基于任務(wù)的艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

薛魯強(qiáng),褚 政,李紳政

(1.海軍航空工程學(xué)院指揮系,山東 煙臺(tái) 264001;2.92493部隊(duì)2分隊(duì),遼寧 葫蘆島 125000)

由于艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)平臺(tái)作戰(zhàn)使用環(huán)境和要求的特殊性,使得對(duì)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)裝備不僅要求滿足技術(shù)狀態(tài)完好,更強(qiáng)調(diào)復(fù)雜環(huán)境下的裝備可靠性維持問題。艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性,采用多個(gè)可靠性指標(biāo)構(gòu)成的可靠性指標(biāo)體系描述。在使用過程中,各分系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)不是一成不變的,它們的指標(biāo)值隨著環(huán)境和時(shí)間的變化而減弱。對(duì)于艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的使用環(huán)境和遂行的作戰(zhàn)訓(xùn)練任務(wù),各項(xiàng)體系內(nèi)的可靠性指標(biāo)如果超出既定范圍,將嚴(yán)重影響到系統(tǒng)效能的發(fā)揮和任務(wù)的完成,甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)故障而無法使用,從而引發(fā)難以估計(jì)的損失甚至傷亡。

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)造價(jià)成本高,導(dǎo)彈價(jià)格昂貴,使用真實(shí)裝備進(jìn)行可靠性維修性和作戰(zhàn)效能的檢驗(yàn)試驗(yàn),在經(jīng)濟(jì)上是很難承受的。而且,需要海域空域、供靶和效果評(píng)估保障,組織非常困難,進(jìn)行重復(fù)性的試驗(yàn)代價(jià)非常大,在實(shí)際工作中也不現(xiàn)實(shí)。利用計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)規(guī)劃設(shè)計(jì)的方法,對(duì)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的可靠性維修性效果進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)和效果分析,可以起到任務(wù)設(shè)定方便可調(diào)、試驗(yàn)范圍全面、效果穩(wěn)定、可多次重復(fù)調(diào)整和成本低的試驗(yàn)效果,為裝備設(shè)計(jì)選型、實(shí)兵試驗(yàn)和可靠性改進(jìn)增長(zhǎng)提供先期研究依據(jù)。

1 任務(wù)剖面與任務(wù)條件設(shè)定

1.1 艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)艦上使用剖面

用任務(wù)剖面的方法描述艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的任務(wù)及其環(huán)境[1]。該剖面說明了艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)在整個(gè)壽命周期經(jīng)歷的事件(如測(cè)試、裝卸、運(yùn)輸、貯存、檢測(cè)、維修、部署、射擊等)以及事件順序、持續(xù)時(shí)間、環(huán)境和艦艇及系統(tǒng)工作方式。如表 1,艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在艦艇上的假設(shè)使用剖面包含一個(gè)或多個(gè)任務(wù)剖面[2-3]。在使用剖面設(shè)計(jì)上,考慮到遠(yuǎn)洋環(huán)境特點(diǎn),設(shè)計(jì)了超過一般自持能力的三個(gè)月及以上的戰(zhàn)備值勤環(huán)節(jié)直至中修,以充分體現(xiàn)系統(tǒng)可靠性對(duì)任務(wù)效能的影響。

表1 艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)假設(shè)使用剖面

1.2 設(shè)定任務(wù)條件和仿真模型

假定目標(biāo)為反艦導(dǎo)彈,平飛巡航狀態(tài)進(jìn)入發(fā)射區(qū),飛行速度 0.75Ma,高度 15m。仿真過程設(shè)定的艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能參數(shù)如表2所示。

表2 仿真設(shè)定的艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能參數(shù)

圖1 系統(tǒng)可靠性對(duì)作戰(zhàn)效能影響仿真流程框圖

在仿真中設(shè)定3種作戰(zhàn)任務(wù)模式:

作戰(zhàn)任務(wù)一:對(duì)來襲的單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行一次雙發(fā)齊射,作戰(zhàn)背景模擬抗擊偶然性或襲擾性空中打擊。

作戰(zhàn)任務(wù)二:對(duì)依次來襲的 24個(gè)目標(biāo)進(jìn)行雙發(fā)齊射,目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間間隔 15分鐘,作戰(zhàn)背景模擬為海峽水道航渡的編隊(duì)遂行防空,整個(gè)作戰(zhàn)時(shí)間較長(zhǎng),達(dá)6小時(shí),抗擊強(qiáng)度大,可靠性因素發(fā)揮作用明顯。

作戰(zhàn)任務(wù)三:對(duì)來襲的 24個(gè)隨機(jī)目標(biāo)進(jìn)行逐次雙發(fā)齊射,目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)間間隔 1s,遠(yuǎn)小于單次齊射完成所需時(shí)間,作戰(zhàn)背景模擬飽和攻擊。

基于以上任務(wù)模式,仿真流程圖如圖1所示。

2 可靠性對(duì)作戰(zhàn)效能影響模型

2.1 艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性模型

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)可靠性一般采用故障率 λ(t)或平均無故障工作時(shí)間MTBF對(duì)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)及船機(jī)電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)[4-5]。

經(jīng)過試航檢驗(yàn),系統(tǒng)穩(wěn)定成熟,λ(t)為常數(shù)時(shí),艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)及船機(jī)電系統(tǒng)可靠度R(t) 與故障率λ(t)的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)化平均無故障工作時(shí)間MTBF為

當(dāng)艦上導(dǎo)彈儲(chǔ)存故障率λ為常數(shù)時(shí),其儲(chǔ)存可靠度r(t)與儲(chǔ)存時(shí)間t的關(guān)系可表示為

2.2 艦空導(dǎo)彈射擊模型和效能模型

空中目標(biāo)在發(fā)射區(qū)范圍內(nèi),系統(tǒng)能發(fā)射的導(dǎo)彈數(shù),可根據(jù)目標(biāo)飛行條件和發(fā)射間隔,由式(3)確定

式中:S為發(fā)射區(qū)長(zhǎng)度; vm為空襲目標(biāo)飛行速度;t為一次射擊持續(xù)時(shí)間;tc為發(fā)射間隔時(shí)間。

作戰(zhàn)效能指標(biāo)選取 r次齊射目標(biāo)至少命中一發(fā)的概率[6]:

式中,Pi為艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)第i次齊射中的單發(fā)命中概率;Xi為第i次齊射彈量。

2.3 系統(tǒng)可靠性維修性對(duì)作戰(zhàn)效能影響指標(biāo)

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的效能根據(jù)完成所賦予戰(zhàn)斗任務(wù)的程度來評(píng)價(jià)。因此對(duì)于設(shè)定使用剖面下第 i次使用的效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)可用式(5)進(jìn)行描述:

式中,WRi為可靠性因素影響下,使用剖面中第 i次系統(tǒng)防空作戰(zhàn)使用的效能;W為不考慮環(huán)境、干擾和系統(tǒng)可能故障影響的系統(tǒng)效能理想值。

艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗能力是隨時(shí)間而變化的,因而,戰(zhàn)斗效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)是時(shí)間的函數(shù)。為了評(píng)價(jià)可靠性因素的影響應(yīng)該取系統(tǒng)戰(zhàn)斗效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)的平均值[4,7],如下式所示:

其中,Т為所經(jīng)歷的使用剖面時(shí)間;К (t)為使用剖面下t時(shí)刻戰(zhàn)斗效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)值.

在雙發(fā)齊射情況下,不考慮系統(tǒng)可靠性R影響時(shí)的作戰(zhàn)效能可用目標(biāo)被命中概率表述

式中,P為單發(fā)命中概率。

在雙發(fā)齊射情況下,系統(tǒng)可靠性R對(duì)其作戰(zhàn)效能的效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)K可表述為

效能實(shí)現(xiàn)系數(shù)K綜合了各可靠性因素影響和武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能兩大方面,能體現(xiàn)各可靠性因素對(duì)系統(tǒng)效能發(fā)揮的影響。合理地選擇時(shí)間區(qū)間T與艦艇使用剖面,將使用措施和作戰(zhàn)環(huán)境背景相聯(lián)系,這樣指標(biāo)K就能反映出多種可靠性因素對(duì)艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗效能的綜合影響[8-10]。

3 全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理

全因素試驗(yàn)法利用排列整齊的全因素表對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行整體設(shè)計(jì)、綜合比較、統(tǒng)計(jì)分析,實(shí)現(xiàn)通過試驗(yàn)找到較好的因素條件,以達(dá)到最高收益。使用計(jì)算機(jī)仿真模擬,對(duì)各因素采用 2水平(-1、+1)描述 7因素表,對(duì)每一作戰(zhàn)任務(wù)模式進(jìn)行遍歷試驗(yàn)128次。

選擇艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能K為試驗(yàn)的質(zhì)量特性指標(biāo)。選擇各分系統(tǒng)可靠性指標(biāo)為提高或改進(jìn)的質(zhì)量特性的相關(guān)因素。

在設(shè)定的作戰(zhàn)模式下對(duì)典型的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)表見表3。

表3 艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)全因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

發(fā)射裝備發(fā)射可靠率P4/% 0.995 [0.99,1][-1,1]船機(jī)電平均無故障工作時(shí)間T2/ h 90 [50,130][-1,1]

*三組數(shù)值分別對(duì)應(yīng)作戰(zhàn)任務(wù)一、二、三。

通過試驗(yàn),可得K值的二項(xiàng)式描述:

式中,xi, xj為各因素水平;a0, ai, aij為各因素二項(xiàng)式系數(shù)。

各一次項(xiàng)系數(shù)代表了各可靠性維修性因素對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能指標(biāo)值K的影響權(quán)重。一次項(xiàng)系數(shù)可由試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相互正負(fù)擬合處理獲得,通過正負(fù)擬合還可以屏蔽其它因素的影響。一次項(xiàng)系數(shù)越大說明可靠性對(duì)效能影響波動(dòng)大,即性能不穩(wěn)定、因可靠性增長(zhǎng)引發(fā)的效能增長(zhǎng)裕度大。

二次項(xiàng)系數(shù)反映了各因素之間的相互影響,可由式(10)求得:

式中,yi為第i次試驗(yàn)的值;u,j=1,2,…,n為各因素編號(hào)。

常數(shù)a0是各次試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值的平均值,用式(11)得出:

4 結(jié)果分析

按照表 3的設(shè)計(jì),進(jìn)行全因素仿真試驗(yàn),將試驗(yàn)結(jié)果按照本文中數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行處理,得到各因素對(duì)作戰(zhàn)效能影響的多項(xiàng)式描述。各因素對(duì)效能的影響主要表現(xiàn)在其一次項(xiàng)系數(shù)(影響權(quán)重)上,為直觀用柱形圖表示,見圖2、圖3、圖4。

圖2 作戰(zhàn)任務(wù)一下可靠性維修性對(duì)作戰(zhàn)效能影響權(quán)重圖

由圖 2可以看出,作戰(zhàn)任務(wù)一條件下,船機(jī)電平均無故障工作時(shí)間對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能有較大影響;戰(zhàn)斗操作正確率有一定影響;導(dǎo)彈故障率、發(fā)射裝備發(fā)射可靠率基本沒有影響;其它因素影響較小。

圖3 作戰(zhàn)任務(wù)二下可靠性維修性對(duì)作戰(zhàn)效能影響權(quán)重圖

由圖 3可以看出,作戰(zhàn)任務(wù)二條件下,導(dǎo)彈裝載完好率。導(dǎo)彈故障率兩項(xiàng)因素影響較小,船機(jī)電平均無故障工作時(shí)間、戰(zhàn)斗操作正確率、裝備勤務(wù)正確率、控制系統(tǒng)平均無故障工作時(shí)間和發(fā)射裝備發(fā)射可靠率等因素對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能有較大影響。

圖4 作戰(zhàn)任務(wù)三下可靠性維修性對(duì)作戰(zhàn)效能影響權(quán)重圖

由圖 4可以看出,作戰(zhàn)任務(wù)三條件下,戰(zhàn)斗操作正確率和船機(jī)電平均無故障工作時(shí)間兩項(xiàng)因素對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能有較大影響。其它因素影響較弱。

在不同的作戰(zhàn)模式條件下,系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性因素對(duì)系統(tǒng)效能影響有較大差異,可靠性增長(zhǎng)和可靠性變化帶來的效果不同。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)和仿真分析,我們能夠找到對(duì)系統(tǒng)效能影響最大的各因素增長(zhǎng)及變動(dòng)區(qū)間,為明確方向和合理制定改進(jìn)措施提供了研究依據(jù)。

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