可靠性高加速试验技术及其在我国空间站应用领域实施的总体思路

刘 凯，吕从民，党 炜，伏洪勇

（1.中国科学院大学，北京100049；2.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

可靠性高加速试验技术及其在我国空间站应用领域实施的总体思路

刘 凯1，2，吕从民2，党 炜2，伏洪勇2

（1.中国科学院大学，北京100049；2.中国科学院空间应用工程与技术中心，北京100094）

我国载人空间站任务计划运营周期10年以上，期间开展长期、持续的空间科学与应用研究，对应用有效载荷提出了“长寿命、低成本”的任务需求，需要采用高加速试验技术（HALT、HASS）提高并评估航天产品的可靠性。早期的高加速试验多用于民用产品，且多采用定性方法。近年来高加速试验的研究取得持续进展，逐渐注重HALT、HASS的定量研究。本文结合我国空间站应用领域“长寿命、低成本”的任务需求，提出了HALT⁃HASS⁃ADT（HHA）的高加速试验集成方法及其总体实施思路。

可靠性；高加速寿命试验；高加速应力筛选；加速退化试验；空间站

1 引言

可靠性试验是为了测定、评价、分析和提高产品的可靠性而进行的各种试验的总称［1］。可靠性试验的试验条件根据产品寿命剖面（含任务剖面）确定。通过可靠性试验，可以暴露产品在设计、工艺、器件、材料等方面的潜在缺陷，从而分析改进提高产品可靠性并达到预定水平，或验证产品可靠性指标是否达到规定要求［1］。目前，航天器的设计寿命要求几年甚至十几年［2］，相应地要求航天产品具有高可靠、长寿命特征，模拟产品使用条件的可靠性试验方法往往无法在有限试验时间内获取足够的故障数据，或者试验时间过长、成本过高，试验效益比较低。

可靠性高加速试验技术起源于20世纪50～60年代的老练试验和70年代的环境应力筛选，美国学者Gregg Hobbs［3］将这种试验方法称为高加速寿命试验（Highly Accelerated Life Testing，HALT）和高加速应力筛选（Highly Accelerated Stress Screening，HASS），HALT针对早期设计和验证阶段，而HASS针对产品生产阶段。该试验技术已经在 Boeing［4］、Otis［5］等公司的设备研制过程中得到了广泛应用，由此获得了高可靠性，缩短了产品的研制周期，取得了明显的经济效益。

高加速试验技术采用比产品正常工作更加严酷的试验条件，激发产品潜在缺陷，更多地获得产品寿命、性能等可靠性信息，从而改进产品设计，提升可靠性。对于大多数的高可靠性、长寿命产品来讲，更加关注某些性能指标随时间不断退化和演变过程，因此可以利用加速退化数据分析代替失效数据分析来进行产品的可靠性评估。

我国载人空间站任务计划运营周期10年以上［6］，要求空间科学实验相关的基础支持系统“高可靠、长寿命、低成本”。可靠性高加速试验技术为满足空间应用有效载荷的可靠性需求提供了一条行之有效的途径。

本文在分析国内外高加速试验技术的理论、工程应用和发展趋势的基础上，结合我国载人空间站应用任务特点和需求，提出在空间站应用领域实施高加速试验技术的总体思路。

2 可靠性加速试验技术内涵

2.1加速试验的基本方法

加速试验包括加速寿命试验（Accelerated Life Testing，ALT）、加速退化试验（Accelerated Degradation Testing，ADT）、高加速寿命试验（HALT）和高加速应力筛选试验（HASS）等。总体上，所有加速试验的理论依据是失效物理学［1］，应力越高，缺陷部位的疲劳和破坏比无缺陷部位快得多。

在试验方法方面，高加速试验采用的应力量级远高于一般加速试验，通过选择合适的高加速试验剖面，可以保证失效机理一致性，极端应力只是加快了潜在故障的激发过程，而不会引入新的失效模式和失效机理［1］。对于应力类型和施加方法，HALT、HASS主要采用综合环境应力（如温度循环和随机振动应力）和工作应力，应力施加顺序一般为低温步进、高温步进、温度循环、振动步进、温度循环和振动步进综合应力；ALT、ADT在工程上主要采用单加速应力，如温度、振动或电应力，应力施加方式包括恒定应力、步进应力和序进应力［1］。在应力水平方面，加速试验的应力水平均超过产品规范。各种加速试验的应力范围如图1所示。

在数据分析方面，在失效机理一致的前提下，ALT针对加速寿命数据，通过加速模型外推得到正常条件下的寿命分布。对于具有退化特征的产品，ADT通过加速退化模型和失效阈值，将退化数据转化为伪寿命数据［7］，然后可利用ALT数据分析方法对伪寿命数据进行分析。

在应用特点上，ADT采用性能退化数据，研究产品由退化到假定失效的过程。对于如空间站的长寿命工程任务，利用ADT评估产品退化到某种程度时的可靠性，根据评估结果进行预防性维修和健康状态监测［8］，可以极大地节约维修时间和费用。因此，ADT更适用于空间站可维修的特点。

2.2寿命分布

加速试验中产品的失效机理不变即服从同一种寿命分布，寿命分布应用于所有加速试验中［9］。常用的包括指数分布、威布尔分布、正态分布和对数正态分布。对于航天产品，主要包括电子学、机电产品两大类：

指数分布可以很好地描述电子元器件、电子设备的寿命，其重要的一个特性是失效率为常数；

威布尔分布主要用于描述疲劳失效，适用于轴承、运动机构等机电产品的寿命分布［7］。

2.3加速模型

加速模型表征寿命特征和应力水平的关系，应用于所有加速试验中［9］。常见的加速模型包括阿伦尼斯（Arrhenius）模型、逆幂律模型、艾林（Eyring）模型等。一般对于航天电子学产品，采用阿伦尼斯模型；对于机电类产品，采用逆幂律模型。

1）阿伦尼斯（Arrhenius）模型

Arrhenius模型是一种物理加速模型，适用于电子学产品。该模型以温度作为加速应力，高温能使半导体电子元器件内部化学反应加快，促使产品退化或失效。该模型如式（1）［7］：

式中，ξ为特征寿命；A为与产品有关的正常数；E为材料有关的激活能（eV）；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度（K）。

2）逆幂律模型

逆幂律模型是一种经验加速模型，主要用于机械产品和电工产品中。该模型主要以电应力作为加速应力，寿命特征随着应力的上升而按负次幂函数下降。该模型如式（2）［7］：

式中，c为与激活能有关的正常数；v为电应力。

2.4加速退化模型

加速退化模型用于ADT中退化数据的分析。产品的退化过程可以用退化轨迹来进行描述，常见的退化轨迹包括线形、凸形、凹形。目前，一般采用两种方法对退化数据进行建模分析，如图2所示。

1）伪寿命分布模型：将产品性能退化量或与之相关的参数作为时间的函数，利用退化方程描述伪寿命值与应力水平的关系［7］。

2）退化量分布模型：将性能退化量看作随机变量，不同样本在同一时刻的退化数据作为该随机变量的一组实现［7］。

退化量分布一般包括为威布尔分布、对数正态分布和正态分布。其中，由于威布尔分布函数具有幂律特征，具有为不同失效模式提供便于处理的完整形式的能力，因此大多情况下选择威布尔分布的退化量分布模型［7］。

2.5可靠性评估方法

目前，可靠性评估主要包括经典统计学方法和贝叶斯方法。前者适用于样本量较大的情况，能较好地代表总体的分布；后者适用于小样本的情况。

1）ALT的可靠性评估方法

对于ALT，选择适当的寿命分布，评估加速应力下的分布参数；根据加速模型，外推正常条件下的分布参数，从而评估产品可靠性［7］。

2）ADT的可靠性评估方法

对于ADT，可基于伪寿命分布和退化量分布建立加速退化模型。若基于伪寿命分布，选择退化轨迹模型；根据失效阈值，估计伪失效寿命，选择伪寿命分布；根据加速模型，外推正常条件下的寿命分布，进而评估产品可靠性。若基于退化量分布，选择退化量的分布模型；分布参数一般为时间和应力的函数，根据加速模型，外推正常条件下的退化量分布参数；根据失效阈值，评估产品可靠性［10］。

3）贝叶斯评估方法

对于小样本的情况，贝叶斯方法基本思想是假设寿命分布参数有“先验分布”，利用贝叶斯公式，根据先验分布和试验数据推导出“后验分布”［7］。

后验分布扩充了产品的可靠性信息，因此评估的结果更为准确。

3 高加速试验在航天领域的应用情况

3.1航天应用实例

在一般加速试验方面，国内外针对在轨寿命有限的产品或部／组件，通过加速试验开展任务寿命验证。美国航空航天局（NASA）对航天电池［11］、轴承［12］、CMOS器件［13］等产品开展了广泛的加速试验研究，以此提高并评估产品的可靠性。欧洲航天局（ESA）对太阳能阻断二极管和电池板绕线［14］进行加速试验，在短期内加速暴露产品潜在缺陷，验证在轨任务寿命。我国载人航天工程空间应用系统较早地采用加速试验技术，针对定标机构、调焦机构、指向镜、固态功放、分离脱落插头、激光器组件、制冷机等长寿命高可靠产品开展了可靠性加速试验验证与评估研究，取得了较好的研究成果。此外，加速试验技术已应用于我国航天电连接器［15］、月球车驱动系统密封副［16］的可靠性研究，取得了一批重要的应用成果。

在高加速试验方面，国内外将高加速试验技术用于航空［4］、汽车［17］、电脑［18］等工业领域，在提高产品可靠性、减少研发成本方面发挥了巨大作用。但在航天领域，关于HALT和HASS技术应用的公开报道较少。美国利用激振锤形成分布式激振系统，对卫星整星进行HALT试验［3］；我国对星载铷原子频标设计并实施HALT试验，为改进产品设计、提高可靠性提供依据［10］。

在加速试验标准方面，ALT的相关标准制定较多。我国1981年颁布了恒定应力试验的4个国家标准GB2689.1～4－81［19⁃22］，2004年颁布了弹药元件步进应力试验的国军标 GJB5103⁃2004［23］。相比之下，国内外关于高加速试验的标准制定较少，国际电子工业联接协会（IPC）在2010年颁布了电源设备的高加速试验标准IPC9592A［24］、国际电工委员会（IEC）在2013年颁布了关于定性与定量加速试验方法的标准IEC62506［25］，我国在2012年颁布了电工电子产品的 HALT国家标准 GB／T29309⁃2012［26］，这些标准的对象均是针对地面和航空产品。

由此可见，一般加速试验技术在航天应用较为广泛，但高加速试验技术目前多用于民用批量产品，且多采用定性方法提高可靠性，如何采用高加速试验技术，定量提高、评估航天产品可靠性，成为航天领域应用的难点。

3.2高加速试验技术发展趋势

1）HALT和HASS技术

近年来，HALT与HASS的研究取得持续进展，其发展趋势主要体现在两个方面：第一，逐渐注重HALT结果用于寿命预测的研究。在分析失效机理一致的前提下，目前业内利用交流驱动机平衡电阻器的HALT结果，预测外场寿命［27］。第二，逐渐关注HASS剖面的定量验证。目前业内开展了基于Wöhler方程（S⁃N曲线）和Miner准则的疲劳算法，进行HASS随机振动剖面安全性验证的研究［28］。

2）ADT技术

近年来产品集成度越来越高，其中有些为小批量甚至单件产品，面对这样的情况，ADT技术的发展趋势主要体现在两个方面：第一，多退化特征系统可靠性研究的关注程度逐渐升高。功能复杂的系统级产品往往具有多个退化特征，需要计算性能参数之间的协方差，通过相依函数（Copula function）推导联合分布函数。第二，贝叶斯方法在可靠性评估的应用逐渐增多。航天领域往往使用小批量甚至单件产品，贝叶斯方法通过对相似产品先验信息的挖掘，不断更新性能退化的可靠性信息，提高可靠性评估的精度。

4 我国空间站应用领域实施高加速试验的思路

4.1应用领域任务需求

我国载人空间站建成后，在运行和管理阶段的主要任务是：开展长期、持续的载人航天活动和空间科学研究、空间应用、技术试验等活动；根据空间科学及应用的需要进行空间站扩展和载荷更换；对空间站进行维护维修和评估，延长使用寿命［6］。空间站应用任务对有效载荷可靠性的要求主要体现在“长寿命、低成本”两个方面：

1）关键和重要的应用项目寿命要求长、可靠性要求高。载人空间站设计寿命长达10年，并具有通过维护维修延长使用寿命的能力［6］，对于有效载荷信息系统、实验柜支持系统等关键／重要产品应采用HALT、ADT等试验技术开展长寿命验证，或根据性能退化情况实施视情维修或预防维修。

2）应用项目创新性强、指标先进，没有高性能、高等级的元器件／部组件可选用，将不得不选用商用货架（COTS）高性能产品，需要解决COTS产品的可靠性保证和试验成本问题。

国外航天领域使用COTS器件的研究始于20世纪70年代，并从90年代中期开始处于全面发展阶段［29］。2013年，NASA JPL报告指出微电子塑封器件（PEMs）大量用于航天工程中［30］。国内航天领域也逐渐使用COTS产品，载人航天空间应用系统在COTS产品可靠性方面开展了探索并得到了飞行验证，如大容量存储器、光收发模块等。实践表明针对COTS产品，通过采用合适的可靠性试验（含高加速试验技术）可以保证产品可靠性，同时大大减少试验时间，实现试验成本最大程度的降低。

4.2总体实施思路

目前，国内航天领域缺少统一的高加速试验方法和标准，为了满足我国载人空间站应用任务特点和需求，在前期工程研究和实践的基础上，本文提出一个基于长寿命产品退化特征的可靠性高加速试验技术航天应用保证框架，即综合HALT⁃HASS⁃ADT（HHA）的高加速试验集成方法。总体思路是：

1）在充分研究产品失效机理的基础上，选择试验项目、应力类型、组合方式和施加方式，对产品实施HALT试验，探索产品的应力极限量值，为HASS初始剖面的制定提供依据；

2）依据HALT的试验结果，制定HASS初始剖面，而后进行HASS剖面的有效性验证；

3）建立产品加速模型、性能退化模型，选择应力类型、组合方式和施加方式，建立关键性能参数集，开展ADT试验，通过数据甄别／数据融合，充分利用HALT／HASS退化数据进行模型验证，也可作为贝叶斯先验信息，进行可靠性评估和剩余有效寿命预测；

4）将产品的退化特征、剩余寿命预测的结果用于HASS剖面安全性验证，并完成HASS剖面的优化，并将此剖面用于批量产品的高加速筛选过程中。

5 结论

1）本文综述了国内外高加速试验（HALT、HASS）的理论和工程应用，高加速试验多用于民用产品领域，且多采用定性方法提高产品可靠性。近年来，高加速试验的研究取得持续进展，逐渐注重HALT、HASS的定量研究，为高加速试验在航天领域的应用提供借鉴。

2）结合我国载人空间站应用领域“长寿命、低成本”的任务需求，本文提出综合HALT⁃HASS⁃ADT（HHA）的高加速试验集成方法及实施的总体思路，对于航天产品长寿命验证、进行预防性维修、提高试验效益等具有作用，为满足空间站应用任务需求提供了一条行之有效的途径。

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（责任编辑：庞迎春）

Highly Accelerated Reliability Testing and Thoughts of Its Implementation on China Manned Space Station

LIU Kai1，2，LYU Congmin2，DANG Wei2，FU Hongyong2

（1.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2.Technology and Engineering Centre for Space Utilization，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China）

China manned space station will operate for over ten years.Long term and sustained space science and application researches will be conducted during its operation.So the application payloads must meet the“long life and low cost”mission requirement.Thus highly accelerated tes⁃ting（including HALT and HASS）is needed to improve and estimate the reliability of the space products.Early highly accelerated testing is commonly used in the civilian products and often with qualitative methods.In recent years，the research on highly accelerated testing has made consistent progress，and quantitative study of HALT and HASS is emphasized.According to the“long life and low cost”mission requirement in the space station application field，a HHA accelerated testing method was proposed in this paper by the integration of HALT，HASS and ADT.In addition，the o⁃verall implementation of HHA accelerated testing method was also proposed.

reliability；highly accelerated life testing；highly accelerated stress screening；acceler⁃ated degradation testing；space station

V416.3

：A

：1674⁃5825（2017）02⁃0222⁃05

2016⁃04⁃18；

2017⁃02⁃28

总装备部预研基金（9140A19021315ZK31267）

刘凯，男，博士，工程师，研究方向为可靠性系统工程。E⁃mail：lk＠csu.ac.cn