保證達到檢驗?zāi)康摹Ｓ行┖教飚a(chǎn)品根據(jù)其自身的特點，其試驗條件的要求可以降低，例如：在達到試驗?zāi)康牡那疤嵯拢枪β十a(chǎn)品在熱真空試驗中僅要求升降溫時變溫速率大于0.5，平均變溫速率大于或等于1即可。這些可以在其補充規(guī)定和要求中加以體現(xiàn)，這也是對試驗資源的一種保護。所以，現(xiàn)在熱真空試驗也不是全部依照MIL-STD-1540E-2002、GJB1027A-2005和QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》等直接去進行試驗，試驗過程中還根據(jù)航天產(chǎn)品自身的特點編制了許多的檢驗驗收技術(shù)要求（或協(xié)議）與補充協(xié)議（或要求），這都是允許的。

3結(jié)束語

GJB1027A-2005從2006年頒布至今已有10年時間了，這10年也正是我國航天事業(yè)井噴的10年，并且還在持續(xù)地發(fā)展中。這也反映了GJB1027A-2005的合理性，或是說其較適合指導我國航天產(chǎn)品的熱真空試驗[2]。QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》（中國航天工業(yè)總公司）從起草到現(xiàn)在已有20年的時間，但還在使用，許多監(jiān)督單位或試驗單位在編制新的航天航空標準或試驗方法的時候也在借鑒其部分內(nèi)容，說明了其廣泛的適用性。目前的做法是，進行航天環(huán)境試驗時，其依據(jù)標準較多地選擇了MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005；其試驗方法則較多地選擇QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法》。這是因為，前面兩個標準是已經(jīng)趨于成熟的標準，適用于我們現(xiàn)在的工藝水平，反映了我們對空間試驗的認識程度；后面這個試驗方法對于我們進行具體的空間試驗有著較高的指導價值。

參考文獻：

[1]柯受全.衛(wèi)星環(huán)境工程和模擬試驗[M].北京：中國宇航出版社，1993.

[2]中國航天標準化研究所.運載器、上面級和航天器試驗要求：GJB1027A-2005[S].北京：國防科委軍標出版發(fā)行部，2005.

[3]劉中華，李樹杰，劉國強.熱真空試驗設(shè)備中的控溫方式研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（4）：7-11.

[4]航空航天工業(yè)部第五研究院.衛(wèi)星環(huán)境試驗要求：GJB1027-1990[S].

[5]中國航天工業(yè)公司五院.衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗方法熱真空試驗：QJ2630.1-1994[S].

作者:劉中華 單位:中國電子科技集團公司第十三研究所