【航天工业行业标准(QJ)】 卫星可靠性设计指南

中华人民共和国航天行业标准
FL0111
2005—04-11发布
卫星可靠性设计指南
Guide to satellite reliability design国防科学技术工业委员会发布
QJ2172A—2005
代替QJ2172—91
2005-07—01实施
060508000073
规范性引用文件..
3术语定义和缩略语
般要求
可靠性设计的基本要求
卫星可靠性设计应遵循的准则
4.3权衡分析..
可靠性指标论证
卫星可靠性参数的选择
5.3可靠性指标的确定
5.4可靠性参数选择和指标确定的工作内容、方法和程序卫星论证阶段可靠性指标论证的工作内容5.5
5.6方案阶段
5.7注意事项
可靠性模型的建立，
目的，
任务可靠性模型
卫星系统常用可靠性模型
6.6复杂网络可靠性模型
6.7具有多功能单元的系统可靠性模型6.8注意事项
7可靠性分配
7.1概述
7.2目的..
7.3原则，
7.4步骤..
7.5方法.
7.6注意事项
8可靠性预计
QJ2172A—2005
QJ2172A—2005
8.4步骤
8.5方法，
8.6注意事项.
9故障模式、影响及危害性分析，9.1
概述，
步骤，
CA的基本方法
FMECA的输出
注意事项，
故障树分析，
概述，
步骤和方法
注意事项
元器件选用与控制
概述。
元器件选用控制的目的
元器件选择控制的原则
元器件选择控制要求
材料、机械零件和工艺选用控制12.1
概述，
材料、机械零件和工艺选用控制原则步骤与方法，
可靠电路设计
概述，
电路优化、简化设计，
瞬态和过应力保护
CMOS电路防锁定设计
单粒子事件防护设计.
....54
14元器件降额设计
14.2元器件的降额参数和量值
14.3几点说明
15热设计.．
15.1概述．
目的。
热设计原则.
15.4热设计步骤
16余设计
16.4步骤
16.5方法
16.6注意事项
电路容差分析，
概述。
原则.…
步骤，
方法，
注意事项.
电磁兼容性设计
概述，
卫星总体的电磁兼容性（EMC）设计设备/分系统EMC设计
潜在电路分析
目的和适用范围.
步骤，
应用说明，
20环境及其防护设计
卫星环境及影响
抗辐射设计
QJ2172A--2005
QJ2172A-—2005
防卫星静电放电（ESD）设计
20.5防振设计。
20.6防潮设计
21机械产品可靠性设计.
21.1卫星结构可靠性设计..
21.2卫星机构可靠性设计
22软件可靠性
22.1概述、
22.2一般要求
22.3方法，
22.4步骤、
本标准代替QJ2172—1991。
本标准与QJ2172—1991相比主要有以下变化：QJ2172A—2005
a）本标准主要按QJ1408A第200工作系列进行编写。原标准安全性设计、维修性设计、人机工程设计、可靠性试验、可靠性设计评审、可靠性评估等内容不作为本标准的内容，增加了CMOS防锁定设计、单粒子事件防护设计、卫星机构可靠性设计、最坏情况分析、机械零件及工艺选用控制等。
b）各章按基本统一的条目编写（可适当合并或剪裁）：概述、目的、一般原则、步骤、方法、示例、在卫星应用中注意事项等，卫星可靠性工作项目表按QJ1408A的要求选用。c
d）卫星可靠性指标参数选用表按GJB1909.1、GJB1909.4的要求进行。可靠性建模中去掉一些不常用的模型、公式，e）
可靠性预计强调可靠性模型和GJB/Z299B以及MIL一HDBK一217F。f）
g）可靠性分配增加最小工作量法，适应市场经济发展规律及要求。h）在一般要求中增加可靠性设计准则。自原标准颁布实施十多年来，卫星元器件、材料、工艺选用、潜在电路分析、FMEA、FTA、软件可靠性设计等技术已有很多新的成果与经验，已反映在标准中。容差分析技术增加了最坏情况电路分析技术（WCCA）。j）
k）本标准提出了卫星应用中应注意的问题。1）本标准有的内容强调了一些概念及管理，如可靠性指标、软件可靠性等，目的在于更好地应用本标准。
本标准由中国航天科技集团公司提出。本标准由中国航关标准化研究所归口。本标准起草单位：中国航天标准化研究所、中国航天科技集团公司第五研究院。本标准主要起草人：李东、徐雷、肖名鑫、任立明、周海京、余振醒、郭树玲、朱德懋、程尚达、跃普、张华、张伟、赵大鹏、白光明、刘志全、龚得荣、本标准于1991年2月首次发布，本次为第一次修订。V
1范围
卫星可靠性设计指南
本标准规定了卫星系统、分系统及设备可靠性设计和分析的方法。QJ2172A—2005
本标准适用于卫星系统、分系统及设备的可靠性设计，卫星地面设备及其它航天器可参照执行。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包含勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。GB/T2036—1994印制电路术语
GB/T3187-1994可靠性、维修性术语GB/T17574一1998半导体器件集成电路第2部分：数字集成电路GJB33A一1997半导体分立器件总规范GJB 72—1985
电磁干扰和电磁兼容性名词术语GJB450A一2004装备可靠性工作通用要求GJB451-1990可靠性维修性术语bzxZ.net
半导体集成电路总规范
GJB597A—1996
GJB768A-1997故障树分析指南
GJB813一1990可靠性模型的建立和可靠性预计GJB1029—1990
卫星热设计准则
GJB1909一1994(所有部分）装备可靠性维修性参数选择和指标确定要求GJB2438—1995
GJB3590-—1999
GJB/Z27—1992
GJB/Z35-1993
混合集成电路总规范
航天系统电磁兼容性要求
电子设备可靠性热设计手册
元器件降额准则
GJB/Z89---1997
电路容差分析指南
GJB/Z102—1997
软件可靠性和安全性设计准则
GJB/Z123—1999
宇航用电子元器件有效贮存期及超期复验指南电子设备可靠性预计手册
GJB/Z299B—1998
QJ1408A-1998航天产品可靠性保证要求QJ21761991
航天器布线设计和试验通用技术条件QJ2437-1993卫星故障模式、影响及危害性分析QJ2668一1994航天产品可靠性设计准则电子产品可靠性设计准则QJ3027—1998
航天型号软件测试规范
航天产品故障模式、影响及危害性分析指南QJ3050-1998
QJ2172A—2005
航天用电气、电子和机电（EEE）元器件保证要求QJ3057-1998
QJ3065.11998元器件选用管理要求印制电路板设计规范
QJ3103-—1999
QJ3125--2000
航天产品材料、机械零件和工艺保证要求QJ3126—2000
航天软件产品保证要求
QJ3128—2001航天软件开发规范QJ3217—2005
5潜在分析方法和程序
MIL-HDBK—217F1991电子产品可靠性预计NASA-STD--5001空间飞行器硬件结构设计和试验安全系数ECSS—Q—70A—1996空间产品保证——材料、机械零件和工艺3术语定义和缩略语
GB/T3187--1994、GJB4511990确立的术语和定义适用于本标准，下列缩略语适用于本标准。
EDAC—errordetectedandcorrected，故障检测与纠正EVA-extremevalueanalysis，极值分析：RSS—rootsquaresum，和平方根分析：SCA—sneakcircuitanalysis，潜在电路分析：SEEsingleeventeffect，单粒子效应；SEU-singleeventupset，单粒子翻转SGS-structuregroundingsystem，结构接地系统SPGsinglepointground，单点接地点：TID——totalionizingdose，总电离剂量：WCCA——worstcasecircuitanalysis，最坏情况电路分析。4一般要求
4.1可靠性设计的基本要求
可靠性设计的基本要求包括：
a）产品承制单位应依据QJ1408A-1998制定可靠性保证计划：b）产品可靠性保证计划应包括涉及整个研制过程中相互有联系、协调的可靠性管理、可靠性工程等工作项目，应纳入产品研制计划，以保证规定的可靠性工作项目圆满完成，并与其它研制工作密切结合、协调一致，以防止重复工作，提高投资效益c）产品可靠性保证计划应按照产品本身的特点及合同（或任务书）要求，确定可靠性工作项目及工作内容、范围：
d）卫星可靠性保证计划应在型号两总主持下，由可靠性设计师制定，经评审及批准后实施，计划修改应履行同样的程序：分系统、设备等也应制定相应的可靠性保证计划，履行类似的审批程序：e）通过功能和可靠性分析来鉴别系统、分系统、设备的全部薄弱环节：f）通过可靠性指标论证、可靠性建模、分配和预计来估计产品（系统、分系统或设备）可靠性定量要求：
系统设计中应尽量避免单点失效g
h）通过合理穴余提高系统（设备）的任务可靠性：QJ2172A—2005
i）通过加大设计裕量（如降额应用）和采用光、机、电、软件可靠性设计技术，使故障减至最小。表1列出卫星可靠性保证计划在各研制阶段的可靠性工作项目，可靠性设计与分析是其中重要组成部分。
表1卫星可靠性工作项目表
工作项目
可靠性工作计划
对转承制单位和供货方的监控
可靠性评审
故障报告、分析和纠正措施系统故障审查
可靠性模型的建立
可靠性分配
可靠性预计
故障模式、影响和危害度分析
故障树分析
潜在电路分析
电子元器件和电路容差分析
电路最坏情况分析
元器件、材料和工艺控制
可靠性关键项目
确定功能试验、包装、贮存、装卸、运输及维修影响
环境应力筛选
可靠性研制与增长试验
可靠性验证试验
技术指标
论证阶段
方案阶段
注：√表示适用：4表示选用：O表示设计更改时应用：X表示不适用。4.2
卫星可靠性设计应遵循的准则
卫星可靠性设计应遵循的准则有：工程研制阶段
初样阶段
试样或正样阶段
生产阶段
在确定卫星总体、系统、分系统及设备方案时，应对性能、可靠性、经济性、安全性等指标充分a
运用最佳设计方法和综合权衡优化设计技术：优先选用在实际任务环境中经过考验、验证、技术成熟的技术方案、硬件和软件，充分考虑产品b
设计的继承性，支持对提高产品可靠性有利的技术进步；c）
简化设计：尽量简化系统配置，减少硬件和软件的数量和规模：“三化”（通用化、系列化、组合化）设计：多采用标准部件、组件、元器件、组装件和接口，减少元器件型号、规格及生产厂家：3
QJ2172A—2005
e）穴余设计：采用合理的硬件、软件的穴余设计，尽量消除单点失效；f）环境防护设计：充分进行环境影响分析，实施硬件和软件的环境防护设计（热设计、电磁兼容设计、抗辐射设计、防静电放电设计、防振防潮设计等）；g）降额设计：对电子、电气和机电产品或元件采用降额设计、电路容差设计及最坏情况设计、防瞬态设计；
h）裕度设计：对非电产品开展裕度设计；i）卫星电子产品可靠性设计准则参照QJ2668一1994执行：j）新技术、新器材必须经过充分论证、试验和鉴定，方能引人新产品设计。重要零、部（组）件必须经检测、试验、鉴定合格后，方能装机进行整机试验4.3权衡分析
权衡分析是在一系列约束下的系统最优化问题，是设计过程的一个基本组成部分，从系统级的参数开始向设备设计的具体参数依次进行权衡分析。方案设计阶段，权衡分析在大范围的系统参数中进行，例如权衡性能、费用、进度及风险等参数，以获得最优的方案，随着设计的深入，要求进一步确定指标，权衡分析在更低一级的系统参数中进行。如可靠性、维修性、可用性、安全性、保障性及寿命周期费用。当参数值（指标）确定后，在每个参数内进行权衡。例如在可靠性权衡分析中，人们可选用下述备选方案以获得一个满足设备可靠性要求的设计：更可靠的元器件；设计简化；元器件降额；亢余。即使在每一个参数中也还需进行进一步权衡分析，如冷备还是热备；分系统、设备穴余还是元器件、组件穴余，权衡分析的基本步骤是：
a）确定权衡的问题，建立权衡准则及约束条件；b）综合备选的设计方案
c）分析备选设计方案
d）根据权衡准则评定分析结果，以消除超出限制边界的那些分析结果；e）选择满足权衡准则及限制边界的备选方案，或重定备选方案，重复步骤b）到e），以取得新的解答。
5可靠性指标论证
5.1概述
卫星可靠性设计面临的首要问题是明确它的可靠性目标要求（通常这些要求是定性与定量相结合的），通过卫星设计、研制、生产和试验过程的努力，把可靠性作为一个重要方面“引人”系统或产品之中并最终实现这些目标，
卫星可靠性定量要求的工作就是可靠性参数的选择和指标确定的工作，它直接关系到卫星执行任务能力的提高和全寿命周期费用的节省，是影响卫星可靠性的关键因素之一。卫星可靠性定量要求的工作主要应明确下述几点：
a）可靠性参数选择；
b）可靠性指标确定：
c）可靠性定量要求与型号论证、研制工作的关系。可靠性工程发展的一个重要标志是产品可靠性定量要求（即参数的选择和指标的确定工作）的出现。它是在总结长期工程实践经验，并伴随着近代数理统计学和系统论发展的基础上的产物。它对推动装备+
QJ2172A-2005
研制自标的实现是一个大的进步。可靠性定量要求可以对产品的设计和实物取得比较确切的、可予验证的科学度量，减少单纯定性要求（例如“可靠性尽量高”等）的不确定性、模糊性。卫星可靠性定量要求工作的实施主要应依据国家军用标准GJB1909-1994。这个系列标准包括总则、导弹和运载火箭、核战斗部、卫星、军用飞机、舰船、装甲车辆和军用汽车、火炮和弹药共九项标准。系列标准根据不同装备的共性和自身特点对定量要求中的可靠性、维修性参数的选择原则与方法，指标量值确定的原则与方法，以及这项工作在研制过程中的实施办法作出了比较明确的规定。其中GJB1909.4-1994“卫星”是GJB1909一1994标准的一项，卫星的可靠性参数选择和指标确定工作的开展应同时遵循GJB1909.1—1994“总则”和GJB1909.4-1994“卫星”这两个标准的要求。就一般的系统或产品而言，表述系统可靠性和维修性的参数是直接与战备完好、任务成功、维修人力及保障资源有关的。这里提出了一个重要的概念，即系统或产品完整的可靠性维修性的规定和度量通常并不是单一的表述。为了满足对装备可靠性维修性不同的要求，应当从四个独立的方面，采用直接与下述四方面有关的参数加以度量：a）战备完好的可靠性维修性参数：规定或实现可靠性、维修性对系统或设备的战备完好应有的作用，它们涉及到不能投人使用的故障出现的概率和排除此类故障使系统得以恢复所需的努力。例如可靠性参数的平均不能工作事件间隔时间，维修性参数的平均恢复时间。b）任务成功的可靠性维修性参数：与系统任务期间偶然（随机）故障出现的概率有关的参数。例如可靠性参数的可靠度R（t）、故障率（t）、故障前平均工作时间（MTTF）等，维修性参数的平均维修时间、平均修复时间等。c）维修人力费用的可靠性维修性参数：由可靠性和维修性决定的系统维修人力费用部分。例如可靠性参数的平均维修间隔时间，维修性参数的维修工时率。d）综合保障费用可靠性维修性参数：实现系统可靠性和维修性所需消耗的保障器材、物资、人力的度量。
通常，系统或产品的可靠性维修性应有两类参数使用参数和合同参数，并且这两类参数之间通常存在一定的转换关系。使用参数是直接反映对系统或产品的使用需求的可靠性维修性参数：合同参数是在合同和研制任务书中表述使用部门对系统或产品可靠性和维修性要求，并是研制单位在研制生产过程中能够控制的参数。但卫星的这两类参数之间没有差别，因此也不存在转换的问题。卫星飞行产品的数量极少，要求一次成功，并通过地面充分试验验证与改进设计过程加以保证。卫星不同于有些装备（如飞机、导弹与运载火箭），经过一个试生产、试用阶段，进一步在现场环境下暴露设计与工艺等问题经过改进，使产品实现可靠性增长，进入成熟期，达到目标值（或规定值）。因此从很大程度上讲，必须要求卫星一上天就投人实际使用，就达到目标。由于这种首颗星存在较大技术风险的客观事实，研制单位与用户间往往在文件中采用门限值（或最低可接受值）。可靠性维修性指标就是对应参数的量值。就指标而言，存在使用参数的门限值、目标值和合同参数的最低可接受值、规定值。其中门限值或最低可接受值是系统或产品必须达到的，而目标值或规定值是系统或产品被要求达到的。目标值是规定值确定的依据，而门限值则是最低可接受值确定的依据。5.2卫星可靠性参数的选择
5.2.1参数选择的原则和方法
卫星可靠性参数选择应考虑：系统或产品的类型和复杂程度；系统或产品的使用要求；以及考核或验证方法。