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随着中国重大航天任务的成功，西方对中国的技术封锁进一步加剧，进口宇航级器件停产、禁运情况更加严峻，中国卫星研制面临着越来越严峻的竞争形势。卫星研制除对性能、质量、可靠性等指标的要求外，对研制进度、成本、重量、体积等指标要求也越来越高，器件的供应不足严重影响了卫星研制。因此采用少量商用现货器件替代禁运的宇航级件，来提高卫星性能，降低研制成本、重量、体积，是卫星研制发展的必由之路。
商用器件在空间应用中的需求
目前针对中国航天领域常用的器件而言，商用现货器件一般包括质量等级为工业级和商业级的器件。商用器件相对于宇航级元器件，一般具有性能优、体积小、重量轻、价格低、易采购的优点，但商用器件本身在可靠性上存在着很大风险，且抗辐射指标低，会给卫星任务带来一定的风险，这将严重影响商用器件的空间应用。
中国宇航型号中执行的电气电子和机电(EEE)保证要求中明确规定需要使用宇航级器件，以保证型号任务的成功。但已装机宇航型号中还使用少量的商用器件.一般总数量都控制在1%以下，转机前都经过补充筛选，以提高商用器件应用的可靠性。商用器件在空间应用中的需求主要表现在以下几个方面。
1)特殊需求。以嫦娥三号为代表的探月任务，对重量、体积、性能提出了更高的要求，因此不得不选用性能高、体积小、重量更轻的商用器件。
2)研制进度。国内宇航型号的研制周期越来越短，国外宇航级器件采购周期较长，还存在假货的风险，有时需要采购可替代的商用器件，以满足宇航型号研制进度的要求。
3)停产禁运。随着中国航天事业的崛起，国外对中国宇航级器件的禁运控制更加严格，更多的高性能宇航级器件被列入禁运清单，导致部分宇航型号不得不使用商用器件替代宇航级器件。
4)研制成本。由于宇航级器件处于垄断状态，价格特别昂贵，中国部分宇航型号研制成本有限，有时需要采用价格低廉的商用器件。
商用器件的国内外研究现状分析
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国外应用情况
早在20世纪70年代，国外就开始了商用器件的空间应用研究。1981年10月，英国萨瑞大学首次发射成功了第一颗使用商用器件的微小卫星，随后萨瑞大学陆续完成了14颗应用工业级器件的小卫星。2001年10月22日，欧洲航天局(ESA)成功发射了名为Proba的航天器进行商用器件技术验证，该航天器实际在轨寿命超过5年，远超过2年的设计寿命。2003年10月发射的日本SERVS-1航天器，开展了商用器件的空间应用评估，为商用器件空间应用的可靠性设计提供了数据支持。2006年6月美国发射的MITEX微小卫星开始使用商用处理器实现卫星的关键功能;2008年4月发射的德国COMPASS-1航天器也使用了大量商用器件。2009年1月日本发射了小型验证卫星(SDS-1)，搭载由商用器件制造的载荷部件，验证了商用器件在空间系统的应用。因此，商用器件的大量应用是一个逐步发展、循序渐进的过程。
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国内应用情况
中国对于商用器件的空间应用研究尚处于初级阶段。1999年5月发射的某航天器中采用了某型商用器件，验证了采用商用器件对空间环境的适用性，该商用器件在轨表现良好，成功完成了空间验证任务。2002年12月发射的神舟四号飞船中由于任务的特殊需求，不得不使用性能指标更高的商用器件热电偶放大器，使得采用该商用器件的单机精度更高、体积更小、功耗更低，完全满足系统特殊高性能的需求，保证了在轨任务的圆满成功;2003年以后发射的双星探测一号、探测二号卫星，其有效载荷系统大胆采用了商用器件高端电流检测芯片，该商用器件在轨运行无质量问题，很好地完成了在轨任务。
虽然中国商用器件在空间应用方面开展了一些研究及空间验证工作，但与国外相比还有一定的差距。随着宇航级器件禁运、停产形势日益严峻，为满足研制进度、成本的需求，商用器件的空间应用研究已成为我国航天领域急需解决的难题。
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卫星装机应用情况
以中国遥感领域某卫星、深空探测领域某卫星装机器件清单为基础数据，重点对工业级器件使用及质量保证情况进行统计分析。
1). 遥感某卫星装机工业级器件情况
遥感某卫星装星器件共计201 701只，其中国产器件186646只，占装星总数的92.53%;进口宇航级器件13917只，占装星总数的6.91%;进口工业级器件22项，共1138只，占装星总数的0.56%。
2). 深空某卫星装机工业级器件情况
深空某卫星正样共使用器件总数为83 235只，其中国产器件69979只，占器件总数的84%;进口器件12825只，占器件总数的15.48%;进口工业级器件40项，共431只，占装星总数的0.52%。
通过以上数据可以看出，中国空间卫星由于功能、性能需求等原因都在应用少量的商用器件。根据卫星在轨情况，装机的商用器件目前均在轨表现良好，未发生质量问题，极大地提升了商用器件空间应用的信心。
不同等级器件的特点
按照目前国际通用的器件质量等级分类方法，器件质量等级一般可分为宇航级、883级、军级、工业级、商业级。在宇航型号任务中，目前按照中国现行的器件EEE保证要求规定，进口器件大多采用宇航级、883级、军级产品，国产器件需采用中国空间技术研究院(CAST)等级以上产品。目前已装机器件也有部分商用器件，这些器件都必须经过专门的质保保证结构升级筛选后才可以装机使用。不同质量等级的器件性能比较见表1。
商用器件在空间应用中的可靠性保证
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空间环境影响要素
商用器件在空间应用中需经受空间环境因素的多重考验，热、力学和空间辐射对器件的影响尤其重要，常常会引发器件性能下降，甚至功能异常或可靠性降低。
空间辐射通常表现为空间带电粒子对航天器上的电子设备和电子器件等形成损伤.引起性能衰退，甚至引起航天器故障和功能失效。因此在航天器设计中必须充分考虑空间辐射效应对器件的影响，保证空间飞行安全可靠。这些影响主要包括总剂量效应、单粒子效应和充放电效应。由于商用器件没有抗辐射设计，也没有经过宇航器件的筛选过程，抗辐射能力低，可靠性离散度大，对空间辐射效应更为敏感。
同时，商用器件的工作温度范围较小，一般在O℃70℃。因此，为了达到空间应用高可靠要求，必须通过宇航级器件的温度(一55℃一125℃)筛选试验，提高封装后器件对热环境的适应性。
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商用器件的可靠性选用总体思路
器件筛选的目的是剔除早期失效产品，但不能改变器件的本身固有性能，质量保证要求的试验项目既要合理又要适用。因此，为了保证商用器件筛选的有效性和合理性，通过筛选充分暴露早期失效，在对商用器件进行100%的可靠性筛选前，需对商用器件批次抽样进行可靠性评价试验。
1). 可靠性评价试验
可靠性评估试验指商用器件在规定的工作状态下，采用适当加速应力激发其主要失效模式的批次性抽样试验。根据国内外器件可靠性工程经验，商用器件仅对同批次有效。对于没有通过可靠性评价试验的商用器件，在中国航天任务中不予以使用，通过可靠性筛选后方可装机使用。
2). 可靠性筛选试验
商用器件装机前，必须进行100%的筛选。
a. 温度可靠性筛选
不同可靠性要求的老练参数表主要根据可靠性评估试验结果确定老练参数，老练温度和时间依据见表2。表2中T1表征高可靠等级，对应5-8年的航天器任务周期;T2表征中可靠等级，对应2-5年的航天器任务周期。商用器件的温度筛选也可以参考表2。
b. 电离总剂量(TID)靠性筛选
TID可靠性筛选主要根据任务条件下的筛选回归模型进行无损筛选。商用器件的TID要求由任务时间、任务周期、轨道特性、屏蔽特性等确定，不同的任务有不同大小的TID要求。通过建立筛选回归模型，仅对商用器件的初始状态进行测试，根据模型预测任务中的响应值，由此对商用器件进行筛选。由于并未经受TID试验，所以称之为无损筛选，TID可靠性筛选步骤为:(1)对商用器件的TID可靠性评估试验数据进行预处理，剔除奇异点;(2)建立商用器件任务条件下的筛选回归模型;(3)测试商用器件参数，进行TID筛选。
商用器件空间应用的必由之路
根据商用器件在空间应用领域的情况，分析了商用器件的特点和可靠性保证技术，多数内容已得到工程验证。通过对商用器件的国内外应用情况及工程实践分析得到以下结论。
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区别对待，差异化器件质量等级控制要求
目前型号制定的EEE器件保证要求，对卫星用器件质量等级要求均按照长寿命、高可靠卫星应用来考虑的。比较欠缺对于短寿命、低成本等战时应急卫星、试验卫星器件应用的考虑，建议从器件选用顶层政策层面，针对不同设计寿命、不同卫星应用环境采取差异化的器件质量等级控制要求开展研究，从政策层面上支持该类卫星对商用器件的选用，在保证整星可靠性的情况下，合理降低成本。
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加强研究，制定商用器件筛选及考核评价标准
器件筛选的目的是剔除早期失效产品，要保证既不能欠应力也不能过应力。欠应力指筛选应力过小，不足以充分激发潜在的失效模式;过应力指筛选应力过大，导致对器件引入新的失效模式。商用器件必须经过电、热、力等方面升级筛选考核试验，合格后经风险评估方可装机，以提高系统应用的可靠性。目前中国物资部已开展了工业级器件升级筛选考核试验方面的研究与实践，积累了一定的工程经验，但受制于顶层器件选用控制要求限制，工业级器件选用规格数量较少，若要大幅提高工业级商用器件的选用范围，还需进一步结合卫星应用寿命、应用环境、成本控制等条件，开展商用器件可靠性、筛选、考核及应用风险评估方法等方面的研究，综合型号规格覆盖性、试验级考核指标设计合理性等因素，制定针对性的商用器件筛选及考核评价标准。
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统筹规划，通过组批采购质保的方式降低质量成本
商用器件应用于空间飞行器时，不可避免会遇到很多问题，存在很大的风险，其中最严峻的两个问题就是热环境和辐射环境。且商用器件的可靠性数据厂家并不提供，没有可追溯性，用户无法知道商用器件工艺过程的更改。所以虽然商用器件价格低，但由于要进行附加的筛选、测试、评估或适当的屏蔽加固等，使得采购商用器件的整体费用也大大提高。因此对于一些有批产属性的装备任务，可在经费允许的情况下，适当考虑采取商用器件的组批采购及质量保证的方式，降低采购商用器件的整体质量成本。
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拓宽思路，有针对性地开展辐照加固及冗余设计技术研究
根据国内外产品手册及可靠性中心摸底试验掌握的商用器件抗辐射指标，商用器件的抗辐射能力都比较差，尤其是单粒子指标很难满足卫星的设计使用要求。对于商用器件空间应用，后续可针对战时应急卫星、试验卫星的应用需求，除器件级层面的筛选及考核评估外，拓宽思路，加强整机层面的应用验证，同时可有针对性地开展总体层面的辐照加固及冗余设计技术研究。开展卫星冗余设计、整舱加固处理、器件在轨验证等方面的可行性研究工作。
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数据积累，建立商用器件数据库
由于商用器件空间抗辐射能力低、可靠度低，在轨应用较少，数据信息较少等特点，建议做好数据收集、分析、整理工作，建立商用器件批次和版本数据库，详细记录在轨应用情况和试验数据，积累在轨应用的宝贵数据用于后续商用器件的评估和应用依据;同时.针对在轨失效的商用器件.做好失效分析、举一反三工作, 确保后续商用器件的正确使用及设计改进工作。提高商用器件的可靠性，更好地为空间应用提供服务。
作者：韩庆龙 李澎
来源：网络
