战术武器用红外探测器免维护高可靠性研究.docx

战术武器用红外探测器免维护高可靠性研究 张玉　白建清摘 要 许多情况下，全寿命周期维护问题是战术武器装备非常关心的任务指标，由于红外探测器的真空和制冷器需要经常维修的时候，维护成本和寿命成了突出矛盾，研究机载武器系统、弹载武器系统应用的高可靠性红外探测器，会突破战术武器全寿命周期免维护应用方面的技术瓶颈研究内容涉及应用环境条件、维修性、寿命、成本优化的量化指标分析研究成果提高了探测器对于恶劣环境的适应性，减少了产品的复杂多样性，更新了技术水平本文叙述了集成杜瓦制冷器探测器组件（IDDCA）的可靠性，介绍免维护高可靠性探测器生产过程及其改进思路关键词 红外探测器；可靠性；全寿命免维护：TN215 ：A ：1671-7597（2014）08-0064-031 概述近年来，随着新兴技术的蓬勃发展，军事攻防对抗形式日趋复杂，在空间攻防、防空反导、预警探测、对海打击、舰空反导、对地攻击、光电对抗等各类精确制导武器装备中，对红外成像系统的需求更为迫切星载、弹载、机载、车载等武器系统，需要装备大量红外成像系统红外探测器作为红外成像系统的核心器件和武器系统的关键部件，在作战中发挥着重要的作用二代和三代国产红外探测器已经逐步趋向成熟，达到批量生产的水平，质量水平也在不断提高。

研究满足用户全寿命周期需求的可靠性水平红外探测器，是红外探测器工程化重要的方向，可靠性增长研究打开了一个新的应用研究领域，也是红外探测器研制与武器系统应用紧密结合的交叉学科一方面，武器总体领域需要对红外探测器的设计和工艺技术牵引；另一方面，红外探测器制造领域需要研究各种武器系统不同应用环境带来的系列工程化技术问题，是用研结合的共同发展研究思路包含：可靠性限制因素分析、确定设计准则、探测器环境适应性增长验证，以期满足各种不断变化要求并在生产中使得产品可以加速验证，不断完善提高，来保证使用维护的高可靠性水平，满足多种免维护使用要求2 可靠性限制因素分析2.1 IDDCA可靠性模型IDDCA可靠性限制的五个因素：制冷器、杜瓦、引线连接、FPA、互联这五个因素可靠性串联模式如图1，即任何一个失效就会使探测器组件IDDCA失效图1 IDDCA simplified reliability bloc diagramIDDCA的可靠性是每一个框图内即时可靠性的乘积所以有下列公式：Riddca=Rcooler* Rvacuum*Rconns*RIRFPA*Reles （1）2.2 可靠性加速因素红外探测器已经广泛应用于导弹、机载系统、地面移动系统等，所有应用要求都是探测器可靠性的保障条件。

为了满足这些恶劣的环境条件使用要求，需要优化探测器的设计，以满足恶劣环境、高热条件下探测器性能保持不变，保证可靠性达到较高水平环境适应性要求条件越来越多样化、明晰化因此，红外探测器优化设计必须满足极端条件使用要求，才能在结构、热条件等方面不影响红外探测器的性能发挥为了论述严酷条件下探测器性能和适应性，必须了解其中包含哪些影响因素2.3 可靠性增长的研究思想军用武器系统应用对红外探测器存在多种环境要求，如振动、冲击、温度、制冷循环次数、焦平面温度、战场供电、运载平台等，这些因素组成了应用需求的制约曲线，一般为正态分布曲线，如图2中左侧线所示红外探测器技术制造中同样存在多种制约因素，如FPA材料，杜瓦强度、杜瓦的耐受性、制冷机强度、制冷机的耐受性、焦平面组件制造因素、读出电路适应性、引线及接口适应性等，这些因素组成了制造技术瓶颈曲线，一般也为正态分布曲线，如图2中右侧线所示两条曲线相交的部分就是失效区域，意味着红外探测器制造无法满足军事装备应用需求比如：环境适应性、可靠性等解决矛盾的基本思路就是避免武器需求分布和探测器制造瓶颈分布曲线重合图2 红外探测器制造与需求的矛盾分布图方法1：探测器制造瓶颈分布曲线整体右移如图3所示，全面提升红外探测器制造的技术水平，比如更换新的生产线。

此种方法需要投入很大的人力、物力和较长的时间周期，造成生产资源浪费图3 全面提升制造水平满足应用需求方法2：减少探测器制造技术瓶颈分布所占比例如图4所示，减少探测器制造环节的限制因素，需要对所有限制因素进行数据分析评估，按照各个限制因素的攻关周期制定计划，具体流程如下1）对红外探测器进行摸底验证，获得各部件的实际工程化参数2）按已暴露的各个技术问题的难易程度安排攻关计划，并进行攻关3）进行有效性验证，并固化攻关成果以此达到较短时间内全面提升红外探测器工程化应用水平、制造平台技术水平的目的图4 减少制造瓶颈因素满足应用需求方法3：同时减少武器系统应用需求分布和探测器制造技术瓶颈分布如图5所示，权衡产品的适应性和环境要求之间合理性在减少探测器制造瓶颈的同时，研究放宽武器需求的余量（即减小需求限制），扩大产品适应性图5 武器需求分布曲线和探测器制造瓶颈曲线同时收窄3 可靠性增长研究在批生产阶段，不断改进探测器FPA以及杜瓦等可靠性增长是工程化研究的主要方向主要任务就是高加速测试寿命试验和存储试验，保证探测器的工作过程不会影响到可靠性所有产品的可靠性都维持在他们必须达到的水平，而且要不断攻关改进设计，使得可靠性水平有计划的递增。

用这种方法，每一个失效都要被考虑进去，包括新型失效和可靠性测试的早期失效endprint3.1 FPA的可靠性FPA的老化按照下面三个老化模式进行：1）存储：FPA在非工作状态下存放在室外环境中2）开关机冲击：FPA被致冷到低温工作条件，然后再加热恢复到室温环境，循环往复3）长时间运行工作：制冷到低温工作状态下连续运行失效基本上全部覆盖第一模式时候探测器退化、第二模式时候的探测器退化和冲击破碎、第三模式时候的热载荷退化在实际使用中基本上是三种老化模式混合作用的比如夜视相机FPA老化模式最明显的特点是频繁的开关机循环切换另一例子，如导引头中使用的FPA，最显著的特点就是快速制冷、制冷时间短3.2 真空的可靠性真空可靠性主要工作是杜瓦减少溢出率和泄露率目前已经优化杜瓦结构设计，强化了结构设计，保证了各种恶劣的环境使用，大大也减小杜瓦表面积的尺寸，而且，还优化表面处理工艺，减少了溢出率新一代微型化杜瓦真空技术特点归纳如下1）体积减小：杜瓦引线环候补的体积可以大大缩小，更有利于真空以及电路板的安装2）表面溢出率减小：加强材料的前期处理，特别是长时间高温烘烤3）潜在泄露面积减小：焊缝的质量是杜瓦工艺中最主要的因素。

4）陶瓷引线环或者接插件密封：减小体积，泄露风险最小化图6给出了法国较新的产品高温存储测试结果11个样品探测器在80?C存储405天没有失效情况出现测试过程中没有任何维护图6 Reliability test results in storage at 80℃一般认为温度和溢出率的关系为：温度每增加10℃，气体逸出率就会增加2倍，可以换算为80℃ 405天溢出量相当于40℃环境下18年溢出量40524=6480天即：17.75年）也就是40℃条件下18年后，没有任何维护的真空可靠性仍然为100%图7所示另外一方面，溢出率也不仅仅是真空失效的唯一因素探测器和周围环境泄露也应当被考虑进去图8给出了真空寿命对于泄露率的依赖情况在制造杜瓦过程中每一只都要经过泄露测试作为可靠性接收准则的判据是泄露率不大于10-11mbar.l/sec，当然，也不仅限于泄露这一个绝对数据热环境对于加速泄露是有明显诱导作用的，经过80℃、405天的测试，这期间要求探测器没有泄露出现所有的技术改进措施应当固化在目前探测器杜瓦的设计制造过程中，这样可以保证探测器的高可靠性，免维护工作期已经达到20年这项工作正在国产探测器设计中进行推光应用。

图7 Vacuum life cycle demonstrated with 405 days at 80℃图8 Vacuum life cycle limited by leakage with air3.3 制冷器的可靠性制冷器分为J-T制冷器和斯特林制冷机两类J-T制冷器的可靠性主要来自于应用过程中的问题，一方面是气体污染所致；另一方面是用户使用前、后忽视了气路的清洁所致，在节流孔附近形成污染所致斯特林制冷机主要有体积较小的旋转集成式和体积较大的线性分置式两类，旋转式制冷机可靠性指标MTTF已经达到6000-10000hrs，线性制冷机在严酷条件下工作时间也达到30000小时以上Sofradir的制冷器依赖着分承包商，如Thailes和RICOR两家共同研发新型制冷器以满足各种需求，随着技术工艺的成熟制冷器的可靠性水平已经很高了MCT探测器现在可以工作在较高的温度下，这样，可以改善制冷器的热负载以及运转速度高温环境下，制冷器的可靠性直接关联着压缩机的旋转速度，考虑到新一代杜瓦已经减小了热负载的情况下，制冷器的约束条件也改善了很多冷指厚度的减薄可以减少损失25%左右，旋转表面处理的改进可以减少损失25%。

杜瓦热负载的减小，MCT技术进步使得FPA工作温度增加，使得制冷的压力大大减小，因此，制冷器的可靠性和使用寿命提高有很大的帮助这就意味着在多数使用环境中，制冷器的使用可也达到10年以上相对于低温工作的探测器，从技术上来说，大功率的制冷器还是必要的这意味着需要大功率和较大的体积尺寸，明显地成本也会增加对于探测器来说环境温度并不是限制因素这归功于优化设计，探测器的可靠性环境温度可以达到95℃试验证明探测器能耐受这样的环境温度的冲击3.4 可靠性增长与全寿命成本研究法国Sofradir2006年实施了可靠性增加计划，并没有增加制造成本，反而可靠性增加直接降低了使用和维护成本，进而降低了使用周期的成本图9给出了LCC（寿命成本）和MTBF（平均维护时间）关联关系的解释1区：多次系统级维护2区：维护增加了系统使用寿命，但大大增加了维护工作本身的成本3区：用户遇到失效并且不断维修好，对于LCC维护没有任何贡献，这大大限制了系统的使用寿命图9 Relationship between Life Cycle Cost（LCC） and MTBM经过频繁的维护和免维护这两种情况的分析，显然免维护优化了寿命周期的使用成本。

两条曲线表明了国外已经解决了已经解决了寿命成本的技术瓶颈，探测器经过长期跟踪使用后，都是免维护的现在Sofradir探测器仅仅在使用很多年之后才需要维护，这对国产探测器的发展很有借鉴意义4 结论本文的红外探测器可靠性研究结果归纳如下1）FPA的可靠性有了长足的进步老化和存储表明FPA性能能保证30℃超过18年2）探测器工作在110K，以扩展更多的制冷器使用，也可以延长制冷器的使用寿命3）杜瓦真空测试结果表明溢出率和泄露率测试，保证探测器30℃ 18年免维护使用4）所有的用于杜瓦和FPA的技术对于探测器的工作使用环境（比如：振动、冲击、高温、热冲击等）确保制造过程中变化不超出可靠性范围，按照上述计划执行可满足各种应用要求探测器芯片技术可靠性增长计划是个持续的细致过程，同时可以发展新一代低温制冷器和杜瓦持需关注可靠性限制因素的改进，增加适应性、耐久性设计，以适应和满足不断扩展的应用领域参考文献[1]陈伯良，孙维国，梁平治，等.InSb凝视红外焦平面组件研制和应用[J].红外与激光工程，2002（05）.作者简介张玉（1976-），女，汉族，山东临朐县人，工程师，本科白建清（1964-），男，汉族，陕西礼泉县人，本科，中国航天科工集团公司二院二十五所研究员。