Источники питания для космических применений

выбрать отображение

17 Источники питания для космических применений

В состав космических аппаратов и спутников входят системы энергоснабжения, которые включают аккумуляторы, солнечные батареи, топливные ячейки или радиоизотопные источники питания. Такие энергосистемы могут быть как неадаптированными, так и адаптированными – со стабилизированным напряжением на шине, питаясь от которой несколько сотен конвертеров должны эффективно снабжать аппаратуру необходимым электропитанием.
Одна из принципиальных проблем, возникающая при создании источников питания для космических применений, состоит в том, что необходимо обеспечить чрезвычайно высокое значение средней наработки на отказ MTBF (Mean Time Between Failures), тогда как количество используемых в космосе изделий довольно невелико по сравнению с объемами наземных применений. Малое количество эксплуатируемых образцов препятствует решению задачи улучшения параметров изделий на основе анализа экспериментальных результатов их эксплуатации. Разработанная нами методология проектирования и конструирования источников питания для космических применений позволяет преодолеть данную проблему. Это достигается применением ряда испытанных на практике методов.
Одним из важнейших методов является использование «материнских» разработок – то есть разработок и технологических процессов, которые уже хорошо себя зарекомендовали во время прежних полетов на космических аппаратах.
Немало аргументов свидетельствуют в пользу предположения, что новое изделие подвергнется такому же воздействию окружающей среды, что и «материнское». Однако справедливость такого приближения быстро сходит на нет с увеличением интервала времени между применением нового и «материнского» изделий. Идея использования «материнского» наследия демонстрирует высокую эффективность только в пределах нескольких лет после применения «материнского» изделия. Если же в новом изделии использовать опыт разработки, испытанной десять или двадцать лет тому назад, это может принести только вред.
Базирующийся на «материнской» разработке перечень компонентов может вернуть новое изделие на двадцать-тридцать лет назад. Может оказаться, что многие из компонентов устарели и вышли из употребления, что приведет к снижению надежности. Вес и размеры такого оборудования увеличиваются, что вынуждает идти на другие конструктивные компромиссы. К тому же технологические процессы изготовления компонентов непрерывно изменяются, что часто не учитывается при проведении мероприятий по сохранению неизменным прежнего списка компонентов.
Другим важным методом улучшения надежности является индивидуальная оценка надежности каждой составной части изделия. Такой оценке могут подвергаться дискретные, гибридные и бескорпусные компоненты. При этом составные элементы изделия квалифицируются на соответствие гораздо более высоким уровням воздействия окружающего пространства, чем они реально испытают впоследствии в составе готового изделия. Это снижает для конструктора фактор риска. Нередко некоторые аспекты, влияющие на надежность, остаются не выявленными, из-за чего конструкция оказывается менее надежной, чем она могла бы быть. Этого можно избежать путем проведения тщательного и полного анализа.
В дополнение ко всем тестовым программам могут выполняться различные дополнительные исследования. В таких исследованиях проверяют правильность применения всех составных частей изделия, и будут ли достигнуты требуемые заказчиком показатели надежности изделия в целом.
Кроме того, все конструкторские и технологические процессы должны быть надлежащим образом документированы. Все исполнители должны пройти соответствующее обучение и иметь сертификаты.
В отличие от использования в авиационной, корабельной и автомобильной технике, каждое применение изделия в космосе характеризуется уникальными условиями окружающей среды. Степень воздействия ионизирующего излучения, включая накопленную дозу излучения и SEU, зависит как от конкретной орбиты, так и от времени пребывания на этой орбите. Дальний космос предъявляет совершенно уникальные радиационные требования. Температурные требования зависят не только от системы терморегулирования космического аппарата, но и от местоположения источника питания. Толчки, вибрации и пиротехнические удары для каждого применения также носят индивидуальный характер. Поскольку источники питания в космических применениях должны работать в условиях вакуума, все рассеивающие тепло элементы должны иметь предсказуемые пути отвода тепла к радиаторам, что иногда упускается из-за недостатка опыта. Большинство космических аппаратов содержит оптические и иные системы, которые чувствительны к газовыделению материалов, подверженных испарению. Поэтому при выборе применяемых материалов, они должны быть классифицированы и распределены по степени газовыделения.

17.1 Выбор конструктивного решения

Источники питания для космических применений могут изготавливаться полностью из дискретных компонентов, целиком в гибридном исполнении или в комбинированном варианте. Комбинированная конструкция может также состоять из нескольких гибридных DC/DC конвертеров, объединенных в одном корпусе. Чтобы выбрать лучший вариант реализации, следует проанализировать необходимые технические параметры, стоимость и сроки изготовления. Как правило, полностью гибридное исполнение является более дорогим и требует больше времени для реализации, чем дискретное или комбинированное исполнение. Однако это относится лишь к уникальным заказным изделиям. Если же необходимым требованиям отвечают какие-либо из стандартных, или ранее выполненных разработок, то стоимостные и временные показатели могут кардинально измениться в лучшую сторону.
В полностью гибридных источниках питания используются толстопленочные подложки, микрочипы и компоненты поверхностного монтажа, что позволяет обеспечивать очень высокую плотность монтажа. К тому же отказ от применения компонентов в индивидуальных корпусах повышает общую надежность изделия. Резисторы изготовлены непосредственно на керамической подложке, а размер каждого из них выбран в точном соответствии с рассеиваемой мощностью.

Герметичный корпус защищает от воздействия окружающей среды и гарантирует большой срок хранения. Малый собственный вес бескорпусных компонентов позволяет гибридному конвертеру выдерживать значительно более высокие механические перегрузки (удары, вибрацию, ускорения), чем это допустимо для модулей, изготовленных из дискретных компонентов.
Одним из препятствий в создании полностью гибридной конструкции является то, что из-за габаритных ограничений невозможно реализовать конструкцию моточных изделий в полном соответствии с требованиями стандарта MIL-STD-981. Это относится, прежде всего к конструкции выводов и инкапсуляции. Однако большинство требований MIL-STD-981 могут быть соблюдены.
В настоящее время выбор в пользу гибридной конструкции является оптимальным решением при уровнях выходной мощности до 120 Вт. В более мощных конвертерах температурные соотношения для кристаллов полупроводников и моточных изделий делают более практичным использование ряда компонентов в отдельных корпусах. Поэтому при мощности свыше 120 Вт целесообразно применять комбинированное решение с использованием гибридных и дискретных элементов, когда дискретные компоненты располагаются вокруг узлов с бескорпусными элементами. В такой комбинированной конструкции сложные маломощные цепи реализуются в гибридном исполнении, а мощные и громоздкие дискретные компоненты устанавливаются в собственных отдельных корпусах. Это позволяет довольно эффективно использовать объем, и обеспечивать более высокие параметры теплоотводов для мощных элементов.
Комбинированная гибридно-дискретная конструкция наиболее оптимальна при уровнях мощности от 50 до 1000 Вт, поскольку она представляет собой наиболее компактное решение, которое способно полностью удовлетворять требованиям стандарта MIL-STD-981. Кроме того, комбинированное исполнение предоставляет конструктору гораздо больше возможностей при разработке фильтра радиопомех, чем при реализации полностью гибридного варианта.
Вариант частично гибридного, частично дискретного исполнения имеет дополнительное преимущество – возможность объединения нескольких полностью гибридных DC/DC конвертеров в сборку, которая может также включать в себя небольшое число дискретных цепей. Такая технология позволяет при минимальной стоимости довольно быстро создавать сложные блоки.
Полностью дискретное исполнение лучше всего подходит для создания наиболее мощных изделий, а также для реализации индивидуальных заказных проектов, в которых должен учитываться ограничительный перечень используемых компонентов. Применение гибридных микросхем в источниках питания большой мощности не приводит к ощутимому снижению веса и габаритов. Поэтому при уровнях выходной мощности от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт используются полностью дискретные конструкции.

Один из наиболее важных аспектов, влияющих на выбор конструктивного решения, не относится к области техники, а связан со свойством консервативных структур, которые окружают многие космические проекты, оказывать сильное сопротивление всяким переменам.
Несмотря на это, многие последние программы тяготеют к использованию полностью гибридных и частично гибридных разработок, если это позволяет требуемый уровень мощности.

17.2 Технология производства

В процессе производства источников питания для космических применений большое внимание уделяется детальному документированию процедур выполнения всех технологических операций, а также обучению и сертификации уровня подготовки всех операторов. В стандартах качества NHB-5300 и MIL-Q-9858A описываются процедуры выполнения всех технологических операций. Целью этих методик является описание технологических процессов, обеспечение повторяемости при их применении и указание критериев для обучения персонала.
От типового производителя гибридных модулей может потребоваться выполнение около 40 методик, которые приведены в стандарте MIL-H-38534. Приблизительно 20 методик по стандарту MIL-STD-981 необходимо выполнять при производстве моточных изделий. При дискретной сборке требуется соблюдение около 30 методик в соответствии со стандартом NHB-5300.
Операторы, которые должны выполнять эти процедуры, проходят обучение (в соответствии с установленной методикой учебного процесса), затем их знания и способности к выполнению конкретной процедуры проверяются, и лишь после этого они сертифицируются на выполнение этой процедуры. Сертификация по процедурам, как и сами инструкторы, находятся в компетенции внешних агентств, срок полномочий которых периодически обновляется.
Целью разработки всех этих процедур и методов является исключение любых случайностей и неправильных интерпретаций, возможных в процессе производства, что позволяет в значительной мере преодолеть ограничения, связанные с недостатком экспериментальных статистических данных о надежности выпускаемых в небольших количествах изделий.

17.3 Выбор компонентов и их квалификационные испытания

Одной из характерных особенностей, сопровождающих процесс разработки источников питания для космических применений, является особая тщательность при выборе компонентов.
Существуют разнообразные ограничительные перечни применяемости компонентов, многие из которых приведены в стандарте MIL-STD-975. Преимущество в использовании этих перечней состоит в том, что данные компоненты были неоднократно испытаны в «материнских» конструкциях. Недостатком же является то, что самим этим компонентам, как и технологиям изготовления их корпусов уже исполнилось от десяти до двадцати лет. Их применение делает блоки большими, тяжелыми и неконкурентоспособными с современными образцами.
В разработках, основанных на применении таких ограничительных перечней, часто наблюдается феномен, присущий только космической индустрии. Речь идет о схемотехнических решениях, базирующихся на уникальных комбинациях так называемых стандартных компонентов. Это подобно логическим схемам, построенным исключительно на элементах И-НЕ, или же аналоговым схемам, созданным с использованием только n-p-n транзисторов.
Мотивацией при создании таких разработок служит не только стремление использовать ограничительный перечень, но и свести к минимуму общую стоимость используемых компонентов. Довольно часто на складе имеется избыток пригодных для космического применения компонентов, которые были закуплены по предыдущим контрактам, и разработчик должен использовать эти компоненты, пока их запас не будет исчерпан. В результате очень часто получаются неконкурентоспособные разработки.
В конкурентоспособных источниках питания для космических применений неизбежно будут использоваться так называемые «нестандартные» компоненты. Это могут быть компоненты, которые соответствуют военным стандартам, но не входят в ограничительные перечни, либо заказные компоненты, например, моточные изделия. Для гибридного исполнения все чип-микросхемы могут рассматриваться как «нестандартные».
Типовая процедура по применению «нестандартного» компонента начинается с разработки технических условий (ТУ). Этот документ не только задает все электрические и механические параметры компонента, но также определяет квалификационные требования и требования, которым должно соответствовать качество изделия. Целью квалификационных испытаний является проверка изделия на соответствие требованиям ТУ, включая климатические испытания и проверку электрических параметров. Периодические испытания проводятся инспекцией контроля качества QCI (Quality Conformance Inspection) путем тестирования отобранного количества образцов. Периодические испытания обычно включают в себя небольшое число тестов по сравнению с квалификационными, и поэтому являются менее дорогостоящими. Периодические испытания также известны, как тестирование группы A, B, C, D и E. В зависимости от типа компонента, групповое тестирование может включать только группы А и В, или от А до Е. В процессе периодических испытаний один или несколько модулей подвергаются разрушению, что увеличивает затраты. Существует ряд стратегий по снижению стоимости таких испытаний, которые могут осуществляться только с ведома руководства и при одобрении заказчиком.
Процесс квалификационных испытаний чип-компонентов, иначе называемый оценкой элементов, выполняется в соответствии со стандартом MIL-H-38534, который также применяется при проведении периодических испытаний.
Практически все без исключения моточные изделия источников питания для космического применения являются нестандартными. Основным стандартом для таких изделий является MIL-STD-981, который базируется на MIL-T-27 и близких ему спецификациях. Подобно многим другим спецификациям, стандарт MIL-STD-981 допускает выполнение квалификационных (но не периодических) испытаний по методу подобия, когда «подобные» компоненты проверяются на предмет «близости» результатов тестирования к результатам ранее испытанных компонентов. В большинстве случаев это позволяет добиться экономии средств.
После того, как все компоненты изделия прошли квалификационные испытания и изделие освоено в производстве, оно может быть подвергнуто дальнейшей проверке путем применения методов разрушающего контроля DPA (Destructive Physical Analysis). В процессе выполнения DPA образцы репрезентативной выборки подвергаются рассечению для проверки того, насколько точно их конструкция соответствует требованиям спецификаций. Если все образцы выборки из данной партии успешно проходят проверку DPA, то вся партия принимается. Если нет – вся партия бракуется. В спецификациях разных компонентов к процедуре DPA предъявляются различные специфические требования. Однако, при ее выполнении нередко применяются другие стандарты, такие, как MIL-STD-1580, в которых содержатся иные требования. Иногда компонент, который удовлетворяет своим специфическим требованиям, не соответствует требованиям общих спецификаций DPA. Такие конфликты возникают постоянно.
При выполнении периодических испытаний и контроля DPA часто оказывается, что для полностью гибридных конструкций эти процедуры являются менее дорогостоящими и требуют меньших затрат времени, чем для дискретных конструкций, поскольку испытания готового гибридного модуля выполняются намного быстрее, чем испытания множества дискретных элементов.

17.4 Документация

Создание источников питания для космических применений требует значительных усилий по разработке соответствующей документации, что вызвано двумя основными причинами. Во-первых, заказчик предпочитает следить за ходом разработки и конструирования, а также видеть результаты тестирования изделия до начала его промышленного изготовления. Во-вторых, чтобы правильно выполнить все процедуры регулировки и проверки изделия, и убедиться в том, что оно создано именно таким, каким и требовалось, необходимо располагать полным комплектом документации.
Программа выпуска полной документации может быть в значительной степени рационализирована за счет использования уже существующей документации. Следует отличать процесс ознакомления заказчика с существующей документацией от процесса утверждения заказчиком имеющейся документации. Первый процесс оказывает небольшое влияние на стоимость работ, так как ни чертежи, ни методики обычно не изменяются. Последний же может повлиять на затраты намного сильнее, поскольку внесение различных изменений в документацию является неотъемлемой частью процесса утверждения.
Требования к комплектам конструкторской документации регламентируются рекомендацией DoD-STD-1000, в которой они разделены на три уровня исполнения: уровни 1, 2 и 3. Уровень 1 – это эскизный проект, предназначенный для пояснения основной сути конструкции. Этот уровень может оказаться совершенно недостаточным для описания источников питания космического применения. Уровни 2 и 3 пригодны к использованию в целях управления конфигурированием. Наиболее полным является уровень 3.
Содержащиеся в комплектах уровней 2 или 3 чертежи подчиняются определенной иерархии, которая начинается с общих монтажных чертежей, затем следуют сборочные чертежи всего изделия, а затем – сборочные чертежи его узлов. За этим следует подробная производственная и технологическая документация. При покупке изделия в комплект документации включают технические условия. Все это дополняется схемами, блок-диаграммами, описаниями технологических процедур и т.д. Зачастую из-за жестких временных ограничений изделие поставляется в нескольких конфигурациях. В таких случаях предоставляется документация «в заводском исполнении», которая описывает особенности каждой конфигурации.
Многие из компонентов сопровождаются соответствующими техническими условиями Specification Control Drawing или Source Control Drawing (SCD). Первый нормативный документ применяется, когда предъявляемые к компоненту требования не являются критическими и проведение квалификационной проверки поставщика не является обязательным требованием. Второй документ отличается от первого тем, что в нем конкретно указан производитель компонента, и приобретение данного компонента у любого другого производителя запрещено. Второй вариант используется, когда компонент приобретается у проверенного поставщика, который не нуждается в подтверждении квалификации. В SCD обычно перечисляются требования, которым должен соответствовать компонент при выполнении процедуры его квалификации.
На практике SCD часто является наиболее предпочтительным вариантом, когда спецификатор знает о невозможности измерения каких-либо важных параметров компонента, или же о том, что существует только один доступный поставщик. Другой причиной может служить осведомленность спецификатора в том, что рекомендованный поставщик располагает уникальным тестовым оборудованием, либо возможностями, которые недоступны где-либо еще.
Схемы и блок-диаграммы используются в качестве инструмента для проверки и последующего анализа разработки. Если после поставки источников питания для космических применений потребуются какие-либо восстановительные работы или модернизация, то такие работы могут быть поручены только оригинальному поставщику, поэтому схемы и блок-диаграммы не нужны службе эксплуатации пользователя. Блок-диаграммы и схемы полезны при описании принципов работы изделия.
Планы, методики и протоколы являются другим важным разделом документации. Эти документы регламентируют процесс испытаний источников питания для космических применений.
Планы тестирования являются важной составной частью любой программы испытаний. Неверно полагать, что самих спецификаций, описывающих требования по устойчивости к воздействию окружающей среды, или по электромагнитной совместимости, будет вполне достаточно для проведения тестов. В спецификациях не содержится сведений о механической конфигурации, электрических соединениях, условиях окружающей среды и о критериях соответствия/несоответствия. Все эти элементы должны быть рассмотрены как службами, отвечающими за проведение испытаний, так и заказчиком до начала выполнения тестов. План тестирования содержит всю недостающую для проведения испытаний информацию.
После того, как план тестирования утвержден заказчиком, разрабатывается методика проведения испытаний, в которой подробно описывается процесс испытаний, перечисляется все необходимое оборудование и последовательность выполнения тестов.
После проведения испытаний оформляется протокол испытаний. В нем приводятся все результаты, полученные при выполнении тестов, зачастую с приложением фотографий. Если в процессе испытаний наблюдаются какие-либо отклонения, это отмечается в протоколе.

17.5 Аналитические исследования

Хотя многие параметры разработанных источников питания для космических применений проверяются в процессе испытаний, некоторые моменты нуждаются также в аналитическом обосновании, которое позволяет установить предельные возможности разработки. В процессе проектирования и разработки источников питания для космических применений наиболее часто требуется проведение таких исследований, как анализ схемотехнических решений (SPICE), анализ влияния электрических перегрузок (electrical stress analyze), анализ теплового баланса (thermal analyze), анализ влияния отклонения параметров компонентов от номинальных значений (derating analyze), анализ наихудшего сценария (worse case analyze), определение средней наработки на отказ (MTBF), анализ характера, последствий и важности отказов (FMECA), анализ электромагнитной совместимости (EMI), оценка влияния условий окружающей среды и воздействия ионизирующего излучения.
Эти исследования подчиняются определенной иерархии, поскольку для проведения многих из них требуется выполнение ряда предварительных условий. Основным является анализ поведения цепей, который обычно выполняется с помощью программы моделирования SPICE Model (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Программа SPICE Model позволяет установить рабочие режимы и обеспечивает хорошую аналитическую основу для дальнейшей работы. При анализе источников питания SPICE Model позволяет получать данные об устойчивости замкнутых петель обратной связи.
Используя SPICE Model для проверки рабочих режимов при различных условиях, для каждого из компонентов можно рассчитать максимально допустимое электрическое воздействие. Для многих из компонентов необходимо учитывать несколько параметров. Например, для конденсаторов необходимо определять рабочее напряжение и величину тока пульсаций, для резисторов – рассеиваемую мощность и максимальный ток или напряжение, для диодов – обратное напряжение, величину тока в обратном и прямом направлении. Параметры допустимого электрического воздействия для каждого из компонентов используются впоследствии при выполнении термоанализа, анализа влияния отклонения параметров компонентов от номинальных значений и анализа наихудшего сценария развития событий.
При выполнении термоанализа для каждого из компонентов рассчитывается величина рассеиваемой мощности. Целью термоанализа является определение температуры каждого из компонентов и проверка соответствия полученных значений температуры заданным требованиям. Поскольку источники питания для космических применений должны работать в условиях вакуума, отвод тепла ограничен возможностями кондуктивного охлаждения и излучения, хотя с практической точки зрения излучение не играет существенной роли.
Одним из наиболее полезных инструментов термоанализа является метод анализа конечных элементов, который представлен в такой программе, как ALGOR FEA. При выполнении такого анализа сначала необходимо охарактеризовать все рассеивающие тепло компоненты. Затем физическая конструкция изделия делится на бесконечно малые элементы и путем матричных преобразований рассчитываются тепловые потоки. Результатом работы этой программы является список узлов, который может быть изображен в виде набора изотермических линий, что позволяет наблюдать картину распределения тепловых пятен. Если температура компонента превышает требуемое значение, то путем внесения конструктивных изменений и перезапуска процесса термоанализа можно за несколько итераций добиться необходимого результата.
Результаты, полученные при выполнении термоанализа и анализа реакции на электрические перегрузки используются для проведения анализа влияния отклонения параметров компонентов от номинальных значений. Стандарт MIL-STD-975 устанавливает границы допустимого отклонения параметров компонентов, многие из которых зависят от температуры. Результаты такого анализа обычно представляются в виде таблиц, в которых сравниваются номинальные и максимально допустимые значения параметров каждого компонента. Часто заказчику необходим лишь этот детальный анализ, но для его выполнения нужно располагать результатами анализа SPICE Model, анализа влияния электрических перегрузок и термоанализа.
Анализ наихудшего сценария, или, так называемый, анализ Монте-Карло, может выполняться с помощью SPICE Model. При этом параметры различных компонентов случайным образом варьируются в пределах их допустимого отклонения от номинальных значений. Либо для выполнения анализа параметров изделия в конце срока жизни (End of Life analyze), может быть задана величина дрейфа границ допустимых отклонений с течением времени. Результаты такого анализа показывают, как будет функционировать источник питания в конце продолжительного периода работы, например, через 30 лет использования на космической станции.
Оценка средней наработки на отказ MTBF позволяет предсказать интенсивность отказов источника питания. Интенсивность отказов вычисляется преимущественно на базе экспериментальных данных и методик стандарта MIL-HDB-217, а также с использованием данных о поведении изделия при температурных и электрических перегрузках, полученных в результате выполнения предыдущих исследований. Существует ряд доступных компьютерных программ для выполнения таких вычислений. Возможна упрощенная процедура оценки, которая учитывает только количество компонентов. Однако она не позволяет добиться таких точных результатов, какие можно получить с учетом изменения параметров изделия при воздействии температурных и электрических перегрузок.
Для источников питания космического применения часто требуется представить результаты анализа характера, последствий и важности отказов FMECA (Failure Modes Effects Criticality Analyze), поскольку такой анализ позволяет добиться повышения общей надежности изделия. Для подготовки FMECA необходимо как понимание принципов работы изделия в целом, так и сведения об интенсивности отказов каждого из составляющих его компонентов. Поэтому для проведения анализа FMECA требуются данные MTBF, а также результаты всех предыдущих аналитических исследований.
Результаты анализа характеристик электромагнитной совместимости EMI часто необходимы лишь в качестве приложения. Достоинства анализа EMI заключаются в том, что во-первых, его можно проводить еще до того, как изделие сконструировано, а во-вторых, он помогает оценить ряд параметров, измерить которые или довольно трудно или слишком дорого. Анализ EMI часто выполняется с помощью SPICE Models. При этом без труда моделируются как конфигурации фильтра, так и паразитные эффекты. Это помогает разработчику оперативно оценивать параметры разработки, и позволяет устранять проблемы электромагнитной совместимости, не дожидаясь изготовления образца изделия.
При проведении анализа влияния на источник питания условий окружающей среды прежде всего исследуют его реакцию на механические воздействия, включая вибрацию, удары и ускорения. Результаты такого анализа наиболее актуальны до того, как изделие создано, хотя могут также помочь в устранении недостатков, обнаруженных в уже готовом изделии. В основном при таких исследованиях применяются методики анализа конечных элементов с использованием моделирования элементов в условиях наихудшего сценария.
Анализ влияния на изделие ионизирующего излучения проводится с использованием уже известных результатов воздействия излучения на все входящие в его состав компоненты. Используются, например, данные о смещении значения Vgs в мощных MOSFET транзисторах, об увеличении токов утечки в полупроводниковых приборах и т.д. Этот анализ базируется на применении программы SPICE Model и результатов анализа наихудшего сценария.

17.6 Испытания

Целью программы испытаний является снижение степени риска. В отличие от источников питания наземного применения, для изделий космического применения испытания на воздействие условий окружающей среды выполняются совместно с анализом. Одни лишь испытания могут не выявить пробелов или слабых мест конструкции, так же, как и анализ может оказаться некорректным. Поэтому преимущество всегда остается за сбалансированной комбинацией анализов и испытаний. К наиболее значимым испытаниям обычно относятся тесты на удары, вибрацию, термовакуум, EMI и излучение.
В большинстве случаев источники питания на орбите работают в относительно мягких условиях с точки зрения вибрации и ударов, однако для того, чтобы выдержать транспортировку и запуск космического аппарата, они должны отвечать довольно жестким требованиям. Требования устойчивости к пиротехническим ударам обычно являются наиболее сложными для изделий с небольшой массой.
Термовакуумное тестирование представляет собой еще один важный момент в программе испытаний. Каждый рассеивающий тепло компонент должен иметь надежный теплоотвод. Во многих источниках питания, разработанных не для космического применения, этот момент игнорируется, что приводит к их отказу при попадании в условия космического вакуума.
Следующий важный этап – испытания на электромагнитную совместимость, требования к которой сильно меняются с каждым следующим применением. Вследствие небольшой мощности большинства космических систем энергоснабжения, спецификации шин питания практически не стандартизированы. Это ведет к большому разнообразию требований EMI. Поэтому проведение таких испытаний, безусловно, является весьма важным.
Из-за высокой стоимости тестирования всего изделия, испытаниям на устойчивость к воздействию ионизирующих излучений обычно подвергаются входящие в его состав компоненты. Из всего перечня компонентов испытаниям подвергаются те, которые, как известно из практики, наиболее восприимчивы к воздействию излучения. Поскольку оборудование, на котором можно испытать, например, устойчивость к воздействию SEU, встречается крайне редко, то длительные сроки выполнения и высокая стоимость тестирования являются обычным явлением.
Успешное выполнение программы испытаний сопровождается минимальными затратами времени и финансовых средств. Одним из лучших способов облегчить этот процесс является проведение неофициальных предварительных квалификационных испытаний до начала выполнения официальной программы квалификационных испытаний.
Предквалификационная программа разрабатывается таким образом, чтобы уже на ранних стадиях выполнения этой программы можно было выявить слабые места в изделии, или участки повышенного технического риска. Акцент делается именно на возможных участках повышенного риска, так что тестированию подвергаются только эти участки. Планы, методики и протоколы испытаний остаются неофициальными, что существенно снижает затраты. Испытаниям по предквалификационной программе могут подвергаться не реальные полетные изделия, а экспериментальные образцы, прототипы или изделия опытной серии.
Предквалификационная программа имеет два преимущества. Во-первых она позволяет удостовериться в соответствии разработанного изделия основным требованиям. Если тесты выявят необходимость внесения изменений, такие изменения могут быть внесены до изготовления реального полетного изделия, что позволяет избежать высоких затрат и сократить время завершения работ по созданию полетного образца.
Второе преимущество проявляется, когда официальным квалификационным тестам подвергается законченное изделие, в состав которого входит источник питания. В этом случае предквалификационная программа служит основанием для объединения официальных квалификационных испытаний источника питания с испытаниями законченного изделия.

17.7 Выводы

Источники питания для космических применений практически невозможно отремонтировать после развертывания системы, в состав которой они входят. Однако опыт и знания, накопленные за многие годы, позволяют создавать весьма надежные источники. И при переходе к производству малогабаритных и недорогих источников питания важно правильно использовать этот опыт, чтобы достичь поставленных целей, не снижая надежности изделия.