【航天工业行业标准(QJ)】 航天产品环境应力筛选指南

中华人民共和国航天行业标准
FL0111
QJ3138—2001
航天产品环境应力筛选指南
Guideline of environmental stress screening for aerospace products2001-11-15发布
国防科学技术工业委员会
2002—02—01实施
前言。
1范围，
2规范性引用文件
3术语和定义，
4一般要求..
4.1环境应力筛选的目的、应用与效益，4.2环境应力筛选大纲，
4.3受筛选产品.
4.4通用检测仪表.
4.5筛选设备要求..
4.6受筛选产品性能监测
4.7环境应力筛选条件允差
4.8ESS信息收集、分析与记录
4.9故障处理.
5详细要求
5.1环境应力筛选方法
5.2航天器和运载器的环境应力筛选目
附录A（资料性附录）常规ESS原理/定量ESS的数学模型/航天ESS标准的发展，附录B（资料性附录）×××导弹系统环境应力筛选技术条件及要求附录C（资料性附录）×××运载器电子产品环境应力筛选的条件及要求..附录D（资料性附录）若干航天系统产品环境应力筛选技术条件及要求的综述QJ3138-2001
....46
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《航天产品环境应力筛选指南》是贯彻GJB450《装备研制与生产的可靠性通用大纲》、QJ1408A《航天产品可靠性保证要求》、GJB1032《电子产品环境应力筛选方法》和GJB/Z34《电子设备环境应力筛选指南》等通用的要求与方法标准的指导性技术文件。为航天型号工程管理和技术人员编制和实施航天产品环境应力筛选大纲提供指导。本指导性技术文件的附录A、附录B、附录C、附录D为资料性附录。本指导性技术文件由中国航天科技集团公司提出。本指导性技术文件由中国航天标准化研究所归口。本指导性技术文件起草单位：中国航天标准化研究所。本指导性技术文件主要起草人：宋文治、施修明、伍平洋。I
1范围
航天产品环境应力筛选指南
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本指导性技术文件提供了航关产品环境应力筛选的一般技术要求和原则，并提供相应的实施方法及应用示例。
本指导性技术文件中的相关要求与技术内容适用于导弹和航天系统电子产品，为编制受筛产品的环境应力筛选大纲提供指导。其它类型产品可参照执行。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过本指导性技术文件的引用而成为本指导性技术文件的条款。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指导性技术文件，然而，鼓励根据本指导性技术文件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，其最新版本适用于指导性技术文件。GJB451可靠性维修性术语
GJB841故障报告、分析和纠正措施系统GJB899-1990可靠性鉴定和验收试验GJB1032电子产品环境应力筛选方法GJB/Z34电子设备环境应力筛选指南MIL-STD一1540C（1994）运载器、上面级飞行器、航天器试验要求MIL一STD一2164A（1996）电子产品环境应力筛选指南3术语和定义
GJB451、GJB1032、GJB/Z34确立的以及下列术语和定义适用于本指导性技术文件。3.1
部件subassembly
部件是包含两个或更多个元器件（零件）的单元，它们可以被拆开或更换元器件（零件）。例如：装有元器件（零件）的印制电路板，齿轮组等。3.2
组件unit
组件是具有某种功能的产品，从制造、维修或记录的目的来看可视为一个完整及独立的整体，又称为单元。例如：液压作动筒、阀门、蓄电池、发射机等。3.3
分系统subsystem
分系统是许多功能上相关组件的组合，它由两个或更多个组件组成并可能包括电缆或管道之类的连接件，以及安装这些组件的支承结构。例如：电源、姿控、遥测、热控和推进分系统3.4
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运载器launchvehicle
运载器由正样飞行器的一个或多个下面级组成，它能将上面级及航天器发射上天，通常是进人一亚地球轨道轨迹。在发射阶段用来保护航天器，或者还包括上面级在内的整流罩，常被认为是运载器的一部分。
上面级飞行器upper一stagevehicle是正样飞行器的一级或多级，能将被运载的送人亚地球轨道的一个或多个航天器推人轨道。3.6
航天器spacevehicle
航天器是由一整套分系统及组件组成，它能支持某项空间运行任务。一个航天器可以是轨道飞行器或其主要部分，或者是连接在运载器或上面级上执行任务的一个有效载荷。使用可回收运载器或上面级的型号所特有的空中保障设备被认为是航关器的一部分。3.7
载人航天器mannedspacecraft
载有航天员或其它成员的航天器。如载人飞船、空间站、航天飞机等。3.8
系统system
系统是能够执行或支持一项工作任务的设备、技术人员及技术的组合。一个系统包括为运行它所需的所有工作设备、有关设施、材料、软件、辅助装置及所需操作人员。一个系统通常由系统计划办公室或负责对它进行采办的部门来定义。3.9
发射系统launchsystem
发射系统是能将一个或多个航天器发射人轨的设备、技术人员及技术的组合。它包括正样飞行器及有关设施、地面设备、材料、软件、程序、辅助装置及所需操作人员。3.10
在轨系统on一orbitsystem
在轨系统是为使航天器在轨道运行所需的设备、技术人员及技术的组合。它包括航天器、指令与控制网络、有关设施、地面设备、材料、软件、程序、辅助装置以及所需操作人员。3.11
正样飞行器flightvehicle
是用于飞行的发射系统各部分的组合，即运载器，上面级及将要送人轨道的航天器。3.12
missileweapon system
导弹武器系统
导弹及其配套技术装备、设施的总称。4一般要求
4.1环境应力筛选的目的、应用与效益4.1.1环境应力筛选的目的
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环境应力筛选是向产品施加适当的环境应力（主要是热循环应力及随机振动应力）和电应力激励暴露其存在的制造工艺和元器件等缺陷，并加以剔除的一道工序，它是一种经济有效地保障硬件无制造缺陷和元器件缺陷的工艺，而不是一般意义上的试验（其原理参见附录A中的A.1）。当然，对某些设计不够成熟的产品或可靠性增长试验不充分的情况，它也可作为早期发现设计隐患提高产品可靠性的手段。
4.1.2环境应力筛选应用范围和管理效益4.1.2.1环境应力筛选应用范围
环境应力筛选主要适用于电子产品，包括电子组件、单机和系统。原则上，亦可用于电气、光电、机电或电化学产品。
根据GJB1032的规定，它可用于海、陆、空等六类军事装备，也适用于机载、舰载等战术导弹，以及有批量的战略导弹。对于运载火箭、卫星等无批量的产品，按MIL一STD一1540C，环境应力筛选亦适用，只是具体筛选应力类型和量级有差异，如需增加热真空循环等，而且筛选对象除电子产品外还有阀门等多项非电子产品，详见5.2。环境应力筛选主要用于产品的批生产阶段，批生产产品出厂前，一般应100%地进行环境应力筛选至少应在元器件级以上的最低组装级或根据工程实际规定的最佳组装级的产品上逐个进行环境应力筛选，以消除早期故障，其在产品寿命各阶段的应用如表1所示。表1
环境应力筛选在寿命期各阶段的应用环
研制阶段：
研制阶段
正（试）样
生产阶段
使用阶段
可靠性增长试验的预处理
可靠性鉴定试验前预处理
各组装级的筛选以消除工艺和元器件缺陷可靠性验收试验前的预处理
故障修复件、备件消除早期故障在产品研制早期，即初样阶段，环境应力筛选是可靠性增长试验的一种预处理工艺（见GJB899一1990中4.6的规定）。在可靠性鉴定试验以前，亦应对受试产品进行环境应力筛选，以消除卓期故障以提高鉴定试验效率和试验结果的准确性。在研制阶段，利用环境应力筛选还可尽早地提供产品设计故障信息。这些故障信息和筛选结果也为制订产品生产阶段的可靠性筛选大纲提供帮助。b）生产阶段：
批生产产品交付验收之前，应100%地进行环境应力筛选，至少应在的最低组装级或根据ESS最佳效费比确定的组装级按筛选天纲要求进行，以消除早期工艺和元器件故障。使用阶段：
故障产品在修复后，也要进行环境应力筛选，以消除更换件和维修操作可能引人的故障。4.1.2.2环境应力筛选的管理效益a）在产品研制阶段，通过ESS预先剔除产品中因工艺缺陷及元器件缺陷引起的故障（据统计60%故障可能是由工艺缺陷引起的，30%故障可能是由元器件缺陷引起的），有助于提高可靠性增3
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长试验的效益、保证硬件性能和可靠性满足要求并为生产阶段的筛选做好准备；b）在生产阶段，ESS从最低组装级开始可以较低成本发现隐患并进行改进消除根源，减少高组装级的返修量及高昂费用使整个生产过程更为有效：管理者可用ESS为质量控制工具，及时发现和解决生产中的质量问题：
c）由于ESS使故障得以在生产步骤中产生，减少潜在缺陷被带到外场的可能性，降低了昂贵的外场维修费用，从而提高了外场可靠性，减少型号研制总费用；d）交付硬件及备件均经过ESS，使最初交付硬件满足可靠性和质量要求，同时使外场故障极少发生或极少采取维修措施，增加了用户对产品的置信度和满意度。4.1.3环境应力筛选与有关可靠性试验的关系4.1.3.1环境应力筛选与可靠性增长试验环境应力筛选主要用于剔除生产过程中元器件和工艺缺陷，以保证产品的使用可靠性。而可靠性增长试验则是通过试验、分析和改进（TAAF）程序，发现并消除产品设计问题使产品的可靠性满足规定要求。
为了实现可靠性增长，要充分利用各种手段发现产品的设计问题。这些手段中包括常规的性能试验和检测、环境适应性试验、应力筛选和可靠性研制/增长试验等。而环境应力筛选和环境试验等一样，可在产品研制阶段早期，用于剔除产品潜在缺陷（包括设计缺陷），作为早期可靠性增长的有效手段。此外，为了提高可靠性增长试验的效率，其参试产品必须先进行环境应力筛选，以排除工艺、元件等非设计隐患。
环境应力筛选与可靠性增长试验改善可靠性的模式不同，前者主要用于提高使用可靠性，后者则用于提高固有可靠性，二者的关系如图1所示。ESS
ESS后
故障率
阴影区A代表ESS消除的早期故障提高使用可靠性
阴影区B代表RGT消除的设计缺陷提高固有可靠性
图1环境应力筛选与可靠性增长试验（RGT）关系的示意图4.1.3.2环境应力筛选与可靠性统计（鉴定和验收）试验环境应力筛选是可靠性统计试验的预处理工艺。任何进行用于可靠性统计试验的样本必须经过环境应力筛选。只有通过环境应力筛选、消除了早期故障的样本，其统计试验的结果才代表其真实的可靠性水平。
4.1.3.3环境应力筛选与传统批生产抽样验收试验QJ3138-2001下载标准就来标准下载网
环境应力筛选方法要求批生产产品应100%地进行。而传统的批生产抽样验收是在抽样的基础上进行的。
4.2环境应力筛选大纲
为了确保环境应力筛选有效地进行，达到预期的目的，必须根据研制进度、费用和保障条件等，事先拟定环境应力筛选大纲。该大纲的内容一般应包括a）受筛选产品；
受筛选产品的组装等级（组件设备、分系统、系统）技术状态，尺寸、重量、复杂程度等：b）
筛选方法（应力的类型、量级、施加顺序，筛选条件允差，通/断电、检测及无故障的要求等）；c）
性能检测（筛选前、筛选期间及筛选后）项目，检测仪表及其精度要求：d）
筛选用设备（温循箱、振动台等）及其状态说明：故障判据及中断处理；
筛选过程及故障记录要求：
h）纠正措施及实施效果的要求。4.35
受筛选产品
受筛选产品的技术状态应与技术条件规定相一致，受筛选产品应具备产品要求的功能和性能，并具有检验合格证明。
4.4通用检测仪表
所用仪表应满足下述要求：
a）应能实时地采集到所需的产品性能参数应可提供全部环境筛选条件的连续记录：b）
检测仪表准确度不应低于筛选条件允差的1/3；c
d）在环境筛选设备运行前，所有测量仪表应进行校准。4.5筛选设备要求
原则上，凡能产生规定环境应力的筛选设备均可用于环境应力筛选。热循环筛选设备
可供使用的热循环筛选设备按制冷方式分有机械冷和液氮制冷两种，前者控制精度高，但温度变化率受到制冷功率限制（-般5℃/min~10℃/min）；后者控制精度较差，但温度变化率可达30℃/min~60℃/min）；前者控制精度高，但温度变化率受到制冷功率限制（一般5℃/min～10℃/min）。对热循环筛选设备的主要要求如下：
a）应备有产品放置搁架，以利于被筛选产品充分暴露于筛选设备箱内空气中；b）应有足够的工作温度范围及温变率；c）箱中热源布置不要使辐射直接到达产品及传感器：d）箱中气流应使温场均匀且有较高流速以利于产品与空气间的热交换；e）应备有空气排湿能力的选件以防产品凝露。4.5.2随机振动筛选设备
常用的随机振动筛选设备主要是电动振动台。与之相比，气动激振器的谱形不易调节，且有2000Hz以上的高频分量，选用时要注意。5
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对随机振动筛选设备的主要要求如下：a）要有大尺寸的工作台面以利于产品安装：b）应备有必要的夹具。夹具应在高达2000Hz的频率范围内没有或只有极小的夹具共振。对给定的夹具和设备组合应进行检验以确定共振或传递因子。在夹具校准时，需利用一动力学模拟件来代替实际受筛件，以避免在产品上累积应力循环。若使用真实产品，则需将振动输人限制在低量级范围：
c）应具有由一个或多个加速度计振动输人进行控制的能力。控制加速度计要安装在尽可能靠近夹具和产品的部位，或者夹具和支持结构的界面处；控制加速度计应该采用机械紧固件（螺钉或螺栓），而不要使用胶接；并应使加速度计的敏感轴向与激励方向平行。4.6受筛选产品性能监测
ESS的总有效性取决于在环境应力施加之前、施加期间和施加之后对受筛选产品性能监测的完善程度。在环境应力施加之前，应对所有功能参数进行检测并尽可能地得到定量结果，这将成为一个参考基准，以备在其后的筛选的各个阶段中用于判断故障或是性能恶化程度。4.7环境应力筛选条件允差
4.7.1热循环筛选条件允差
除必要支撑点外，被筛选件应完全被空气所包围。在被筛选件附近的温度梯度不超过每米1℃，热循环设备箱内温度应在要求筛选温度的土2℃以内。4.7.2随机振动筛选条件允差
GJB1032规定的随机振动振动筛选条件允差见表2。表2GJB1032随机振动筛选条件允差频率范围Hz
20~200
200~500
500~1000
1000~2000
分析带宽Hz
允差dB
注：如有困难，在500－1000Hz频率范围内允差可放宽到－6dB，但累计带宽不得超过100Hz：在1000Hz2000Hz频率范围内允差可放宽到－9dB，但累计带宽不得超过300Hz。4.8ESS信息收集、分析与记录
应按GJB841的规定，运用产品的故障报告、分析和纠正措施系统（FRACAS）去收集分析在ESS期间产生的所有故障数据并适时地记录纠正措施。该系统应包括全部受筛选件、受筛选件间的接口、测试仪器设备、筛选程序、筛选人员和操作规程。为了能尽可能全面地评价受选筛件在筛选条件下的性能，应记录所有相关的信息，以利于在进行筛选结果分析时，补充实时监测之不足。应保存受筛选件的筛选记录，通过信息累积用于关键参数的趋势分析。在记录中还应包括筛选设备、输人电源功率、操作和程序错误等引起的问题以及对其所采取纠正措施与有效性验证情况备查。
4.9故障处理
4.9.1产品在缺陷剔除阶段出现的故障6
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若产品的故障出现在缺陷剔除阶段，即可立即进行修正，也可以延迟到筛选结束时再进行。然而，若该故障对监测产品的工作状态有不利影响，则应立即进行纠正。4.9.2在无缺陷筛选期间的故障
若在无缺陷筛选的前40h内出现故障，则应采取纠正措施；若在筛选已进行40h之后出现故障，则应结束筛选，并且在纠正措施有效实施之前，不能认为产品符合ESS要求而交付。4.9.3重新筛选
已出现过故障的产品的重新筛选应在适当的研究、分析和纠正措施实施并验证有效后再进行。5详细要求
5.1环境应力筛选方法
5.1.1筛选应力选择
5.1.1.1应力类型的选择
据国内外已发表的ESS调查统计结果说明，在常用的13种环境应力中，热循环和随机振动是最有效的筛选应力，见图2。
有250
温度循环随机报动高温老练电应力热冲击定频正弦组合环境扫频正弦机械冲击度
筛选应力类型
图2筛选应力类型
筛选应力激发出的主要故障模式如下：a）热循环：
1）使涂层、材料或线头上各种微裂纹扩大：2）使粘结不好的接头松驰；
3）使螺钉连接或铆接不当的接头松驰；4）
材料热膨胀系数不同产生的变形和应力引起的故障；使机械张力不足的压配接头松驰：5）
使质差的针焊接触电阻加大或造成开路：6）
7）使运动件及密封件故障。
b）随机振动：
1）结构部件、引线或元件接头产生疲劳，特别是导线上有微裂纹的情况下；QJ3138-2001
2）电缆磨损：
3）接头松驰；
4）安装加工不当的集成电路片脱落：5）汇流条及连到电路板上的钎焊接头受到振动应力，引起钎接薄弱点故障；6）元器件及引线布置不良而造成损坏：7）已受损或安装不当的脆性绝缘材料出现裂纹。从国内实践看，据各类型号在部分设备上的ESS经验，除上述热循环和随机振动应力之外，高温老练也是必要的，特别是在稳定性能方面可发挥较好的作用。从表3综述的筛选效果看，有些型号产品热循环效果较随机振动为好，而另外一些型号产品则相反，表3部分航天型号设备ESS应力筛选效果比较型号
X×中程导弹（控制）
X中程导弹（遥测）
X×运载火箭
XX地空导弹
X×远程导弹
热循环（%）
应力类型及筛选效果
随机振动（%）
高温老炼（%）
为描述不同应力的筛选效果，GJB/Z34给出了在试验研究的基础上得出的数学模型。该模型用筛选度SS（ScreeningStrength）作为衡量不同应力筛选效果的尺度。SS是经应力筛选后筛出的缺陷数与筛前产品中存在的缺陷数之比值。详见附录A之A.2。由该模型可以看出各个应力参数对筛选度的影响它主要用于定量ESS，亦可供常规ESS在选择应力参数时参考。5.1.1.2筛选应力量级的确定
筛选应力量级的确定主要有如下4种方法：常规、定量、步进和加速。其中，常规法是最常用的和最基本的方法，其他方法皆源于此，该法主要用于批量产品如战术导弹：定量方法是为了解决前法靠经验确定筛选应力的不足，依靠筛选应力的数学模型，试图依此精确地定量确定筛选应力，它适用于重要的批量产品：步进方法则是以递增的应力试验和故障分析为手段确定筛选应力的方法，该法所得到的结果最符合产品实际情况；加速方法通过步进应力试验得到产品的性能极限和破坏极限，然后将其降额用做筛选应力。该法概念较新，虽国外已用于批量生产的客机产品，但目前尚未形成标准。5.1.2常规筛选应力的确定方法
5.1.2.1GJB1032常规筛选应力的确定方法GJB1032给出的筛选应力与使用环境无关。一般所用的是强化应力，但不能超出产品设计的极限应力。
5.1.2.1.1热循环特性参数及其应力的确定温度范围的确定：
热循环中的温度极值决定了温度范围（高、低温之差），为提高筛选效率，筛选温度变化幅度应尽可能大。若对产品进行通电筛选，则筛选的温度限应取产品的设计极限工作温度：若筛选时产品不通电，则其温度限应取产品的设计贮存温度限。b）温变率的确定：
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