高可靠性的保证HB7089航空电子设备完整性大纲要求.doc

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1、高 可 靠 性 的 保 证HB 7089航空电子设备 完整性大纲要求王立群(空军第一研究所)摘要在分析航空电子设备故障机理及常规可靠性设计为什么不能满足要求的基础上 ,说明了参照 M IL - A - 87244A 制定的 ,提出了指导航空电子系统可靠性设计新方法 的 HB 7089 的主要特点 ,如 :采用损伤容限和耐久性设计 、采用并行设计制造工艺 、对关键设备进行预防性维修 。HB 7089 的完整性设计要点为 : 定义使用环境 ,确定元件 、零件和材料的特性 ,制定设计准则 ,对耐久性及损伤容限进行控制以及进行寿命管理等 。我国 应大力宣传 AV IP 的优越性 ,进行有关技术培训 ,

2、推行系统工程方法等 ,以促进 AV IP 在 航空工业的广泛实施 。关键词航空电子设备完整性大纲可靠性产品设计的头 30 天中有 90 %的概率不会出现故障标 。这样 ,战时飞机部署到无维修车间的 机场时 ,就不必用 3 架次的 C - 141B 运输空运航空电子设备的中继级维修车间 ,从 高部署的机动性 。美国空军认 为 常 规 可 靠 性 设 计 的 不1航空电子设备完整性大纲的作用1 . 1 常规可靠性设计的不足海湾战争的史实证明 ,航空电子设备在现 代战争中的作用日益重要 。在美国 ,军事装备 , 其中 包 括 航 空 电 子 设 备 的 可 靠 性 历 来 是 以 M IL - S

3、TD - 785设备和系统研制与生产阶段 的可靠性大纲或与其相当的可靠性大纲来保证的 。从 40 年代到 70 年代末 ,电子设备的可 靠性虽然提高了几十倍 ,但仍然远远不能满足 现代战争的需要 。如就美军的战斗机来说 ,航 空电子设备的修复性维修量一般占了飞机总维 修 量 的 35 % , 超 过 了 发 动 机 所 占 的 比 例(25 %) ;如果把发动机及飞行控制系统等中的 航空电子设备的故障修复都算在一起 ,则维修 量要占到 45 %50 % 。这种情况 ,严重影响了 飞机的平时可用性和战时出动率 。即使到 80 年代中期 ,按常规可靠性大纲设计的航空电子设备 ,其外场可更换单元 (

4、L RU ) 的平均故障间 隔时间 ( M TB F) 也只能达到 50100 h 。为满足现代战争的需要 ,美国空军在 80 年 代中期曾提出 :到 1990 年 ,航空电子设备 L RU 的 M TB F 至少要达到 2 000 h , 以达到在战争于 :设计时假设电子设备的故障是随机性的制时对新设备中内在的初始缺陷认识与控够 。根据故障是随机性的假设 ,电子设备 修一般就采用事后维修方式 ,从而影响了 或任务关键的电子设备的战备完好性 。但是后来的研究表明 ,电子设备的故 际上是耗损性的 。1 . 2电子设备的故障机理 以半导体和集成电路为主组成的现代电子设备与地面电子设备具有复杂的混

5、构 。如典型的印制板组装件 ,印制板是多 璃纤维环氧树脂片的叠合结构 ,板上有铜路和孔壁镀铜的孔 ,并焊有不同的元件 (如 封装 、双列直插封装的集成电 路 等) 。研 明 ,这样的结构中 ,不同材料的热膨胀系数 度有着相当大的差别 ,故存在着热和刚度 问题 。电子设备在使用中因开关循环 、使式变换和环境的影响 ,要产生低频热循环和高频振动循环 。电子元器件在存在热与刚度失配 和热与振动循环的环境下工作时 ,要承受相当大的交变热应力与振动应力 ,其典型的应力值 可为飞机主要结构所允许应力的 23 倍 。从 断裂力学的观点来看 ,在新的电子元器件中不 存在制造缺陷是不现实的 。新元器件中的微观

6、缺陷 (裂纹) 会在交变应力下扩展 ,最后形成疲 劳破坏 。因此 ,电子设备的一类主要故障是机械性疲劳 ,其中包括低频热疲劳和高频振动疲 劳 。另一类主要故障是化学性的 ,包括由潮湿 、 化学或生物因素引起的电介质老化 、形成电解 质和腐蚀 。电介质老化和电解质形成会造成电 路短路 ,而由腐蚀生成的高电阻薄膜会使电路通电不良 。由上可知 ,电子设备的故障机理主要是疲 劳和腐蚀 ,故障主要是耗损性的而不是随机性 的 。过去之所以把它看成随机性的 ,主要原因 在于 :故障在时间 、部位和程度上的分散性 ,以及没有深入考虑故障机理 。下述的试验与部队 实际使用情况都证明了上述结论是正确的 。70 年

7、代初 ,美国通用电气公司飞机实验室 对制造过程受到严格控制的焊有扁平封装集成 电路的印制板作了试验 。试验中对其施加了综合热和振动的试验循环 。在温 度 变 化 范 围 为- 65125 的 情 况 下 , 当 试 验 循 环 数 少 于570 次时 , 无 任 何 故 障 出 现 , 但 当 超 过 570 次 时 ,孔壁的铜镀层就连续出现疲劳断裂 。在温 度变化范围缩小为 - 55100 ,降低了热应力时 ,首次故障时间的出现延长到了 1 900 次 试验循环 ,连续出现疲劳破坏的部位也从孔壁 铜镀层转移到了扁平封装的引线与印制板的焊 点上 。美国和日本的一些其他公司也作了类似 试验 ,并

8、得出了相似的结果 。这些试验充分证明电子元器件的一类主要故障是疲劳破坏 ,是 耗损性的 。从美国空军部队的外场拆下的有故 障电子 L RU 来看 , 大约有 50 %的元件或连接 点上有疲劳裂纹 。常见的疲劳破坏部位是在引 线连接处 、孔壁铜镀层 、焊点和玻璃封焊处 。另外 40 %50 %的元器件上有腐蚀问题 ,即在连接器或其他部位上有高电阻薄膜 。1 . 3 完整性设计能使航空电子设备可靠性满 足需要鉴于航空电子设备故障机理同飞机结构故障机理的相似性和常规可靠性大纲的不够有 效 ,为保证电子设备有足够的可靠性 ,美国空军 借鉴飞机结构完整性大纲 ,于 1986 年制定了电 子设备完整性大纲

9、 : M IL - A - 87244航空电子设备/ (地面) 电子设备完整性大纲 ( AV IP) 要 求,1987 年又将其改版为 M IL - A - 87244A , 用于所有航空电子设备和地面电子设备的研制 以及现役电子设备的重大改进 。1988 年 ,美军 将 AV IP 应用于全球定位系统的数 模 转 换 器( GPS - DAC ) 、先 进 空 中 战 术 侦 察 系 统 (A TA RS) 、短距攻击导弹电 子 设 备 ( SRAM2 ) 等 6 种新型航空电子系统的研制和现役夜间低 空导航与红外瞄 准 吊 舱 ( L AN T IRN ) 的 改 装 , 均使这些航空电子

10、设备的可靠性满足了作战需要 。如 以 M TB F 计 , L RU 的 M TB F 达 到 了2 000 h以上 。我国航空工业标准 HB 7089 - 94航空电 子设 备 完 整 性 大 纲 要 求是 借 鉴 M IL - A -87244A 结合国情制定的 ,其性质 、特点 、主要内容和作用是同该美军标一样的 。2AVIP 的主要特点航空电子设备完整性大纲 ( AV IP) 是一种系统工程大纲 ,是对航空电子设备进行设计 、分 析 、鉴定 、生产和寿命周期管理的规范化程序 ,其目的是以最佳的寿命周期费用保证航空电子设备的完整性 ,从而提高其战备完好性 。航空 电子设备完整性是指航空电

11、子设备在规定的使 用条件和使用寿命期内能呈现的反映其效能的综合设计特性 ,它是设备的安全性 、耐久性 ( 可 靠性的一种体现) 、维修性 、测试性和抢修性的 综合 。美国空军认为 ,AV IP 同飞机结构 、发动 机结构和机械设备等的一族完整性大纲一起 ,是执行其可靠性与维修性 2000 年行动计划的支持性大纲 。美国国防部指示 , AV IP 应与常规可靠性大纲并列 ,作为电子设备可靠性 (耐 久性) 设计的源文件 。AV IP 有以下主要特点 :(1) 采用损伤容限和耐久性设计 基于电子设备的故障机理类似于飞机结构的观点 , AV IP 中也采用了飞机结构完整性大 纲中用的损伤容限和耐久性

12、设计 。损伤容限是 指电子设备在规定的无维修期内抵抗由制造或使用所致缺陷 、裂纹或其他损伤所引起的失效 的能力 ,它是有关电子设备的安全性的 ;耐久性 是指电子设备在所安装的环境中 ,在其修理费 用少于更新费用的条件下 ,能延续工作的能力 , 它是有关电子设备的使用经济性的 。这些设计特性是确定性的 ,而非概率性的 。 它们从最坏情况出发来确定材料的特性和设计 应力/ 环境谱 ,按疲劳和腐蚀的故障机理来控制 使用应力与环境应力 。其主要的设计参数是无 故障工作时间和经济寿命 ;在需要时 (如合同要求时) 也可给出 M TB F 。(2) 要求作严格的环境应力筛选 应对电子设备及其模块 、组件

13、、元件等逐层分别作环境应力筛选 ,以保证研制中实际上已 消除 (消除 98 %以上) 由于设计与制造不良所致的故障隐患 ,以减小或避免在使用中发生故 障 。(3) 并行设计制造工艺AV IP 采用了并行工程 , 除了 并 行 设 计 安 全性 、耐久性 、维修性 、测试性等特性外 ,还要求与硬件一起同步设计其制造工艺 ,以保证所设 计的特性不至于在制造中降低 。(4) 对关键设备采用预防性维修AV IP 要求对事关安全关键和任务关键的 电子设备的维修采用预防性维修方式 ,即定时维修方式或视情维修方式 。非关键电子设备可 按经济性权衡结果和用户的保障条件来确定采 用预防性维修方式还是事后维修方式

14、 。(5) 具有高的费用效益比应用 AV IP ,只需多花 10 % 20 %的电子设备 采 购 费 , 就 能 大 幅 度 提 高 其 可 靠 性M TB F 为例 ,应用 AV IP 比用常规可靠性提高 10 倍以上 ;这样 ,设备的效能可大大提并且可以显著降低寿命周期费用 。由此可应用 AV IP 具有高的费用效益比 。(6) 标准的形式有利于革新研制途径 同 M IL - A - 87244A 一样 , HB 7089 是一种革新型的空格规范 。它由正文和附部分组成 。正文比较简单 。在其“要求”和证要求”两章中 ,在每项性能参数要求的后留出空格 ,以便在签订研制合同时按具体 和情况填

15、入适当数据 。附录比较详细 ,不 正文中所提要求的原理 、指南和经验作了说明 ,而且还建议在空格中宜填入的具体数由于在这类规范中 ,各项要求后面都留有订购方与承制方协商后填写的空格 ,它的 实施不仅有利于明确提出航空电子设备的 战术技术性能指标 ,并且能促进研制途径 新 。3完整性设计要点HB 7089 的 AV IP 的实施包括准备设料 、拟订初步计划 、设计 、验证与生产 、进行 管理等 5 个阶段 。其采用的损伤容限与耐设计的要点如下 :(1) 定义使用环境 要深入了解和确切定义航空电子设备所安装的飞行器的使用特点和使用环境 。 法是 : 通过数据收集和现场调研收集飞行使用环境 、任务组

16、合与剖面 、飞行包线等数经分析与评估后修定拟研制的航空电子设合同规范 ,然后按修定后的合同规范定义 电子设备使用寿命期内的环境条件 。这些 包括各种温度循环的变化幅度 、变化速率环数 ,各振动水平的经历时间 , 通 电 断 电数 ,以及其他一些事件 (如弹射起飞 、拦阻着维修 、搬运等) 的环境条件 。(2) 确定元件 、零件和材料的特性 确定电子设备中所用元件 、零件和材理化与生物特性 ,以建立设计准则和研制过程控制准则 。确定的方法是收集现有的数据 ,不 足时再作必要的试验来确定 。这些特性的许用值 ,除了断裂韧性和裂纹扩展率可用均值以外 , 其余的要按最坏情况确定 , 一般用均值减去 3

17、 倍标准离差的值 。(3) 制定设计准则 要对每个元件制定设计准则 。这些准则实际上是考虑到环境条件 、使用情况和产品质量等的不确定性而建立的降额使用准则 ,主要包 括以下一些 :a . 航空电子设备的设计使用寿命裕量 ( 一 般为 2) ;b. 介电材料设计裕量 , 包括使用电压值 、残余介电强度 、绝缘材料的最大允许应变等 3个参数的设计裕量 (一般均为 2) ;c. 导体的电流承载能力裕量 (一般为 2) ;d. 零件的设计应力值裕量 (一般为 2) ;e . 设备和零部件对静电放电的敏感性裕 量应按有关规章 (如美国按国防部手册 DOD -HDB K - 263) 的规定 ;f . 共

18、振频率比裕量 ,各层次部件间的共振 频率比要大于 1 . 5 (一般为 2) ;g. 印制板修改/ 修理中允许切割和冲钻的次数应按有关标准 ( 美国按 M IL - P - 28809)的规定 ,超过时要有充足的论证理由 。 这些准则是在定义使用环境和了解元件故障机理的基础上制定出来的 。(4) 耐久性控制 耐久性设计的一方面要求是 ,电子设备的经济寿命应不短于设计使用寿命 ,并且在此寿 命其内尽量减少部件的修理或更换次数 ; 另一 方面要求是 ,所有事关安全或任务关键的航空 电子设备和部件 ,都设计成有能满足最低要求的无故障工作时间 。 耐久性由各种耐久性验证分析和试验予以控制 。基本的分析

19、工具包括计算机辅助有限元 分析 、有限差分析和人工分析技术 。任何超过 应力设计准则的零部件都要作附加的寿命评估 ,并作必要的设计修改 ,以满足对使用寿命和无故障工作时间的要求 。(5) 损伤容限控制 损伤容限设计只用于事关安全或任务关键的航空电子设备 。进行这项设计前首先要分析 航空电子设备的故障后果 ,分析出现故障是否 会影响载机的飞行安全或任务的完成 。该项设 计包括两个方面 : 一方面要使元件中的最大裂 纹或缺陷在设备进行规定的维修之前不会扩展到临界尺寸 ; 另一方面要制订一份电子设备预防性维修大纲 ( 计划) , 以避免设备发生故障 。在有的情况下 ,设备应设计有应力监控电路 ,或在

20、载机中设计有时间 - 应力测定器 ,以监控设 备的工作状况 。对于安全关键的航空电子设备 ,除了采用 比任务关键设备更为严格的硬件设计和预防性 维修措施以外 ,还应有余度设计 ,并要确保设备 不会发生事关安全性的单点失效 。(6) 质量控制 其主要措施如下 :a . 选择好承制方 ,并监控所购元件和材料 的质量 ;b. 严格执行有关规章 ( 美国按 M IL - S TD- 1520 、M IL - S TD - 535 、M IL - Q - 9858 等)中的质量保证条款 ;c. 与硬件设计同步设计制造工艺 ,以尽量 减少产品在制造中偏离设计要求 ,其中要尽量 采用标准的和成熟的制造工艺

21、;d. 按设备的各层次严格进行环境应力筛选 ;e . 对安全或任务关键设备进行质量验证 分析 、演示或试验 ;f . 做电子设备的破坏试验 ,以鉴别易失效 的元件或材料 ;g. 迅速采取纠正措施 。 (7) 腐蚀预防和控制 详细分析使用环境对结构腐蚀的影响 ,应按最严酷环境条件来确定关键零部件的材料 、制造工艺和防腐蚀措施 ,并尽可能准确预计腐蚀生成率以便确定定期检查期限 。特别要注意预防与控制关键接地点 、电磁干扰点以及连接 器上的腐蚀 。上述措施要由详细的分析和试验来验证 。(8) 寿命管理 要按常规方法对航空电子设备进行维修性与测试性设计 ,以满足航空电子设备的维修性 要求 ;用计算机辅

22、助方法标识各种电缆 、电线 , 以便于战时抢修 。对事关安全或任务关键的航空电子设备应进行预防性维修 ,其中包括定期 更换有寿命限制的零部件和视情检查其他零部 件 。目前一些国家正在开发适用的视情检查技 术 。当前常用的方法是参数裕量检测技术 ; 还 可望应用漏电和电源电路特征分析技术来检查CMO S 集成电路的故障征兆 。视情检查的首次 检查期应等于无故障工作时间 ,复查期应与之 相等或为其几分之一 。部件在制造和修理中的 脱焊重焊次数不能超过 6 次 。对于一种航空电子设备 ,使用中应记录其若干个工作应力参数 ,记录仪由承制方提供或 利用载机的参数记录仪 。承制方应与使用方商 定需作记录的

23、该种电子设备的数量 ,使得能在 该设备形成初步作战能力后的 3 年内 ,反馈得 到并确定其实际使用应力谱 。承制方还应提供单台航空电子设备的应力跟踪装置 ( 如参数记 录仪 、时间 - 应力测定器等) ,以便按照所设计 的基准维修间隔期和每台电子设备的实际应力 变化历程来确定每台电子设备的实际维修间隔 期 。技 术 部 门 宣 传 AV IP 的 优 越 性 。说 明AV IP 是建立在正确认识航空电子设备故 理之上的 ,考虑了影响应力与材料特性的情况 ; 要求对航空电子设备及其各层次都 格的环境应力筛选 ,以便在研制中尽可能 故障隐患 ,减少在使用中发生故障 ;能以最寿命周期费用大幅度提高电

24、子设备的可靠满足现代战争对战备完好性 的 需 要 。还明 ,AV IP 是常规可靠性大纲的发展 ,两者 方法不同 ,但目标是一致的 ,故可根据对电备的具体战术技术性能指标要求和研制约件来选择采用哪一类大纲 。(2) 培训有关技术 培训的主要内容如下 :a . AV IP 的管理程序与措施 。如完整 求的提出 、控制与验证的程序 ,AV IP 计划 定等 ;b. 损伤容限与耐久性技术 。如有限析 、有限差分析 、腐蚀防护与控制 、寿命管理防性维修性大纲的制定技术等 。培训对象应包括管理人员和技术人员训内容应有不同的侧重点 。c. 贯彻并行工程 。一方面应并行设 项设计特性 ,另一方面在硬件设计的

25、同时其制造工艺 。后者对我国设计单位来说 ,新问题 。(3) 贯彻系统工程方法 要应用系统工程的原理与方法 ,恰当与综合诸如功能 、重量 、安全性 、可 靠 性 (性) 、维修性 、测试性 、寿命周期费用 、进度 项主要的研制要素 。与常规的 可 靠 性 大 比 ,应用 AV IP 可大幅度提高电子设备的 性 ,减少 (对安全关键设备) 或消除 (对任务 设备) 其余度 ,但可能要增加设备的重量 , 按电子设备的关键性和对可靠性 、重量 、经 等要求进行恰当的分析与权衡 。(4) 开发有利于实施 AV IP 的技术 虽然 实 施 AV IP 所 需 的 基 本 技 术 是的 ,但是为了更有效地

26、实施 ,还应积极开发4实施 AVIP 需要解决的问题虽然实施 AV IP 的基本技术是综合应用已有的技术 ,而不需要开发新的技术 ,然而对我国 来说 , AV IP 毕 竟 是 一 项 新 事 物 , 将 其 付 诸 实施 ,需要解决很多问题 。笔者认为 ,为了能在我 国航空领域有效地实施 HB 7089 ,当前需要做 好如下几项主要工作 :(1) 宣传 AV IP 的优越性要向工业部门 、军队和有关厂所的领导和对 HB 7089 - 94 中几个问题的探讨牛寅生(六一三研究所)摘要HB 7089航空电子设备完整性大纲要求提出了一些新颖的概念 ,提供了一套科学的设计方法和管理程序 ,开辟了提高

27、航空电子设备质量的新途径 。概括介绍了航 空电子设备完整性大纲的主要内容及其所要求的分析和试验工作 。分析对比了完整性与可靠性在定义 、属性 、失效机理 、故障模式 、维修策略 、分析和试验要求 ,以及完整性大纲与 可靠性大纲在目标 、要求 、内容方面的主要差别 。指出完整性和可靠性都是设备的一种特 性 ,而前者涵盖了后者 。编制 、实施 AV IP 和可靠性大纲是提高航空电子设备质量的不同 途径 ,对于任务和安全关键设备而言 ,实施 AV IP 效果更好 。关键词航空电子设备产品质量完整性可靠性设计大纲参照 M IL - A - 87244A 编制的 HB 7089- 94航空电子设备完整性

28、大纲要求是一项重 要的标准 ,它提出了一些崭新的概念 、一套科学的设计方法和一种先进的管理程序 ,开辟了提 高航空电子设备质量的新途径 。它的目标是在 降低寿命周期费用的同时 ,提高航空电子设备(以下简称设备) 的工作完好性和任务成功率 。 美国空军已在一些设备研制中实施了航空电子设备完整 性 大 纲 ( AV IP) , 并 取 得 了 显 著 的 效 果 。为了尽快地 、更好地实施 HB 7089 - 94 ,笔 者现就该规范中的几个问题进行一些探讨 ,以 期与关心该规范的同仁切磋 。了编制和执行 AV IP 的要求和责任者 承制方 ,但没有集中 、详细地规定 AV IP 的内容 。通 过

29、对规范中有关内容的分析可归纳出其主要内容为 :a . 总体计划 (A IM P) 和分计划 ;b. 各阶段工作和阶段计划 ;c. 各种分析和试验 ;d. 承制方和转承制方有关产品完整性方 面应做的各项工作 ;e . 对 8 个重点问题的考虑 。2AVIP 的分析和试验要求在编制和执行 AV IP 过程中 , 需要进行大量的分析和试验工作 ,要求将这些分析和试验 填入 AV IP“要求”部分 ( 以下简称 AV IP 要求) 相应空格中 ,并要纳入相应的分计划 。这些分1AVIP 的主要内容本规范只对 AV IP 规定了准确的定义 , 指出了明确的目标 ,给出了具体的应用指南 ,提出有利于实施的

30、辅助技术 ,例如 ,视情检查工作所需的状况监控技术 、检验焊点焊接质量的技术 等 。参考文献1M IL - A - 87244A ,Avio nics/ Elect ro nics In2tegrit y Program Requirement s ,19872J . C. Halpin . AV IP Air Fo rce Thrust fo r Re2liabilit y. In : The Shock and Vibratio n Bul2letin , Part 1 ,J une ,1985E. F. Pello . Implementing an AV IP , a CaseSt udy. In : Naeco n90 ,V . 3 , P. 1028 ,19903