馮振興

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京100076）

0 前言

星、彈、船上的部件（器件）有效載荷，有不少要通過采購或外購獲得。這些對(duì)任務(wù)完成至關(guān)重要的部件或器件，在上天前如何保證萬無一失，不能僅靠幾個(gè)監(jiān)管人員或一紙合同，而是要靠科學(xué)、嚴(yán)密、到位的試驗(yàn)考核。由于缺少嚴(yán)格的試驗(yàn)把關(guān)而導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失和國內(nèi)、國際負(fù)面影響，不是沒有遇到，而是有前車之鑒。文獻(xiàn)[1-2]（下簡(jiǎn)稱“文獻(xiàn)”）介紹的是針對(duì)外購件的環(huán)境試驗(yàn)方法，其中包括材料與結(jié)構(gòu)污染分析，振動(dòng)、熱、輻射等環(huán)境試驗(yàn)等，以確保飛行任務(wù)的圓滿完成，因此對(duì)文獻(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)有其重要意義。

1 文獻(xiàn)的背景

正如文獻(xiàn)作者在其“引言”中所表達(dá)的：NASA現(xiàn)在使用的遠(yuǎn)距離通信設(shè)備都是先進(jìn)的產(chǎn)品，其中絕大部分光學(xué)器件是外購件。由于這些產(chǎn)品的供應(yīng)商以及他們的分部往往變化不定，一旦購買或引進(jìn)了這些產(chǎn)品，它們的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系與NASA質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或軍標(biāo)體系肯定不會(huì)完全一致。怎么辦？要改變軍標(biāo)體制談何容易，產(chǎn)品的質(zhì)量要求、合格鑒定、風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策等都必須加以考慮，而時(shí)間不等人。所以唯一的方法就是需要制定一套嚴(yán)格的試驗(yàn)規(guī)范，在引入這些外購件之前進(jìn)行充分的、必要的環(huán)境試驗(yàn)，包括真空、振動(dòng)、熱循環(huán)、輻射等。原作者把該方法稱之為“用于太空飛行的外購光學(xué)件工藝技術(shù)保證法”。下面詳細(xì)介紹該方法的核心內(nèi)容。

2 考核外購商用光纖部件的工藝技術(shù)保證法

該方法包括4個(gè)部分：

1）確定環(huán)境試驗(yàn)的總體要求或目標(biāo)

關(guān)于要求或目標(biāo)，原作者是這樣說的：“把部件中的關(guān)鍵或重要元器件的技術(shù)性能參數(shù)在試驗(yàn)期間以及試驗(yàn)后偏離設(shè)計(jì)值的偏差檢測(cè)出來?！焙苊黠@，質(zhì)量控制部門關(guān)注的是對(duì)設(shè)計(jì)部門特別重要的這些技術(shù)參數(shù)在承受設(shè)計(jì)鑒定環(huán)境試驗(yàn)后是否有變化。變化的范圍是否超出設(shè)計(jì)極限值是地面環(huán)境試驗(yàn)關(guān)注的最終目標(biāo)。只要設(shè)計(jì)人員看到環(huán)境試驗(yàn)單位發(fā)出的這份試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告，就可以判斷這個(gè)外購件是否可以上天。

2）確定環(huán)境試驗(yàn)條件

a.材料污染分析試驗(yàn)條件；

b.器件單元級(jí)（box level）隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件（部件級(jí)加倍）；

c.熱環(huán)境試驗(yàn)條件（高于最嚴(yán)酷熱環(huán)境或極限溫度10 ℃）；

d.輻射環(huán)境條件（取最壞的設(shè)計(jì)考核條件）。

3）失效模式研究

確定失效模式相對(duì)應(yīng)的技術(shù)參數(shù)及其環(huán)境試驗(yàn)條件。

4）試驗(yàn)方法剪裁

原則是保證按該方法進(jìn)行空間環(huán)境試驗(yàn)時(shí)能找準(zhǔn)（capturing）盡可能多的失效模式。

5）試驗(yàn)計(jì)劃

要確定保證飛行任務(wù)安全、可靠所必不可少的試驗(yàn)項(xiàng)目以及設(shè)定與失效模式相關(guān)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

以上這 5部分內(nèi)容，文獻(xiàn)中有的作了詳細(xì)介紹，有的并沒有詳述，比如試驗(yàn)方法剪裁問題。但本“點(diǎn)評(píng)”作者認(rèn)為：人們可以從文章中的3個(gè)實(shí)例中得到一些啟發(fā)，并結(jié)合我國實(shí)際情況,學(xué)習(xí)進(jìn)行有針對(duì)性的試驗(yàn)剪裁方法。

3 考核外購商用光纖部件的環(huán)境試驗(yàn)鑒定計(jì)劃

這是文獻(xiàn)的核心內(nèi)容之一。原文是這樣介紹環(huán)境試驗(yàn)鑒定計(jì)劃的：第一，要明確規(guī)定一些重要或關(guān)鍵性技術(shù)參數(shù)。這些參數(shù)必須在試驗(yàn)前后是一致的，或者說是穩(wěn)定的。如果把性能參數(shù)作為試驗(yàn)考核的最終目標(biāo)，那么這些性能參數(shù)的“允差”（在文獻(xiàn)中用“可接受變化”來表達(dá)）是多少要明確規(guī)定，比如傳感器的輸出波長在執(zhí)行任務(wù)時(shí)受到熱交變環(huán)境后它的漂移量是多少。第二，要確定試驗(yàn)件是零部件級(jí)還是系統(tǒng)級(jí)的。第三，考慮試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)設(shè)備以及器材等試驗(yàn)相關(guān)因素后，確定試驗(yàn)件的抽樣件數(shù)。除此以外的內(nèi)容還有：1）結(jié)構(gòu)材料分析；2）振動(dòng)或沖擊試驗(yàn)；3）熱交變或熱老化試驗(yàn)；4）輻射試驗(yàn)；5）根據(jù)特定的飛行任務(wù)提出是否要進(jìn)行附加試驗(yàn)的建議。該文獻(xiàn)還簡(jiǎn)要說明了前4部分的內(nèi)容，下面一一介紹如下。

3.1 結(jié)構(gòu)材料空間特性分析試驗(yàn)

由于光纖部件本身的特點(diǎn)，這項(xiàng)工作是所有試驗(yàn)工作的重中之重。分析工作是通過地面模擬的空間環(huán)境試驗(yàn)，包括真空、熱交變或熱循環(huán)、振動(dòng)、輻射等試驗(yàn)，以發(fā)現(xiàn)諸如組裝、封裝、膠接等材料和工藝缺陷以及由于工藝缺陷造成氣體泄漏這類潛在的污染問題。這項(xiàng)工作與普通的結(jié)構(gòu)或材料的破壞或損傷機(jī)理分析不同，有它固有的特殊性，尤其是輻射對(duì)光學(xué)器件材料的影響最大。在空間發(fā)射史上，出現(xiàn)過某個(gè)光學(xué)器件不能正常工作，造成巨大損失的先例。比如文獻(xiàn)中提到的“伽馬射線大面積空間一號(hào)激光器”（GLAS Laser 1）曾經(jīng)在太空工作失效過。

3.2 振動(dòng)或沖擊試驗(yàn)

我們非常熟悉振動(dòng)或沖擊環(huán)境試驗(yàn)。這篇文獻(xiàn)特別指出：振動(dòng)或沖擊環(huán)境試驗(yàn)條件必須按照“系統(tǒng)技術(shù)條件”中的“部件級(jí)”條件制定并要相應(yīng)指定需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)。這點(diǎn)非常重要，因?yàn)樵囼?yàn)結(jié)果是否有用，一要保證試驗(yàn)件與振動(dòng)臺(tái)連接的邊界條件，二要保證試驗(yàn)環(huán)境是總體設(shè)計(jì)部門規(guī)定的鑒定試驗(yàn)規(guī)范。這些在“系統(tǒng)技術(shù)條件”中有明文規(guī)定，必須一絲不茍地執(zhí)行，才能獲得有效的試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 熱交變或老化試驗(yàn)

文獻(xiàn)是這樣指出的：“對(duì)一些參數(shù)及其有可能會(huì)發(fā)生的失效模式進(jìn)行定義，并在試驗(yàn)中始終監(jiān)測(cè)這些參數(shù)?！睘榱舜_保光學(xué)電子器件能在太空中長時(shí)間（一般5年以上）可靠工作，需要重點(diǎn)開展地面模擬冷熱交變?cè)囼?yàn)，以暴露冷熱交變沖擊后出現(xiàn)或潛在的故障。發(fā)生故障前，哪些技術(shù)參數(shù)可能會(huì)出現(xiàn)異常，在試驗(yàn)前必須做到心中有數(shù)。

3.4 輻射試驗(yàn)

文獻(xiàn)是這樣說的：“在使用輻射數(shù)學(xué)模型確定損傷加速倍率時(shí)，如果試驗(yàn)條件允許，則使用最壞的輻射條件?！庇捎谝ㄟ^地面環(huán)境模擬試驗(yàn)獲得光電子器件在太空工作環(huán)境下的各種可靠性設(shè)計(jì)參數(shù)，包括平均無故障工作時(shí)間、設(shè)計(jì)壽命、風(fēng)險(xiǎn)度，必須確定合適的加速因子，否則在地面無法實(shí)現(xiàn)幾年這樣長時(shí)間連續(xù)工作環(huán)境的老化試驗(yàn)。

環(huán)境鑒定試驗(yàn)計(jì)劃制定后，下步工作就是具體設(shè)定真空、振動(dòng)、熱與輻射等環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)。由于專業(yè)所限，本文只是對(duì)熱與振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定以及試驗(yàn)的細(xì)節(jié)予以介紹。

4 振動(dòng)環(huán)境參數(shù)及其試驗(yàn)細(xì)節(jié)

哥達(dá)德空間飛行中心（GSFC）所采購的商用光電子器件用于短期、低投資工程項(xiàng)目的星上儀表檢測(cè)設(shè)備，可以參照EO-1衛(wèi)星分系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。該衛(wèi)星的分系統(tǒng)振動(dòng)試驗(yàn)量級(jí)[2]（見表 1）可以直接用于商用光電子器件的振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)。

表1 商用光電子器件振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)水平*Table 1 Random vibration levels for small parts and components based on GEVS protoflight level

表 1給出的是一個(gè)梯形隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)譜。本“點(diǎn)評(píng)”作者要推薦這篇文獻(xiàn)的原因之一就是這個(gè)非常珍貴的試驗(yàn)譜。也就是說，太空探測(cè)用的高精尖、需要上天工作數(shù)年的光電子產(chǎn)品，可以參照這個(gè)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)譜在地面飛行前進(jìn)行可靠性、性能合格鑒定試驗(yàn)。此外，該文獻(xiàn)提供的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片也是值得仔細(xì)琢磨與推敲的，因?yàn)閺恼掌锌梢垣@得非常有價(jià)值的信息，比如取自文獻(xiàn)[1]的 2個(gè)圖（圖1與圖2）。通過這2個(gè)圖的比較，可發(fā)現(xiàn)振動(dòng)試驗(yàn)人員非常想要獲得的信息，包括試驗(yàn)夾具的結(jié)構(gòu)與臺(tái)面的連接以及試驗(yàn)監(jiān)測(cè)或監(jiān)控的位置及其固定方法。

圖1 不帶試驗(yàn)件的，但在試驗(yàn)夾具上安裝了監(jiān)控傳感器的現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 Small components for vibration test based on box level established on EO-1

圖2 顯示試驗(yàn)件（帶綠色電纜的）與試驗(yàn)夾具連接的實(shí)際照片F(xiàn)ig.2 AVIMS vibration fixture for ground test of cable assemblies

5 熱環(huán)境試驗(yàn)參數(shù)及其試驗(yàn)細(xì)節(jié)

文獻(xiàn)[1]指出：用于太空長時(shí)間工作的光電子器件熱環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在還沒有制定。一般情況下，典型且適中的量級(jí)為-25～85 ℃；也可以參照Telcordia公司采用的從-45～80 ℃的量級(jí)。如果是“黑箱”試驗(yàn)件的熱環(huán)境試驗(yàn)，可以按10 ℃的速率遞增，直到達(dá)至每個(gè)試件的極值為止。熱循環(huán)或熱交變的次數(shù)由零部件類型確定。比如：零部件準(zhǔn)備用于高可靠性組件類型，可以設(shè)定60次；屬于高風(fēng)險(xiǎn)的類型，設(shè)定30次；光電子航空器件，設(shè)定100或大于100次；高功率系統(tǒng)比這個(gè)次數(shù)還要高。

6 實(shí)例

文獻(xiàn)[1]提供了3個(gè)實(shí)例：1）航天飛機(jī)返回飛行；2）水星激光高度儀；3）地球科學(xué)激光高度儀。文獻(xiàn)分別通過實(shí)例1）的光纖集束（pigtaled）瞄準(zhǔn)儀和激光器二極管，實(shí)例2）的3個(gè)試驗(yàn)件，實(shí)例3）的光纖、組裝件、二極管3個(gè)試驗(yàn)件——總共8個(gè)試驗(yàn)件的真空、振動(dòng)、熱、輻射等空間環(huán)境鑒定試驗(yàn)，通過實(shí)物照片、圖表和簡(jiǎn)單明了的文字、數(shù)據(jù)，提供給同行們參考使用。鑒于專業(yè)所限，下面僅對(duì)水星激光高度儀的3個(gè)試驗(yàn)件（見圖3、圖4）的熱環(huán)境與振動(dòng)環(huán)境的試驗(yàn)參數(shù)作一些說明（參見表 2）。至于其他 2個(gè)環(huán)境，相關(guān)專家或試驗(yàn)人員可對(duì)照原文推敲。

圖3 水星激光高度儀照片[1]Fig.3 Photo of the Mercury Laser Altimeter(MLA)

圖4 水星激光高度儀1∶1地面仿真試驗(yàn)件[2]Fig.4 Bottom view of MLA mock-up with actual assemblies

性能要求：所有試驗(yàn)件都要在試驗(yàn)后保證其精度＜0.4 dB，850 nm。

振動(dòng)：3個(gè)方向，每個(gè)方向試驗(yàn) 3 min。表 2是它的試驗(yàn)規(guī)范。

表2 水星激光高度儀隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)規(guī)范Table 2 Test outline of random vibration test of MLA

熱環(huán)境：-30～50 ℃，90次循環(huán)，至少設(shè)置42個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，25 min均熱處理（soak），2 ℃/min的溫升速率。

7 文獻(xiàn)結(jié)論中的亮點(diǎn)

本“點(diǎn)評(píng)”作者看到文獻(xiàn)結(jié)論中有一個(gè)亮點(diǎn)值得引起注意，即通過材料、結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理的研究與分析，可以節(jié)約數(shù)千美元并推薦使用 Telcordia公司的產(chǎn)品。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)環(huán)境以及政府采購工作公開招標(biāo)的背景下，試驗(yàn)部門不偏不倚地提出這樣的結(jié)論，無疑對(duì)發(fā)展我國航天事業(yè)有利。但是，這四位數(shù)美元的節(jié)省，在該文獻(xiàn)作者作為特邀論文在2005年3月國際光學(xué)工程學(xué)會(huì)“智能結(jié)構(gòu)與材料，智能傳感器工藝技術(shù)與測(cè)量系統(tǒng)”年會(huì)上發(fā)表的文章[2]中，只有“成本的減少”，而沒有具體數(shù)據(jù)?？梢?，文獻(xiàn)[1]（幻燈片講稿）較文獻(xiàn)[2]（論文全文）可能含有更多技術(shù)信息。

在 http：//misspiggy.gsfc.nasa.gov/photonics 網(wǎng)站，列有幾十篇由文獻(xiàn)作者M(jìn).N.Ott撰寫的科技報(bào)告，內(nèi)容十分豐富，有助于對(duì)光學(xué)電子器件工程可靠性設(shè)計(jì)、鑒定、評(píng)估等方面的深入了解。

8 結(jié)束語

俗話說：隔行如隔山。受專業(yè)知識(shí)所限制，本“點(diǎn)評(píng)”肯定有若干不到位的地方。希望讀者特別是有關(guān)光學(xué)電子器件方面的專家、技術(shù)人員補(bǔ)充。歡迎通過郵箱fengzx2002@sina.com 與筆者討論，批評(píng)指正。謝謝！

（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