黄 威，王 彤，孙 明，史宝军，邓 峥

（中国航天宇航元器件工程中心，北京100094）

0 引言

宇航元器件飞行验证是验证在空间环境下元器件适用性和可靠性的有效方法。飞行验证通过获取元器件在空间的应用与运行数据，开展环境适应性分析，完善在轨使用策略，提高元器件技术成熟度和宇航应用可靠性。

欧美宇航公司非常重视新型元器件的飞行验证工作[1]，重点是开展元器件关键技术研究和关键器件的在轨应用情况评估。美国国防部2003年颁布的《技术成熟度评价手册》中明确提出了包括新型元器件在内的各类元器件的技术准备等级以及在真实应用系统进行地面条件和空间环境下的验证要求。NASA 的技术开发与演示研究组对于关键元器件/组件等的新技术验证试验已形成常态化，例如：“探险者55号”卫星开展了MOS工艺器件辐射损伤探测试验，获得了器件对空间辐射环境的敏感性数据；SAMPEX 卫星、APEX/CRUX 卫星对大容量的SRAM、光纤数据总线控制器以及MOSFET器件进行了空间试验与评估。欧洲航天局（ESA）在元器件选用管理文件中明确规定，对于新型元器件，在宇航应用前必须进行评估。ESA 利用PROBA系列卫星开展了新型元器件的在轨验证——PROBA-1卫星开展了新型光学器件的验证，PROBA-2卫星开展了商业等级元器件在轨验证。

近年来，我国在开展宇航元器件地面应用验证的基础上，持续推进飞行验证[2]。中国航天宇航元器件工程中心研制了元器件在轨试验平台，对元器件在轨测试及试验技术进行探索——利用“实践”系列卫星开展了大规模FPGA 抗辐射性能测试、基于高精度高速的A/D器件微弱电参数测试等技术验证；利用货运飞船开展了DC/DC 转换器、SRAM存储器等32款元器件的飞行验证，获取了一些元器件空间环境运行数据。但与国外宇航公司相比，我国宇航元器件飞行验证工作开展得较晚，还不够系统，对于飞行验证方法的研究也不够深入。

本文结合元器件飞行验证的工作实际，明确飞行验证工作重点，梳理飞行验证试验方案要求和典型工作流程，并给出飞行验证装置设计和数据分析示例。

1 飞行验证目的与意义

依托元器件国产化重点工程，立足掌握元器件发展关键技术，以完善元器件功能性能设计、提升国产元器件技术成熟度和可靠性、促进元器件国产化、降低元器件成本为目标，飞行验证工作围绕2个“关键”——关键技术与关键器件——开展，重点涵盖以下几个方面：

1）开展元器件功能和性能耐受空间环境机理研究，如元器件辐射效应机理、环境敏感性与参数退化特性研究、新工艺器件在轨使用适应性验证等；

2）对新研器件的在轨可靠性试验，主要验证核心、关键器件在空间环境下的使用可靠性，验证器件在轨使用策略等；

3）开展商业级器件在轨测试及使用策略研究；

4）对于新用途、新功能元器件及组件开展演示验证。

需要注意的是，飞行验证并不等同于空间鉴定[3-4]——空间鉴定是非常复杂的工程，包括长寿命（无法维修）、冲击/振动、辐射、真空和热特性等多方面验证。NASA 认为对于空间鉴定尚未有明确、量化的概念，飞行验证仍聚焦空间环境下的元器件可靠性试验。

2 飞行验证试验方案设计与工作流程

2.1 试验方案设计

飞行验证与元器件进入合格供方名录前的地面应用验证相比，在验证目的、验证对象和验证环境等方面体现出一定差异，详见表1。

基于飞行验证的试验内容和工作特点，试验方案需要：

1）明确验证目标。在器件功能结构分析、生产制造工艺分析的基础上，确定飞行验证的目标——开展机理研究的需确定研究方向；新研器件需要与应用验证获取的数据对比，明确在轨可靠性试验项目、验证使用策略。

2）围绕确定的试验方向开展飞行试验方案设计，明确选取试验器件的产品状态、子样数量、试验条件、试验评估方法等。

3）开展飞行试验详细设计，明确器件关键参数的测试、监测方法，对于使用策略验证需明确激励的产生方法、器件控制策略等。

4）结合器件在轨状态参数测试和功能性能验证的需求，明确在轨飞行验证平台的技术支持需求，包括结构尺寸需求、供电接口需求、测控接口需求、热控需求和在轨操作需求。

表1 元器件飞行验证与地面应用验证比较Table 1 Differences between flight verification and ground application verification for space components

2.2 工作流程

飞行验证工作流程如图1所示，主要步骤包括：

1）确定被试器件。结合试验目的选取被试器件，开展器件结构、功能性能分析，明确影响器件功能、性能的敏感要素。

2）实施器件地面应用验证，开展器件功能、性能及寿命测试，获得器件性能参数曲线和寿命试验基础数据，例如，单粒子敏感器件需选取同批次工艺器件进行单粒子辐照试验，积累单粒子效应数据；同时确认器件使用的外部支持电路、测试电路，并对器件测试软件进行验证。

3）确认在轨试验方案。根据试验目的明确器件试验前工艺状态以及参试器件数量，制定器件在轨试验方案——以开展机理研究为目标的试验，关注同一应力条件下器件的运行或同一器件在不同应力条件下的运行参数获取，确定应用状态和检测方案；验证关键器件使用可靠性的试验，器件需要具备鉴定件状态，在测试空间环境下器件运行情况的同时，开展拉偏试验，对于单粒子敏感器件及部分器件必要时需验证其在轨使用策略；对于商业级器件，验证器件的性能、功能的稳定性，制造工艺的可用性，器件的性能退化情况以及在轨重构策略；新研元器件、组件的使用关注在轨条件、使用场景以及使用取得的效果等。

4）开展在轨试验装置研制。根据试验需要开展试验支撑平台设计，研制元器件或组件在轨验证试验单元。

5）开展元器件在轨试验，监测元器件的在轨运行情况，收集、分析试验数据。例如，对于单粒子敏感器件，试验数据包括单粒子翻转数量、翻转地址、翻转时刻等。

6）结合应用条件开展试验数据分析，给出器件运行情况评价——国产元器件需明确改进建议，进口器件需明确空间环境适应性建议。

3 飞行验证实践

3.1 飞行验证装置研制

飞行验证装置是实现元器件在轨试验的基础。与星船上的其他电子设备一样，验证装置需要适应卫星发射、在轨运行的工作环境[5]，同时其功能、性能须满足元器件测试等试验任务要求。中国航天宇航元器件工程中心研制的飞行验证装置由公用平台和试验载荷2部分组成，公用平台包括结构、热控、供配电管理及数据存储/传输等模块，用于对系统的电源、控制等功能管理，提供测试数据存储和传输；试验载荷由各元器件试验单元组成，是元器件测试的载体。飞行验证装置需要具备故障诊断、自主隔离与保护功能，以确保验证装置的故障不会影响星船供配电系统安全。

元器件飞行验证装置设计逻辑见图2。

图2 元器件飞行验证装置设计逻辑Fig.2 Design logic of the flight verification device

3.2 飞行验证数据分析与利用

飞行验证的数据来源包括：地面应用验证开展的结构分析、功能性能测试、环境适应性验证、耐辐射能力评估和单板应用稳定性试验等获得的试验数据；器件的在轨运行数据、空间环境测试数据和在轨使用状态等。

飞行验证的数据分析需要关注地面应用验证数据与在轨运行状态的比对，目的是构建元器件关键技术指标在轨使用期间的漂移、退化、劣化规律的数据驱动模型，找出变化趋势、量值、频度差异，查找器件薄弱环节，从而有针对性地改进设计以提高产品可靠性。此外，飞行验证也需要关注器件使用可靠性，对于试验方案中软件重构、在轨使用策略的运行情况应该纳入在轨应用综合评价。

实践案例：中国航天宇航元器件工程中心利用“实践”卫星开展了15种新型国产元器件、高性能COTS器件的飞行验证，获取的元器件在轨试验数据分析表明，测试的SRAM器件、商用FPGA 在轨发生单粒子翻转，结合元器件工艺与辐射效应机理分析，完善了器件在轨使用策略。

4 展望

建立元器件在轨飞行验证平台，为推动宇航元器件可靠性提高提供了重要的技术支撑。随着宇航元器件技术规划的发展，完善飞行测试与验证技术，加强与地面应用验证数据的比对分析，必将进一步提高自主研发的宇航元器件的可靠性。