空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠度評(píng)估方法研究

王俊華 王麗麗

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

空空導(dǎo)彈屬于一次性使用的武器，導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到空戰(zhàn)的勝負(fù)，為了滿足武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的需要，空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性指標(biāo)要求很高。限于空空導(dǎo)彈的研制進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)等約束，單純依靠外場(chǎng)掛飛和空中靶試試驗(yàn)數(shù)據(jù)很難驗(yàn)證其要求的任務(wù)可靠性指標(biāo)，因此必須對(duì)空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性指標(biāo)驗(yàn)證方法進(jìn)行研究。

1 空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠度指標(biāo)

空空導(dǎo)彈使用階段包括掛飛階段和自主飛行階段，其典型任務(wù)剖面如圖1所示。掛飛階段從起飛前地面掛機(jī)自檢完成開(kāi)始，經(jīng)過(guò)起飛、掛機(jī)飛行、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到到允許發(fā)射判斷完成為止。在該階段導(dǎo)彈的可靠性用掛飛任務(wù)可靠性平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間MTBCF來(lái)衡量；自主飛行階段從飛行員按下發(fā)射按鈕開(kāi)始，經(jīng)過(guò)導(dǎo)彈安全脫離載機(jī)、按預(yù)定要求制導(dǎo)飛行直到導(dǎo)彈飛近目標(biāo)、導(dǎo)彈命中目標(biāo)并引炸為止。在該階段導(dǎo)彈的可靠性用自主飛行可靠度來(lái)衡量。

圖1 空空導(dǎo)彈典型任務(wù)剖面

從空空導(dǎo)彈典型任務(wù)剖面可以看出，空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠性指標(biāo)包括掛飛可靠性和自主飛可靠度兩項(xiàng)指標(biāo)?？湛諏?dǎo)彈掛飛可靠性一般用平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間（MTBCF）來(lái)衡量，指在空空導(dǎo)彈工作壽命期內(nèi)，經(jīng)起飛前掛機(jī)檢驗(yàn)合格的導(dǎo)彈隨載機(jī)飛行時(shí)，相鄰兩次嚴(yán)重故障間的平均掛飛時(shí)間。這里的故障是使產(chǎn)品不能完成任務(wù)的或可能導(dǎo)致人或物重大損失的故障，即嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類的故障。自主飛可靠度指導(dǎo)彈從發(fā)射到命中目標(biāo)不出現(xiàn)故障的概率，是指在嚴(yán)格遵守規(guī)定的維護(hù)使用條件下，發(fā)射前自檢合格的導(dǎo)彈在規(guī)定的發(fā)射條件下正常發(fā)射后導(dǎo)彈能正常工作的概率。

這兩項(xiàng)指標(biāo)都包括規(guī)定值和最低可接受值兩部分。規(guī)定值是裝備在成熟期充分發(fā)揮固有可靠性潛力，經(jīng)過(guò)可靠性增長(zhǎng)后達(dá)到的，在設(shè)計(jì)研制階段可靠性預(yù)計(jì)值必須達(dá)到并超過(guò)規(guī)定值。最低可接受值指合同或研制任務(wù)書(shū)中規(guī)定的裝備必須達(dá)到的合同指標(biāo)，它是進(jìn)行考核和驗(yàn)證的依據(jù)。在型號(hào)設(shè)計(jì)定型階段鑒定試驗(yàn)評(píng)估的可靠性參數(shù)應(yīng)達(dá)到最低可接受值。規(guī)定值和最低可接受值之間的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 空空導(dǎo)彈可靠性指標(biāo)規(guī)定值和最低可接受值關(guān)系示意圖

2 空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠度評(píng)估方法

2.1 空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠度評(píng)估流程

空空導(dǎo)彈掛飛可靠度、自主飛行可靠度的評(píng)估流程見(jiàn)圖3。

圖3 空空導(dǎo)彈任務(wù)可靠度評(píng)估流程

2.2 掛飛任務(wù)可靠性評(píng)估

2.2.1 數(shù)據(jù)收集和整理

評(píng)估掛飛任務(wù)可靠性所需的數(shù)據(jù)包括掛飛工作時(shí)間和掛飛故障次數(shù)。由于空空導(dǎo)彈在研制階段樣本量少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也少，掛飛可靠性計(jì)算一般采用系統(tǒng)可靠性綜合的方法，即把導(dǎo)彈各組件的數(shù)據(jù)等效為導(dǎo)彈的數(shù)據(jù)，再加上導(dǎo)彈自身的數(shù)據(jù)得到綜合數(shù)據(jù)，利用綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈掛飛可靠性計(jì)算。等效模式為：

組件數(shù)據(jù)→等效全彈數(shù)據(jù)＋全彈自身數(shù)據(jù)＝全彈綜合數(shù)據(jù)

即：

式中：T——掛飛工作時(shí)間；

r——故障次數(shù)。

收集某階段的所有工作時(shí)間和發(fā)生的故障，包括可靠性試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、聯(lián)試、外場(chǎng)空中掛飛等所有試驗(yàn)時(shí)間?？煽啃栽囼?yàn)是在模擬真實(shí)的工作環(huán)境下進(jìn)行的試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接用于掛飛任務(wù)可靠性評(píng)估；環(huán)境試驗(yàn)的環(huán)境條件主要考核了溫度應(yīng)力、濕度應(yīng)力及振動(dòng)應(yīng)力對(duì)空空導(dǎo)彈的作用，并且環(huán)境試驗(yàn)中的試驗(yàn)條件是貯存和工作時(shí)的極限條件，充分考核了極限溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力對(duì)導(dǎo)彈可靠性的影響，環(huán)境條件和實(shí)際使用中導(dǎo)彈工作狀態(tài)的環(huán)境條件不完全一樣，因此環(huán)境試驗(yàn)中的工作時(shí)間不能直接用于可靠性評(píng)估，需考慮環(huán)境因子，把實(shí)驗(yàn)室條件下的數(shù)據(jù)折算成工作條件下的等效數(shù)據(jù)，等效數(shù)據(jù)可以用于掛飛可靠度計(jì)算。外場(chǎng)掛機(jī)飛行是在實(shí)際的使用環(huán)境溫度和工作條件下工作，導(dǎo)彈工作狀態(tài)的環(huán)境條件與真實(shí)使用條件一致，其工作時(shí)間可以直接用于掛飛可靠性評(píng)估。由此得到導(dǎo)彈的自身數(shù)據(jù)Ts和rs。對(duì)發(fā)生的故障，只有責(zé)任故障用于掛飛可靠性評(píng)估。

整理各組件在某階段的工作時(shí)間和發(fā)生的故障，包括各組件的可靠性試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、聯(lián)試等所有試驗(yàn)時(shí)間，得到各組件的數(shù)據(jù)Ti和ri。對(duì)各組件發(fā)生的故障，只有責(zé)任故障用于掛飛可靠性數(shù)據(jù)折算。組件數(shù)據(jù)Ti和ri折算為全彈等效數(shù)據(jù)的方法為：

2.2.2 評(píng)估方法

掛飛任務(wù)可靠性一般用平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間（MTBCF）來(lái)衡量，這里的故障是指會(huì)影響產(chǎn)品任務(wù)完成的嚴(yán)酷度為Ⅰ、Ⅱ類的故障。這里假設(shè)各產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布，則其平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間的點(diǎn)估計(jì)為：

平均嚴(yán)重故障間隔時(shí)間的近似置信下限為：

其中：T──掛飛工作時(shí)間；

r ──掛飛責(zé)任故障數(shù)；

1–a──置信度。

掛飛可靠性評(píng)估結(jié)果與置信度 1–a取值有關(guān)。在研制階段，空空導(dǎo)彈掛飛可靠性計(jì)算一般取 1–a＝0.60～0.80。

2.3 自主飛可靠度評(píng)估2.3.1 數(shù)據(jù)收集要求

評(píng)估自主飛可靠度所需的數(shù)據(jù)包括導(dǎo)彈自主飛總次數(shù)和自主飛失敗次數(shù)。導(dǎo)彈自主飛可靠度計(jì)算一般采用系統(tǒng)可靠性綜合的方法，利用綜合數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈自主飛可靠度計(jì)算。等效模式為：

組件數(shù)據(jù)→等效全彈數(shù)據(jù)＋全彈自身數(shù)據(jù)＝全彈綜合數(shù)據(jù)即：

統(tǒng)計(jì)某階段的所有自主飛次數(shù)和發(fā)生的故障次數(shù)，包括環(huán)境試驗(yàn)、外場(chǎng)發(fā)射等所有自主飛次數(shù)，由此得到導(dǎo)彈的自身數(shù)據(jù)Ns和rs。對(duì)發(fā)生的故障，只有責(zé)任故障用于自主飛可靠度計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)各組件在某階段的所有自主飛次數(shù)和發(fā)生的故障次數(shù)，包括各組件的可靠性試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)、火工品試驗(yàn)等所有試驗(yàn)次數(shù)，由此得到各組件數(shù)據(jù)ni和ri。對(duì)各組件發(fā)生的故障，只有責(zé)任故障用于自主飛可靠度數(shù)據(jù)折算。組件數(shù)據(jù)據(jù)ni和ri折算為全彈等效數(shù)據(jù)的方法為：2.3.2 評(píng)估方法

設(shè)n次自主飛試驗(yàn)中，有r發(fā)產(chǎn)品發(fā)生責(zé)任故障，則自主飛可靠度的點(diǎn)估計(jì)值為：

為了回答計(jì)算的精確性和把握性問(wèn)題，工程上給出置信度為1–a的可靠度置信下限RL，即

導(dǎo)彈自主飛可靠度可采用二項(xiàng)分布或超幾何分布進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)批量N滿足N≥10n時(shí)，用二項(xiàng)分布計(jì)算發(fā)射可靠度單側(cè)置信下限RL公式如下：

式中：n——自主飛次數(shù)；

r——自主飛責(zé)任故障數(shù)；

1–a——置信度。

當(dāng)批量N滿足N＜10n時(shí)，用超幾何分布計(jì)算發(fā)射可靠度單側(cè)置信下限RL公式如下：

式中：N——某批空空導(dǎo)彈總數(shù)；

n——自主飛次數(shù)；

r——自主飛責(zé)任故障數(shù)；

1–a——置信度。

自主飛可靠度評(píng)估結(jié)果與置信度1–a取值有關(guān)。在研制階段，空空導(dǎo)彈自主飛可靠度計(jì)算一般取1–a＝0.50～0.70。

3 某型產(chǎn)品可靠性評(píng)估

某型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行了整機(jī)可靠性鑒定試驗(yàn)、外場(chǎng)空中掛飛等，其組成部分A組件、B組件分別進(jìn)行了可靠性摸底試驗(yàn)。在整機(jī)可靠性鑒定試驗(yàn)中，在模擬掛飛條件下有效試驗(yàn)時(shí)間500.5h，發(fā)生1次責(zé)任故障；整機(jī)外場(chǎng)空中掛飛共經(jīng)歷空中掛飛87.3h，試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)關(guān)聯(lián)故障?？煽啃悦自囼?yàn)中，A組件在模擬掛飛條件下有效試驗(yàn)時(shí)間680.5h，試驗(yàn)中未出現(xiàn)關(guān)聯(lián)故障；B組件在模擬掛飛條件下有效試驗(yàn)時(shí)間800 h，試驗(yàn)中發(fā)生1次責(zé)任故障。

經(jīng)整理后得到的某型產(chǎn)品的評(píng)估數(shù)據(jù)為：掛飛時(shí)間1387.8飛行小時(shí)，出現(xiàn)2次關(guān)聯(lián)故障。取置信度0.7，代入公式（5）來(lái)計(jì)算掛飛可靠性置信下限，評(píng)估出某型導(dǎo)彈的掛飛任務(wù)可靠度MTBCF為383.8 h。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了利用分系統(tǒng)數(shù)據(jù)和整機(jī)數(shù)據(jù)評(píng)估空空導(dǎo)彈掛飛可靠度MTBCF、自主飛行可靠度評(píng)估方法和應(yīng)用。上述評(píng)估方法已在某型空空導(dǎo)彈可靠性評(píng)估中應(yīng)用，為某型空空導(dǎo)彈最終定型奠定了基礎(chǔ)。

[1] 潘吉安.可靠性維修性可用性評(píng)估手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社.1995.

[2] GJB 376-1987 火工品可靠性評(píng)估方法[S].

[3] GJB 1909.2-1994 裝備可靠性維修性參數(shù)選擇和指標(biāo)確定要求 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)和運(yùn)載火箭[S].

[4] 周育才.可靠性工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].洛陽(yáng)：中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，2001.7.