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COTS组件是否能在太空中使用？

Peter Matthews，Knowles Precision Devices公司

采用商业现货（COTS）零件对NASA来说是一个很大的转变，因为该机构几十年来一直遵循使用MIL-SPEC的零件鉴定和筛选过程。为了保持竞争力并为预算有限的任务提供指导，NASA委托NASA工程和安全中心（NESC）进行研究，以评估COTS部件的使用。这项研究的目标是在机构层面建立一套一致的要求，以控制风险，并尽量减少零件选择和使用对航天硬件可靠性的影响。本文分析了促使NASA进行这项研究的一些行业趋势，以及NASA在这项研究的第一阶段提供的一些信息和建议，该研究已于2020年12月发布。¹

在设计传统的地球同步轨道（GEO）卫星时，可靠的终身运行是至关重要的。这是因为这些卫星通常是多任务通信平台，其开发成本可能超过10亿美元，即使是最微小的无源元件也不允许出现故障。这些卫星在36000公里以外的轨道绕地运行，在发生故障时进行维修是不可能的。因此，地球同步轨道卫星中使用的每一个部件历来都要经过严格的、昂贵的鉴定和筛选过程，以确保这些部件符合既定的可靠性规范（如MIL-SPEC）。

然而，今天，许多新的通信卫星被发射到低地球轨道（LEO），即地球上空约200至2000公里的太空区域（图1）。这些卫星越来越多地由商业公司设计，可以做得比地球同步轨道卫星小得多，但由于它们靠近地球，覆盖区域也更窄。这意味着需要多卫星星座来提供连续和可靠的低延迟覆盖，这使得在设计低地轨道卫星时，成本成为一个更大的考虑因素。因此，许多“新太空”公司已经为低地轨道卫星采用了可靠的COTS部件，减少了传统严格的鉴定和筛选过程中的时间和费用。

图1 降低发射卫星的成本为新一代空间创新赋能。

NASA认为什么是COTS部件？

首先，了解NASA是如何定义COTS部件的。在最近的“在NASA逐步采用COTS电气、电子和机电（EEE）部件”网络研讨会上²，NASA首席安全和任务保证工程师Jesse Leitner将COTS部件描述为“制造商独自建立和控制性能、配置和可靠性规格的部件”。这包括定义设计、材料、工艺和使用的测试，不考虑用户或外部组织的额外要求。

历史上，许多机构都将COTS零件与低可靠性联系在一起。但通过NESC的研究，NASA确定，由你熟悉和信任的供应商制造的大批量零件很可能是非常可靠的。简单地说，供应商希望制造出他们的客户会继续购买的零件。提供大批量的不可靠的零件并不是实现这一目标的方法。COTS并不意味着该零件没有资格、没有筛选或没有测试。相反，资格、筛选和测试只是没有被政府或其他外部方定义。简而言之，该研究表明，如果零件是大批量生产的，并且来自信誉良好的供应商，进行100%的供应商电气测试和筛选，涵盖所有数据表参数，不进行超出预期的应用，那么COTS零件可以为太空应用提供可靠性。

传统筛选方法的鸿沟

几十年来，NASA认为使用MIL-SPEC是为关键任务和昂贵的太空应用采购零件时可以采取的唯一合理方法。这些标准起源于美国国防部，因为需要在全球范围内实现零件的统一性和可互换性。因此，这些质量涵规范盖了最极端的条件，而且美国政府控制着图纸、要求和规范。因此，购买通过MIL-SPEC测试的部件成为试图保证太空系统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测试可能会任意地将该部件与可靠性联系起来。这是因为MIL-SPEC测试是使用通用规格进行的，可能不代表实际使用或制造。使用标准的MIL-SPEC筛选方法，零件可能被过度测试，这甚至会对可靠性产生负面影响。

NASA筛选的COTS零件

NASA筛选的COTS零件是在MIL-SPEC参数“目录”之外筛选的零件。这些零件可以使用NASA规范EE-INST-002等进行筛选和/或鉴定³。该规范的目的是为EEE零件的选择、筛选、鉴定和降级建立基线标准。它定义了三个级别的筛选：

1级：五年或以上任务的最高可靠性标准

2级：1至5年任务的高可靠性标准

3级：标准可靠性，12至18个月任务的标准。

当使用这种方法时，虽然没有要求，但通常会对零件进行各种MIL-SPEC测试以测试其可靠性。同样，由于这种类型的测试不是基于零件的数据表，它可能会导致相对于零件应用的过度测试。NESC的研究表明，这种方法可能会产生最大的可靠性不确定性，特别是当被测试的COTS零件是一个低批量的零件时。

使用传统的可靠性标准测试COTS零件

在NESC的研究中，NASA明确表示，COTS部件的制造商可以使用他们认为合适的既定标准进行测试，如果该测试和筛选是制造商的选择，该部件仍将被视为COTS部件。例如，制造商可以选择使用众所周知的AEC-Q200无源元件压力测试标准来测试零件以证明可靠性，或者制造商可以选择将MIL-SPEC测试作为零件编号的一部分。从NASA的角度来看，如果制造商选择进行这些测试并提供数据，它也算作COTS部件。

何时和如何使用COTS部件

第一阶段的NESC报告还为决定何时和如何使用COTS部件提供了指导。首先，报告显示了NASA传统上是如何根据任务和仪器的风险来定义如何做出这个决定的（表1）。然后，NESC的研究将这个传统的风险等级表映射到EEE-INST-002标准中的任务类型和零件等级（表2）。这样定义的话，D类任务，包括CubeSats（一种小型卫星）或国际空间站上的实验性有效载荷等系统，是包含COTS部件的良好候选。

表1 任务和仪器风险分类

表2 NESC研究第一阶段的JPL分类

除了了解系统的风险分类外，NESC研究还建议根据项目的任务、环境、应用和寿命（MEAL）要求来选择部件。更具体地说，这意味着对每个方面都要考虑以下因素：

任务——风险分类、风险态势、时间表、成本和零件要求

环境——辐射、热、真空等。

应用——容错性、结构、尺寸、重量和功率、性能等。

寿命——任务寿命和任务期间的系统运行条件。

NASA对使用COTS部件的建议

总的来说，在NESC第一阶段的研究报告中，NASA表示有许多合适的应用，如低地轨道卫星通信设备，可以从使用COTS部件的成本降低中受益。

为了成功确定满足系统MEAL要求的COTS部件，NASA建议与行业领先的部件制造商（ILPM）建立良好的关系。一个ILPM被NASA定义为一个COTS零件制造商，它生产高质量和可靠的零件，不需要额外的筛选和批次一致性测试。值得注意的是，没有正式的ILPM名单，每个使用COTS部件的机构都需要定义可接受的ILPM。

在可能的情况下，NASA建议与有飞行经验的公司建立关系。此外，与潜在的供应商交谈，以确保他们尊重零件的数据表，不要筛选超出数据表水平的零件，因为这实际上会降低可靠性。

使用已经过可靠性测试的COTS部件

COTS部件可以包括消费者、工业、商业高可靠性、制造商高可靠性和工业高可靠性部件。如前所述，在测试时，制造商可以选择使用既定的方法来定义高可靠性部件，如AEC-Q200或MIL-SPEC中的定义。然而，作为COTS零件的终端用户，重要的是要意识到，根据MEAL要求，AEC-Q200的合格零件可能不包括任务的所有可靠性要求。最好的办法是与ILPM合作，了解MEAL要求与AEC-Q200规范或MIL-SPEC测试之间可能存在的差异，而不是仅仅寻找符合AEC-Q200的零件。

例如，2018年，某航空航天公司在其“太空应用中使用汽车级EEE零件指南”中提出了关于AEC-Q200零件和MIL-SPEC零件之间差异的讨论⁴。该报告显示了MIL-PRF-123和AEC-Q200对电容器的比较，并强调了应与制造商讨论的以下测试：射线检查、热冲击、电压调节、端子强度和寿命测试。总的来说，这是一个很好的例子，说明在选择零件时应该与ILPM讨论的测试主题。

COTS零件在太空应用的下一步

即使有NESC研究第一阶段报告提供的建议，在为太空应用选择COTS零件方面也没有一个万能的方法。确定什么最适合一个应用的一个良好开端是了解一些更传统的规范和筛选要求，例如白皮书《准备发射：了解太空级滤波器鉴定和筛选的复杂性》⁵。然后，发展与ILPM的关系，一起工作，讨论项目的MEAL要求，并确定如何为太空应用有效地选择成熟和可靠的COTS部件。

NASA将在今年晚些时候发布NESC研究的第二阶段报告，提供信息以消除有关使用COTS部件的迷信，以及NASA对可靠地使用ILPM的COTS部件的新方法的建议。

1.    R. F. Hodson et al., “Recommendations on Use of Commercial-Off-The-Shelf (COTS) Electrical, Electronic, and Electromechanical (EEE) Parts for NASA Missions,” December 2020, Web: ntrs.nasa.gov/api/citations/20205011579/downloads/20205011579.pdf.

2.    J. Leitner, “Phasing in COTS Electrical, Electronic, and Electromechanical (EEE) parts in NASA,” May 2022, Web: www.nasa.gov/smallsat-institute/phasing-in-cots-eee-parts-in-nasa.

3.    K. Sahu, “EEE-INST-002: Instructions for EEE Parts Selection, Screening, Qualification, and Derating,” April 2008, Web: nepp.nasa.gov/docuploads/FFB52B88-36AE-4378-A05B2C084B5EE2CC/EEE-INST-002_add1.pdf.

4.    S. Hong and A. Yarbrough, “Guide to Using Automotive Grade EEEE Parts in Space Applications,” June 2018, Web: //nepp.nasa.gov/workshops/etw2018/talks/20JUNE18/1345%20-%20Sung%20Hong%20-%20AEC%20vs%20MIL%20PRF%20NEPP%20Talk%202018.pdf.

5.    Knowles Precision Devices, “Ready for Launch: Understanding the Nuances of Space-Level Qualification and Screening of Filters,” Web: info.knowlescapacitors.com/white-paper/space-level-qualification-and-screening-of-filters.