Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.



Управление жизненным циклом космического аппарата на основе информации о предвестниках отказов

 

Данилин Н.С., д.т.н., профессор, ФГУП «РНИИ КП»

Колесников Н.П., д.т.н., профессор, ФГУП «РНИИ КП»

 

В статье представлена информация о современных методах и инструментальных средствах использования неразрушающих комплексов контроля и диагностики для целей управления жизненным циклом космического аппарата. Материалы отражают мировой уровень космической индустрии и получены в результате выполнения совместных исследований Роскосмоса (ФГУП «РНИИ КП») и Европейского космического агентства в течение 1995-2009 гг. Анализируются собственные разработки по управлению качеством космической радиоэлектронной аппаратуры в условиях глобальной открытой экономики, рассматриваются проблемы качества и долговечности современного космического приборостроения.

 

В настоящее время космическая технология так широко вошла в современную жизнь общества, что отказ от неё отбросил бы развитие цивилизации далеко назад. Мы всё больше степени зависим от эффективной работы различных космических систем. Сегодня невозможно представить себе, что прогноз погоды, разведка полезных ископаемых, мониторинг окружающей среды, развитие телекоммуникаций и телевидения, обеспечение обороноспособности и ещё много других задач решалось бы без средств космического базирования. Если первые космические аппараты (КА) функционировали в течение года, то в настоящее время стоит задача обеспечения сроков активного функционирования КА в течение 10-12 лет, а в перспективе – 15 лет и более.

Космос – некая экстремальная окружающая среда, где сделанные человеком системы редко получают второй шанс. Поэтому исключительное внимание требуется уделить качеству электронной компонентной базы (ЭКБ), предназначенной для систем длительных сроков активного существования (ДСАС).

Более 16 лет «Научный центр сертификации элементов и оборудования» (НЦ СЭО) ФГУП «Российский научно-исследовательский институт космического приборостроения» (ФГУП «РНИИ КП») обеспечивает сервисную поддержку поставок ЭКБ для отечественной космической индустрии.

 

Выбор элементной базы

По объективным причинам уже в течение последних лет прослеживается устойчивое соотношение использования ЭКБ отечественного и зарубежного производства в космической технике. НЦ СЭО провел фундаментальные разработки по этой проблеме. Представляем краткую информацию по оптимизации путей использования перспективной космической ЭКБ в условиях кризиса.

Ввиду высоких требований к сроку активного существования (15-20 лет) в практике ведущих западных фирм, в соответствии с высокими требованиями заказчиков, при комплектации космических аппаратов применяется ЭКБ в основном уровня Space. В крайнем случае, применяются компоненты, специально разработанные и изготовленные по требованиям стандартов для уровня Space, либо доотбраковываются процедурами «upscreening» изделия уровня MIL. При этом таким комплектующим присваивается статус «нестандартных».

ЭКБ уровня «Space» позволяет реализовать избыточность по качеству до 10-20 раз, создать реальный резерв противодействия спектру внешних факторов космического пространства. Радиационная стойкость таких компонентов ‑ от 100 крад, предусмотрено парирование влияния статического электричества при сборке. Наивысшее качество и надежность компонентов всегда приводят к снижению общей стоимости проекта (отсутствие рекламаций, отказов, сбоев).

Как считают специалисты NASA, создание «космического» качества недостижимо только посредством проведения испытаний. Улучшение посредством отбраковки должно быть последним средством. Основное ‑ это производство ЭКБ.

 

В работах российских учёных и инженеров вопросы контроля качества и надёжности современной ЭКБ, особенно цифровых интегральных схем и узлов, освещены недостаточно. Зарубежные материалы по методам и средствам контроля микроэлектронных схем и узлов на мировом «космическом» рынке не всегда доступны.

Специалисты НЦ СЭО ФГУП «РНИИ КП» накопили немалый опыт в области входного контроля цифровых микросхем и узлов. Выявление скрытых дефектов на входном контроле – самой ранней стадии производства – позволяет повысить надёжность и долговечность космических систем. Большинство описанных методов, приборов и систем успешно используются приборостроительными предприятиями ряда отраслей промышленности Российской Федерации и позволяют существенно снизить долю отказов РЭА из-за некачественных элементов.

Создание конкурентоспособной космической техники, прежде всего спутников связи, навигации и вещания, рассчитанных на длительную работу, – актуальная проблема для российской космической индустрии, особенно в преддверии вступления страны во Всемирную торговую организацию (ВТО).

Известно, что 10÷15-летние сроки активного существования (САС) спутников в значительной мере определяются надёжностью и качеством ЭКБ, которой они комплектуются. В РФ был выполнен широкий комплекс работ, направленных на создание системы требований, методов и средств контроля ЭКБ для объектов космической техники. Данная система включает в себя три подсистемы: научно-методическую, техническую и нормативно-организационную. В рамках этих подсистем впервые были разработаны:

● совокупность моделей эксплуатации ЭКБ, применяемой в объектах космической техники;

● системы требований к техническим и эксплуатационным характеристикам ЭКБ;

● методы локальной и интегральной диагностики ЭКБ по информативным параметрам, позволяющие выявить потенциальные дефекты;

● комплекс аппаратурных средств и программного обеспечения, охватывающий все классы ЭКБ, начиная от резисторов и конденсаторов и заканчивая СБИС сигнальных процессоров, мегабитных запоминающих устройств, программируемых логических матриц;

● система нормативно-технических документов, регламентирующих организационные и методические вопросы взаимодействия организаций, участвующих в работах по закупке, контролю, испытаниям, поставке и применению ЭКБ, т.е. взаимодействие поставщиков, потребителей и заказчиков компонентов.

В НЦ СЭО впервые создан уникальный комплекс технических средств для диагностического неразрушающего контроля и отбраковочных испытаний ЭКБ. Комплекс ориентирован на условия и режимы применения ЭКБ в РЭА объектов космической техники и позволяет на 1,5÷2 порядка повысить надёжность партий ЭКБ путём исключения компонентов со скрытыми дефектами (см. рис. 1).

 

 

            

Рис. 1. Положительные результаты увеличения  сроков активного существования.

 

Эта работа позволила впервые в мировой практике создать единую организационно-техническую систему диагностического контроля и испытаний ЭКБ, успешно зарекомендовавшую себя при выполнении таких известных программ, как «ГЛОНАСС», «МКС», «СЕСАТ» и других.

Головное предприятие – Научный центр сертификации элементов и оборудования ФГУП «РНИИ КП» (основанный в 1992 г.). НЦ СЭО имеет аккредитацию Роскосмоса и ФГУП «22 ЦНИИИ МО РФ» (см. рис. 2).

В отдельном стендово-испытательном корпусе расположено более 350 единиц оборудования для испытаний ЭКБ и электронных блоков (ЭБ).

 

 

Рис. 2. Головная роль и задачи НЦ СЭО.

 

НЦ СЭО проводит работы по сопровождению и сертификации всей номенклатуры ЭКБ и ЭБ отечественного и иностранного производства (ИП):

●отборочные испытания (отбор ЭКБ по качеству не хуже исполнения «9» и «5» из выпуска соответственно «5» и «1»);

● испытания по требованиям РД 22.12.186-97 (более 400 тыс. элементов в год);

● испытания для установки в высоконадёжную аппаратуру с длительным сроком активного существования (10 – 15 лет);

● входной контроль и надёжностные испытания ЭКБ и ЭБ;

● сертификационные испытания в рамках обязательной и добровольной сертификации (возможности испытания ЭКБ ИП более 200 тыс. элементов в год);

● испытания по стандартам Климат-6, Климат-7, Мороз-6, MIL STD (США), ESA/ESS (Европейский стандарт);

● испытания по РК-98 (лабораторные отбраковочные испытания, конструкторские отбраковочные испытания, разрушающие испытания);

● диагностический неразрушающий контроль;

● разрушающий физический анализ;

● анализ отказов и независимую экспертизу;

● исследование возможности применения ЭКБ ИП индустриального исполнения в зависимости от внешних воздействующих факторов космического пространства;

● разработку и изготовление испытательного оборудования и программно-математического обеспечения для испытаний ЭКБ и ЭБ;

● выдачу рекомендаций по практическому применению ЭКБ и ЭБ;  сертификационные испытания изделий космического приборостроения – бортового и наземного комплексов.

Алгоритм работы НЦ СЭО по применению ЭКБ ИП приведён в таблице.

 

Алгоритм работы НЦ СЭО по применению ЭКБ ИП

 

ЭТАП 1

Оформление решения о порядке применения ЭКБ ИП в аппаратуре

Получение партий ЭКБ ИП из аккредитованного центра закупок

Входной контроль партии

Отбор ЭКБ ИП для сертификационных испытаний партии

Заключение о допуске партии к сертификационным испытаниям, лабораторным отбраковочным испытаниям, конструкторским отбраковочным испытаниям

ЭТАП 2

Сертификационные испытания, лабораторные отбраковочные испытания, конструкторские отбраковочные испытания, конструкторские диагностические испытания ЭКБ ИП

Выборочный разрушающий физический анализ

Анализ результатов входного контроля, лабораторных отбраковочных испытаний, конструкторских отбраковочных испытаний, конструкторских диагностических испытаний и разрушающего физического анализа

Сертификат соответствия партии

ЭТАП 3

Оценка условий эксплуатации

Сертификат применения партии

 

При НЦ СЭО имеется Орган по сертификации, который проводит обязательную и добровольную сертификацию и выдаёт сертификаты Роскосмоса на ЭКБ, ЭБ народно-хозяйственного и научного назначения.

Интеграция и дальнейшее взаимодействие между сетями космических телекоммуникаций России и стран Западной Европы – главное условие для установления деловых контактов и успешной деятельности России на мировом космическом рынке.

ЭКБ, применяемая в объектах космической техники, играет важнейшую роль в достижении максимальной эффективности, надёжности и долговечности телекоммуникационных систем. В последние годы подходы к выбору ЭКБ для новых разработок космического использования резко изменились. Это вызвано эволюцией мировой космической индустрии, связанной с устойчивой тенденцией к применению высоконадёжных компонентов индустриального исполнения. Специалисты НЦ СЭО применяют новые концепции, методы квалификации и модернизированные подходы в процедурах приобретения и использования рентабельной ЭКБ для отечественной космической промышленности.

В преддверии вступления РФ в ВТО творческое взаимодействие экспертов Роскосмоса, ФГУП «РНИИ КП» и представителей передовых западных космических технологических компаний IGG (Великобритания), Tecnologica (Испания), Astrium (Германия) позволяет осуществить модернизацию технологий информационного космического обеспечения и практическое применение прогрессивных наработок западных стандартов в новых российских космических телекоммуникациях на основе использования стратегически значимой индустриальной ЭКБ ИП.

Эти наработки были доложены авторами на последних конференциях ESCCON 2002, Radex-2003, Омск-2004. Основные результаты конференций, которые были получены по анализу докладов, сделанных отечественными и европейскими специалистами, следующие:

● техническое взаимодействие с производителем должно быть установлено на самых первых стадиях;

● производитель должен гарантировать однородность партии и индексов дат изготовления;

● количество закупаемых образцов должно быть достаточно большим; однако 15% запаса требуемого количества обычно достаточно;

● разрушающий физический анализ является полезным критерием для окончательной приёмки ЭКБ;

● необходимы партнёрские соглашения с производителями для того, чтобы оценить поставщика и повысить объём и надёжность данных;

● необходимо проводить анализ, используя существующие российские документы как руководство по выбору нестандартных компонентов для разработчиков новой РЭА;

● электронной промышленностью РФ должна быть организована общая система базы данных, в которую будут собираться все сведения о надёжности применяемой индустриальной элементной базы и РЭА на её основе;

● использование в условиях естественной радиации возможно с предварительным определением параметров радиационной стойкости для каждой закупочной партии.

 

Литература

 

1. Урличич Ю.М., Данилин Н.С., Белослудцев С.А. «Многоплановые инженерно-физические исследования электронной компонентной базы для космоса». М.: "МАКС Пресс", 2005.

2. Данилин Н.С. Информационные технологии и сертификация элементной базы новых российских космических телекоммуникаций. – М.: РТА ГТК, 2000.


Сетевой электронный научный журнал "СИСТЕМОТЕХНИКА", № 8, 2010 г.