航天工程使用的元器件,要求它的環(huán)境適應(yīng)性與所在整機(jī)的不同運(yùn)行階段的環(huán)境有關(guān)。航天元器件在儲存、發(fā)射、運(yùn)行、返回等階段承受的主要環(huán)境應(yīng)力,根據(jù)不同階段的環(huán)境應(yīng)力對元器件環(huán)境適應(yīng)性提出不同的要求。
研發(fā)試驗中常用到的測試設(shè)備為:高低溫低氣壓試驗箱、溫濕度低氣壓試驗箱、快溫變試驗箱、溫度沖擊試驗箱、恒溫恒濕試驗箱等多種環(huán)境測試設(shè)備。
儲存階段
航天型號總裝完成至發(fā)射之前這一段時間,為航天工程的儲存階段。大多數(shù)航天器的儲存周期較短,所用元器件一般都能適應(yīng)其儲存環(huán)境。但有些戰(zhàn)略武器儲存周期長達(dá)20至30年,在此階段航天型號要在地面承受氣候(溫度、濕度、鹽霧等)、機(jī)械(運(yùn)輸過程的振動、沖擊等)、電磁(靜電放電、電磁干擾等)以及霉菌等環(huán)境的影響。但大多數(shù)元器件都能適應(yīng)這些儲存環(huán)境,個別元器件可采取 三防 (防潮、防鹽霧、防霉菌)、減振、靜電屏蔽等防護(hù)措施,以適應(yīng)航天型號在地面的儲存環(huán)境。一般當(dāng)元器件的設(shè)計、材料、工藝不存在嚴(yán)重缺陷時,絕大多數(shù)元器件基本具備了航天型號在一定儲存周期的環(huán)境適應(yīng)性。
發(fā)射階段
航天型號在靶場發(fā)射后入軌至在軌定點為航天型號的發(fā)射階段。發(fā)射階段將承受較儲存階段嚴(yán)酷得多的環(huán)境影響。在導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭起飛及動力飛行階段,航天器及運(yùn)載火箭將經(jīng)受各種嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境考驗。發(fā)射階段的環(huán)境包括:
(1)加速度環(huán)境
在航天飛行器發(fā)過程中,發(fā)動機(jī)的推力使航天飛行器速度迅猛增加,航天飛行器承受的加速度也不斷增加,最大值一般出現(xiàn)在發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)前。
(2)隨機(jī)振動環(huán)境
航天飛行器主動飛行階段存在發(fā)動機(jī)推力脈動,它是由發(fā)動機(jī)燃燒參數(shù)不穩(wěn)定引起的,推力脈動引起的振動呈現(xiàn)隨機(jī)振動的特性。
(3)瞬態(tài)環(huán)境
航天飛行器的運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生突然變化的環(huán)境稱為瞬態(tài)環(huán)境。發(fā)射過程中各種飛行事件的改變都有可能發(fā)生瞬態(tài)環(huán)境?;鸺l(fā)動機(jī)點火/關(guān)機(jī)、級間分離等環(huán)節(jié)將發(fā)生低頻(0.5至100Hz)瞬態(tài)環(huán)境;航天器/火箭分離等環(huán)節(jié)將發(fā)生高頻(100至1000Hz)瞬態(tài)環(huán)境。
(4)聲環(huán)境
在航天飛行器的起飛階段及一級(跨聲速)飛行階段,發(fā)動機(jī)的噴流噪聲和氣動噪聲將產(chǎn)生頻率為100至10000Hz的聲環(huán)境。
以上是航天型號發(fā)射階段發(fā)生的主要環(huán)境,嚴(yán)重的有可能使航天型號結(jié)構(gòu)變形、損傷甚至斷裂。但對所有元器件只要本身無致命缺陷,通過了鑒定檢驗和質(zhì)量一致性檢驗,并按操作規(guī)程正確裝聯(lián),是能夠經(jīng)受得住發(fā)射階段環(huán)境考驗的。
運(yùn)行階段
航天工程發(fā)射階段完成進(jìn)入正常運(yùn)行,直至正常運(yùn)行結(jié)束為航天型號的運(yùn)行階段。不同航天型號運(yùn)行周期的長短有很大差別,一般情況下,導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭的運(yùn)行周期很短(以小時計),航天器的運(yùn)行周期較長(以年計),其承受的環(huán)境影響也有很大差異。除部分導(dǎo)彈外,大多數(shù)航天型號的運(yùn)行階段是在空間運(yùn)行,所以其經(jīng)歷的環(huán)境稱為空間環(huán)境??臻g環(huán)境主要包括:真空、熱、輻射、微流星和原子氧等環(huán)境。
(1)真空環(huán)境
可用地球周圍空間大氣密度的高低來描述真空環(huán)境,但環(huán)境真空度的高低一般不用大氣密度而是用大氣壓力來表征,大氣壓力隨著距離地球表面高度的增加基本上按指數(shù)規(guī)律下降。元器件在真空環(huán)境中將產(chǎn)生真空釋氣,元器件的表面涂覆將不斷氣化、釋放,降低了元器件本身的保護(hù)作用,或?qū)χ苓呍骷a(chǎn)生不利影響,處于真空中的非密封繼電器還可能產(chǎn)生 真空冷焊 失效。
(2)真空熱環(huán)境
在地面非真空環(huán)境中航天器及元器件產(chǎn)生的熱量將通過對流、輻射和傳導(dǎo)方式散熱,但在真空環(huán)境中,由于缺乏空氣,對流基本上失去作用,散熱主要依靠輻射和傳導(dǎo)兩種方式,只能通過航天器及電子線路盒和元器件線路板的熱設(shè)計,來加強(qiáng)熱量的傳導(dǎo)作用。
(3)輻射環(huán)境
空間輻射環(huán)境中的帶電粒子輻射(地球輻射帶、太陽宇宙線、銀河宇宙線及等離子體)可在航天器的電子器件和材料中產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)、在光電器件中產(chǎn)生位移損傷效應(yīng)、在邏輯器件中產(chǎn)生單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)、在體硅CMOS器件中產(chǎn)生單粒子鎖定(SEL)、在MOSFET中產(chǎn)生單粒子燒毀(SEB)或單粒子?xùn)艙舸⊿EGR)、在模擬器件中產(chǎn)生單粒子瞬時干擾(SET)、在航天器外部熱控包覆材料上產(chǎn)生表面充/放電效應(yīng)、在設(shè)備內(nèi)部印制電路板中產(chǎn)生內(nèi)帶電效應(yīng)、在高壓母線太陽電池陣產(chǎn)生二次放電或電流泄露等。此外,航天器將經(jīng)受紫外(UV)輻射和原子氧(AO)輻射,這些輻射對航天器表面材料有一定影響,對航天器內(nèi)部的元器件一般沒有嚴(yán)重影響。
返回階段
航天型號經(jīng)受的返回環(huán)境是指導(dǎo)彈彈頭、航天器的回收部分(返回式衛(wèi)星的回收艙、載人飛船的返回艙)再入大氣層過程中經(jīng)受的各種環(huán)境,包括加速度、聲振、氣動熱和著陸沖擊等,對設(shè)計、材料和工藝不存在嚴(yán)重缺陷且裝聯(lián)正確的元器件是能夠承受返回階段的環(huán)境考驗的。