COTS組件是否能在太空中使用？

Peter Matthews，Knowles Precision Devices公司

采用商業(yè)現貨（COTS）零件對NASA來說是一個很大的轉變，因為該機構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算有限的任務提供指導，NASA委托NASA工程和安全中心（NESC）進行研究，以評估COTS部件的使用。

這項研究的目標是在機構層面建立一套一致的要求，以控制風險，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進行這項研究的一些行業(yè)趨勢，以及NASA在這項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

在設計傳統的地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星時，可靠的終身運行是至關重要的。這是因為這些衛(wèi)星通常是多任務通信平臺，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故障。這些衛(wèi)星在36000公里以外的軌道繞地運行，在發(fā)生故障時進行維修是不可能的。因此，地球同步軌道衛(wèi)星中使用的每一個部件歷來都要經過嚴格的、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)公司設計，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，這使得在設計低地軌道衛(wèi)星時，成本成為一個更大的考慮因素。

因此，許多“新太空”公司已經為低地軌道衛(wèi)星采用了可靠的COTS部件，減少了傳統嚴格的鑒定和篩選過程中的時間和費用。

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、電子和機電（EEE）部件”網絡研討會上2，NASA首席安全和任務保證工程師JesseLeitner將COTS部件描述為“制造商獨自建立和控制性能、配置和可靠性規(guī)格的部件”。這包括定義設計、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，許多機構都將COTS零件與低可靠性聯系在一起。但通過NESC的研究，NASA確定，由你熟悉和信任的供應商制造的大批量零件很可能是非?？煽康?。簡單地說，供應商希望制造出他們的客戶會繼續(xù)購買的零件。提供大批量的不可靠的零件并不是實現這一目標的方法。

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的，并且來自信譽良好的供應商，進行100%的供應商電氣測試和篩選，涵蓋所有數據表參數，不進行超出預期的應用，那么COTS零件可以為太空應用提供可靠性。

傳統篩選方法的鴻溝

幾十年來，NASA認為使用MIL-SPEC是為關鍵任務和昂貴的太空應用采購零件時可以采取的唯一合理方法。這些標準起源于美國國防部，因為需要在全球范圍內實現零件的統一性和可互換性。因此，這些質量涵規(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測試可能會任意地將該部件與可靠性聯系起來。這是因為MIL-SPEC測試是使用通用規(guī)格進行的，可能不代表實際使用或制造。使用標準的MIL-SPEC篩選方法，零件可能被過度測試，這甚至會對可靠性產生負面影響。

NASA篩選的COTS零件

NASA篩選的COTS零件是在MIL-SPEC參數“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準。它定義了三個級別的篩選：

1級：五年或以上任務的最高可靠性標準

2級：1至5年任務的高可靠性標準

3級：標準可靠性，12至18個月任務的標準。

當使用這種方法時，雖然沒有要求，但通常會對零件進行各種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據表，它可能會導致相對于零件應用的過度測試。NESC的研究表明，這種方法可能會產生最大的可靠性不確定性，特別是當被測試的COTS零件是一個低批量的零件時。

使用傳統的可靠性標準測試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為合適的既定標準進行測試，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準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，如果制造商選擇進行這些測試并提供數據，它也算作COTS部件。

何時和如何使用COTS部件

第一階段的NESC報告還為決定何時和如何使用COTS部件提供了指導。首先，報告顯示了NASA傳統上是如何根據任務和儀器的風險來定義如何做出。

審核編輯：劉清