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摘 要：考虑到环境应力筛选对于不同产品体现出非通用性和动态性的特征，以GJB1032中规定的筛选方法为基础，结合某型导弹的具体特点，以某导引系统为例进行了ESS方案的初始设计，并根据筛选效果对筛选方案进行了适当调整；对最终的筛选结果进行详细分析，从故障在不同等级分布、故障类别分布和筛选对于产品的寿命损耗三个方面评价ESS方案的有效性，验证了最终环境应力筛选方案的有效性。
关键词：环境应力筛选；随机振动；温度循环；有效性评价
中图分类号：V216.5 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）05-0061-04
AnESSSchemeandItsEffectivenessEvaluationforaGuidingSystem
YUNZhixin，LUXing
（PLA’sMilitaryRepresentativeOfficeinChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Consideringtheenvironmentalstressscreening（ESS）fordifferentproductsreflectsnonversatileanddynamiccharacteristic，basedonthescreeningmethodspecifiedinGJB1032，combinedwith thespecificcharacterofacertaintypeofmissile，aninitialESSschemeforacertainguidingsystemisdesigned.Then，appropriateadjustmenttotheESSschemeismadeaccordingtothescreeningeffectiveness. Finally，thefinalscreeningresultisanalyzedindetail，andtheeffectivenessoftheESSschemeisevaluatedfromthefollowingthreeaspects：thefaultdistributionindifferentgrades，faulttypedistributionand theinfluenceonthelossofservicelife.TheeffectivenessofthefinalESSschemeisverified.
Keywords：ESS；randomvibration；temperaturecycle；effectivenessevaluation
0 引 言
空空导弹作为精确制导武器的一个重要分支，具有全天候、全高度、大过载等特点，由此对装备的可靠性提出了更高的要求。随着军方对武器装备功能和性能要求的不断提高，装备的组成日趋复杂，可靠性问题越来越突出，事后检验的产品研制和交付方式已不能满足装备研制生产的需要。国内外武器装备的研制实践表明：以环境应力筛选（EnvironmentalStressScreening，ESS）为核心的产品保证模式能够缩短研制生产周期，快速激发产品中的潜在缺陷，显著提高产品可靠性，保证交付产品质量[1]。
国内于1990年以MIL-STD-2164《电子设备环境应力筛选方法》为蓝本颁布了国军标GJB1032《电子产品环境应力筛选方法》[2]，并要求在武器装备的研制生产中予以贯彻执行。近几十年来，GJB1032在武器装备研制中得到了广泛应用，也取得了显著成效。然而，GJB1032中的一些规定过于死板，严格按该标准进行筛选时往往达不到应有的目的。因此，考虑ESS的非通用性和动态性特征，需要针对不同产品特点制定合适的ESS方案，同时根据筛选效果对试验方案适时调整，对ESS方案进行有效性评价。
本文以GJB1032为基础，结合某型导弹的具体特点，进行ESS方案的初始设计与有效性评价。
1 ESS方案设计依据
ESS最初主要针对电子产品，但军用装备通常是由光、机、电等组成，使其应用范围拓展到了非电子产品。如1996年发布的MIL-HDBK–2164A《电子产品环境应力筛选方法》明确，ESS也适用于电气、电子、光电或电化学器件[3]；航天行业的标准QJ3138《航天产品环境应力筛选指南》中也指出，“ESS主要适用于电子产品，包括电子组件、单机和系统。原则上，亦可用于电气、光电、机电或电化学产品”[4]。
ESS中最重要的一项是筛选条件，即对产品所施加的应力类型、量值和时间。GJB1032规定筛选由初始性能检测、缺陷剔除试验、无故障检验试验及最后性能检测4部分组成，其中初始性能检测和最后性能检测是在实验室大气环境条件下对产品进行性能测试，缺陷剔除试验和无故障检验试验中要对产品人为施加温度循环和随机振动应力。缺陷剔除试验由5min的随机振动和40h的温度循环组成，无故障检验试验由40～80h的温度循环和5～15min的随机振动组成。随机振动的功率谱密度见图1，温度循环示意图如图2（适用于无冷却系统的产品）。其中高低温设定值随产品不同而变，高低温保持时间以使产品温度达到稳定为准，温度变化速率为5℃/min[2]。
GJB1032中明确：“筛选产品可以是印刷电路板组装件、电子组件或整机…”[2]。但考虑到筛选产品的材料、结构、工艺千差万别，标准中规定的筛选方案不可能覆盖所有产品，即所有产品不可能用同样的筛选条件进行筛选，文献[5]对此有专门论述。相关的专业书籍也都强调[1]，应依据ESS的基本特征，剪裁GJB1032中的有关规定，并通过筛选迭代制定出适合于具体产品的筛选条件。
2 ESS方案设计
以某型导弹为例，根据产品的装配层次和测试能力，分别在电路板、分组件、组件、舱段、全弹进行ESS，在电路板和分组件级主要进行温度循环筛选，在组件、舱段和全弹级主要进行随机振动和温度循环筛选。考虑到全弹ESS方案相对复杂，本文仅以其关键组成部分导引系统为对象，对筛选方案的初始设计和迭代调整后的最终方案作详细介绍。
2.1 初始ESS方案设计
某导引系统是某型导弹的重要组成部分，由电路组合I、电路组合II、光学组件和壳体等构成，有大小零部件400多个、元器件1000多个。
2.1.1 选择合适的筛选等级
为了尽可能多地消除早期故障，原则上要在产品的各组装等级都安排筛选。低组装等级上的筛选不能代替高组装等级上的筛选，因为在将低组装等级的产品组装成高一级产品时，由于使用了外购件及组装工艺，会引入新的缺陷。反过来虽然高组装等级的筛选能代替低组装等级的筛选，但若不进行低组装等级的筛选，会使本来可能在低组装等级发现的问题到高组装等级才被发现，不但降低了筛选效率，还会由于某一低组装等级的产品故障，导致同一组装等级的其他产品陪着这个易故障的产品重复试验，从而消耗产品寿命。
结合该导引系统的结构特点，并参照其他型号的筛选经验，初步确定对电路组合I、电路组合II和导引系统整机实施筛选。
2.1.2 确定合适筛选量级的方法
确定适合于不同筛选等级的筛选量级是制定合理筛选方案的关键，确定方法有4种：
（1）常规法[1]：参考GJB1032等标准中规定的应力量级，结合产品自身特性和相似产品的筛选经验确定具体产品的筛选量级。它是国内确定筛选量级最常用的方法。
（2）定量法[6]：该方法是为了解决常规法靠经验确定筛选应力的不足，试图依靠筛选应力的数学模型，从而较准确地确定筛选量级。GJB/Z34中给出了温度循环和随机振动的筛选度模型和各
类元器件的缺陷率，依据对产品筛选度的要求和产品的缺陷率可导出相应的筛选方案。但限于筛选度模型及元器件缺陷率的准确性不高，加上该方法仅适用于纯电子产品，所以，国内现有装备很少采用此方法确定筛选量级。
（3）步进法：即以递增的应力试验和故障分析为手段确定筛选量级，由此得出的结果最符合产品实际。文献[3]特别强调用步进应力方法来确定筛选量级，并给出了其流程图。
（4）加速法：即以步进应力试验得到产品的工作极限和破坏极限，再将其降额用作筛选应力。该概念较新，国外已用于批量生产的民用飞机产品，但由于涉及到商业秘密，目前尚未形成标准。2.1.3 初始ESS方案
参照国内同类型号的筛选方案，采用常规法制定出产品的初始筛选方案（见表1）。
2.2 最终ESS方案
2.2.1 工程研制试样阶段的筛选效果
该导引系统自工程研制初样阶段开始进行ESS，每发产品都按初始的筛选方案严格进行了筛选。在工程试样阶段后期其筛选结果如下：
（1）25个电路组合I在其自身的筛选中，以及整机的高低温工作试验和随机振动中均未故障。
（2）25个电路组合II在其自身的筛选中共故障8次，有4次故障发生在第1循环的低温阶段，2次故障发生在第2循环的高温阶段，在第3循环的高温段和低温段各发生1次故障；通过了自身筛选的电路组合II在整机的高低温工作试验中未发生故障，在整机的随机振动试验中出现4次故障。
（3）23发导引系统在高温工作和低温工作试验中未发生故障，在随机振动试验中有4发产品出现了8次故障；电路组合II的4次故障分别是由电位器位置设计不合理、阻容匹配不当造成的，其余4次都是光学组件故障。
（4）对以上故障认真分析后认为：由生产缺陷、工艺不完善造成的故障占50%，如接插件故障、紧固螺钉未上胶等；由设计缺陷造成的故障占37.5%，如电路组合II电位器参数变化、阻容匹配问题和光学组件用胶不当等；由元器件偶然失效导致的故障占12.5%，如继电器失效、三极管失效等。
（5）对因设计引起的故障进行技术攻关，对拟采取的改进措施进行试验验证，证实有效后落实到了所有的电路组合II和光学组件上。
（6）对采取改进措施后的光学组件、电路组合II和导引系统进行补充筛选，筛选结果也表明改进措施是有效的。
2.2.2 最终的ESS方案
通过工程研制试样阶段的筛选，初步验证了导引系统初始筛选方案的有效性，考虑到电路组合II在温度循环过程中若前3个循环中不发生故障，则在随后的4个循环中也不会故障。但限于受筛产品的数量还不多，数据还不很充分，故参照同类型号的筛选方案，决定在设计定型阶段的筛选中，将电路组合II的7个温度循环调整为5个，其余不变（详见表2）。
3 ESS方案有效性评价
ESS是一个动态闭环过程，在不同组装等级上采用适当的筛选条件以最大限度地激发产品缺陷，并通过连续监视筛选结果加以调整，以保证筛选始终有较高的效费比。通常评价ESS方案是否有效主要通过以下三个方面：
（1）随着组装等级的提高，筛选出的故障是否呈明显下降趋势？
（2）是否暴露并剔除了生产中引入的大部分的潜在缺陷？
（3）ESS是否过度消耗了产品的寿命？
按照上述评价标准，对某型导弹最终筛选结果进行分析处理，得出不同组装等级筛选故障分布、故障类别分布情况。该型导弹的导引系统在不同组装等级的故障分布情况如图3所示。
从图3可以看出，导引系统随着组装等级的提高，筛选出的故障呈显著下降趋势。而从故障类别方面来看，筛选中暴露出来的故障主要有：元器件缺陷、工艺缺陷、电缆缺陷、焊接缺陷、紧固件问题等，其故障类别分布情况见表3。
表3中列出元器件类故障所占比例为60.2%，工艺类故障所占比例为35.6%，其他类为4.2%，由此说明筛选中发生的故障大都是从生产和元器件中引入的。
筛选对总寿命的损伤应当控制在一个合理的范围内，如一般认为在10%以下可以达到既剔除缺陷，又为后续使用留有足够剩余寿命的目标。通过振动应力响应分析，认为筛选后寿命的短板是该导引系统。其在ESS和全弹功能试验中的振动应力以及相应的寿命损耗情况见表4。
由表4可以看出，原ESS方案的寿命损伤率仅为0.45%，加上全弹挂飞和自主飞振动的损耗合计损耗1.27%。由此可以得出现行的ESS方案消
耗产品有效寿命不到10%。
综上所述，从故障在不同组装等级分布、故障类别分布和寿命损耗3个方面进行分析，可得某型导引系统的环境应力筛选方案是有效的。
参考文献：防科学技术工业委员会，1990.
[3]MIL-HDBK-2164A 电子产品环境应力筛选方法[S].北京：国防科学技术工业委员会，1996.
[4]QJ3138 航天产品环境应力筛选指南[S].北京：国防科学技术工业委员会，2001.
[5]李根成，姜同敏.环境应力筛选应用研究[J].航天制造技术，2006（1）：44-47.
[6]GJB/Z34 电子产品定量环境应力筛选指南[S].北京：国防科学技术工业委员会，1993.
[1]何国伟，戴慈庄.可靠性试验技术[M].北京：国防工业出版社，1995：101-135.
[2]GJB1032 电子产品环境应力筛选方法[S].北京：国防科学技术委员会，1993.
关键词：环境应力筛选；随机振动；温度循环；有效性评价
中图分类号：V216.5 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）05-0061-04
AnESSSchemeandItsEffectivenessEvaluationforaGuidingSystem
YUNZhixin，LUXing
（PLA’sMilitaryRepresentativeOfficeinChinaAirborneMissileAcademy，Luoyang471009，China）
Abstract：Consideringtheenvironmentalstressscreening（ESS）fordifferentproductsreflectsnonversatileanddynamiccharacteristic，basedonthescreeningmethodspecifiedinGJB1032，combinedwith thespecificcharacterofacertaintypeofmissile，aninitialESSschemeforacertainguidingsystemisdesigned.Then，appropriateadjustmenttotheESSschemeismadeaccordingtothescreeningeffectiveness. Finally，thefinalscreeningresultisanalyzedindetail，andtheeffectivenessoftheESSschemeisevaluatedfromthefollowingthreeaspects：thefaultdistributionindifferentgrades，faulttypedistributionand theinfluenceonthelossofservicelife.TheeffectivenessofthefinalESSschemeisverified.
Keywords：ESS；randomvibration；temperaturecycle；effectivenessevaluation
0 引 言
空空导弹作为精确制导武器的一个重要分支，具有全天候、全高度、大过载等特点，由此对装备的可靠性提出了更高的要求。随着军方对武器装备功能和性能要求的不断提高，装备的组成日趋复杂，可靠性问题越来越突出，事后检验的产品研制和交付方式已不能满足装备研制生产的需要。国内外武器装备的研制实践表明：以环境应力筛选（EnvironmentalStressScreening，ESS）为核心的产品保证模式能够缩短研制生产周期，快速激发产品中的潜在缺陷，显著提高产品可靠性，保证交付产品质量[1]。
国内于1990年以MIL-STD-2164《电子设备环境应力筛选方法》为蓝本颁布了国军标GJB1032《电子产品环境应力筛选方法》[2]，并要求在武器装备的研制生产中予以贯彻执行。近几十年来，GJB1032在武器装备研制中得到了广泛应用，也取得了显著成效。然而，GJB1032中的一些规定过于死板，严格按该标准进行筛选时往往达不到应有的目的。因此，考虑ESS的非通用性和动态性特征，需要针对不同产品特点制定合适的ESS方案，同时根据筛选效果对试验方案适时调整，对ESS方案进行有效性评价。
本文以GJB1032为基础，结合某型导弹的具体特点，进行ESS方案的初始设计与有效性评价。
1 ESS方案设计依据
ESS最初主要针对电子产品，但军用装备通常是由光、机、电等组成，使其应用范围拓展到了非电子产品。如1996年发布的MIL-HDBK–2164A《电子产品环境应力筛选方法》明确，ESS也适用于电气、电子、光电或电化学器件[3]；航天行业的标准QJ3138《航天产品环境应力筛选指南》中也指出，“ESS主要适用于电子产品，包括电子组件、单机和系统。原则上，亦可用于电气、光电、机电或电化学产品”[4]。
ESS中最重要的一项是筛选条件，即对产品所施加的应力类型、量值和时间。GJB1032规定筛选由初始性能检测、缺陷剔除试验、无故障检验试验及最后性能检测4部分组成，其中初始性能检测和最后性能检测是在实验室大气环境条件下对产品进行性能测试，缺陷剔除试验和无故障检验试验中要对产品人为施加温度循环和随机振动应力。缺陷剔除试验由5min的随机振动和40h的温度循环组成，无故障检验试验由40～80h的温度循环和5～15min的随机振动组成。随机振动的功率谱密度见图1，温度循环示意图如图2（适用于无冷却系统的产品）。其中高低温设定值随产品不同而变，高低温保持时间以使产品温度达到稳定为准，温度变化速率为5℃/min[2]。
GJB1032中明确：“筛选产品可以是印刷电路板组装件、电子组件或整机…”[2]。但考虑到筛选产品的材料、结构、工艺千差万别，标准中规定的筛选方案不可能覆盖所有产品，即所有产品不可能用同样的筛选条件进行筛选，文献[5]对此有专门论述。相关的专业书籍也都强调[1]，应依据ESS的基本特征，剪裁GJB1032中的有关规定，并通过筛选迭代制定出适合于具体产品的筛选条件。
2 ESS方案设计
以某型导弹为例，根据产品的装配层次和测试能力，分别在电路板、分组件、组件、舱段、全弹进行ESS，在电路板和分组件级主要进行温度循环筛选，在组件、舱段和全弹级主要进行随机振动和温度循环筛选。考虑到全弹ESS方案相对复杂，本文仅以其关键组成部分导引系统为对象，对筛选方案的初始设计和迭代调整后的最终方案作详细介绍。
2.1 初始ESS方案设计
某导引系统是某型导弹的重要组成部分，由电路组合I、电路组合II、光学组件和壳体等构成，有大小零部件400多个、元器件1000多个。
2.1.1 选择合适的筛选等级
为了尽可能多地消除早期故障，原则上要在产品的各组装等级都安排筛选。低组装等级上的筛选不能代替高组装等级上的筛选，因为在将低组装等级的产品组装成高一级产品时，由于使用了外购件及组装工艺，会引入新的缺陷。反过来虽然高组装等级的筛选能代替低组装等级的筛选，但若不进行低组装等级的筛选，会使本来可能在低组装等级发现的问题到高组装等级才被发现，不但降低了筛选效率，还会由于某一低组装等级的产品故障，导致同一组装等级的其他产品陪着这个易故障的产品重复试验，从而消耗产品寿命。
结合该导引系统的结构特点，并参照其他型号的筛选经验，初步确定对电路组合I、电路组合II和导引系统整机实施筛选。
2.1.2 确定合适筛选量级的方法
确定适合于不同筛选等级的筛选量级是制定合理筛选方案的关键，确定方法有4种：
（1）常规法[1]：参考GJB1032等标准中规定的应力量级，结合产品自身特性和相似产品的筛选经验确定具体产品的筛选量级。它是国内确定筛选量级最常用的方法。
（2）定量法[6]：该方法是为了解决常规法靠经验确定筛选应力的不足，试图依靠筛选应力的数学模型，从而较准确地确定筛选量级。GJB/Z34中给出了温度循环和随机振动的筛选度模型和各
类元器件的缺陷率，依据对产品筛选度的要求和产品的缺陷率可导出相应的筛选方案。但限于筛选度模型及元器件缺陷率的准确性不高，加上该方法仅适用于纯电子产品，所以，国内现有装备很少采用此方法确定筛选量级。
（3）步进法：即以递增的应力试验和故障分析为手段确定筛选量级，由此得出的结果最符合产品实际。文献[3]特别强调用步进应力方法来确定筛选量级，并给出了其流程图。
（4）加速法：即以步进应力试验得到产品的工作极限和破坏极限，再将其降额用作筛选应力。该概念较新，国外已用于批量生产的民用飞机产品，但由于涉及到商业秘密，目前尚未形成标准。2.1.3 初始ESS方案
参照国内同类型号的筛选方案，采用常规法制定出产品的初始筛选方案（见表1）。
2.2 最终ESS方案
2.2.1 工程研制试样阶段的筛选效果
该导引系统自工程研制初样阶段开始进行ESS，每发产品都按初始的筛选方案严格进行了筛选。在工程试样阶段后期其筛选结果如下：
（1）25个电路组合I在其自身的筛选中，以及整机的高低温工作试验和随机振动中均未故障。
（2）25个电路组合II在其自身的筛选中共故障8次，有4次故障发生在第1循环的低温阶段，2次故障发生在第2循环的高温阶段，在第3循环的高温段和低温段各发生1次故障；通过了自身筛选的电路组合II在整机的高低温工作试验中未发生故障，在整机的随机振动试验中出现4次故障。
（3）23发导引系统在高温工作和低温工作试验中未发生故障，在随机振动试验中有4发产品出现了8次故障；电路组合II的4次故障分别是由电位器位置设计不合理、阻容匹配不当造成的，其余4次都是光学组件故障。
（4）对以上故障认真分析后认为：由生产缺陷、工艺不完善造成的故障占50%，如接插件故障、紧固螺钉未上胶等；由设计缺陷造成的故障占37.5%，如电路组合II电位器参数变化、阻容匹配问题和光学组件用胶不当等；由元器件偶然失效导致的故障占12.5%，如继电器失效、三极管失效等。
（5）对因设计引起的故障进行技术攻关，对拟采取的改进措施进行试验验证，证实有效后落实到了所有的电路组合II和光学组件上。
（6）对采取改进措施后的光学组件、电路组合II和导引系统进行补充筛选，筛选结果也表明改进措施是有效的。
2.2.2 最终的ESS方案
通过工程研制试样阶段的筛选，初步验证了导引系统初始筛选方案的有效性，考虑到电路组合II在温度循环过程中若前3个循环中不发生故障，则在随后的4个循环中也不会故障。但限于受筛产品的数量还不多，数据还不很充分，故参照同类型号的筛选方案，决定在设计定型阶段的筛选中，将电路组合II的7个温度循环调整为5个，其余不变（详见表2）。
3 ESS方案有效性评价
ESS是一个动态闭环过程，在不同组装等级上采用适当的筛选条件以最大限度地激发产品缺陷，并通过连续监视筛选结果加以调整，以保证筛选始终有较高的效费比。通常评价ESS方案是否有效主要通过以下三个方面：
（1）随着组装等级的提高，筛选出的故障是否呈明显下降趋势？
（2）是否暴露并剔除了生产中引入的大部分的潜在缺陷？
（3）ESS是否过度消耗了产品的寿命？
按照上述评价标准，对某型导弹最终筛选结果进行分析处理，得出不同组装等级筛选故障分布、故障类别分布情况。该型导弹的导引系统在不同组装等级的故障分布情况如图3所示。
从图3可以看出，导引系统随着组装等级的提高，筛选出的故障呈显著下降趋势。而从故障类别方面来看，筛选中暴露出来的故障主要有：元器件缺陷、工艺缺陷、电缆缺陷、焊接缺陷、紧固件问题等，其故障类别分布情况见表3。
表3中列出元器件类故障所占比例为60.2%，工艺类故障所占比例为35.6%，其他类为4.2%，由此说明筛选中发生的故障大都是从生产和元器件中引入的。
筛选对总寿命的损伤应当控制在一个合理的范围内，如一般认为在10%以下可以达到既剔除缺陷，又为后续使用留有足够剩余寿命的目标。通过振动应力响应分析，认为筛选后寿命的短板是该导引系统。其在ESS和全弹功能试验中的振动应力以及相应的寿命损耗情况见表4。
由表4可以看出，原ESS方案的寿命损伤率仅为0.45%，加上全弹挂飞和自主飞振动的损耗合计损耗1.27%。由此可以得出现行的ESS方案消
耗产品有效寿命不到10%。
综上所述，从故障在不同组装等级分布、故障类别分布和寿命损耗3个方面进行分析，可得某型导引系统的环境应力筛选方案是有效的。
参考文献：防科学技术工业委员会，1990.
[3]MIL-HDBK-2164A 电子产品环境应力筛选方法[S].北京：国防科学技术工业委员会，1996.
[4]QJ3138 航天产品环境应力筛选指南[S].北京：国防科学技术工业委员会，2001.
[5]李根成，姜同敏.环境应力筛选应用研究[J].航天制造技术，2006（1）：44-47.
[6]GJB/Z34 电子产品定量环境应力筛选指南[S].北京：国防科学技术工业委员会，1993.
[1]何国伟，戴慈庄.可靠性试验技术[M].北京：国防工业出版社，1995：101-135.
[2]GJB1032 电子产品环境应力筛选方法[S].北京：国防科学技术委员会，1993.