空間用COTS元器件的10個「不實說法」

大咖簡介

Dan Friedlander畢業於以色列特拉維夫大學（特拉維夫大學，1965-1969年），獲得物理學學士學位，在MBT /以色列航空航天工業公司（1969-2013年）擁有44年的元器件工程經驗。

作為元器件工程主管，Dan Friedlander負責軍事和空間應用的EEE元器件（政策制定、企業標準化、審批等）相關各項方面，於2013年退休並開始諮詢。

近日，Dan Friedlander針對當前空間應用COTS存在的一些問題發表了10條看法，現整理如下。

空間系統正在逐漸採用電氣、電子和機電（EEE）商用現貨（COTS）元器件，應用速度非常慢，但並非沒有神話發生。下面就詳述十個神話或者稱為「不實說法」，以幫助空間從業人員決定是否在特定的空間任務中使用COTS元器件。

1：在空間使用COTS的主要驅動力是節省成本。

EEE元器件的成本=元器件預採購成本（NRE）+元器件採購成本（RE）+元器件後採購成本（NRE）。

當有人說節省了「X％」的成本時，若不指定「100％」的值作為參考，那麼這一說法並無意義。什麼是「100％」參考？應該是使用COTS與使用傳統空間/軍事元器件相比較。另外，「X％」在元器件級別、板級別還是子系統級別計算得來的呢？

採用COTS的主要原因是由於造源減少導致市場上無法獲得傳統級別的元器件。COTS是挽救系統全局發展的一種途徑。節約成本是個重要目標，但不是任何代價都可以承受。如果不明白技術原理就貿然採用COTS，那麼就會很危險。

需要進行公正的成本評估來保證決策正確。當然，也應該評估節約成本所帶來的風險或後果。畢竟天下沒有免費的午餐。

2：「宇航質量」一詞的不當理解

「宇航」是指海拔100千米以上的宇宙空間。用於不同空間飛行任務的EEE元器件所需滿足的環境要求不同，這取決於軌道、任務周期、任務時間等條件。

「宇航質量」應根據具體元器件的規範和預期應用場景描述中進行充分理解。宇航質量的元器件，即使是在MIL-SPEC（軍用規範）中也不一定適用於空間應用，除非符合預期的應用要求。

3：「飛行經驗」一詞的不當理解

常用術語「飛行經驗」應在具體任務背景下充分理解。深入分析以往經驗與新的任務之間的相關性。若經驗與任務無關可能會導致錯誤。

4：「質量」與「可靠性」術語互換

質量和可靠性通常可互換的用於描述產品故障率，但實際上這兩個術語描述了元器件生命周期內的兩個完全不同的方面。

質量衡量製造過程，可靠性評估元器件的質量隨時間的變化。質量評估製造和測試過程，表明生產方的元器件產品是否滿足規格，以及製造出故障元器件的頻率。質量可以在一開始使用元器件時用于衡量產品是否滿足要求。

可靠性是指在最惡劣環境下，元器件能夠隨著時間推移而符合相關規範的概率。可靠性是質量隨時間推移而發生的變化。也就是說，質量是元器件生命伊始的一個快照，而可靠性是整個生命周期的動態情況。

5：除非經過100%的測試篩選，否側COTS的可靠性無法保證

很明顯無法僅通過元器件來測試可靠性。質量認證和篩選不能替代製造控制，二是一種降低風險的措施。因此，解決可靠性問題的方法是統計過程式控制制（SPC）。該過程在元器件的整個製造過程中建立了可靠性控制。統計對於COTS等批量生產是有意義的。

「高可靠」術語是指只用於空間或軍事的元器件。而根據此定義判斷COTS都是非高可靠元器件就錯了。迫切需要政策制定者們從概念上優先考慮過程式控制制方法。

6：為了達到任務所需的可靠性，技術規範要求元器件達到絕對的可靠性定量要求。

這種要求限制了COTS的使用。可靠性預測模型有其自身局限性。 MIL-HDBK-217F明確指出了這種局限性：「永遠不應該假定可靠性預測來代表真實應用場景的可靠性。」

錯誤理解可能導致不合理的額外費用。正如MIL-HDBK-217F所說，「那些只將預測情況看做必須超過規定值的數據的人，通常可以找到實現目標的方式，而不影響系統。」換句話說，數字層面操作並不能改變實際的系統可靠性。

7：塑料封裝半導體（PEM）不能用於空間應用。

在早期階段（從上世紀60年代）遇到的一些非密封塑料封裝半導體問題導致軍事和空間部門禁止（避免或禁止）在軍事和空間系統應用。當然，塑料件的「氣密性」不能與密封元器件的氣密性相比。但如果儲存正確，在空間中使用非氣密元器件是沒有問題的。

在空間使用非密封元器件方面仍然存在官方的不合理限制。

政策制定者必須認識到現實而非抗拒變革，應該保持開放的態度。在空間應用中使用COTS的優點是顯而易見的：先進的技術、更高的集成度、更高的性能、更好的尺寸、重量和功耗（SWaP）等。

8：COTS製造沒有嚴格控制。

歷史並未證明中央控制對軍用元器件有效。鑒於改進的統計過程式控制制（SPC）和大批量統計的有效性，批次間和批次內的變化較小。這個問題對輻照性能測試很重要。

必須指出的是，軍用級合格元器件（廣泛應用於空間）和COTS存在不可溯源的問題。空間產業界對於傳統的軍用級元器件缺乏晶片可追溯性問題視而不見，但卻由於同樣的不可追溯性問題限制COTS！

有效的採購策略應該是不混淆批次。

9：空間任務的成功只能採用保守手段。

空間任務本身是存在風險的，即使保守的做法也不能避免失敗。

如今已有足夠的證據（見美國私營空間產業），更自由的方式是成功的有效途徑。

不幸的是，過時的保守方法的忠實追隨者仍然抵制變化。過時的標準化、創新壓制文化和官僚主義（例如，對多的文件和文書工作）只是減緩空間行業發展的幾個因素。

有不止一種成功的途徑。

10：冗餘是解決一般性元器件問題的好方法。

冗餘是降低系統故障概率的良好實用解決方案，但有其局限性。相同元器件類型發生多次故障的概率非常小。但一些人為設計錯誤、通用故障模式等會導致冗餘方法失效。由不同團隊設計的不同的冗餘設計可能更真實有效。

任何冗餘設計都有大小、重量、功率和成本（SWaP-C）問題。

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