COTS piezas EEE en aplicaciones espaciales: descripción de la evolución

Por Dan Friedlander
Retirado después de 44 años en ingeniería de componentes

Durante décadas, las piezas militares / espaciales electrónicas, las conocidas piezas electrónicas y electromecánicas (EEE) han demostrado ser adecuadas para su uso en aplicaciones militares y espaciales. La Oficina de Seguridad y Misión de la NASA (OSMA, por sus siglas en inglés) evalúa las nuevas  y más avanzadas piezas electrónicas disponibles para programas y proyectos en el marco de su programa EEE Parts. El MIL-SPEC tradicional en EE.UU. La metodología estándar de defensa / determinación militar se basa en la prevención de riesgos probando las piezas terminadas. Sin embargo, los desarrollos globales, como la disminución de la disponibilidad y las restricciones presupuestarias, han desencadenado la necesidad de encontrar una solución alternativa.

La solución alternativa fue oficializada en 1994 por la directiva del Secretario de Defensa de los Estados Unidos, William Perry, que impone el uso de piezas comerciales estándar (COTS) en aplicaciones militares, eximiendo las aplicaciones espaciales. Después de décadas de uso exitoso de COTS en aplicaciones militares, el cambio anterior ha demostrado ser viable.

Muchos requisitos de aplicaciones espaciales se pueden cumplir solo con COTS. Llega el momento (mejor temprano que tarde) para que los legisladores lleguen a un consenso sobre la aplicación de la filosofía COTS a las aplicaciones espaciales. Este cambio de política es crítico para la industria espacial.

Este documento intenta sugerir diferentes cuestiones que deben abordarse para cumplir con los requisitos técnicos, de garantía de calidad y de costos utilizando COTS. El término “COTS” en este documento se refiere a partes comerciales de EEE, incluidas las encapsuladas de plástico activas.

Conceptos de control de piezas EEE

La directiva de 1994 del Secretario de Defensa de los Estados Unidos, William Perry, inició oficialmente la transición del uso de partes militares eléctricas, electrónicas y electromecánicas (EEE) en aplicaciones militares al uso de partes EEE comerciales (o COTS) en aplicaciones militares. Las aplicaciones espaciales estaban exentas de cumplir con los requisitos de la directiva; sin embargo, los mismos impulsores de este cambio cultural (como la disponibilidad de piezas) se aplican también a la industria espacial. MIL-SPEC versus COTS.

 

MIL-SPEC versus COTS

La siguiente tabla compara los principios principales de los dos conceptos temáticos.

MIL-SPEC	COTS
Evitación de riesgo	Gestión de riesgos
Pruebas de piezas	Control de proceso estadístico (SPC)
Producción de pequeño volumen	Producción de alto volumen

Para COTS, la idea principal es:

• Gestión de riesgos: es responsabilidad del proyecto gestionar el riesgo. El riesgo no puede ser reducido a cero, incluso con las medidas más estrictas.
• Control de procesos: el proceso genera confiabilidad en la pieza.
• Nivel de producción: alto volumen da como resultado, confiabilidad.

 

Calidad versus confiabilidad

La calidad y la confiabilidad son dos términos diferentes para ser entendidos:

La calidad es la conformidad con los requisitos al inicio del uso.

La confiabilidad es la probabilidad de que las piezas cumplan con la especificación pertinente a lo largo del tiempo, en las peores condiciones operacionales. La confiabilidad es calidad que cambia con el tiempo.

En otras palabras, la calidad es una instantánea al inicio de la vida y la confiabilidad es una película sobre la vida.

Prueba de piezas versus control de procesos

Teniendo en cuenta la aclaración de calidad / confiabilidad expresada anteriormente, está claro que la confiabilidad no se puede probar en la pieza. La calificación y el cribado no se consideran un sustituto del control de fabricación, sino más bien medidas de mitigación del riesgo. En consecuencia, la forma de abordar el problema de confiabilidad es mediante el Control estadístico de procesos (SPC). El proceso (diseño seguido de fabricación) construye confiabilidad en la pieza.

En el entorno de la producción comercial de piezas de EEE de alto volumen, el SPC funciona bien, lo que da como resultado tasas de falla muy bajas al momento del inicio del uso. Eso no significa que la prueba de la pieza no valga nada. El MIL-SPEC se centra en la prueba de piezas, y mucho menos en el control de procesos.Statistical Process Control no funciona para una producción de bajo volumen, como la producción de piezas EEE espacio / militares. Las pruebas mitigan la falta de valor estadístico. La fiabilidad está integrada en la pieza. La calidad se aborda mediante pruebas. Ese es el lado positivo. Por lo general, los responsables de la política ignoran el riesgo de dañar las piezas durante las pruebas. Cualquier prueba adicional a nivel parcial (fuera de las pruebas en línea del fabricante necesarias) de las unidades reales que se volarán tendrá un mayor riesgo que las pruebas. Las pruebas de muestra seleccionadas están bien. La muestra probada no debe usarse para el vuelo. El fabricante de piezas calificadas para uso militar no está incentivado para mejorar el proceso. Los cambios implican tiempo y dinero para cumplir con los requisitos de calificación. La calificación aborda la calidad. Las mejoras de proceso que abordan la confiabilidad pueden omitirse y la especificación se cumple de todos modos en el momento de la entrega de piezas. Este no es el caso con COTS; el foco está en el control del proceso. La producción de alto volumen justifica la implementación eficiente de estadísticas. En consecuencia, se aborda la fiabilidad. El fabricante COTS, liberado de las restricciones MIL-SPEC, puede monitorear continuamente el proceso y mejorarlo continuamente. El término “alta confiabilidad” o “hi-rel” se usa exclusivamente para espacio y aplicaciones militares. Es erróneo concluir que, por definición, todas las COTS son partes no hi-rel. Décadas de uso de COTS en aplicaciones militares demostraron que las COTS son lo suficientemente confiables para la misión específica. Las condiciones de la misión militar son a menudo más severas que en el espacio, excepto la radiación. La duración de la misión suele ser más larga que una misión espacial.

 

Predicción de confiabilidad

El documento líder para la predicción de confiabilidad ha sido, durante décadas, MIL-HDBK-217. Este manual, sobre la predicción de fiabilidad de los equipos electrónicos, suprimió sistemáticamente el uso de piezas no militares en aplicaciones militares. A pesar del amplio uso del documento anterior, después de la directiva de William Perry de 1994, se ha declarado poco confiable.

El 15 de febrero de 1996, un memorándum firmado por el Subsecretario del Ejército / Investigación, Desarrollo, Adquisición Gilbert Decker declaró: “En particular, MIL-HDBK-217, Predicción de confiabilidad de equipos electrónicos, no debe aparecer en una solicitud de propuesta (solicitud para la propuesta) ya que se ha demostrado que no es confiable y su uso puede llevar a una predicción de confiabilidad errónea y engañosa “.

Debe recordarse que el modelo de predicción de fiabilidad se basa en la ecuación de Arrhenius, una fórmula para la dependencia de la temperatura de las velocidades de reacción, considerando un esfuerzo. Varios expertos afirman que hay amplia evidencia de que una aplicación directa de la ecuación de Arrhenius, con energías de activación

Espacio calificado

El término “espacio calificado” debe ser completamente entendido para no ser mal utilizado. La definición es: sistemas espaciales, subsistemas y componentes que cumplen con la especificación relevante para su uso.

Por ejemplo, a menudo las piezas calificadas con el nivel de calidad “S” de MIL-SPEC se denominan “calificadas para uso espacial”. El nivel de calidad “S” es el nivel de calidad más alto y no debe interpretarse automáticamente como “S” = “espacio”. El nivel “S”, sin garantía de dureza de radiación (RHA) especificada para el requisito de sistemas espaciales en la especificación de parte específica, ignora total o parcialmente la radiación en el espacio.

 

Aplicación militar versus espacial

Los requisitos exclusivos para el espacio son: radiación, desgasificación, vacío, micro gravedad y oxígeno atómico. Los COTS seleccionados adecuados (incluidos los no herméticos) pueden cumplir estos requisitos.

Predicción de confiabilidad Con demasiada frecuencia, las especificaciones técnicas / alcances de trabajo (SOW) especifican un límite de confiabilidad absoluto que se debe cumplir, penalizando el uso de COTS. El uso del término será revisado para usarlo dentro de sus limitaciones. MIL-HDBK-217F establece explícitamente sus limitaciones: “nunca debe suponerse que una predicción de confiabilidad represente la confiabilidad del campo esperado”.

Una mala interpretación puede conducir a un costo extra no justificable. De todos modos, como admite MIL-HDBK-217F, “aquellos que ven la predicción solo como un número que debe exceder un valor específico generalmente pueden encontrar la manera de lograr su objetivo sin ningún impacto en el sistema”. 

Disponibilidad orientada al mercado

En vista de las más de 2 décadas de uso oficial de COTS en aplicaciones militares, es obvio que las profecías apocalípticas no se materializaron. La parte de EEE calificada para uso militar y calificada para uso espacial en el mercado global de piezas de EEE es inferior al 0,5 por ciento en dólares.

Nadie puede impedir que un fabricante salga de un mercado que no es rentable. Mantener el enfoque tradicional significa que aprendemos de la historia que no aprendemos de la historia. La futura disponibilidad de piezas de EEE también debe estar asegurada para aplicaciones militares y para aplicaciones espaciales. Las decisiones comerciales son mucho más fuertes que cualquier política de partes de EEE. 

Requisito de hermeticidad versus tabú plástico 

La importancia de la hermeticidad del paquete no es discutible. Los problemas encontrados en las primeras etapas (desde los años 60) con semiconductores encapsulados de plástico no hermético causaron que los responsables políticos de las partes militares y del espacio tabularan su uso en aplicaciones militares y espaciales. Por supuesto, la “hermeticidad” de las piezas de plástico no puede competir con la hermeticidad de las partes herméticas. El objetivo debe ser “suficiente”, no el “mejor”. 

COTS post prueba de adquisición 

La necesaria introducción de COTS en aplicaciones espaciales está ensombrecida por la alta ingeniería no recurrente (NRE) involucrada. El NRE elevado se basa en los requisitos de prueba posteriores a la adquisición derivados del enfoque tradicional bien arraigado de las pruebas de piezas.

TID de radiación

Es responsabilidad del usuario encontrar la manera de evaluar la capacidad de soportar la dosis total de ionización (TID) de cualquier pieza y utilizarla en consecuencia. Los siguientes problemas deberían revisarse:

Margen de diseño de la radiación (RDM)

El requisito de RDM proporciona un enfoque sistemático para gestionar el riesgo de la misión que plantean las incertidumbres tanto en el modelo de radiación como en la susceptibilidad del hardware a la radiación. RDM tiene en cuenta tradicionalmente una variación histórica de lote a lote que puede ser diferente en la actualidad debido a un mejor control del proceso de fabricación (SPC) y mejoras. La revisión puede llevar a la reducción aplicada de RDM, lo que lleva a que más COTS puedan resistir los requisitos de radiación.

Requisito de prueba TID lote por lote

En vista de la mejora en el control de procesos (SPC) y la validez de las estadísticas de gran volumen, vale la pena volver a considerar la cuestión de la variación lote a lote y dentro de un lote. Desde el punto de vista de las pruebas de radiación, las piezas calificadas de nivel militar y COTS tienen la misma falta de problema de trazabilidad de los troqueles que no se puede rastrear con obleas. La industria espacial hace la vista gorda ante la falta de trazabilidad de las obleas para las partes de nivel militar tradicionalmente aceptables, pero penaliza a COTS en el espacio por el mismo problema de rastreabilidad.

Nivel de tolerancia parte TID

El nivel de capacidad que resiste TID parte se establece mediante pruebas de radiación y se define como el nivel de TID en el que la pieza sale por primera vez de los límites de especificación. Para relajar el requisito, otra práctica es aplicada por aquellos que tienen una base de datos significativa. No es una buena práctica de ingeniería, ya que depende de una operación de parte fuera de especificación hacia la fase final de la vida de la misión.El nivel más alto alcanzado se llama nivel de capacidad de resistencia de la parte de diseño. El diseño Worst Case Analysis (WCA) validará la práctica anterior. La revisión de la práctica ampliamente utilizada anteriormente puede llevar a nuevas ideas de facilitar la introducción de COTS débiles relativamente TID en aplicaciones espaciales. Por otro lado, puede llevar a la conclusión de que cuando se opera fuera de la especificación, el riesgo es demasiado alto.

Blindaje de piezas EEE

El uso de material de protección más efectivo reduce el nivel de TID de misión pronosticado visto por una parte. En consecuencia, la tolerancia necesaria de Parte TID está disminuyendo y más partes se vuelven adecuadas para la aplicación espacial (desde el punto de vista de TID). Hay mejores materiales que el aluminio (como tántalo), y hay técnicas de blindaje más efectivas (como los escudos multicapa). Los escudos activos (como magnéticos) se encuentran en etapa de investigación.

Fijación inducida por radiación (SEL)

SEL, uno de los efectos de evento único, es destructivo. La mitigación consiste en un circuito de protección de enganche para desconectar rápidamente la corriente dañina. Para implementar dicha mitigación, la corriente de bloqueo se conocerá a partir de la prueba SEL.La prueba SEL se realiza en aceleradores de iones pesados ​​e implica un alto costo y un largo tiempo. Para reducir el costo y el tiempo, se deben revisar los siguientes temas:

Método de prueba SEL Revisar el método tradicional versus otro método puede conducir a la reducción de costos y ahorros de tiempo. Otro método de prueba SEL, que vale la pena considerar, es el menos costoso SEL de láser pulsado (y otras pruebas de SEE), que se ha demostrado que es eficiente. Por cierto, la fuente de láser pulsado puede jugar un papel importante en el mapeo de bits, mitigando los Multitratados Múltiples (MBU). Otro método de prueba SEL conocido es Californium 252, si se usa dentro de sus limitaciones.

Predicción de tasa SEL Existe una práctica, que se revisará para su validez y uso aumentado, en base a la comparación con la figura de confiabilidad de la pieza. Establece que si la probabilidad de SEL es menor que una décima parte de la cifra de confiabilidad relevante, la parte se puede usar para el vuelo tal como está.

Parte tecnología / proceso

Para ayudar a la difícil y complicada tarea de la evaluación de COTS SEL, existe una gran necesidad de conocimiento de los datos básicos de la tecnología / proceso de la parte relevante. La siguiente información es necesaria: tecnología. proceso, fundición y revisión del dado. Las alianzas en la industria espacial pueden contribuir sustancialmente a evitar las duplicaciones de prueba.

Análisis físico destructivo (DPA)

El DPA, que se centra en los problemas relacionados con el proceso, no es una actividad posterior a la adquisición extraíble. Dicho eso, no significa que la profundidad de la prueba DPA no deba revisarse para la optimización.

Upscreening

“Upscreening” significa un aumento del nivel de confianza para usar la parte en la aplicación espacial dada. La detección tradicional tradicionalmente se realiza al 100 por ciento, pero también puede alcanzar su objetivo mediante pruebas de muestra. La razón detrás de la prueba de la muestra (que no debe volarse) es la convicción de que cualquier manipulación de piezas de vuelo puede dañarlos.Vale la pena prestar atención a la advertencia de la NASA en el documento oficial PEM-INST-001: “Existen numerosos datos que indican que el manejo y las pruebas incorrectas de las piezas pueden introducir más defectos de los que se ocultan”.
El requisito tradicional de upscaching 100 por ciento posterior a la contratación a nivel de pieza necesita ser revisado. MIL-STD-883, Método 1015, Burn-in Screen, establece que “el quemado se realiza con el fin de eliminar dispositivos marginales, aquellos con defectos o defectos inherentes que resultan de aberraciones de fabricación que se evidencian como fallas dependientes de tiempo y estrés. En ausencia de quemaduras, se esperaría que estos dispositivos defectuosos produjeran mortalidad infantil o fallas tempranas en la vida en condiciones de uso “.Como se ve arriba, todo comienza y termina dentro del proceso de fabricación del dado. Los defectos de fabricación pueden provocar fallas. Las actuales COTS se fabrican en un riguroso régimen de producción de alto volumen controlado por procesos estadísticos. Eso da como resultado una mejor calidad sustancial en las piezas salientes. La confiabilidad no puede abordarse mediante upscreening.El diseño extenso, la producción y el uso operativo de COTS (tal como se adquirió) en aplicaciones militares en entornos hostiles, dieron como resultado experiencias exitosas. A medida que las tecnologías avanzan y aumenta la integración funcional a nivel de pieza, las pruebas eléctricas posteriores a la adquisición se vuelven cada vez más difíciles, ineficientes y costosas.

Calificación

El uso exitoso de piezas COTS en aplicaciones militares (la vida operativa muy larga es a menudo aplicable) respalda la viabilidad del uso de COTS en aplicaciones espaciales. La NASA PEM-INST-001 declara: “Para todos los PEM, la calificación por historial de vuelo o similitud no es aceptable”. No se entiende por qué la NASA todavía sigue la forma tradicional de pensar, imponiendo tal restricción general en todos los PEM. La calificación y la supervisión de la confiabilidad se realizan rutinariamente por los mejores fabricantes de piezas de su clase.

Estrategia de adquisiciones

Por lo general, la mayoría de los jugadores en la industria espacial no tiene todas las habilidades e infraestructura para administrar la adquisición de partes EEE solo. Se prefiere externalizar estas actividades a empresas especializadas, llamadas agencias de compras de partes centrales (CPPA). La metodología de adquisición para COTS puede seguir la que se practica para las piezas espaciales. La centralización de las actividades relevantes es aún más beneficiosa para COTS (reducción de NRE duplicados).

Resumen

La movida de Perry en 1994 significó la reversión de la prioridad de selección de partes EEE para aplicaciones militares: se da prioridad a usar COTS. El foco fue al control del proceso, como el fundamento de la confiabilidad de la pieza. El movimiento de 1994 de COTS en el ejército se ha demostrado con éxito.

Para las aplicaciones espaciales, existe un movimiento vacilante para permitir el uso de COTS, manteniendo la prioridad de selección de partes de EEE tradicional: primera prioridad para las piezas de espacio. Esta metodología es un permiso “sin opción” para utilizar COTS en el espacio, dentro del régimen de prueba del 100 por ciento (trasladado a la fase posterior a la contratación) de la filosofía tradicional (directiva anterior a Perry).

La minúscula vida militar / espacial es finita e impredecible.

La viabilidad actual de la metodología depende de la disponibilidad de piezas de EEE impulsada por decisiones comerciales. En consecuencia, la metodología anterior no es una solución segura.

Se debe establecer y reconocer oficialmente una metodología revisada, pragmática y adaptada al espacio COTS. La metodología debe basarse en el concepto de control de procesos en lugar de terminar en un 100% de prueba parcial.

Existe una fuerte necesidad técnica para el uso de piezas complejas construidas utilizando tecnologías avanzadas, disponibles solo como COTS.Existe una gran necesidad de reducir los costos y acortar el horario.

Las decisiones educadas sobre la eliminación de actividades sin valor agregado son una necesidad para la reducción de costos. Según la presente metodología, el costo de propiedad de la parte COTS es a menudo mayor que el costo de adquisición de las piezas espaciales.

No existe un problema técnico insoluble para bloquear el uso de COTS seleccionadas en aplicaciones espaciales.

Elementos de acción sugeridos

La cifra de fiabilidad absoluta no debe especificarse como un requisito que debe cumplirse. Los modelos de predicción de confiabilidad deben ser entendidos y no mal utilizados.

El aseguramiento de la disponibilidad de piezas de EEE se considerará un parámetro crítico de alta prioridad en su proceso de selección. Se necesita un nuevo enfoque para asegurar mejor la disponibilidad de las piezas.

Se optimizará la prueba posterior a la adquisición de COTS, eliminando las actividades que no agregan valor.

La metodología actual debe revisarse para optimizarla y adaptarla a la realidad.

Se deben establecer bases de datos de radiación de partes compartidas para evitar el descanso duplicado.

Céntrate en la reducción de tipos de piezas y la consolidación de pedidos.

Conclusión

Ha llegado el momento (más temprano que tarde) para que los legisladores lleguen a un consenso sobre la aplicación de una filosofía COTS realista a las aplicaciones espaciales. No existe un problema técnico insoluble para bloquear el uso de COTS seleccionadas en aplicaciones espaciales. La resistencia al cambio es el principal obstáculo a superar.

“Hay algo más fuerte que todos los ejércitos del mundo, y esa es una idea a la que le ha llegado el momento”. — Victor Hugo

No hay ascensor para el éxito. Tienes que tomar las escaleras.

Biografía del autor

El autor se graduó de INGENIERÍA ESCUELA / TEL AVIV UNIVERSITY, física 1965-1969.  Tiene 44 años de experiencia en Ingeniería de Componentes en MBT / ISRAELI AEROSPACE INDUSTRIES, 1969-2013, como Jefe de Ingeniería de Componentes. Fue responsable de todos los aspectos de los componentes EEE (elaboración de políticas, estandarización a nivel corporativo, aprobación, etc.) para aplicaciones militares y espaciales. Retirado / Consultoría: 2013 – presente. Más detalles de la experiencia: ver  https://www.linkedin.com/in/dan-friedlander-63620092?trk=nav_responsive_tab_profile