电子单机板卡在轨维修设计研究

0引言

近年来,在轨故障已逐步超过发射故障,成为航天器最主要的危险源。通过对270多个电子设备故障 案例的分析^[1],发现近80%的故障属于永久性故障,通常由静电放电、设计缺陷或损耗等问题造成;通过故障分析还发现载人航天器的在轨故障通常只是个别器件/部件发生问题而导致整个单机设备或系统无法工作,造成巨大的资源浪费。因此,针对电子单机类设备在轨维修技术的研究,对提高中国空间站电子设备可靠性和维修水平具有重大意义,开展载人航天器电子单机内部在轨可更换单元 (Orbital Replacement Unit,ORU)维修性设计研究显得十分必要。未来,人类足迹将进一步向深空、向其他行星拓展,用于执行在轨服务、任务的舱外活动系统和操作概念方案也需要随之更新和演进,以适应复杂的空间环境和任务需求,为此开展板卡级的精细化维修研究势在必行。

本文研究了板卡在轨精细操作技术,在故障定位到电子单机内相应板卡的基础上,利用通用工具将故障板卡从电子单机上拆卸下,完成板卡的PCB 板与连接器的解焊,利用在轨焊接技术完成正常的 PCB板与板卡连接器焊接,从而实现板卡的在轨精细化维修操作。

1 国内外在轨维修现状

1.1国内研究情况

我国空间站项目从立项之初到建成运营已走过30多年的历程,考虑到目前航天员驻留时间较短,维修时间短,我国开展在轨维修研究起步较晚,无论是研究还是应用都仍然处于起步阶段,基础还很薄弱,需要加大投入力度。我国空间焊接技术的在轨应用目前几乎是空白,亟需开展这方面的研究以适应航天事业的发展,将航天器在轨维修性技术与空间站运营结合起来,走出我国航天发展的新路径。

1.2国外研究情况

国外从20世纪60年代初就开始开展航天员在轨维修空间站方面的研究。太空焊接维修是解决备件短缺问题的一个技术途径,经过近半个世纪的发展和实验,国外已在太空焊接技术的在轨试验研究方面取得较大发展,表1^[2—3]是国外空间焊接试验开展情况的部分统计。

2电子类单机特点

对电子单机内部结构进行分析可以发现:每个板卡都有相对独立的电路,并且多为PCB板卡加外插连接器,最后由屏蔽盒封装的结构形式。其中屏蔽盒在整个结构重量中占比较大,同时也增加了电子单机的体积,该部分结构的主要作用是承受发射阶段恶劣的力学环境载荷,确保内部板卡在发射过程中不被损坏,并提供内部PCB板电路安装的支撑,同时提供一个电磁屏蔽环境以满足相关的电磁兼容要求,在功能使用上基本没有发挥作用。

板卡作为电子类单机的重要组成部分,主要由绝缘件、接插件、电路、PCB板、芯片等元器件组装而成,可作为独立的一级ORU进行维修,它的失效模式已成为电子单机主要失效模式之一,其故障时机难以预测,相对于预防性维修策略,板卡级故障以修复性维修为主,即电子单机发生故障时,将故障定位到内部板卡,并维修更换故障板卡,最终恢复单机功能。因此,研发板卡维修系统对于板卡的在轨修复很有必要。

3 单机维修系统

基于空间站长期有人的特点,面向板卡的精细维修更换,综合考虑板卡的物理性能检测、更换及其维修后基本性能测试等全周期维修,针对某板卡(图1)提出了板卡维修系统,其由物理性能检测单元、原位维修更换单元和基本性能检测单元组成。

3.1 物理性能检测单元

物理性能检测单元主要开展PCB板的物理性能检测,确认新板卡的PCB板的状态。物理性能检测单元依托于AI技术构建板卡状态数据库,采用数据比对技术实现板卡的物理性能检测。板卡状态数据库以板卡正常验收交付状态为数据源进行构建,智能视觉检测终端提取产品特征后与数据库的板卡状态进行对比分析,进而实现物理性能检测。

物理性能检测单元内置智能视觉检测终端,并设置板卡操作区域、连接器(供电和传递信息)和操作界面,智能视觉检测终端和板卡操作区域的相关位置固定,避免人为操作带来的问题。物理性能检测单元的具体情况如下:

1)智能视觉检测终端主要实现对板卡的扫描成像,并与数据库数据进行比对。

2)板卡操作区域为抽屉式结构,位于物理检测单元底部区域,如图2所示。板卡操作区域前面板设置操作把手和锁紧装置,操作把手用于实现操作区域的打开和闭合,锁紧装置位于板卡操作区域的两侧,实现操作区域的锁紧功能;板卡操作区域内部设置板卡固定槽位,实现板卡的固定。

3)对外设置两个连接器负责供电和信息的传递,通过转接线缆实现与平台的连接。

4)操作界面如图3所示,用于实现人机交互操作,设置“开机”“板卡类型”“开始”“停止”和“关机”键,板卡类型采用下拉菜单的形式。

物理性能检测单元操作程序如图4所示。

3.2原位维修更换单元

原位维修更换单元主要开展PCB板的原位更换,为降低焊接作业对操作人员带来的危害,拟在专用焊接装置中实现PCB板与连接器的连接。PCB板原位更换时涉及PCB板拆卸、连接器解焊和焊接等操作。

PCB板和连接器的拆装为常规的螺钉拆装操作,按照QJ3117A—2011《航天电子电气产品手工焊接工艺技术要求》中“电子元器件的引线或导线的端头插装后,应露出印制电路板1.5 mm±0.8 mm”的规定执行。

连接器解焊和焊接均在专用焊接装置中实施。研究表明:太空钎焊时,真空环境、微重力环境有助于增强毛细作用,钎料在太空中的润湿铺展效果比地面要好,钎料能填充更大的纤缝间隙,降低了对装配的要求,钎焊纤缝缺陷相对较少^[4]。同时,考虑到钎焊时需要钎料和钎剂,为减少焊后余料的产生及对舱内环境的污染,PCB板原位更换时采用手动钎焊实现连接器和PCB板的连接,焊接时选用自钎剂钎料。

专用焊接装置内部设置电烙铁和 自钎剂钎料,均在焊接装置内部防漂固定,其对外接口由开关、操作口、板卡安装区域、连接器和废气收纳口组成,如图5所示。

专用焊接装置各对外接口具体如下:

1)开关:开关负责将电路打开,给电烙铁安全供电。

2)操作口:操作口位于操作装置一侧,设置两个操作手套,供操作员手部进入操作,操作时双手协同。

3)板卡安装区域:该区域结构与物理性能检测单元类似,内部设置板卡固定区域,用于板卡在解焊和焊接时的固定;外部设置操作把手和锁紧装置,用于实现板卡安装区域的取出和固定。

4)连接器:设置供电连接器,通过转接线缆实现与平台的连接,提供安全用电。

5)废气收纳口:位于专用焊接装置右侧,用于连接收纳装置,在解焊和焊接完成后使用,以便收集多余废弃物。

原位维修更换单元操作程序如图6所示。

3.3基本性能检测单元

基本性能检测单元主要开展更换PCB板后的板卡基本性能测试。基本性能检测单元依托于板卡基本性能构建数据库,采用数据对比技术实现板卡基本性能的检测。

基本性能检测单元对外接口为连接器(4个)和操作界面,具体如下:

1)基本性能检测单元集成检测程序,两个连接器负责供电和信息的传递,实现与平台的供电连接和信息交互,另外两个连接器实现与待检测板卡的连接,如图7所示。其中,考虑到待检板卡的连接器型号规格不同,通过转接线实现不同板卡与基本性能检测单元的连接。

2)操作界面如图8所示,用于实现人机交互操作,设置“开机”“板卡类型”“检测项目”“启动”“停止”和“关机”,板卡类型和检测项目采用下拉菜单的形式。

基本性能检测单元操作程序如图9所示。

4 结束语

空间站设计使用寿命10年,还要考虑后面的延寿问题和功能扩展问题O空间环境恶劣,电子设备受影响最为显著,延长飞行器电子设备在轨运行寿命、开展板卡精细化维修势在必行。本文提出了一种全周期的板卡维修系统,包括物理性能检测单元、原位维修更换单元和基本性能检测单元,对后续电子设备维修系统的构建具有一定的参考意义。

[参考文献]

[1]谭春林,胡太彬,王大鹏,等.国外航天器在轨故障统计与分析[J].航天器工程,2011,20(4):130一136.

[2]邱惠中.空间焊接的现状和发展前景[J].航天工艺,1990(6):52一59.

[3]冯吉才,王厚勤,张秉刚,等.空间焊接技术研究现状及展望[J].焊接学报,2015,36(6):107一112.

[4]王敏.空间站在轨焊接作业条件及接口技术分析[J].焊 接,2021(2):34一37.

2024年第23期第11篇