熱真空試驗方法探析范文

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《電子產品可靠性與環境試驗雜志》2016年第4期

摘要：

熱真空試驗是針對航天產品特有的試驗項目，其一般參照相應的試驗標準和方法進行。但是，如果標準中規定的試驗條件過松，則有可能達不到檢測產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象，影響產品的性能。因此，對航天產品熱真空試驗的相關標準進行了對比分析，以期對該試驗項目相關標準的正確選擇和應用提供一定的參考。

關鍵詞：

航天產品；熱真空試驗；試驗標準；試驗方法

0引言

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

1熱真空試驗相關標準與方法的作用

對太陽幅射、冷黑環境和真空環境進行的工作模擬試驗被叫做熱真空試驗。環境熱真空試驗是指在規定的壓力與鑒定級或驗收級熱真空試驗溫度條件下，暴露航天產品的設計與工藝問題，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品的真正性能的目的，從而無法為航天產品的具體使用提供有效的依據，使得有質量隱患的航天產品冒險工作[2]；過嚴或不適當的試驗條件與試驗措施又會導致過試驗，影響航天產品的性能，產生隱患，進而影響航天產品的后續使用。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。熱真空試驗應力條件是隨著社會科技水平、制造組裝工藝的發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，這也是由于產品具體的工藝水平、各自對空間試驗的認識和產品的實際應用的環境存在一定的差異所帶來的結果。此外，各種標準經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。我國還有監督單位或試驗單位編制的部分企業熱真空試驗方法標準或規范，包括：QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》[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》《固態微波放大器熱真空試驗技術規范》和《空間行波管熱真空試驗技術規范》等。國軍標GJB1027-1990在編制過程中借鑒了MIL-STD-1540B-1982的部分內容，后期頒布的GJB1027A-2005在編制過程中也根據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《衛星組件空間環境試驗方法》。

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發現，這3個標準中，MIL-STD-1540C-1994規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展，因而試驗要求可以相應地降低；2）使用MIL-STD-1540C-1994后美國航天業出現了幾次航天事故[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聯；3）從表1的數據來分析，MIL-STD-1540C-1994的循環次數過多和總試驗時間過長，造成了試驗室試驗能力的浪費，影響了整個產品的正式交貨周期。而MIL-STD-1540E-2002使用至今未改動，已經完全代替了先前使用的標準，且現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的差別主要體現在以下幾個方面。

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

b）循環時間不同GJB1027-1990中規定的保持時間為12h，這是因為航天器上天工作的白晝時間轉換為12h[3]。但是，由于熱真空試驗設備技術水平與試驗手段的提高，1h內熱真空設備內已經基本能夠達到溫度平衡，工作4h后航天器產品本身也達到了熱平衡狀態，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，對航天產品的性能產生隱患；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的真空環境下也足以考驗航天器的性能；另外也是考慮到目前國內熱真空設備的性能存在差異，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對壓力誤差的規定的差異主要體現在當施加的壓力小于0.133Pa時，即：GJB2027-1990規定，當壓力<0.133Pa時，允許誤差為±50%；GJB1027A-2005規定，當壓力<0.133Pa時，允許誤差為±80%。原因同上，考慮到試驗設備的要求，許多真空設備的真空檢測部件采用電離規或冷規，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，真空微放電現象已經趨于穩定，現在使用的GJB1027A-2005規定的真空壓力≤6.65×10-3Pa足夠檢驗產品的性能，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規定的溫度誤差是±3℃[3]，而GJB1027A-2005則規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、循環次數、首循環高（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，現在空間試驗中，已基本不再使用GJB1027-1990，而是選擇GJB1027A-2005，這是產品的生產工藝進步的結果，也是人們對空間試驗認識的提高的結果。

2.3QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》

在企標中，QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》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，現在被國內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《衛星組件空間環境試驗方法》是一部專門關于熱真空試驗的試驗方法，它闡述了熱真空試驗的目的、試驗環境、試驗設備、試驗程序與方法、試驗中斷處理和試驗記錄等內容，指導性與可操作性都較強。例如：在QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》中，關于控溫傳感器的布置的規定如下所述。1）產品的熱交換方式以傳導為主時（低溫），控溫傳感器安置在產品的底板上；2）產品的熱交換方式以幅射為主時（高溫），控溫傳感器安置在產品外殼的熱平衡處[4]。在實際操作時，熱真空循環既包括高溫循環也包括低溫循環，但是，目前許多熱真空設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品而言，因此，從保護產品的目的出發，此時控溫傳感器應安置在產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《衛星組件空間環境試驗方法》，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要求，由于航天產品的功率、頻率和噪聲等參數要求各不相同，因此，不同的產品的熱真空試驗的方法或要求也就應該有所區別，而這種區別在MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005中并沒有得到體現。值得稱道的是QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》對熱真空試驗的目的、環境、設備、試驗程序和方法等都進行了量化規定，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、頻率和噪聲等參數也不盡相同。有些航天產品由于其自身的特點，其試驗條件要求更高，已超出了現有標準的規定，對這些航天產品進行熱真空試驗時，可以在原有標準的基礎上，在補充協議中加以規定，但原則上不能降低要求。例如：功放產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或現在的MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005進行試驗都無法達到檢驗目的，由此就應該針對產品本身的特點來制定一些補充規定和要求，以保證達到檢驗目的。有些航天產品根據其自身的特點，其試驗條件的要求可以降低，例如：在達到試驗目的的前提下，非功率產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定和要求中加以體現，這也是對試驗資源的一種保護。所以，現在熱真空試驗也不是全部依照MIL-STD-1540E-2002、GJB1027A-2005和QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》等直接去進行試驗，試驗過程中還根據航天產品自身的特點編制了許多的檢驗驗收技術要求（或協議）與補充協議（或要求），這都是允許的。

3結束語

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井噴的10年，并且還在持續地發展中。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品的熱真空試驗[2]。QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》（中國航天工業總公司）從起草到現在已有20年的時間，但還在使用，許多監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容，說明了其廣泛的適用性。目前的做法是，進行航天環境試驗時，其依據標準較多地選擇了MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005；其試驗方法則較多地選擇QJ2630.1-1994《衛星組件空間環境試驗方法》。這是因為，前面兩個標準是已經趨于成熟的標準，適用于我們現在的工藝水平，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.衛星環境工程和模擬試驗[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行部，2005.

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

[4]航空航天工業部第五研究院.衛星環境試驗要求：GJB1027-1990[S].

[5]中國航天工業公司五院.衛星組件空間環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