便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性分析與設(shè)計(jì)

劉侃，田鑫鑫

（武漢軍械士官學(xué)校，湖北 武漢 430075）

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的研究提出了越來越高的要求，而提高防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性是防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容。便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作為野戰(zhàn)防空和低空突防的主要武器，已得到空前的發(fā)展，其可靠性將直接影響系統(tǒng)效能。系統(tǒng)可靠性就是指系統(tǒng)在規(guī)定的貯存期內(nèi)，在正常勤務(wù)處理?xiàng)l件下，在預(yù)定的使用環(huán)境中，完成預(yù)定任務(wù)的能力。[1-2]

2 可靠性模型

可靠性模型是武器系統(tǒng)可靠性分析的先決條件。只有建立高質(zhì)量的武器系統(tǒng)可靠性模型，才能進(jìn)行武器系統(tǒng)可靠性分配和預(yù)計(jì)。

2.1 可靠性模型的構(gòu)成

系統(tǒng)可靠性模型通常由可靠性方框圖、可靠性數(shù)學(xué)模型和文字說明三部分構(gòu)成?？煽啃苑娇驁D是由代表各設(shè)備單元的方框按一定的邏輯順序所排列的圖形，單元方框和符號(hào)表示單元可靠性與系統(tǒng)可靠性的邏輯關(guān)系。數(shù)學(xué)模型是一個(gè)或一組表示單元可靠性對(duì)系統(tǒng)可靠性影響的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它的解應(yīng)是系統(tǒng)的可靠度。文字說明應(yīng)表達(dá)系統(tǒng)的定義、壽命剖面、任務(wù)剖面、建模依據(jù)、信息來源、基本假設(shè)、模型修改原則與程序、未納入系統(tǒng)可靠性模型的單元清單和理由等。

2.2 可靠性模型的分類

武器系統(tǒng)的可靠性模型通常分為基本可靠性模型和任務(wù)可靠性模型。[2]

系統(tǒng)的基本可靠性主要用于估計(jì)系統(tǒng)失效所引起的維修費(fèi)用和裝備保障體系，因此系統(tǒng)可靠性是一種純串聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)所有的組成部分都是可靠性串聯(lián)單元。

系統(tǒng)的任務(wù)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。系統(tǒng)的任務(wù)可靠性高，說明系統(tǒng)具有較高的完成任務(wù)的能力，因此任務(wù)可靠性是僅考慮在任務(wù)期間那些危及任務(wù)完成的故障。

2.3 可靠性模型的建立步驟[3]

a）規(guī)定系統(tǒng)功能的定義。根據(jù)被批準(zhǔn)的總體方案，明確系統(tǒng)各項(xiàng)功能和對(duì)應(yīng)的參數(shù)，以及主要構(gòu)成單元和使用方式等。

b）確定系統(tǒng)功能方框圖。根據(jù)系統(tǒng)功能定義和構(gòu)成單元，繪制系統(tǒng)功能方框圖。

c）確定系統(tǒng)可靠性方框圖。根據(jù)系統(tǒng)功能圖和功能定義，確定系統(tǒng)基本可靠性方框圖和任務(wù)可靠性方框圖。

d）確定系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型。根據(jù)系統(tǒng)基本可靠性和任務(wù)可靠性的不同結(jié)構(gòu)，由可靠性串、并聯(lián)的一般公式確定基本可靠性數(shù)學(xué)模型和任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型。

3 某型便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性模型

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

某型便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)（單指戰(zhàn)斗裝備）由裝筒導(dǎo)彈、發(fā)射機(jī)構(gòu)以及地面能源組件等分系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)較為固定，所以系統(tǒng)構(gòu)成也較為確定，系統(tǒng)組成示意如圖1所示。

圖1 某型便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)組成示意圖

3.2 基本可靠性模型

基本可靠性模型均為串聯(lián)模型，根據(jù)各分系統(tǒng)的復(fù)雜性、成熟性、任務(wù)嚴(yán)酷性及重要性對(duì)武器系統(tǒng)可靠性的影響，某型便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的基本可靠性模型應(yīng)該是地面能源組件、發(fā)射機(jī)構(gòu)、發(fā)射筒、紅外導(dǎo)引頭以及舵機(jī)艙、引戰(zhàn)艙、發(fā)動(dòng)機(jī)艙等7個(gè)分系統(tǒng)的串聯(lián)模型。

3.3 任務(wù)可靠性模型

便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)工作的任務(wù)模式較為單一，而7個(gè)分系統(tǒng)有一處出現(xiàn)故障都將影響整個(gè)武器系統(tǒng)的工作，因此其任務(wù)可靠性模型就是其基本可靠性模型。

3.4 可靠性數(shù)學(xué)模型的建立

整個(gè)系統(tǒng)的可靠性取決于各分系統(tǒng)的可靠性及其結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)任務(wù)模式較為單一及其系統(tǒng)模型屬純串聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此采用B a y e s方法中的“成敗型可靠性評(píng)定模型”，對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)定。

成敗型單元設(shè)備的可靠性評(píng)估常采用二項(xiàng)分布評(píng)估方法[4-5]。設(shè)N次試驗(yàn)，失效次數(shù)為F，則在置信度γ之下，產(chǎn)品的可靠度置信下限RL由公式（1） 給出：

此式是成敗型單元設(shè)備可靠性評(píng)估的經(jīng)典分式，結(jié)合Bayes方法，在已知武器系統(tǒng)驗(yàn)前、后試驗(yàn)次數(shù)（N′、N）、失敗次數(shù)（F′、F） 和置信水平（γ′、γ），得到如下公式：

式中：W0——取置信度γ時(shí)的置信下限；

W1——取置信度γ時(shí)的置信上限；

WL——綜合評(píng)定可靠度。

根據(jù)上述表達(dá)式可以計(jì)算各分系統(tǒng)的綜合評(píng)定可靠度，然后根據(jù)分系統(tǒng)可靠性對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響情況，采取串聯(lián)方式進(jìn)行綜合，最終評(píng)定出某型便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性。

由上可見，一方面通過對(duì)武器系統(tǒng)進(jìn)行建模分析和計(jì)算，可以得到武器系統(tǒng)綜合評(píng)定可靠度，另一方面也可以得到系統(tǒng)可靠性因素對(duì)武器系統(tǒng)的重要性和影響程度。因此，通過行之有效的可靠性設(shè)計(jì)措施，對(duì)影響可靠性的因素進(jìn)行控制，可以提高武器系統(tǒng)的可靠性。

4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法

在滿足性能指標(biāo)的條件下，要求對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以進(jìn)一步保障和提高武器系統(tǒng)可靠性。影響武器系統(tǒng)可靠性的因素有很多，設(shè)計(jì)時(shí)主要通過采用可靠性權(quán)衡、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、簡化設(shè)計(jì)、元器件的控制、降額設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、耐環(huán)境設(shè)計(jì)、測試性與維修性設(shè)計(jì)等方法。

4.1 可靠性權(quán)衡

即武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，首先要做好可靠性、維修性、保障性等特性與能力的權(quán)衡。實(shí)際上與費(fèi)用約束密切相關(guān)，應(yīng)使系統(tǒng)整體能力滿足系統(tǒng)研制要求，并盡可能地使設(shè)備、子系統(tǒng)的性能可靠性接近于1。[6]

在可靠性與維修性、保障性等特性間權(quán)衡，以使系統(tǒng)的有效工作狀態(tài)總體上較高，系統(tǒng)可用性能夠滿足實(shí)際要求。

在基本可靠性與任務(wù)可靠性之間進(jìn)行權(quán)衡，在系統(tǒng)一定的固有可用性水平上，努力提高系統(tǒng)的任務(wù)可信性。

可靠性權(quán)衡的目的是要在系統(tǒng)費(fèi)用、技術(shù)、時(shí)間的約束下能夠?qū)π墚a(chǎn)生積極的作用，因此應(yīng)努力開展系統(tǒng)可靠性與效能模型仿真和驗(yàn)證。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

以標(biāo)準(zhǔn)化等方法實(shí)現(xiàn)部件、模塊、分系統(tǒng)、系統(tǒng)層次的互用性，可以有效地提高系統(tǒng)的健壯性、安全性與生存性；同時(shí)降低了部件、模塊的品種數(shù)目，對(duì)于維修性、保障性產(chǎn)生積極的影響，從而提高系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效能。

4.3 簡化設(shè)計(jì)

簡化設(shè)計(jì)方案，減少系統(tǒng)元器件數(shù)量是設(shè)計(jì)工作首先要考慮的重要問題，也是提高系統(tǒng)可靠性的有效途徑。[7]例如，通過電路簡化設(shè)計(jì)，降低電路的復(fù)雜性，提高電路的可靠性；通過采用單片機(jī)及大規(guī)模集成電路來減少系統(tǒng)元器件的數(shù)量，從而減少分系統(tǒng)的數(shù)量，同時(shí)簡化后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和整體性能也可得到較大的提高。

4.4 元器件的控制與降額設(shè)計(jì)

電子元器件的控制是保證系統(tǒng)固有可靠性，降低保障費(fèi)用的有效措施。為保障和提高控制設(shè)備的可靠性，系統(tǒng)中使用的元器件的失效率都是已知的，并對(duì)所選用的元器件按下列要求進(jìn)行了選擇：

1）選用在其它產(chǎn)品中已得到可靠使用的通用元器件；

2）選用成熟的產(chǎn)品，即經(jīng)過驗(yàn)證和性能穩(wěn)定的元器件，可能提高產(chǎn)品的可靠性；

3）按元器件優(yōu)選手冊(cè)和設(shè)備的可靠性指標(biāo)選用了電阻、電容、電感以及半導(dǎo)體分立元件、集成電路；

4）選用了無引腳封裝的SMD／SMT的LSI器件，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性并使傳輸延時(shí)減到最?。?/p>

5）對(duì)所選器件進(jìn)行老化篩選，剔除早期失效器件。[8]

4.5 降額設(shè)計(jì)

降額就是使元器件在低于其額定電流、額定電壓的條件下工作。合理的降額可以大幅度地降低元器件的失效率，是電子設(shè)備可靠性保障設(shè)計(jì)的最有效方法之一。但在應(yīng)用降額設(shè)計(jì)時(shí)要注意，并不是所有的元器件降額越多越可靠，因此，在進(jìn)行降額設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)熟悉元器件的工作原理和失效機(jī)理，才能做到合理降額。

4.6 熱設(shè)計(jì)

電子裝備熱設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是：通過熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能地減少裝備內(nèi)部所產(chǎn)生的熱量。因此，選擇合理且簡單的冷卻方式；保證熱流通道盡可能地短；使用橫截面大導(dǎo)熱良好的材料；大功率器件加裝散熱片，這些都是熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題。

4.7 耐環(huán)境設(shè)計(jì)

做好系統(tǒng)實(shí)際使用環(huán)境的分析，使系統(tǒng)具有較好的溫度防護(hù)設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、沖擊和振動(dòng)設(shè)計(jì)等，這樣系統(tǒng)的可靠性、維修性等特性要求才有可能得到大幅度的提高。

提高電路效率，降低發(fā)熱器件的功耗；選用具有良好耐高、低溫性能的材料和部件；合理安排電路內(nèi)部熱源和熱敏感元件，盡可能地隔離或遠(yuǎn)離熱源；對(duì)低溫敏感的部件可安裝加溫裝置；采用硅橡膠一類耐低溫的密封和填充化合物。

元器件應(yīng)盡可能地選用密封元器件，盡量用金屬和陶瓷封裝來代替塑料填裝的元器件；印制板焊接、調(diào)試結(jié)束后，應(yīng)噴涂三防漆；接插件的接點(diǎn)要采用鍍金措施，以提高三防性能；暴露在外面的接插件應(yīng)加蓋密封蓋；不常拆卸的蓋板、接頭，初加裝密封圈外，必要時(shí)可在接觸面上涂密封膠；避免化學(xué)電位差大的金屬材料相連接，以免產(chǎn)生接觸腐蝕，如采用銅墊片代替鋁質(zhì)材料；金屬材料應(yīng)盡量采用防銹材料，如用不銹鋼螺釘代替鐵釘；非金屬件應(yīng)選用不腐蝕、不放氣、不吸濕、不長霉的材料；涂料考慮添加殺菌劑。

在防振設(shè)計(jì)上應(yīng)采用臥式安裝且盡量縮短引線長度，盡量減少器件相對(duì)印制電路板的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量且提高剛度，需彎曲的引線，彎曲半徑應(yīng)盡量大，避免產(chǎn)生過應(yīng)力；避開電路的固有頻率，防止發(fā)生共振；印制板安裝要可靠，接插件要有合適的插拔力；接插件引線端頭采用硅橡膠等材料進(jìn)行固化。

4.8 測試性與維修性設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中提供測試接口，能對(duì)關(guān)鍵分系統(tǒng)進(jìn)行測試；在硬件上，將關(guān)鍵系統(tǒng)劃分為若干模塊，每個(gè)模塊功能獨(dú)立并集成在一塊印制線路板上，所用的器件盡量分離，便以故障隔離，保證平均修復(fù)時(shí)間滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

武器系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)在武器系統(tǒng)總體性能設(shè)計(jì)中的地位和作用不容忽視。以提高系統(tǒng)效能為根本標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能的高可靠性、高維修性和高保障性的結(jié)合，就可以達(dá)到提高便攜式防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可用性和降低系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用的目的。

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