CN104143037B - 航天器器件位移损伤失效率测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及宇宙飞行技术领域，公开了一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，其包括步骤：分别检测各器件样品失效时累积的等效10MeV质子注量，并输入尺度因子计算模块进行计算得到对数正态分布尺度因子数值；将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算得到对数正态分布形状因子数值；最后，将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测值输入位移损伤失效率计算模块进行计算，得到位移损伤失效率；依此判断航天器内器件在任务周期内因位移损伤而发生故障的失效率，有助于航天器器件的可靠性分析和优化设计。

Description

航天器器件位移损伤失效率测算方法

技术领域

本发明涉及宇宙飞行技术领域，尤其涉及一种航天器内的航天器器件位移损伤失效率测算方法。

背景技术

目前，航天器内的电子系统及其所用器件（特别是航天器器件）在外太空运行时，长期受到空间粒子辐射，入射的高能粒子与光电器件材料的原子核发生弹性碰撞，晶格原子在碰撞过程中产生能量，从而离开它正常的点阵位置，成为晶格中的间歇原子，形成结构损伤，即位移损伤效应。

用于评价器件抗空间辐射环境位移损伤效应能力的传统方法是通过位移损伤效应的试验直接获得器件的抗位移损伤效应水平，再根据各器件样品的失效剂量计算出对数正态分布尺度因子数值，以此体现和评价器件抗空间辐射环境位移损伤效应能力；但是该种方法只是考核评价器件的抗位移损伤效应水平，但是没有将其与器件的失效率进行联系，使用时无法获得器件的实际应用过程中的失效率情况。因此无法对于器件由位移损伤效应导致的故障失效率进行直接的判断，也不便于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，以获得器件在任务末期的环境位移损伤效率。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，所述测算方法包括以下步骤：

S1、准备多份待检测的器件样品，并分别检测各器件样品失效时累积的等效10MeV质子注量；

S2、将各器件样品的等效10MeV质子注量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

S3、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S4、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和航天器器件失效时累积的等效10MeV质子注量的预测值输入位移损伤失效率计算模块进行计算，以得到位移损伤失效率。

进一步地，所述航天器器件失效时累积的等效10MeV质子注量的预测步骤位于所述步骤S1之前执行，或位于步骤S1至步骤S4之间执行。

进一步地，所述步骤S4之后还包括步骤S5：

将位移损伤失效率与参考位移损伤失效率进行比较，以此分析判断航天器器件的可靠性。

进一步地，所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

其中：μ为对数正态分布尺度因子；

n为器件样品数量；

R_FAIL-DD-i为第i个器件样品的等效10MeV质子注量，单位：n/cm²。

进一步地，所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

其中：σ为对数正态分布形状因子。

进一步地，所述位移损伤失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

其中：

λ_DD为位移损伤任务周期内等效失效率，单位：h^-1；

T为航天器任务周期，单位：h；

R_specDD为航天器器件累积的等效10MeV质子注量，单位：n/cm²；

Φ为标准正态分布的分布函数。

进一步地，所述步骤S1中还包括以下步骤：

通过模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射，同时在辐射过程中实时监测并记录器件样品的等效10MeV质子注量，直至器件样品失效；

在注量测定仪器实时监测过程中若器件样品发生跳变，则注量测定仪器记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时的等效10MeV质子注量。

进一步地，在所述器件样品受辐射过程中，器件样品的等效10MeV质子注量是通过测定与器件样品同时受辐射的快中子活化箔中感生的放射总量获得。

进一步地，航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测步骤为：

根据航天器的运行参数建立航天器空间环境模型；

利用航天器空间环境模型诱发模拟航天器器件发生位移损伤效应；

并计算出所述模拟航天器器件失效时所累积的等效10MeV质子注量。

进一步地，所述航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测步骤还包括：建立航天器器件等效10MeV质子注量与屏蔽厚度之间的关系模型。

（三）有益效果

上述技术方案提供的一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，通过对检测得到的对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值及等效10MeV质子注量进行位移损伤失效率计算，从而获得航天器器件在任务末期的位移损伤失效率；并依此判断航天器内器件在任务周期内因位移损伤而发生故障的失效率；有助于航天器电子系统的可靠性分析和优化设计，进一步降低航天工程的设计和实施成本。

附图说明

图1是本发明实施例一的工作流程图；

图2是本发明实施例二的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例一：

参见图1所示，本实施例中的一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，包括以下步骤：

1、准备多份待检测的器件样品；本发明中最少提供5份器件样品；本实施例具体提供了11份器件样品以供检测，以使所检测得到的器件尺度因数和形状因数更加趋于准确；当然待检测的器件样品越多则得到的器件尺度因数和形状因数就越趋于准确，可以根据实际实验环境和实验条件选取器件样品的数量。其中，器件样品的规格、型号等参数均与已发射的航天器器件相同，也就是说来自同一工艺、同一批次和同一封装的器件，以此保证对航天器器件的环境位移损伤效应测算的准确性。所述的器件样品和航天器器件均是指航天器的电子系统中所用的器件，而且是对电离辐射的总剂量效应敏感的器件，例如航天器内的光电耦合器等。

2、对各器件样品分别进行失效时累积的等效10MeV质子注量检测，该试验方法应按照GJB548B方法、GJB128A方法和GJB762.1方法对位移损伤效应器件进行试验，试验过程中，根据不同的情况，应对器件样品施加最恶劣偏置或实际工作偏置，以不同的空间环境相对应，具体检测过程如下：

采用模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射，该模拟辐射源可为TRIGA脉冲堆或快中子脉冲反应堆，根据情况的不同，采用脉冲或稳态的模式工作；通过测定与被试器件同时受辐射的快中子活化箔（如32S、54Fe和58Ni）中感生的放射总量可获得用于器件样品辐射的等效10MeV质子注量；试验前应依据实际情况采用剂量测定仪器先确定器件样品所在位置的辐射场强度，以保证符合试验等级和均匀性要求。

在辐射过程中应实时监测并记录器件样品的等效10MeV质子注量，直至器件样品失效；

此外，在试验过程中，还应对器件样品的敏感参数进行检测，具体为：在实时监测过程中若器件样品发生跳变，则记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时累积的等效10MeV质子注量，该累积的等效10MeV质子注量为位移损伤失效量，该跳变点即为器件样品失效的时间点。

3、将各器件样品的位移损伤失效量输入尺度因子计算模块进行对数正态分布尺度因子计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：μ为对数正态分布尺度因子，用于表示多个器件样品在地面模拟试验的累积平均等效10MeV质子注量；

n为器件样品的数量；

R_FAIL-DD-i为第i个器件样品的等效10MeV质子注量，单位：，单位：n/cm²；尺度因子计算模块将各器件样品的等效10MeV质子注量分别代入以上数学公式（1）进行计算，并最终得到对数正态分布尺度因子。

本实施例中所述的尺度因子计算模块可采用具运算能力的单片机、笔记本电脑或台式电脑均可；理论上讲尺度因子计算模块只要具备一般运算能力的设备即可。

4、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行对数正态分布形状因子计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：σ为对数正态分布形状因子，用于表示多个器件样品在地面模拟试验的累积等效10MeV质子注量的标准差；形状因子计算模块将对数正态分布尺度因子代入以上数学公式（2）进行计算，并最终得到对数正态分布形状因子。

本实施例中所述的形状因子计算模块采用具运算能力的单片机、笔记本电脑或台式电脑均可；理论上讲形状因子计算模块只要具备一般运算能力的设备即可。

5、本实施例将航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测步骤放在对数正态分布形状因子数值计算步骤之后，具体过程如下：

根据正在运行的航天器的轨道参数、任务发射时间及任务周期等具体运行参数建立航天器空间环境模型；

利用模拟辐射源辐射并诱发航天器空间环境模型中的模拟航天器发生位移损失效应；所采用的模拟辐射源主要包括太阳质子。

利用能谱分析模块分析模拟辐射源的辐射能谱；本实施例中的能谱分析模块主要包括用于分析太阳质子能谱的ESP（置信度不小于90%）模型单元；在此基础上，选用NEMO模型计算获得航天器舱内累计等效10MeV质子与屏蔽厚度之间的关系曲线，针对不同的屏蔽厚度确定任务周期内舱内累计等效10MeV质子总注量。

综上，模拟航天器在任务末期所累积的等效10MeV质子注量即为所要预测的在任务末期航天器器件所累积的等效10MeV质子注量。

6、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和航天器器件累积的10MeV质子总注量输入位移损失失效率计算模块进行位移损伤失效率计算。

位移损失失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

式中：

λ_DD为位移损伤任务周期内等效失效率，单位：h^-1；

T为卫星设计寿命，单位：h（小时）；

R_specDD为所预测的在任务末期（即失效时）航天器器件累积的等效10MeV质子注量，单位：n/cm²；

Φ为标准正态分布的分布函数；此标准正态分布的分布函数是本领域公知的函数；

失效率计算模块将对数正态分布尺度因子、对数正态分布形状因子以及航天器器件累积的等效10MeV质子注量代入以上数学公式（3）进行计算，并最终得到航天器器件的位移损伤失效率。

7、通过失效率比对模块将位移损伤失效率与参考位移损伤失效率进行比较，以此分析判断航天器器件在当前运行中的可靠性；并以此指导并优化器件的设计。

本实施例中以某卫星2012年发射为例，其轨道采用中地球（MEO）轨道，屏蔽层可为包覆在航天器器件上的用于屏蔽电离辐射的铝层，通常厚度在2-6mm之间，本实施例中采用4mm；利用空间环境模型预估得到航天器器件在任务末期累积的等效10MeV质子注量R_dev-DD为3.73×10¹⁰N/cm²。

表1光电耦合器DD试验样品失效累积注量R_FAIL试验值

表一为11个器件样品进行地面位移损伤模拟试验数据，由表一的数据代入上述的公式一、二和三中计算：

航天器器件的对数正态分布尺度因子：

航天器器件的对数正态分布形状因子：

航天器器件的位移损伤效应等效失效率：

根据上述测算出的位移损伤失效率与参考位移损伤失效率相比，若小于参考位移损伤失效率则表示目前正在运行的航天器内的航天器器件出现故障的机率小，可靠性高；反之，则航天器器件出现故障的机率大，可靠性差。

本发明采用上述测算方法，通过对检测得到的对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值及等效10MeV质子注量进行位移损伤失效率计算，从而获得航天器器件在任务末期的位移损伤失效率；并依此判断航天器内器件在任务周期内因位移损伤而发生故障的失效率；有助于进行航天器电子系统的可靠性分析和优化设计的指导，进一步降低航天工程的设计和实施成本。

实施例二：

本实施例中的航天器器件位移损伤失效率测算方法是在实施例一基础上的改进，本实施例与实施例一的区别仅在于，在准备多份待检测的器件样品之前就进行预测航天器器件累积的等效10MeV质子注量的步骤。因此，本实施例中实施例一公开的技术内容不重复描述，实施例一公开的内容也属于本实施例所公开的内容。

参见图2所示，本实施例中的一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，包括以下步骤：

10、预测航天器器件累积的平均等效质子注量；

20、准备多份待检测的器件样品，并对各器件样品分别进行失效时累积的等效10MeV质子注量检测；

30、将各器件样品的等效10MeV质子注量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

40、预测航天器器件失效时累积的等效10MeV质子注量；

50、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和器件累积的等效10MeV质子注量输入位移损伤失效率计算模块进行计算，以得到位移损伤失效率。

60、将位移损伤失效率与参考位移损伤失效率进行比较，以此分析判断航天器器件的可靠性。

需要指出的是，本发明预测航天器器件累积的等效10MeV质子注量的步骤还可以在准备多份器件样品的步骤至最后的位移损伤失效率步骤之间的任意的位置进行。

对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述测算方法包括以下步骤：

S1、准备多份待检测的器件样品，并分别检测各器件样品失效时累积的等效10MeV质子注量；

S2、将各器件样品的等效10MeV质子注量输入尺度因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布尺度因子数值；

S3、将对数正态分布尺度因子数值输入形状因子计算模块进行计算，并得到对数正态分布形状因子数值；

S4、将对数正态分布尺度因子数值、对数正态分布形状因子数值和航天器器件失效时累积的等效10MeV质子注量的预测值输入位移损伤失效率计算模块进行计算，以得到位移损伤失效率；

所述尺度因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

$\mathrm{\μ}=\stackrel{\‾}{ln\left(R_{FAIL-DD}\right)}=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}ln\left(\right(R_{FAIL-DD-i}\left)\right)$

其中：μ为对数正态分布尺度因子；

n为器件样品数量；

R_FAIL-DD-i为第i个器件样品的等效10MeV质子注量，单位：n/cm²。

2.根据权利要求1所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述航天器器件失效时累积的等效10MeV质子注量的预测步骤位于所述步骤S1之前执行，或位于步骤S1至步骤S4之间执行。

3.根据权利要求1所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述步骤S4之后还包括步骤S5：

将位移损伤失效率与参考位移损伤失效率进行比较，以此分析判断航天器器件的可靠性。

4.根据权利要求1所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述形状因子计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

$\mathrm{\σ}={\left(\frac{1}{n-1}\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{\[ln\left(R_{FAIL-DD-i}\right)-\mathrm{\μ}\]}^2\right)}^{1/2}$

其中：σ为对数正态分布形状因子。

5.根据权利要求4所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述位移损伤失效率计算模块内设置有基于以下数学公式建立的数学计算模型：

${\mathrm{\λ}}_{DD}=-\frac{1}{T}ln\left\{1-\mathrm{\Φ}\[\frac{ln\left(R_{specDD}\right)-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\]\right\}$

其中：

λ_DD为位移损伤任务周期内等效失效率，单位：h^-1；

T为航天器任务周期，单位：h；

R_specDD为所预测的在任务末期航天器器件累积的等效10MeV质子注量，单位：n/cm²；

Φ为标准正态分布的分布函数。

6.根据权利要求5所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括以下步骤：

通过模拟辐射源对各器件样品依次进行辐射，同时在辐射过程中实时监测并记录器件样品的等效10MeV质子注量，直至器件样品失效；

在注量测定仪器实时监测过程中若器件样品发生跳变，则注量测定仪器记录器件样品跳变点的辐照时间，并计算出器件样品在跳变点时的等效10MeV质子注量。

7.如权利要求6所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，在所述器件样品受辐射过程中，器件样品的等效10MeV质子注量是通过测定与器件样品同时受辐射的快中子活化箔中感生的放射总量获得。

8.根据权利要求1-7任一项所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测步骤为：

根据航天器的运行参数建立航天器空间环境模型；

利用航天器空间环境模型诱发模拟航天器器件发生位移损伤效应；

并计算出所述模拟航天器器件失效时所累积的等效10MeV质子注量。

9.如权利要求8所述的航天器器件位移损伤失效率测算方法，其特征在于，所述航天器器件累积的等效10MeV质子注量的预测步骤还包括：建立航天器器件等效10MeV质子注量与屏蔽厚度之间的关系模型。