COTS組件是否能在太空中使用？

Peter Matthews，Knowles Precision Devices公司

采用商業(yè)現(xiàn)貨（COTS）零件對NASA來說是一個(gè)很大的轉(zhuǎn)變，因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)幾十年來一直遵循使用MIL-SPEC的零件鑒定和篩選過程。為了保持競爭力并為預(yù)算有限的任務(wù)提供指導(dǎo)，NASA委托NASA工程和安全中心（NESC）進(jìn)行研究，以評估COTS部件的使用。

這項(xiàng)研究的目標(biāo)是在機(jī)構(gòu)層面建立一套一致的要求，以控制風(fēng)險(xiǎn)，并盡量減少零件選擇和使用對航天硬件可靠性的影響。本文分析了促使NASA進(jìn)行這項(xiàng)研究的一些行業(yè)趨勢，以及NASA在這項(xiàng)研究的第一階段提供的一些信息和建議，該研究已于2020年12月發(fā)布。1

在設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星時(shí)，可靠的終身運(yùn)行是至關(guān)重要的。這是因?yàn)檫@些衛(wèi)星通常是多任務(wù)通信平臺(tái)，其開發(fā)成本可能超過10億美元，即使是最微小的無源元件也不允許出現(xiàn)故障。這些衛(wèi)星在36000公里以外的軌道繞地運(yùn)行，在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行維修是不可能的。因此，地球同步軌道衛(wèi)星中使用的每一個(gè)部件歷來都要經(jīng)過嚴(yán)格的、昂貴的鑒定和篩選過程，以確保這些部件符合既定的可靠性規(guī)范（如MIL-SPEC）。

然而，今天，許多新的通信衛(wèi)星被發(fā)射到低地球軌道（LEO），即地球上空約200至2000公里的太空區(qū)域（圖1）。這些衛(wèi)星越來越多地由商業(yè)公司設(shè)計(jì)，可以做得比地球同步軌道衛(wèi)星小得多，但由于它們靠近地球，覆蓋區(qū)域也更窄。這意味著需要多衛(wèi)星星座來提供連續(xù)和可靠的低延遲覆蓋，這使得在設(shè)計(jì)低地軌道衛(wèi)星時(shí)，成本成為一個(gè)更大的考慮因素。

因此，許多“新太空”公司已經(jīng)為低地軌道衛(wèi)星采用了可靠的COTS部件，減少了傳統(tǒng)嚴(yán)格的鑒定和篩選過程中的時(shí)間和費(fèi)用。

圖1 降低發(fā)射衛(wèi)星的成本為新一代空間創(chuàng)新賦能。

NASA認(rèn)為什么是COTS部件？

首先，了解NASA是如何定義COTS部件的。在最近的“在NASA逐步采用COTS電氣、電子和機(jī)電（EEE）部件”網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上2，NASA首席安全和任務(wù)保證工程師JesseLeitner將COTS部件描述為“制造商獨(dú)自建立和控制性能、配置和可靠性規(guī)格的部件”。這包括定義設(shè)計(jì)、材料、工藝和使用的測試，不考慮用戶或外部組織的額外要求。

歷史上，許多機(jī)構(gòu)都將COTS零件與低可靠性聯(lián)系在一起。但通過NESC的研究，NASA確定，由你熟悉和信任的供應(yīng)商制造的大批量零件很可能是非常可靠的。簡單地說，供應(yīng)商希望制造出他們的客戶會(huì)繼續(xù)購買的零件。提供大批量的不可靠的零件并不是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法。

COTS并不意味著該零件沒有資格、沒有篩選或沒有測試。相反，資格、篩選和測試只是沒有被政府或其他外部方定義。簡而言之，該研究表明，如果零件是大批量生產(chǎn)的，并且來自信譽(yù)良好的供應(yīng)商，進(jìn)行100%的供應(yīng)商電氣測試和篩選，涵蓋所有數(shù)據(jù)表參數(shù)，不進(jìn)行超出預(yù)期的應(yīng)用，那么COTS零件可以為太空應(yīng)用提供可靠性。

傳統(tǒng)篩選方法的鴻溝

幾十年來，NASA認(rèn)為使用MIL-SPEC是為關(guān)鍵任務(wù)和昂貴的太空應(yīng)用采購零件時(shí)可以采取的唯一合理方法。這些標(biāo)準(zhǔn)起源于美國國防部，因?yàn)樾枰谌蚍秶鷥?nèi)實(shí)現(xiàn)零件的統(tǒng)一性和可互換性。因此，這些質(zhì)量涵規(guī)范蓋了最極端的條件，而且美國政府控制著圖紙、要求和規(guī)范。因此，購買通過MIL-SPEC測試的部件成為試圖保證太空系統(tǒng)部件的可靠性的最佳方式。

然而，NESC的研究表明，某些部件的MIL-SPEC測試可能會(huì)任意地將該部件與可靠性聯(lián)系起來。這是因?yàn)镸IL-SPEC測試是使用通用規(guī)格進(jìn)行的，可能不代表實(shí)際使用或制造。使用標(biāo)準(zhǔn)的MIL-SPEC篩選方法，零件可能被過度測試，這甚至?xí)煽啃援a(chǎn)生負(fù)面影響。

NASA篩選的COTS零件

NASA篩選的COTS零件是在MIL-SPEC參數(shù)“目錄”之外篩選的零件。這些零件可以使用NASA規(guī)范EE-INST-002等進(jìn)行篩選和/或鑒定3。該規(guī)范的目的是為EEE零件的選擇、篩選、鑒定和降級建立基線標(biāo)準(zhǔn)。它定義了三個(gè)級別的篩選：

1級：五年或以上任務(wù)的最高可靠性標(biāo)準(zhǔn)

2級：1至5年任務(wù)的高可靠性標(biāo)準(zhǔn)

3級：標(biāo)準(zhǔn)可靠性，12至18個(gè)月任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)使用這種方法時(shí)，雖然沒有要求，但通常會(huì)對零件進(jìn)行各種MIL-SPEC測試以測試其可靠性。同樣，由于這種類型的測試不是基于零件的數(shù)據(jù)表，它可能會(huì)導(dǎo)致相對于零件應(yīng)用的過度測試。NESC的研究表明，這種方法可能會(huì)產(chǎn)生最大的可靠性不確定性，特別是當(dāng)被測試的COTS零件是一個(gè)低批量的零件時(shí)。

使用傳統(tǒng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)測試COTS零件

在NESC的研究中，NASA明確表示，COTS部件的制造商可以使用他們認(rèn)為合適的既定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，如果該測試和篩選是制造商的選擇，該部件仍將被視為COTS部件。例如，制造商可以選擇使用眾所周知的AEC-Q200無源元件壓力測試標(biāo)準(zhǔn)來測試零件以證明可靠性，或者制造商可以選擇將MIL-SPEC測試作為零件編號的一部分。從NASA的角度來看，如果制造商選擇進(jìn)行這些測試并提供數(shù)據(jù)，它也算作COTS部件。

何時(shí)和如何使用COTS部件

第一階段的NESC報(bào)告還為決定何時(shí)和如何使用COTS部件提供了指導(dǎo)。首先，報(bào)告顯示了NASA傳統(tǒng)上是如何根據(jù)任務(wù)和儀器的風(fēng)險(xiǎn)來定義如何做出。

審核編輯：劉清