COTS组件是否能在太空中使用？何时和如何使用COTS部件

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JesseLeitner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。

审核编辑：刘清