裝甲火控可靠性建模

郝玉生，梁寶生，武云鵬，張永昌

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

裝甲火控可靠性建模

郝玉生，梁寶生，武云鵬，張永昌

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原030006）

裝甲武器是陸軍及其兩棲機(jī)械化部隊(duì)實(shí)施地面突擊的主要兵器，也是海軍陸戰(zhàn)部隊(duì)實(shí)施搶灘登陸、島嶼攻防的主要兵器。裝甲火控是裝甲武器的重要組成部分，其可靠性直接影響裝甲武器的打擊效能。兩棲裝甲武器肩負(fù)海上、陸上的作戰(zhàn)使命，使用環(huán)境更加惡劣，可靠性問題更加突出。描述了裝甲火控的一般組成、功能及工作方式，基于兩棲裝甲武器的使用特點(diǎn)，分析了裝甲火控基本任務(wù)、工作方式和作戰(zhàn)環(huán)境的關(guān)系，建立了不同任務(wù)剖面的可靠性模型，為裝甲火控可靠性設(shè)計(jì)、分析提供了一種參考。

裝甲火控，基本可靠性，任務(wù)可靠性，可靠性模型，任務(wù)剖面

1　可靠性建模的目的

可靠性模型是對系統(tǒng)及其組成單元之間的可靠性邏輯關(guān)系的描述，是開展可靠性設(shè)計(jì)、分析的基礎(chǔ)?？煽啃越Ｊ强煽啃怨ぷ鞯闹匾獌?nèi)容之一?？煽啃越５闹饕康氖敲鞔_各組成單元之間的可靠性邏輯關(guān)系，并確定其數(shù)學(xué)模型，利用可靠性模型進(jìn)行可靠性定量分配和預(yù)計(jì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提供決策依據(jù)。

2　系統(tǒng)組成、功能及工作方式

裝甲火控按功能單元?jiǎng)澐忠话憬M成如下頁圖1所示。

火炮控制分系統(tǒng)由炮控裝置、陀螺儀組、放大器、執(zhí)行裝置、傳動(dòng)裝置、角度傳感器、操縱臺(tái)等設(shè)備組成。各設(shè)備功能如下：炮控裝置是火炮控制分系統(tǒng)的控制核心，主要完成火炮、炮塔穩(wěn)定與位置伺服控制，完成火炮控制分系統(tǒng)安全使用邏輯控制；陀螺儀組測量火炮、炮塔相對慣性坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（通常為角度或角速度），為火炮、炮塔穩(wěn)定控制提供依據(jù)；放大器根據(jù)炮控裝置輸出的控制信號(hào)，控制大功率執(zhí)行裝置按規(guī)定運(yùn)行，常見控制方式為電子式、電磁式和電液式3種；執(zhí)行裝置通常為電動(dòng)機(jī)或液壓缸，通過傳動(dòng)裝置（必要時(shí)）驅(qū)動(dòng)火炮、炮塔運(yùn)行；傳動(dòng)裝置通常為機(jī)械減速機(jī)構(gòu)，用于向火炮、炮塔傳遞轉(zhuǎn)矩；角度傳感器測量火炮、炮塔在車體坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)角，為火炮與炮塔位置伺服控制提供依據(jù)；操縱臺(tái)是火控系統(tǒng)主要的人機(jī)界面，主要完成火炮、炮塔以及瞄準(zhǔn)線的運(yùn)行操控。

圖1　裝甲火控一般組成

觀瞄測導(dǎo)及控制分系統(tǒng)由穩(wěn)瞄控制裝置、瞄準(zhǔn)裝置、激光測距機(jī)、制導(dǎo)裝置等設(shè)備組成，其中：瞄準(zhǔn)裝置通常由上反射鏡總成、白光瞄準(zhǔn)鏡、熱像瞄準(zhǔn)鏡3個(gè)功能單元組成，激光測距機(jī)由電源及控制組件、激光器及放大器2個(gè)功能單元組成，制導(dǎo)裝置由制導(dǎo)組件、激光信息場組件2個(gè)功能單元組成。各設(shè)備功能如下：穩(wěn)瞄控制裝置是觀瞄測導(dǎo)及控制分系統(tǒng)的控制核心，主要完成瞄準(zhǔn)線（上反射鏡）穩(wěn)定與位置伺服控制，完成觀瞄測導(dǎo)及控制分系統(tǒng)、火控系統(tǒng)安全使用邏輯控制；瞄準(zhǔn)裝置是火控系統(tǒng)主要的人機(jī)界面，用于觀察、跟蹤、瞄準(zhǔn)目標(biāo)，其中白光瞄準(zhǔn)鏡在晝間使用，熱像瞄準(zhǔn)鏡在晝間和夜間均可使用；激光測距機(jī)用于測量目標(biāo)距離，為火控計(jì)算機(jī)進(jìn)行火控解算提供自動(dòng)輸入的初始參數(shù)；制導(dǎo)裝置通過和瞄準(zhǔn)線同軸的激光信息場控制炮射導(dǎo)彈飛抵目標(biāo)。

火控解算分系統(tǒng)一般由火控計(jì)算機(jī)、顯控終端、橫傾傳感器、氣象傳感器等設(shè)備組成。各設(shè)備功能如下：火控計(jì)算機(jī)是火控解算分系統(tǒng)的控制核心，完成火控解算、射擊門控制及射擊諸元錄取等任務(wù)；顯控終端是火控系統(tǒng)主要的人機(jī)界面，用于設(shè)定系統(tǒng)工作方式，為火控解算提供彈種、裝藥溫度、初速減退量、海拔高度、大氣溫度、目標(biāo)距離等人工裝定的初始參數(shù)，同時(shí)顯示系統(tǒng)工作方式、彈種、目標(biāo)距離、目標(biāo)角速度、火炮射角等信息；橫傾傳感器測量火炮的橫傾角度（耳軸和水平面的夾角），氣象傳感器測量大氣溫度、大氣壓力及橫風(fēng)速度，為火控解算提供自動(dòng)輸入的初始參數(shù)。

火控系統(tǒng)主要有兩種工作方式：穩(wěn)像工作方式和裝表工作方式。穩(wěn)像工作方式是火控系統(tǒng)的主工作方式，用于車輛靜止或行進(jìn)間對靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)射擊。裝表工作方式用于車輛靜止或短停對靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)射擊。

3　基本定義

3.1故障判據(jù)

火控系統(tǒng)不能完成規(guī)定功能的狀態(tài)視為故障。當(dāng)按規(guī)定操作程序啟動(dòng)或使用火控系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)下列現(xiàn)象即可判為故障：

①不能按技術(shù)要求啟動(dòng)系統(tǒng)；

②顯控終端不能顯示或顯示數(shù)據(jù)異常；

③顯控終端不能輸入數(shù)據(jù)或設(shè)定狀態(tài)；

④白光瞄準(zhǔn)鏡或熱像瞄準(zhǔn)鏡不能觀察目標(biāo)或觀察目標(biāo)不清晰；

⑤火炮或瞄準(zhǔn)線不受控制或控制不到位；

⑥瞄準(zhǔn)線和火炮不同步；

⑦不能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作方式或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)工作方式后出現(xiàn)異常；

⑧激光測距機(jī)測不到目標(biāo)距離；⑨制導(dǎo)裝置工作異常；

⑩火控計(jì)算機(jī)解算異常；

?穩(wěn)像或裝表工作方式下不能加載射角或加載射角出現(xiàn)異常；

?火炮不能擊發(fā)或擊發(fā)不符合規(guī)定。

3.2環(huán)境條件及工作應(yīng)力

①海上或沿海地區(qū)鹽霧、濕熱氣候條件；

②兩棲裝甲車輛海上或陸上的振動(dòng)條件；

③坦克炮射擊沖擊條件；

④裝甲車輛電氣條件。

3.3可靠性變量選擇

假定設(shè)備壽命服從指數(shù)分布，并且故障率恒定，則設(shè)備任務(wù)可靠度可由式（1）表示：

式（1）中：A為設(shè)備代號(hào)；X為環(huán)境條件類別；RA-X為設(shè)備A在環(huán)境X下的可靠度；λA-X為設(shè)備A在環(huán)境X下的故障率；t為任務(wù)時(shí)間，一般按8 h計(jì)算。

4　可靠性框圖

4.1基本可靠性框圖

基本可靠性是系統(tǒng)在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)無故障工作的能力，反映系統(tǒng)對維修資源的要求?；鹂叵到y(tǒng)基本可靠性框圖如圖2所示。

圖2　火控系統(tǒng)基本可靠性框圖

4.2任務(wù)可靠性框圖

4.2.1任務(wù)、工作方式和振動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

火控系統(tǒng)的任務(wù)是按照規(guī)定的技術(shù)條件發(fā)射彈藥?；鹂叵到y(tǒng)工作方式的選擇主要取決于車輛振動(dòng)應(yīng)力、目標(biāo)狀態(tài)，如表1所示。

表1　任務(wù)、工作方式和振動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

車輛在海上航行時(shí)，振動(dòng)主要來自浪涌，特點(diǎn)是頻率低、幅度大，車輛本身的振動(dòng)經(jīng)海水吸收后影響較?。卉囕v在陸上靜止時(shí)，振動(dòng)主要來自發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，特點(diǎn)是頻率較高、幅度較?。卉囕v在陸上行駛時(shí)，振動(dòng)是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、路面起伏、履帶拍打路面等因素綜合作用的結(jié)果，特點(diǎn)是頻帶寬、幅度大、共振點(diǎn)多。振動(dòng)及其他環(huán)境的差別導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備或功能單元在完成不同專項(xiàng)任務(wù)時(shí)有不同的故障率或可靠度。因此，對同一產(chǎn)品而言執(zhí)行不同專項(xiàng)任務(wù)的可靠性一般是不同的。

為比較不同產(chǎn)品的任務(wù)可靠性，必須對產(chǎn)品所有專項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行綜合考慮，由此引出所謂“通用任務(wù)可靠度”概念，與此對應(yīng)的是“專項(xiàng)任務(wù)可靠度”概念。

系統(tǒng)設(shè)備或功能單元任務(wù)可靠度如下頁表2所示。

4.2.2任務(wù)失敗定義

由于系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致彈藥未能發(fā)射；或系統(tǒng)未按規(guī)定的技術(shù)條件發(fā)射彈藥，系統(tǒng)任務(wù)即告失敗。

4.2.3任務(wù)可靠性框圖

任務(wù)可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定任務(wù)剖面內(nèi)完成規(guī)定功能的能力?；鹂叵到y(tǒng)各專項(xiàng)任務(wù)可靠性框圖如下。

（1）海上發(fā)射導(dǎo)彈

系統(tǒng)應(yīng)處于穩(wěn)像方式，需要全部功能單元參與任務(wù)，任務(wù)可靠性框圖如圖3所示。

圖3　海上發(fā)射導(dǎo)彈任務(wù)可靠性框圖

白光瞄準(zhǔn)鏡（J3）和熱像瞄準(zhǔn)鏡（J4）為非工作貯備關(guān)系。通常應(yīng)首先使用白光瞄準(zhǔn)鏡，當(dāng)白光瞄準(zhǔn)鏡發(fā)生故障或因其他原因不能使用時(shí)，轉(zhuǎn)換為熱像瞄準(zhǔn)鏡。

（2）海上發(fā)射常規(guī)彈

系統(tǒng)處于穩(wěn)像方式，制導(dǎo)裝置（J6）不參與任務(wù)，其他功能單元均需參與任務(wù)，任務(wù)可靠性框圖如下頁圖4所示。

表2　系統(tǒng)設(shè)備或功能單元可靠度

圖4　海上發(fā)射常規(guī)彈任務(wù)可靠性框圖

（3）陸上靜止間發(fā)射導(dǎo)彈

系統(tǒng)處于穩(wěn)像方式，需要全部功能單元參與任務(wù)，任務(wù)可靠性框圖如圖5所示。

圖5　陸上靜止間發(fā)射導(dǎo)彈任務(wù)可靠性框圖

（4）陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)

系統(tǒng)工作方式設(shè)置為穩(wěn)像或裝表均可，制導(dǎo)裝置（J6）不參與任務(wù)，可靠性框圖如圖6所示。

（5）陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊靜止目標(biāo)

此專項(xiàng)任務(wù)必需的功能單元最少，這時(shí)系統(tǒng)工作方式設(shè)置為裝表，可靠性框圖如圖7所示。

圖6　陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)任務(wù)可靠性框圖

圖7　陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊靜止目標(biāo)任務(wù)可靠性框圖

（6）陸上行進(jìn)間發(fā)射導(dǎo)彈

系統(tǒng)處于穩(wěn)像方式，需要全部功能單元參與任務(wù)，任務(wù)可靠性框圖如下頁圖8所示。

（7）陸上行進(jìn)間發(fā)射常規(guī)彈

系統(tǒng)處于穩(wěn)像方式，任務(wù)可靠性框圖如圖9所示。

圖8　陸上行進(jìn)間發(fā)射導(dǎo)彈任務(wù)可靠性框圖

圖9　陸上行進(jìn)間發(fā)射常規(guī)彈任務(wù)可靠性框圖

5　可靠性數(shù)學(xué)模型

5.1基本可靠性數(shù)學(xué)模型

式（2）中：P0為系統(tǒng)基本可靠度，RA為設(shè)備A的通用任務(wù)可靠度。

5.2任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型

5.2.1專項(xiàng)任務(wù)可靠度

白光瞄準(zhǔn)鏡（J3）和熱像瞄準(zhǔn)鏡（J4）組成非工作貯備單元。假定兩者轉(zhuǎn)換的可靠度為1，則該貯備單元的可靠度為：

根據(jù)任務(wù)可靠性框圖，火控系統(tǒng)專項(xiàng)任務(wù)可靠度如式（4）～式（10）。

（1）海上發(fā)射導(dǎo)彈的可靠度P1

（2）海上發(fā)射常規(guī)彈的可靠度P2

（3）陸上靜止間發(fā)射導(dǎo)彈的可靠度P3

（4）陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的可靠度P4

（5）陸上靜止間發(fā)射常規(guī)彈射擊靜止目標(biāo)的可靠度P5

（6）陸上行進(jìn)間發(fā)射導(dǎo)彈的可靠度P6

（7）陸上行進(jìn)間發(fā)射常規(guī)彈的可靠度P7

5.2.2通用任務(wù)可靠度

在式（4）～式（10）中，將專項(xiàng)任務(wù)可靠度替換為通用任務(wù)可靠度，并進(jìn)行歸納綜合，即可得到火控系統(tǒng)通用任務(wù)可靠度，如式（11）～式（13）。

（1）發(fā)射導(dǎo)彈的可靠度PD

（2）靜對靜發(fā)射常規(guī)彈的可靠度PC1

（3）靜對動(dòng)、動(dòng)對靜、動(dòng)對動(dòng)發(fā)射常規(guī)彈的可靠度PC2

6　結(jié)論

裝甲火控可靠性建模是一個(gè)逐步完善的過程，隨著對系統(tǒng)認(rèn)識(shí)的不斷加深以及可靠性數(shù)據(jù)與信息的不斷豐富，可靠性模型也應(yīng)不斷改進(jìn)。另一方面，裝甲火控同所有武器系統(tǒng)一樣，也存在“多代并存”的現(xiàn)象，應(yīng)在深入理解其任務(wù)特點(diǎn)、組成結(jié)構(gòu)、工作方式及內(nèi)在邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建針對性的可靠性模型并持續(xù)改進(jìn)，為進(jìn)一步的可靠性設(shè)計(jì)、分析建立基礎(chǔ)。

［1］孫偉，高連華.裝甲車輛可靠性理論與應(yīng)用［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2006.

［2］李良巧.可靠性工程師手冊［M］.北京：中國人民大學(xué)出版社，2012.

［3］聶磊，馮金富，李永利，等.基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的武器裝備可靠性分析［J］.火力與指揮控制，2014，39（12）：104-107.

［4］趙立武，吳家瓊.采用SHLPN分析特種車載總線網(wǎng)絡(luò)可靠性［J］.火力與指揮控制，2016，41（2）：180-183.

The Armored Vehicle FireControlSystem Reliability M odeling

HAOYu-sheng，LIANGBao-sheng，WUYun-peng，ZHANGYong-chang
（North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

Mechannized armored vehicles army weapon system and its amphibious force key groud assaultweapons，and Marine forces key onboard，islands of offensive and defensive weapon.Fire control system is an important part of armored vehicle weapons system，its reliabilitiy directly affect armored vehicle combat efficiency of weapon system.Amphibious armored vehicle combat mission of weapon system on sea and land，using the environment worse，reliability problems become more prominent. Describes the armored vehicle fire control system，the general composition，function and workingmode，based on the operating characteristics of amphibious armored vehicles，the basic task of the armored vehicle fire control system are analyzed，the relationship between work and operational environment，set up different task profile，the reliability of themodel for the reliabilitiy design of the armored vehicle fire control system，analysis provides a reference.

armored vehicle fire control system，basic reliability，task reliability，reliability block diagram，mission profile

TJ811

A

1002-0640（2016）09-0177-05

2015-07-05

2015-08-07

郝玉生（1962-），男，山西昔陽人，研究員級(jí)高級(jí)工程師。研究方向：坦克裝甲車輛火控系統(tǒng)總體技術(shù)。