翟广泉 杨懿静 胡学良 王跃 杨大伟 张凯 安博聪 李静媛

空间机械制冷机环境与可靠性试验方法研究

翟广泉 杨懿静 胡学良 王跃 杨大伟 张凯 安博聪 李静媛

（北京空间机电研究所，北京 100094）

从空间机械制冷机的失效机理出发，在现有环境与可靠性试验标准规范的基础上，针对空间制冷机可靠性要求高、研制周期紧、成本压力大的特点，对常规试验方案进行了改进与完善，提出了覆盖制冷机研制全过程的试验流程与试验项目，最后针对改进后的试验方案进行了初步的应用分析，结果显示该试验方案能有效缩短试验时间，剔除早期失效，并评估制冷机的寿命与可靠性。

空间制冷机 环境试验 可靠性试验 空间红外相机

0 引言

空间红外遥感相机通常采用制冷型红外探测器，制冷机为其提供低温环境，制冷性能和可靠性直接关系到红外探测器的性能发挥。目前空间应用的机械制冷机主要有斯特林制冷机和脉冲管制冷机，对寿命和可靠性的要求越来越高，有必要在研制阶段开展全面的环境与可靠性试验，以摸清产品性能底线和使用边界，验证环境适应性，并定量评价寿命与可靠性。国内外对制冷机如何进行可靠性试验，以及如何进行加速试验进行了大量研究。美国JPL实验室通过制冷机空间运行的可靠数据，进行性能衰减分析和磨损失效分析，并对工质气体的污染机理、组分和对制冷性能的影响进行了详细研究[1-2]。乌克兰低温技术研究所在制冷机寿命试验方面进行了深入研究，取得了令人瞩目的成就[3]。国内张晓明、吴亦农等人针对制冷机工质污染机理，提出了高温加速的寿命试验方案，并分别建立了加速因子计算模型[4-7]。

欧美国家针对军用和航天产品的环境与可靠性试验，制定了一系列标准规范，我国也针对航天产品单件小批、可靠性要求高、空间环境复杂的特点，制定了《运载器、上面级和航天器试验要求》[8]，并基于制冷机试验方法制定了《斯特林制冷机通用规范》[9]和《SFZ5000 型星用斯特林制冷机详细规范》[10]。现有的制冷机试验规范在环境与可靠性试验验证方面发挥了重要作用，但也暴露出诸多不足，例如：筛选试验不充分，造成制冷机使用过程中发生早期失效；缺少零部件和材料级的试验和面向试验、分析、改进的研制试验，导致不能在制冷机研制初期发觉问题并加以改进；缺少加速试验和寿命评估模型，无法对制冷机寿命与可靠性进行有效评估。

本文从制冷机的失效机理出发，充分借鉴国内外产品开发过程中先进的试验理念和方法，特别是高加速试验方法在缩短试验时间、快速迭代开发新产品方面具有的优势，在现有的试验规范的基础上，引入了高加速寿命试验和寿命筛选试验；采用加速寿命试验和模拟寿命试验模型开展整机可靠性鉴定，并将试验前移至材料和零件级，建立了面向制冷机研制全过程的试验流程和试验方案，在提升制冷机性能与可靠性的同时，还能缩短研制时间，降低成本。

1 制冷机典型失效机理

制冷机在研制过程中，要经受各种力热环境试验的考核，并要经历运输、存储等状态；在火箭发射主动段，需要承受复杂的振动环境；在轨长期运行期间，还要经受真空、微重力、空间辐射、温度等环境因素的影响，以上环境因素都会影响制冷机的性能与可靠性。

国内外大量的研究和试验表明[11-14]，制冷机的失效机理主要包括工质泄漏、机械磨损、疲劳断裂、工质污染和环境应力损伤等5个方面，其中疲劳断裂和机械磨损与运动部件相关，工质污染与材料、内部气体控制相关，工质泄漏与工艺控制、筛选相关。工质泄漏和环境应力损伤等是由于施加力热等环境应力导致，一般在寿命早期就能暴露，而疲劳断裂、工质污染和机械磨损是由于长期工作导致的失效，一般在寿命末期暴露。

1）工质泄漏。工质气体氦气具有极强的渗透性，当绝缘子、焊缝、密封接口和材料自身的裂纹等引起的泄漏达到一定水平，将引起制冷机的性能下降；在环境应力的作用下，蓄冷器根部、焊接部位、连管弯曲等薄弱部位的应力超过材料的许用应力，也会导致工质泄漏。

2）机械磨损。采用线性电机、板弹簧支撑、间隙密封的机械制冷机，其活塞和气缸之间接近于非接触，但是活塞与气缸之间机械尺寸偏差、非平衡态开关机、快速启停、地面重力作用导致活塞偏心、结构热变形等因素，都会导致活塞和气缸磨损。一方面，这会产生大量的金属或非金属粉末，阻塞和污染回热器，增大回热器的阻力，降低回热器的性能；另一方面，磨损和划伤会导致气缸与活塞之间的间隙增大，使动态密封效果变差，降低制冷效率。另外，电机引线发生磨损，还会引起供电短路或断路，造成制冷机无法正常工作。

3）疲劳断裂。板弹簧和电机引线是制冷机内易发生疲劳断裂的主要元件，如果存在结构设计、材料和工艺缺陷，在制冷机运行过程中可能会引起弹簧的断裂或引线根部折断。

4）工质污染。工质污染的来源包括工质源气体中带有的杂质气体、零件表面清洗不彻底、充气管路中残留的杂质气体、材料的放气和磨损粉尘等。对于前两种污染可以通过充气置换、气体纯化、高温烘烤等手段进行处理[12]。而材料（主要是非金属材料）的放气会在整个寿命周期对制冷机造成影响[15]，表现为输入功率的增加或温度的上升及波动[16-17]。

5）环境应力损伤。航天器发射主动段要经历振动冲击，可能引起制冷机结构薄弱部位的损伤，造成活塞卡滞、工质泄漏等故障，也可能对结构造成潜在的损伤，在轨长期运行过程中逐渐暴露问题。

注：分别表示3种失效率曲线下的早期故障暴露时间；分别表示3种失效率曲线下随机故障暴露时间；分别表示3种失效率曲线下随机故障的发生率。

2 制冷机环境与可靠性试验方案分析

2.1 常规试验方案

受不同故障模式的影响，制冷机寿命期内一般要经历3个阶段[18]：早期失效期、随机失效期、耗损失效期，自然情况下其失效率走势如图1中曲线A所示。基于该原理国内制冷机研制单位在充分总结国内外制冷机试验方法的基础上，制定了《斯特林制冷机通用规范》[9]和《SFZ5000型星用斯特林制冷机详细规范》[10]，对规范制冷机整机的环境与可靠性试验具有重要意义。现正在实施的制冷机试验规范中规定的试验包括环境应力筛选试验、环境鉴定试验和环境验收试验[9-10]，具体试验流程如2所示。制冷机进行了环境应力筛选（ESS）和环境试验（ET）后，能够在一定程度上剔除早期失效，发现环境应力适应性的不足，使制冷机的故障暴露时间缩短，失效率下降，失效率走势如图1中曲线B所示。

图2 空间机械制冷机常规环境与可靠性试验流程

2.2 改进方案

制冷机研制开发需要针对失效机理识别技术风险，制定相应的措施，并通过环境与可靠性试验对技术方案进行验证，对寿命与可靠性进行评估。根据2008年以来国内50余台制冷机的在轨应用情况来看，现有制冷机试验规范在环境与可靠性试验验证中虽然发挥了重要作用，但也暴露出试验项目不全面、试验不充分等问题。为更好适应当前制冷机的研制与应用，降低失效率，对常规试验方案进行了改进，具体方案如下：

1）在方案阶段（或工程预研阶段），先开展材料和零部件的可靠性研制增长试验，包括板弹簧疲劳试验、密封检漏试验、磨损试验、材料辐照试验和放气试验等，以消除或降低疲劳断裂和工质泄漏和污染的风险，获得基础数据支撑产品的可靠性设计；然后对工程样机进行力热环境筛选试验，以剔除早期失效，并验证产品的环境适应性。

2）在初样阶段，开展整机高加速寿命试验（HALT），在短时间内暴露设计和工艺缺陷，通过试验、分析、改进，不断提升产品的可靠性，消除或降低环境应力损伤、工质泄漏的风险，确定初样产品的技术状态；然后再进行环境应力筛选（ESS）和寿命筛选试验（LST），并行开展加速寿命试验、模拟寿命试验和环境鉴定试验。通过加速寿命试验和模拟寿命试验，完成可靠性指标的验证和寿命的评估，通过环境鉴定试验验证产品的设计方案、工艺方案是否满足要求，并具有规定的鉴定余量。

3）在正样阶段，整机先进行环境验收试验，然后进行寿命筛选试验；在完成加速寿命试验和模拟寿命试验且指标满足要求后，正样产品交付用户。

改进后的试验项目包括研制试验、鉴定试验和验收试验，其中增加了可靠性研制增长试验（包括材料和零部件级、整机级的一系列试验）、寿命筛选试验、可靠性鉴定试验。环境应力筛选试验和寿命筛选试验能有效暴露早期缺陷，再通过设计改进，提升产品的固有可靠性，平均失效前时间（简写为MTTF）延长（即图1中的1C+2C部分），失效率走势如图1曲线C所示。

改进后试验流程如图3所示。按照该流程开展试验可以用较短的时间和较低的成本最大限度地暴露早期缺陷，提升可靠性，实现失效曲线从B向C的转移。

图3 改进后的空间机械制冷机环境与可靠性试验流程

2.3 改进措施

为了更好的提升制冷机性能与可靠性，对制冷机环境与可靠性试验常规方案进行完善，主要措施包括如下几项。

（1）系统规划试验项目

针对疲劳断裂、工质泄漏两种失效机理，可以在零件状态开展可靠性研制增长试验，在研制初期实施；通过充分的筛选试验和环境试验，有效降低环境应力造成损伤的风险；对于工质污染和机械磨损两种失效机理，可在排除其他失效模式的基础上建立可靠性模型，利用模型开展鉴定试验。系统规划不同研制阶段、不同层级、不同类型的试验，能确保试验覆盖所有失效模式，具体试验项目见表1。

表1 系统规划的试验项目

Tab.1 Failure mechanism and corresponding test items

注：表中“√”表示开展该项试验，“–”表示不开展该项试验。

（2）增加整机级寿命筛选试验

从国内目前在轨运行的50余台制冷机的研制与应用经历来分析，制冷机的早期故障均发生在交付后的1 000 h之内，常见问题包括引线磨损、活塞磨损、工质泄漏等，表明现有的环境应力筛选条件不足以发现所有的早期缺陷[9-10]，需要在初样及正样阶段增加1 000 h的寿命筛选试验。

（3）增加可靠性研制增长试验

制冷机在轨工作中要经历长期空间辐照，其材料（特别是非金属材料）在经历空间辐照之后，会产生辐射裂解和辐射交联，进而影响其力学性能、电性能和其他使用特性，造成制冷性能下降。为提高制冷机的可靠性，并深入掌握制冷机的实际工作边界、薄弱环节，需要在方案阶段（或工程预研阶段）和初样阶段开展辐照试验、真空放气试验、磨损试验、检漏试验和高加速寿命试验等一系列的可靠性研制增长试验。其中在方案阶段（或工程预研阶段）开展材料层级的辐照试验和真空放气试验，能筛选出性能优异的材料，确保制冷机长期稳定运行；开展零部件层级的磨损试验、弹簧疲劳试验和检漏试验，能够检验制冷机的装配工艺以及密封特性[19]，提升零部件的可靠性，将技术风险控制重心前移，同时降低成本，缩短研制周期。在初样阶段开展整机级高加速寿命试验，可以确定产品应力极限（工作极限和破坏极限），发现设计和工艺薄弱环节，不断改进产品，提高产品的固有可靠性（不是确定可靠性），并使磨损段向右延伸（见图1曲线C）[18]。

辐照试验和真空放气试验分别按照文献[20-22]中规定的方法进行，其中真空放气试验质损（TML）的淘汰线设定为1%，可凝挥发物（CVCM）的淘汰线设定为0.1%[12]。板弹簧疲劳试验采用专用的试验装置的形式进行，通过威布尔分析模型计算出制冷机MTTF来进行可靠性评价[23-24]。检漏试验在完成压缩机、膨胀机充气之后进行，通过随机振动、耐压试验等来检验制冷机的密封特性，并根据漏率预测制冷机的泄漏寿命。高加速寿命试验主要包括随机振动试验和温度冲击试验，试验采用步进应力加载的方式进行[18]，其中步进随机振动试验以验收级随机振动试验条件（或者参考文献[9]规定）为基准值，按照0.25倍基准值步进递增进行，通过不断试验、分析、改进的过程，直至能通过2倍基准值的随机振动为止；步进温度冲击试验以工作规范温度（或者参考文献[9]规定）为起始温度上下限进行快速变温，步进温度为10 ℃，通过试验、分析、改进过程，直至将温度外扩40 ℃能通过试验为止，并将此温度定为极限工作温度[18]。

（4）增加可靠性鉴定试验，并选取相应的评估模型

制冷机的主要失效机理如制冷机污染和部件老化磨损等都与时间有关，属于耗损失效模式，所以目前通常用MTTF来描述制冷机的可靠性[1-2]。对高可靠、长寿命产品，在研制期间通过开展加速寿命试验和模拟寿命试验等可靠性鉴定试验项目，并建立高温加速模型和寿命预估模型，来实现对制冷机预期寿命与可靠性指标的量化评估。

加速寿命试验方法通常包括温度循环、高温工作、加大活塞行程等[25]。在前期完成了材料、零部件及整机级可靠性研制增长试验和寿命筛选试验后，失效风险聚焦在机械磨损和工质污染。为尽快估计制冷机的可靠性指标，可建立以工质污染为主的高温加速模型（见式（1）），选用2～3台制冷机进行加速试验，先进行阻尼测试[22]，以排除活塞磨损的影响；然后，再进行高温加速试验[4,6]，试验温度可参考前期高加速寿命试验确定的工作极限温度，一般不超过70 ℃[7]，目的是不显著改变活塞和气缸之间的间隙，以避免引入其他失效模式。通过制冷机高温污染试验（仅考虑工质污染的情况），利用式（1）确定出加速因子F[7]，然后根据威布尔分布模型计算可靠性指标。

式中为材料出气总质量特征常数；1为高温试验环境温度；2为产品实际工作环境温度；Δ0为初始环境下的出气量；Δ1和Δ2分别为高温试验环境温度和实际工作环境温度下的出气量；C为出气时间；1、2分别为高温试验环境温度和实际工作环境温度下的出气时间特征常数。1、2和在整机在特定温度下的数值可以通过试验进行测定[5]。

制冷机在完成环境应力筛选试验和寿命筛选试验后，选取不少于2台进行模拟实际使用状态的模拟寿命试验，试验的外部环境（包括力、热等环境条件）、工作模式等与在轨产品状态一致，试验过程中记录环境温度、制冷温度、输入功率等数据，采用寿命预估模型（为线性退化模型，见式（2））外推得到制冷机的寿命[24]。

()=+（2）

式中()为制冷机输入功率指标的阈值；为表征的工作时间即工作寿命；为漂移系数，反映了参数退化过程的退化速率；为制冷机功率初始值（稳定值）。

3 应用分析

改进后的试验方案应用于制冷机研制过程，对于缩短试验时间、提前暴露问题，提升可靠性，并有效评价寿命与可靠性发挥了重要作用。本文针对应用效果，主要从以下三方面进行分析。

（1）剔除早期失效的成效

模拟制冷机在轨使用环境与工况，在地面开展寿命筛选试验，试验时间为1 000 h，通过监测功率，判断是否发生早期失效。对已完成该项试验的14款产品进行统计发现，有2款产品发生了早期失效，分别是活塞磨损和引线磨损（见图4），发生故障的时间分别是380 h和681 h。剔除这两款失效产品后，通过寿命筛选试验的12款产品目前已在轨成功应用，未再发生故障，说明寿命筛选试验充分剔除了早期失效产品。

图4 寿命筛选试验检测失效实例

（2）提升产品可靠性、缩短研制周期的成效

对制冷机使用的非金属材料聚醚醚酮（PEEK），按照改进方案中增设的可靠性研制增长试验项目以及相关规范要求[24]进行了辐照试验，测得质损（TML）为0.08%，可凝挥发物（CVCM）小于0.01%；辐照试验前后材料性能无变化，满足在轨8年使用要求。采用耐挥发性和耐辐照性能优异的PEEK材料的制冷机，在地面测试试验和在轨应用过程中，均未发生因该材料的选用不当引发的问题。

可靠性研制增长试验中成效明显的另一试验项目为板弹簧疲劳试验。本文统计了5组（每组20片）在专用工装上进行的板弹簧疲劳试验测试数据，工作频率为100 Hz，加速系数为2，试验进行时间为10 000 h，期间未发生疲劳失效。根据威布尔模型计算出MTTF为8.08年，满足在轨工作8年的寿命要求，多子样的加速试验比常规模拟试验时间缩短了86%。通过在零件阶段开展疲劳试验，提前验证了板弹簧的设计和工艺，后续整机研制和应用过程中未再发生板弹簧导致的故障。

在制冷机初样阶段增设的整机级高加速寿命试验，以验收级随机振动试验条件为基准值，按照 0.25倍基准值步进递增进行功能性能测试，判断随机振动是否对产品造成损伤。以某次试验为例，当振动试验量级加大到1.75倍时，发生蓄冷器根部开裂问题（见图5（a）)，造成工质泄露，在进行设计改进后，继续进行至2倍量级试验时，发生连管工质泄露（见图5（b）)，在对局部结构加强后，最终通过了2倍量级的随机振动试验考核。通过施加远高于寿命期内所经历的环境应力，发现并消除了结构的薄弱环节，提升了制冷机的环境适应能力。

图5 随机振动试验检测失效实例

（3）有效评估制冷机寿命与可靠性的成效

本文通过高温加速寿命试验和模拟寿命试验的具体试验结果来说明增设这两项可靠性鉴定试验项目对于评估制冷机预期寿命、验证制冷机可靠性的成效。

1）高温加速试验。该项试验采用3台制冷机进行，制冷机的实际工作温度为–10 ℃，加速试验的温度定在70 ℃，加速因子为6.3。参与试验的制冷机分别完成了9 872 h、10 568 h、11 264 h的试验，试验期间未发生失效。根据威布尔模型计算出MTTF为73 380 h（约8.38年），仅用不到16个月的时间完成了加速寿命试验，验证了制冷机可靠性。

2）模拟寿命试验。该试验采用2台（1#和2#）制冷机进行。在整个寿命周期内，保证冷端温度在62 K以下所需要的输入功率小于155 W，则可判定制冷机具有8年工作寿命。1#和2#制冷机在累积工作时间分为6 955 h和5 803 h（见图6）时，采用线性模型对压缩机功率进行外推分析，1#和2#样机地面寿命试验数据外推8年寿命末期功率分别为123.7和119.8 W，满足小于155 W的指标要求。

图6 模拟寿命试验曲线

4 结束语

基于目前空间机械制冷机研制和应用的现状，在已有的试验规范的基础上，结合国内外的研究成果，提出了系统全面的环境与可靠性试验解决方案，增加了寿命筛选试验、可靠性研制增长试验和可靠性鉴定试验，贯穿方案阶段、初样阶段和正样阶段，并成功应用于12个产品。

寿命筛选试验的实施，有效解决了制冷机早期失效问题；材料和零件级的辐照、放气、疲劳等试验的开展，将研制重心前移，降低了整机研制的技术风险，高加速寿命试验方法的运用，能够快速发现制冷机的薄弱环节，使迭代开发的模式得以实现；按照制冷机寿命与可靠性模型，开展可靠性鉴定试验，对于客观评价制冷机的寿命与可靠性具有重要意义。

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Research of Environment and Reliability Test Methods for the Space Mechanical Cooler

ZHAI Guangquan YANG Yijing HU Xueliang WANG Yue YANG Dawei ZHANG Kai AN Bocong LI Jingyuan

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

From failure mechanism of the space mechanical cooler, based on standards of environment and reliability test, in view of characteristics of high reliability, short development cycle and low cost, the conventional test scheme was improved, and the test flow and items in the whole development process were proposed for the space mechanical cooler. Finally, a preliminary application analysis was made using the improved test scheme. The test time was effectively shortened, the early failure was eliminated, and the life and reliability of the refrigerator could be evaluated.

space cooler; environment test; reliability test; space infrared camera

V472.2

A

1009-8518(2023)03-0154-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.03.016

翟广泉，男，1978年生，2003年获中国科学技术大学机械设计制造及其自动化专业学士学位，高级工程师。主要研究方向为航天光学遥感器设计和产品保证。E-mail：gqzhai0929@163.com。

2022-11-01

国家自然科学基金（U22B2078）

翟广泉, 杨懿静, 胡学良, 等. 空间机械制冷机环境与可靠性试验方法研究[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(3): 154-163.

ZHAI Guangquan, YANG Yijing, HU Xueliang, et al. Research of Environment and Reliability Test Methods for the Space Mechanical Cooler[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(3): 154-163. (in Chinese)

（编辑：夏淑密）