熱真空試驗(yàn)方法探析范文

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《電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)雜志》2016年第4期

摘要：

熱真空試驗(yàn)是針對(duì)航天產(chǎn)品特有的試驗(yàn)項(xiàng)目，其一般參照相應(yīng)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行。但是，如果標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)條件過松，則有可能達(dá)不到檢測產(chǎn)品的真實(shí)性能的目的；如果試驗(yàn)條件過嚴(yán)，則又可能導(dǎo)致過試驗(yàn)現(xiàn)象，影響產(chǎn)品的性能。因此，對(duì)航天產(chǎn)品熱真空試驗(yàn)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比分析，以期對(duì)該試驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)；試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)方法

0引言

航天產(chǎn)品在使用的過程中出現(xiàn)故障時(shí)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(yùn)行的事故，從而帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和政治后果。同時(shí)，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(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行檢驗(yàn)，以降低使用風(fēng)險(xiǎn)，保證產(chǎn)品安全、可靠地運(yùn)行。為了實(shí)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(yàn)對(duì)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行驗(yàn)證。熱真空試驗(yàn)屬于熱試驗(yàn)的一部分，是空間環(huán)境模擬試驗(yàn)中非常重要的試驗(yàn)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(yàn)收中[1]。目前，航天產(chǎn)品的熱真空試驗(yàn)一般都參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)方法進(jìn)行，但是，不同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于試驗(yàn)條件的要求又有細(xì)微的差別，因而本文對(duì)航天產(chǎn)品的熱真空試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與方法進(jìn)行了分析，以期為航天機(jī)構(gòu)合理地參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選擇適用的試驗(yàn)方法提供一定的借鑒。

1熱真空試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與方法的作用

對(duì)太陽幅射、冷黑環(huán)境和真空環(huán)境進(jìn)行的工作模擬試驗(yàn)被叫做熱真空試驗(yàn)。環(huán)境熱真空試驗(yàn)是指在規(guī)定的壓力與鑒定級(jí)或驗(yàn)收級(jí)熱真空試驗(yàn)溫度條件下，暴露航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與工藝問題，評(píng)定其工作性能，驗(yàn)證其飛行功能的試驗(yàn)。過松的試驗(yàn)條件無法達(dá)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(xiǎn)工作[2]；過嚴(yán)或不適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)條件與試驗(yàn)措施又會(huì)導(dǎo)致過試驗(yàn)，影響航天產(chǎn)品的性能，產(chǎn)生隱患，進(jìn)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，各監(jiān)測與試驗(yàn)單位也起草了各自的企標(biāo)與試驗(yàn)方法，以指導(dǎo)熱真空試驗(yàn)的順利開展。熱真空試驗(yàn)應(yīng)力條件是隨著社會(huì)科技水平、制造組裝工藝的發(fā)展和人們對(duì)空間試驗(yàn)（熱真空試驗(yàn)）的認(rèn)識(shí)的提高而不斷地發(fā)展的[3]，我國的熱真空試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲、美國的標(biāo)準(zhǔn)有一定的差別，這也是由于產(chǎn)品具體的工藝水平、各自對(duì)空間試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)和產(chǎn)品的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過試驗(yàn)一段時(shí)間后要進(jìn)行重新修正，頒布新的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，也是基于以上的原因。

2各版熱真空試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的分析

目前，各國熱真空試驗(yàn)中常使用的標(biāo)準(zhǔn)有：歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)ECSS-E-10-03（1998）；美軍標(biāo)MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994、MIL-STD-1540d-1999和IL-STD-1540E-2002；我國的國軍標(biāo)GJB1027-1990[4]與GJB1027A-2005。我國還有監(jiān)督單位或試驗(yàn)單位編制的部分企業(yè)熱真空試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，包括：QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》[5]《集成電路熱真空試驗(yàn)方法與和程序》《微波組件熱真空試驗(yàn)方法》《固態(tài)微波放大器熱真空試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》和《空間行波管熱真空試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》等。國軍標(biāo)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(biāo)MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002；此外，各個(gè)企標(biāo)編寫時(shí)也參考了美軍標(biāo)MIL-STD-150B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002與國軍標(biāo)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(yàn)（熱真空試驗(yàn)）中各試驗(yàn)單位較常使用的QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》。

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

美軍標(biāo)MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994與MIL-STD-1540E-2002之間的差異如表1所示。對(duì)比美軍標(biāo)MIL-STD-1540B-1982、MIL-STD-1540C-1994和MIL-STD-1540E-2002發(fā)現(xiàn)，這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，MIL-STD-1540C-1994規(guī)定的試驗(yàn)條件最為嚴(yán)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(diǎn)：1）社會(huì)科技水平、制造組裝工藝有了一定的發(fā)展，因而試驗(yàn)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(dāng)時(shí)所使用的MIL-STD-1540C-1994要求的試驗(yàn)嚴(yán)酷，造成過試驗(yàn)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(yàn)時(shí)間過長，造成了試驗(yàn)室試驗(yàn)?zāi)芰Φ睦速M(fèi)，影響了整個(gè)產(chǎn)品的正式交貨周期。而MIL-STD-1540E-2002使用至今未改動(dòng)，已經(jīng)完全代替了先前使用的標(biāo)準(zhǔn)，且現(xiàn)在各國航天部門在編制各自的航天試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2國軍標(biāo)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(gè)方面。

a）循環(huán)次數(shù)不同GJB1027-1990是參考美軍標(biāo)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(shí)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(yàn)循環(huán)次數(shù)為6.5～8.5次，驗(yàn)收試驗(yàn)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(jìn)高出（高溫開始高溫結(jié)束）原則，這也是人們對(duì)空間試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)有所提高的結(jié)果。

b）循環(huán)時(shí)間不同GJB1027-1990中規(guī)定的保持時(shí)間為12h，這是因?yàn)楹教炱魃咸旃ぷ鞯陌讜儠r(shí)間轉(zhuǎn)換為12h[3]。但是，由于熱真空試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)水平與試驗(yàn)手段的提高，1h內(nèi)熱真空設(shè)備內(nèi)已經(jīng)基本能夠達(dá)到溫度平衡，工作4h后航天器產(chǎn)品本身也達(dá)到了熱平衡狀態(tài)，因此4h就已足夠考驗(yàn)航天器的性能。時(shí)間過長，一方面可能會(huì)造成過試驗(yàn)，對(duì)航天產(chǎn)品的性能產(chǎn)生隱患；另一方面則是會(huì)造成資源的浪費(fèi)，所以GJB1027A-2005中將試驗(yàn)保持時(shí)間修改為了4h。

c）試驗(yàn)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?yàn)?，在?.65×10-3Pa的真空環(huán)境下也足以考驗(yàn)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(yàn)單位進(jìn)行熱真空試驗(yàn)；再三，真空度的降低還可以節(jié)約整個(gè)試驗(yàn)的時(shí)間，保護(hù)試驗(yàn)資源等。

d）壓力誤差不同GJB1027-1990與GJB1027A-2005對(duì)壓力誤差的規(guī)定的差異主要體現(xiàn)在當(dāng)施加的壓力小于0.133Pa時(shí)，即：GJB2027-1990規(guī)定，當(dāng)壓力<0.133Pa時(shí)，允許誤差為±50%；GJB1027A-2005規(guī)定，當(dāng)壓力<0.133Pa時(shí)，允許誤差為±80%。原因同上，考慮到試驗(yàn)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(shí)度的提高而偏離增大的；而當(dāng)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(yàn)產(chǎn)品的性能，所以這時(shí)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(yàn)產(chǎn)生，以保證熱真空試驗(yàn)的安全與可靠。GJB1027A-2005與GJB1027-1990相比，在試驗(yàn)時(shí)間、循環(huán)次數(shù)、首循環(huán)高（低）溫開始試驗(yàn)、試驗(yàn)容差和試驗(yàn)范圍等方面都有不小的改變，現(xiàn)在空間試驗(yàn)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(jìn)步的結(jié)果，也是人們對(duì)空間試驗(yàn)認(rèn)識(shí)的提高的結(jié)果。

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

在企標(biāo)中，QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》對(duì)熱真空試驗(yàn)的闡述是比較詳細(xì)的，對(duì)試驗(yàn)的實(shí)際開展具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，現(xiàn)在被國內(nèi)熱真空試驗(yàn)單位使用得較多，這里也對(duì)其進(jìn)行簡單的介紹。QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》是一部專門關(guān)于熱真空試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，它闡述了熱真空試驗(yàn)的目的、試驗(yàn)環(huán)境、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)程序與方法、試驗(yàn)中斷處理和試驗(yàn)記錄等內(nèi)容，指導(dǎo)性與可操作性都較強(qiáng)。例如：在QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)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(dǎo)為主時(shí)（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(shí)（高溫），控溫傳感器安置在產(chǎn)品外殼的熱平衡處[4]。在實(shí)際操作時(shí)，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(yàn)過程中，高溫更要求控溫精確，尤其是對(duì)于大功率產(chǎn)品而言，因此，從保護(hù)產(chǎn)品的目的出發(fā)，此時(shí)控溫傳感器應(yīng)安置在產(chǎn)品外殼的熱平衡點(diǎn)上。在有了MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005標(biāo)準(zhǔn)后，我們還要使用QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》，這主要是因?yàn)榍皟蓚€(gè)標(biāo)準(zhǔn)都只是對(duì)空間試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)方法》對(duì)熱真空試驗(yàn)的目的、環(huán)境、設(shè)備、試驗(yàn)程序和方法等都進(jìn)行了量化規(guī)定，這對(duì)于具體試驗(yàn)的實(shí)施有著極大的指導(dǎo)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(diǎn)，其試驗(yàn)條件要求更高，已超出了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對(duì)這些航天產(chǎn)品進(jìn)行熱真空試驗(yàn)時(shí)，可以在原有標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，在補(bǔ)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(duì)溫度變化率較為敏感，所以其熱真空試驗(yàn)要求其變溫速率大于1或1.5，甚至更高；且對(duì)工作溫度偏差要求較高，要求高溫（T+40）℃，低溫（T0-4）℃。這時(shí)按早期的MIL-STD-1540B-1982與GJB1027-1990或現(xiàn)在的MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005進(jìn)行試驗(yàn)都無法達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康?，由此就?yīng)該針對(duì)產(chǎn)品本身的特點(diǎn)來制定一些補(bǔ)充規(guī)定和要求，以保證達(dá)到檢驗(yàn)?zāi)康摹Ｓ行┖教飚a(chǎn)品根據(jù)其自身的特點(diǎn)，其試驗(yàn)條件的要求可以降低，例如：在達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯?，非功率產(chǎn)品在熱真空試驗(yàn)中僅要求升降溫時(shí)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(bǔ)充規(guī)定和要求中加以體現(xiàn)，這也是對(duì)試驗(yàn)資源的一種保護(hù)。所以，現(xiàn)在熱真空試驗(yàn)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(yàn)方法》等直接去進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中還根據(jù)航天產(chǎn)品自身的特點(diǎn)編制了許多的檢驗(yàn)驗(yàn)收技術(shù)要求（或協(xié)議）與補(bǔ)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(shí)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(dǎo)我國航天產(chǎn)品的熱真空試驗(yàn)[2]。QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)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(shí)間，但還在使用，許多監(jiān)督單位或試驗(yàn)單位在編制新的航天航空標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)方法的時(shí)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(jìn)行航天環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，其依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)較多地選擇了MIL-STD-1540E-2002與GJB1027A-2005；其試驗(yàn)方法則較多地選擇QJ2630.1-1994《衛(wèi)星組件空間環(huán)境試驗(yàn)方法》。這是因?yàn)?，前面兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是已經(jīng)趨于成熟的標(biāo)準(zhǔn)，適用于我們現(xiàn)在的工藝水平，反映了我們對(duì)空間試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)程度；后面這個(gè)試驗(yàn)方法對(duì)于我們進(jìn)行具體的空間試驗(yàn)有著較高的指導(dǎo)價(jià)值。

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作者:劉中華 單位:中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所