基于空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)可靠性研究

李小萍，盛景泰

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088；2.北京航空航天大學(xué)可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100083）

1 引言

基于空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)能夠克服地面雷達(dá)探測(cè)距離受地球曲率限制的缺點(diǎn)，可探測(cè)到遠(yuǎn)距離的低空飛行目標(biāo)，并在空中完成指揮、控制、通信等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)管理和控制。

通過(guò)在最近幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中的廣泛應(yīng)用，可以發(fā)現(xiàn)此類(lèi)雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)在先期預(yù)警及實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)管理和控制等方面都發(fā)揮了重大作用，這使之已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中制勝、提高威懾能力及強(qiáng)化國(guó)防力量必不可少的關(guān)鍵裝備之一。

但是，敵方電磁干擾和殺傷的威脅也日益嚴(yán)重，面對(duì)的目標(biāo)環(huán)境、電磁環(huán)境更加復(fù)雜。嚴(yán)酷的環(huán)境對(duì)雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)可靠性、安全性等綜合特性的實(shí)現(xiàn)提出了巨大的挑戰(zhàn)，要求系統(tǒng)持續(xù)無(wú)故障工作時(shí)間加長(zhǎng)，維護(hù)費(fèi)用大大降低。這就迫使產(chǎn)品工程系統(tǒng)具有良好的可靠性、維修性等特性。同時(shí)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的影響也對(duì)產(chǎn)品可靠性提出了更高的要求。任務(wù)系統(tǒng)是否可靠、是否好修、使用維護(hù)費(fèi)用多少以及壽命長(zhǎng)短都能成為產(chǎn)品是否成功被用戶選擇的重要指標(biāo)[1]。

而提前對(duì)雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段開(kāi)始即開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)分析，對(duì)減少并預(yù)防產(chǎn)品故障，消滅故障，提高產(chǎn)品效能方面起到積極、有效的作用。

2 任務(wù)電子系統(tǒng)可靠性模型的建立及預(yù)計(jì)

可靠性工程工作的重點(diǎn)是預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和糾正可靠性設(shè)計(jì)以及元器件、原材料和工藝等方面的缺陷，主要內(nèi)容有可靠性設(shè)計(jì)、元器件管理、可靠性分析、可靠性試驗(yàn)以及系統(tǒng)運(yùn)行等。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)要求建立基本可靠性及任務(wù)可靠性模型，目的是便于在人力、物力、費(fèi)用和任務(wù)之間進(jìn)行權(quán)衡。

首先對(duì)雷達(dá)進(jìn)行元器件應(yīng)力分析可靠性預(yù)計(jì)，明確雷達(dá)系統(tǒng)所需的元器件數(shù)據(jù)、信息，確定符合該雷達(dá)的設(shè)計(jì)要素需求的元器件大綱，控制雷達(dá)元器件的選擇與使用，達(dá)到和保持設(shè)備的固有可靠性,減少元器件、零部件品種，降低全壽命周期費(fèi)用[2]。

基本可靠性模型是用于估計(jì)產(chǎn)品以及組成單元可能發(fā)生的故障引起的維修及保障要求的可靠性模型。針對(duì)這一定義，則對(duì)本文所涉及的雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)定義為一個(gè)全串聯(lián)模型，即使存在冗余單元，也都按照串聯(lián)處理。

2.1 可靠性模型的建立

a）前提條件

本文中的雷達(dá)屬于空中可持續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，其可用度指標(biāo)是主要的。因此，首先估算整機(jī)、分系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性，預(yù)計(jì)值不得低于分配值，整機(jī)可靠性指標(biāo)要大于任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)指標(biāo)。

失效判據(jù)為雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)故障致使探測(cè)距離下降20%。

一般地，在電子設(shè)備壽命期間，基本可靠性的時(shí)間分布假設(shè)為指數(shù)分布。計(jì)算基本可靠性MTBF的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)串聯(lián)模型，即假設(shè)任何功能元器件失效將引起系統(tǒng)失效。國(guó)產(chǎn)元器件的失效率將按GJB/Z 299B-98，進(jìn)口元器件將按MIL-HDBK-217F NOTICE II中的元器件應(yīng)力分析法來(lái)進(jìn)行預(yù)計(jì)。元器件可靠性數(shù)據(jù)通過(guò)可靠性應(yīng)力分析法得到。

系統(tǒng)的MTBF值是按下列環(huán)境條件考慮的：

1)對(duì)平臺(tái)內(nèi)部單元：

AIC：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)艙內(nèi)環(huán)境；

2)對(duì)平臺(tái)外部單元：

AUC：運(yùn)動(dòng)平臺(tái)艙外環(huán)境。

b）可靠性模型

根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)的基本設(shè)備組成和基本可靠性的定義，可靠性結(jié)構(gòu)模型應(yīng)為所有子系統(tǒng)的全串聯(lián)模型，按照LRU的劃分，基本可靠性框圖如圖1所示。

圖1 任務(wù)電子的基本可靠性框圖

本階段的可靠性預(yù)計(jì)工作，是各子系統(tǒng)根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)總體分配的MTBF值，結(jié)合子系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，采用元器件的應(yīng)力分析法進(jìn)行了初步的可靠性預(yù)計(jì)，以期達(dá)到滿足總體的分配值。

雷達(dá)基本可靠性模型為：

基本可靠性： MTBF=1/λ；

基本可靠度： R （t） =exp(-λt)。

其中：λ——整機(jī)失效率，10-6/h；

λi——各子系統(tǒng)或是各組成LRU失效率，10-6/h；

R(t)——整機(jī)基本可靠度；

MTBF——整機(jī)平均故障間隔時(shí)間，h。

在各子系統(tǒng)內(nèi)采用的元器件計(jì)數(shù)可靠性預(yù)計(jì)法，是根據(jù)子系統(tǒng)中各種類(lèi)元器件的數(shù)量及其通用失效率，質(zhì)量等級(jí)和子系統(tǒng)所處的環(huán)境類(lèi)別來(lái)估算可靠性的[3]。

子系統(tǒng)故障率的數(shù)學(xué)模型為：

式中：λGS——子系統(tǒng)總失效率，10-6/h；

λGi——第i種類(lèi)元器件的通用失效率，10-6/h；

πQi——第i種類(lèi)元器件的通用質(zhì)量系數(shù)；

Ni——第i種元器件的數(shù)量；

n——子系統(tǒng)所用元器件的種類(lèi)數(shù)目。

雷達(dá)任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型為：

雷達(dá)系統(tǒng)的可靠度：

雷達(dá)分系統(tǒng)等效的MTBCF為：

上兩式中，各參數(shù)的意義說(shuō)明如下：

R串i(t)為第i個(gè)串聯(lián)子系統(tǒng)的可靠度，等于第i個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)各LRU可靠度計(jì)算結(jié)果的乘積：

R表i(t)為第I個(gè)表決子系統(tǒng)的可靠度，計(jì)算如下：

對(duì)于單個(gè)的LRU的可靠度R(t)計(jì)算如下：

R——任務(wù)可靠度；

λ——LRU的元器件的失效率總和；n——組成子系統(tǒng)的單元數(shù)；k——表決子系統(tǒng)的單元數(shù)。

2.2 可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 可靠性預(yù)計(jì)匯總表

3 提高任務(wù)系統(tǒng)可靠性的采取的措施

在進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，通常采用如下措施來(lái)提高其可靠性：

3.1 降額和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

選用有利于提高雷達(dá)系統(tǒng)可靠性的方案，對(duì)電性指標(biāo)的頂層設(shè)計(jì)進(jìn)行一定量的降額。如在發(fā)射輸出功率的管子選用上，從衰減器負(fù)載電阻限幅開(kāi)關(guān)等器件的功率容量上，都將其實(shí)際工作值低于器件標(biāo)稱值，并保留20%以上的裕量。

簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)中的首選設(shè)計(jì)，它在提高可靠性的同時(shí)還可以節(jié)省費(fèi)用，是其它可靠性設(shè)計(jì)所不及的。其主要途徑有功能模塊的最優(yōu)布局，設(shè)計(jì)或選用電性能滿足要求電路的最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)型式，分析電路鏈特點(diǎn)，刪除可有可無(wú)的元器件等[4]。

3.2 模塊電路的容差設(shè)計(jì)

在各單元電路和模塊的電訊和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，特別強(qiáng)調(diào)容差設(shè)計(jì)的概念，避免因?yàn)榧庸ふ`差，環(huán)境梯度變化等因素導(dǎo)致組件故障而失效。

3.4 暫態(tài)過(guò)程的防護(hù)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，有害的暫態(tài)過(guò)程主要有2類(lèi)，其一是電源加電的瞬間電壓過(guò)沖和尖峰毛刺電壓；其二是發(fā)射信號(hào) “首次”激勵(lì)大功率電路的瞬間，當(dāng)集電極電壓有波動(dòng)而狀態(tài)未穩(wěn)，可能導(dǎo)致管子和電路的失效。防護(hù)的措施是前者在應(yīng)用電路上加入防過(guò)沖的大電容和去干擾、去毛刺的電磁兼容網(wǎng)絡(luò)，并選用較大裕量的元器件；后者則是在系統(tǒng)加電和開(kāi)機(jī)工作時(shí)，制訂嚴(yán)格的開(kāi)機(jī)順序，并等陣面電源工作穩(wěn)定后加微波激勵(lì)功率，同時(shí)，在發(fā)射功率放大鏈設(shè)計(jì)中保持有足夠大的儲(chǔ)能電容。

3.4 故障安全設(shè)計(jì)

在使用和維修過(guò)程中，當(dāng)某一電路或器件發(fā)生失效或是故障時(shí)，要求不產(chǎn)生其它電路的連鎖反應(yīng)，造成故障擴(kuò)大化的現(xiàn)象。在本組件設(shè)計(jì)中，特別注意大功率發(fā)射通道漏功率對(duì)接收通道的影響，以及接收和天線負(fù)載對(duì)發(fā)射大功率末級(jí)電路的影響。如前所述，我們?cè)诮M件的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中采用了一種可以兼顧指標(biāo)和可靠性安全性的方式，特別是發(fā)射末級(jí)功率管后加入高功率隔離器，對(duì)提高組件的可靠性具有十分重要的意義。

3.5 熱設(shè)計(jì)和環(huán)境試驗(yàn)

溫度是影響組件和電子元器件的主要因素，溫度與電子元器件的壽命成指數(shù)關(guān)系。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，熱設(shè)計(jì)是十分重要的一環(huán)。其主要內(nèi)容是有效的散熱設(shè)計(jì)和布版中避免發(fā)熱元件過(guò)分集中兩個(gè)方面。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，從保持基本可靠性等級(jí)出發(fā)，要求發(fā)射大功率管的管殼溫度低于80℃。

環(huán)境試驗(yàn)是提高組件可靠性的一種重要的手段和途徑。電性能老練篩選和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是減少使用中的故障率，排除元器件早期失效的一種行之有效的方法。因此我們要求在大批量生產(chǎn)中，對(duì)元器件和組件進(jìn)行100%的老練和篩選，必要時(shí)還對(duì)有源天線模塊通過(guò)可靠性增長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)暴露設(shè)計(jì)中的可靠性問(wèn)題，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)品質(zhì)，從而達(dá)到提高整機(jī)MTBF的目的。

空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)雷達(dá)裝備的系統(tǒng)特別龐大而復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，研制生產(chǎn)經(jīng)歷的工序多，各過(guò)程、各階段都有引入可靠性和質(zhì)量問(wèn)題的可能性，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)試和聯(lián)試工作只能發(fā)現(xiàn)部分問(wèn)題，涉及到與環(huán)境應(yīng)力相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題只有通過(guò)可靠性和環(huán)境試驗(yàn)才能激發(fā)和暴露，因此電子系統(tǒng)研制過(guò)程試驗(yàn)是一項(xiàng)必不可少的重要工作，試驗(yàn)也是對(duì)設(shè)計(jì)、制造進(jìn)行全面考核的唯一手段，裝備定型必須完成并合格通過(guò)各種規(guī)定的環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或缺陷，并經(jīng)過(guò)有針對(duì)性的改進(jìn)工作，從而可以不斷提高雷達(dá)系統(tǒng)質(zhì)量和可靠性水平。

3.6 過(guò)程控制

過(guò)程控制是指在完成電訊和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之后，從元器件的選用、訂購(gòu)、驗(yàn)收、老練、篩選及裝機(jī)，到微帶版印制板屏蔽盒加工，及組件的調(diào)試等各個(gè)科研生產(chǎn)的各個(gè)過(guò)程中，采取的質(zhì)量控制和操作規(guī)范要求。大批量組件研制投產(chǎn)過(guò)程應(yīng)當(dāng)遵循：專題樣機(jī)實(shí)驗(yàn)、小批量投產(chǎn)調(diào)試、大批量投產(chǎn)、自動(dòng)測(cè)試調(diào)試生產(chǎn)等幾個(gè)階段。在每個(gè)階段應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)技術(shù)總結(jié)，評(píng)審評(píng)估，并在進(jìn)行可行性分析后轉(zhuǎn)入下一階段工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

可靠性是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程和技術(shù)設(shè)計(jì)方法，而雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)高可靠性的實(shí)現(xiàn)主要取決于產(chǎn)品研制過(guò)程中采取的可靠性方法、可靠性技術(shù)設(shè)計(jì)以及可靠性綜合管理等預(yù)計(jì)方法。通過(guò)采取以上這些措施，使得空中運(yùn)動(dòng)平臺(tái)下的雷達(dá)任務(wù)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)得以大幅提高，在延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用周期和使用壽命，降低產(chǎn)品的費(fèi)效比以及提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力方面提供極大的技術(shù)支撐。

［1］樂(lè)戰(zhàn)英.雷達(dá)的可靠性指標(biāo)研究 [J].雷達(dá)與對(duì)抗，2006，（4）： 65-68.

［2］告社生，張玲霞.可靠性理論與工程應(yīng)用 [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［3］王殿超，鄭學(xué)仁.電路設(shè)計(jì)中元器件的使用可靠性 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2007，25（5）：8-10.