環(huán)境應力篩選在反坦克導彈及火箭彈中的應用

楊華，解龍，封雷，強鵬，杜武斌

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

環(huán)境適應性設計與分析

環(huán)境應力篩選在反坦克導彈及火箭彈中的應用

楊華，解龍，封雷，強鵬，杜武斌

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

目的 針對工程實踐經驗和反坦克導彈及火箭彈武器裝備，提出新的環(huán)境應力篩選條件，用于剔除裝備的早期故障。方法 結合反坦克導彈及火箭彈武器裝備的特點，對GJB 1032進行科學裁剪，分別制定出反坦克及火箭彈的不同層次產品的環(huán)境應力篩選條件。結果 通過分析試驗驗證，反坦克導彈及火箭彈實施環(huán)境應力篩選能夠激發(fā)出產品的早期故障。結論 環(huán)境應力篩選方案在某型反坦克武器及火箭彈武器裝備中得到了成功應用。

環(huán)境應力篩選；反坦克導彈；早期故障；應力激發(fā)試驗

隨著武器裝備對可靠性的要求不斷提高以及裝備的組成日趨復雜，武器裝備的價格不斷上漲，試驗費用越來越高。這就要求減少試驗次數，來降低試驗費用，但是武器裝備的可靠性要求高，如果試驗次數減少，發(fā)現故障的機率就會降低，這就造成了武器的高可靠性與低成本的矛盾，如何解決這一矛盾，是研制人員急需解決的問題[1]。

近年來，環(huán)境應力篩選在電子產品的研制和生產中的應用越來越廣泛[2]。以環(huán)境應力篩選為核心的可靠性試驗能夠保證在早期發(fā)現產品的故障，通過改進產品設計，縮短研制生產周期，顯著提高研制產品的固有可靠性，保證交付產品的質量[3]，并使武器裝備的研制費用大大降低[4]。

1 遇到的問題

在1984—1986年間，美國先后制訂出了兩個軍用標準，其中MIL-STD-2164《電子設備環(huán)境應力篩選方法》[5]于 1984年頒布，另一個是《DOD-HDBK-344電子設備環(huán)境應力篩選》[6]，于1986年頒布。這兩個標準為常規(guī)環(huán)境應力篩選和定量環(huán)境應力篩選的開展奠定了基礎[7]。

我國在1990—1993年間相繼制定了兩個國軍標，分別為 GJB 1032—1990《電子產品環(huán)境應力篩選方法》和 GJB/Z 34—1993《電子產品定量環(huán)境應力篩選指南》[8—9]。由于篩選條件要根據產品的缺陷率和所施加應力的篩選度等來確定，然而產品缺陷率是一個估計值，同時隨著大規(guī)模集成電路以及新研模塊在產品上的大量使用，缺陷率估計值可信性卻越來越低，再加之GJB/Z 34只限于純電子產品，所以在武備研制和生產實際中很少按GJB/Z 34進行定量篩選。相反，GJB 1032在裝備研制與生產中得到了廣泛應用，為激發(fā)產品的早期故障提供了有效手段，在保證裝備的質量與可靠性方面發(fā)揮了主要作用。隨著武器裝備平臺的多樣性，以及武器自身的復雜性，大家普遍認為 GJB 1032中的一些條件過于死板，嚴格按該標準進行篩選時，往往達不到應有的目的。

環(huán)境應力篩選的篩選效果主要取決于施加的環(huán)境應力、電應力水平和檢測儀表的能力。施加應力的大小決定了能否將潛在缺陷激發(fā)為故障，檢測能力決定了能否將已被應力加速變成故障的潛在缺陷找到并予以準確排除。有些人對于環(huán)境應力篩選的目的認識存在模糊之處，這種認識上的誤區(qū)主要集中在強調環(huán)境應力篩選是要模擬實際使用環(huán)境，其概念仍停留在環(huán)境適應性試驗的范疇。因此有必要明確環(huán)境應力篩選的主要目的是為提高產品的可靠性而做的環(huán)境應力激發(fā)試驗（工藝），不屬于環(huán)境模擬試驗，但武器裝備的環(huán)境應力篩選具有四大特性，即工藝性、非通用性、加速性和動態(tài)性。這樣使用GJB 1032就出現以下問題：規(guī)定只針對武器系統(tǒng)中的純電子產品；規(guī)定的篩選條件是確定的，對任何產品都一樣；規(guī)定的每個溫度循環(huán)的時間是一定的；規(guī)定的溫度循環(huán)高低溫保持時間是一定的；規(guī)定溫度變化速率是一定的；規(guī)定溫度循環(huán)數是一定的；規(guī)定振動應力是一定的。

針對上述問題要在特定的武器系統(tǒng)中進行環(huán)境應力篩選不能剔除產品的早期故障，以及可能出現對某些產品的壽命損傷，對另一些產品又激發(fā)不出產品的故障，達不到環(huán)境應力篩選的目的。因此必須根據產品的使用特點和武器裝備環(huán)境應力篩選的四大特性來確定武器系統(tǒng)的環(huán)境應力篩選條件。

2 制定環(huán)境應力篩選條件

環(huán)境應力篩選的有效性是指其激發(fā)潛在缺陷成為可檢測出的故障，以便對缺陷實施改進措施的技術[10]。一個有效的環(huán)境應力篩選應該具備以下特點：能夠很快析出潛在缺陷，包括能析出適當數量的固有缺陷；不能引起不適當的設計故障，誘發(fā)附加的故障，過多損傷受篩產品的壽命；不應對制造過程控制帶來限制。

制定一個有效的環(huán)境應力篩選條件需要專門進行有關的研究。例如一開始就應對每一組裝等級的受篩產品進行研究，對每一個篩選條件進行認真設計，利用經驗信息對產品中可能的缺陷數，和與某一篩選目標相適應的缺陷析出數進行估計，研究出受篩選的響應特性，制訂功能測試方案等。選用經證明能夠有效地析出估計中存在的潛在缺陷的應力類型和量值，確定一個能改善受篩產品可靠性和質量，同時又不會對受篩產品性能與壽命產生損害的環(huán)境應力篩選條件。

根據上述環(huán)境應力篩選的特性和實踐經驗，對反坦克導彈武器系統(tǒng)采用溫度循環(huán)和隨機振動兩種試驗進行篩選，溫度循環(huán)的參數選擇為產品的工作溫度，溫度的變化率為5 ℃/min，GJB 1032第5.2節(jié)詳細規(guī)定了篩選用隨機振動的譜形、量值、振動時間、施振軸向、振動控制點、監(jiān)測點等試驗參數。對于不同設備施振軸向、振動控制點、監(jiān)測點的規(guī)定適用于工程實際，但對每種設備都施加同樣譜型、同樣量值、同樣時間的振動明顯不合適。不同產品有不同的壽命要求，篩選用振動應考慮產品的壽命和使用環(huán)境而設置。隨機振動的參數選擇為振動量值和振動時間由產品的摸底試驗決定。

3 環(huán)境應力篩選的應用

GJB 1032的篩選分為常規(guī)篩選和定量篩選，在反坦克導彈武器系統(tǒng)研制中采用的是常規(guī)篩選方案，這是因為在研制階段不清楚武器系統(tǒng)的可靠性水平，也無法確定產品的的缺陷數，缺乏進行定量篩選所需的全部數據，無法計算引入缺陷密度設計估計值和殘留缺陷密度設計估計值，所以無法開展定量篩選。另外，研制階段主要是以解決產品的性能問題和盡早發(fā)現設計中的缺陷，并加以改進，提高產品的可靠性為目標。研制階段的環(huán)境應力篩選能夠粗略地收集產品的故障信息，為制訂生產階段的環(huán)境應力篩選大綱提供依據。

3.1 反坦克導彈、制導火箭彈的環(huán)境應力篩選大綱

3.1.1 反坦克導彈、制導火箭彈的特點

反坦克導彈、制導火箭彈是一個復雜、高難度的系統(tǒng)，致使其復雜性和高難度的一個重要原因是系統(tǒng)出于復雜的自然背景和干擾條件的作戰(zhàn)環(huán)境，為完成在各種復雜的干擾環(huán)境下對目標的探測識別、跟蹤、發(fā)射、控制，直至擊中目標并毀傷目標的任務，要求反坦克導彈、制導火箭彈按功能與組成，分解成若干性質不同、難易不一的分系統(tǒng)，組成一個完整的符合系統(tǒng)工程設計目的的武器系統(tǒng)。復雜性的第二個原因是系統(tǒng)設計除了考慮武器系統(tǒng)的基本功能外，還必須考慮在惡劣作戰(zhàn)環(huán)境下武器系統(tǒng)的可靠性、維修性、電磁兼容性、環(huán)境適應性、安全性等，上述作用所產生的各種類型的故障和失效是制約反坦克導彈、制導火箭彈可靠性、影響發(fā)射成功率的主要因素。為了提高發(fā)射成功率，環(huán)境應力篩選的作用就是在反坦克導彈、火箭彈飛行試驗前，盡早充分暴露設計、材料和制造工藝中的缺陷，從而將各種隱患消滅在飛行試驗之前，保證反坦克導彈、制導火箭彈能夠在飛行前的使用環(huán)境中正常工作，提高發(fā)射和飛行的成功率。

3.1.2 確定環(huán)境應力篩選方案

根據上述反坦克導彈、制導火箭彈的特點，確定反坦克導彈、制導火箭彈的環(huán)境應力篩選方案，首先確定環(huán)境應力篩選是按常規(guī)篩選進行，然后確定篩選的項目為隨機振動和溫度循環(huán)，最后確定參數及量值。

1）隨機振動量值和振動譜的確定。隨機振動量值和振動譜是根據反坦克導彈、制導火箭彈飛行試驗的實測數據來確定的。對實測數據進行分析，并進行歸一化處理，確定試驗量值和振動譜后，進行振動摸底試驗，保證試驗量值和振動譜不會破壞產品的結構性能，最終確定振動量值和振動譜。振動時間、振動軸向按標準執(zhí)行。

2）溫度循環(huán)溫度和循環(huán)次數的確定。溫度根據產品研制總要求中環(huán)境適應性規(guī)定的貯存溫度確定，循環(huán)次數由工程經驗來確定。

3.1.3 篩選大綱的使用范圍

篩選大綱規(guī)定了反坦克導彈導彈武器系統(tǒng)環(huán)境應力篩選條件，規(guī)定導彈部件包括彈上計算機、激光接收機、舵機、引信等做溫度循環(huán)和隨機振動篩選；導彈只做隨機振動篩選[11]；發(fā)射制導裝置包括觀瞄制導裝置和熱像觀瞄具做溫度循環(huán)和隨機振動篩選[12]。

3.1.4 篩選大綱的通用要求

篩選大綱的通用要求按 GJB 150[13]總則中的第3章執(zhí)行。

3.2 導彈及部件的環(huán)境應力篩選

3.2.1 篩選條件

1）組件級及部件的篩選方案。組件級溫度循環(huán)：所有部件進行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖1所示。組件級隨機振動，所有部件進行三軸向振動，每軸向10 min，功率譜密度為0.03g2/Hz；譜形如圖2所示。

圖1 導彈組件級溫度循環(huán)Fig.1 Temperature cycle of the missile assembly

2）導彈及發(fā)射裝置的篩選方案。溫度循環(huán)：對發(fā)射裝置進行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖3所示。隨機振動：對導彈進行x，y兩軸向振動，每軸向5 min（0.0018～0.018g2/Hz），譜形如圖4所示。

圖2 導彈組件級隨機振動譜型Fig.2 Random spectrum of the missile assemble

圖3 導彈發(fā)射裝置溫度循環(huán)Fig.3 Temperature cycle of the launch device of the missile

圖4 導彈系統(tǒng)級隨機振動譜型Fig.4 Random spectrum of the system of the missile

3.2.2 篩選程序

1）篩選前性能檢測。試驗產品應按檢驗程序進行外觀、機械及電氣性能檢測，合格后才能進行應力篩選試驗。

2）試驗順序。應先進行溫度循環(huán)試驗，后進行隨機振動試驗。系統(tǒng)級（導彈）只做隨機振動試驗。

3）故障處理。若在溫度循環(huán)試驗時出現故障，應立即中斷試驗，排除故障后再重新進行試驗；在隨機振動試驗時出現故障，待隨機試驗結束后排除。

4）中斷處理。試驗中斷后再重新進行試驗時，中斷前的試驗時間應計入試驗時間。

3.3 火箭彈及部件的環(huán)境應力篩選

3.3.1 篩選條件

1）組件級及部件的篩選方案。組件級溫度循環(huán)：所有部件進行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖5所示。組件級隨機振動，所有部件進行三軸向振動，每軸向10 min，功率譜密度為0.02g2/Hz，譜形如圖6所示。

圖5 火箭組件級溫度循環(huán)Fig.5 Temperature cycle of the rockets assembly

圖6 火箭組件級隨機振動譜型Fig.6 Random spectrum of the rockets assemble

2）火箭彈及發(fā)射裝置的篩選方案。溫度循環(huán)：對發(fā)射裝置進行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進行，升(降)溫速率大于等于5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖7所示。隨機振動：對火箭彈進行x，y兩軸向振動，每軸向5 min（0.0016～0.016g2/Hz），譜形如圖8所示。

圖7 發(fā)射裝置溫度循環(huán)Fig.7 Temperature cycle of the launch device of the rockets

圖8 系統(tǒng)級隨機振動譜型Fig.8 Random spectrum of the system of the rockets

3.3.2篩選程序

1）篩選前性能檢測。試驗產品應按檢驗程序進行外觀、機械及電氣性能檢測，合格后才能進行應力篩選試驗。

2）試驗順序。應先進行溫度循環(huán)試驗，后進行隨機振動試驗。系統(tǒng)級（火箭彈）只做隨機振動試驗。

3）故障處理。若在溫度循環(huán)試驗時出現故障，應立即中斷試驗，排除故障后再重新進行試驗；在隨機振動試驗時出現故障，待隨機試驗結束后排除。

4）中斷處理。試驗中斷后再重新進行試驗時，中斷前的試驗時間應計入試驗時間。

4 結語

環(huán)境應力篩選在國外已經得到了越來越廣泛的應用，成為電子設備研制和生產中最熱門的技術[15]。對于系統(tǒng)級（武器系統(tǒng)）這樣的設備如何進行環(huán)境應力篩選，目前沒有相應的標準。

中國兵器工業(yè)第 203研究所一直研究的是反坦克導彈、空地導彈和火箭彈系統(tǒng)，而 GJB 1032制定的篩選方法不適應于系統(tǒng)級設備（導彈武器系統(tǒng)）。導彈武器系統(tǒng)分為多個型號系列，各型號系列之間在使用條件、壽命剖面、任務剖面等方面存在較大差異。因此為了便于型號的研制，要根據自身的特點和需要制定相應的環(huán)境應力篩選方法，才能有效提高武器系統(tǒng)研制中的可靠性。

[1] QJ 3138, 航天產品環(huán)境應力篩選指南[S]. QJ 3138 Guide for Environmental Stress Screening of Aerospace Products[S].

[2] 何國偉. 可靠性試驗技術[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1995. HE Guo-wei. Reliability Test Technology[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 1995.

[3] 曹金洲. 電源環(huán)境應力篩選試驗自動測控系統(tǒng)研究[J].裝備環(huán)境工程, 2013, 10(6): 41—44. CAO Jin-zhou. Study on Automatic Measurement and Control System of Power Environment Stress Screening Test[J]. Equipment Environmental Engineering, 2013, 10 (6): 41—44.

[4] 瞿波, 蔡良續(xù), 祝耀昌. 實驗室環(huán)境試驗條件及其裁剪技術[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(5): 87—91. QU Bo, CAI Liang-xu, ZHU Yao-chang. Laboratory Environment Test Condition and Cutting Technique[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(5): 87—91.

[5] MIL-HDBK-2164A, 電子產品環(huán)境應力篩選方法[S]. MIL-HDBK-2164A, Environmental Stress Screening Process for Electronic Equipment[S].

[6] DOD-HDBK-344, 電子設備環(huán)境應力篩選[S]. DOD-HDBK-344, Environmental Stress Screening of Electronic Equipment[S].

[7] 國防科工委軍用標準化中心. GJB 1032和GJB/Z 34實施指南[K]. 北京: 國防科工委軍用標準化中心, 1994. Standardization Center of National Defense Science and Technology Committee. GJB 1032 & GJB/Z 34 Implementation Guide[K]. Beijing: Standardization Center of National Defense Science and Technology Committee, 1994.

[8] GJB 1032, 電子產品環(huán)境應力篩選方法[S]. GJB 1032, Method for Environmental Stress Screening of Electronic Products[S].

[9] GJB/Z 34電子產品定量環(huán)境應力篩選指南[K]. 北京:國防科工委軍用標準化中心, 1994. GJB/Z 34 Guide for quantitative Environmental Stress Screening of Electronic Products[K]. Beijing: Standardization Center of National Defense Science and Technology Committee, 1994.

[10] 張海, 余闖, 王曉紅. 應用環(huán)境應力分類的加速貯存退化試驗評估方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(3): 87—90. ZHANG Hai, YU Chuang, WANG Xiao-hong. Accelerated Storage Degradation Test Evaluation Method Using Environmental Stress Classification[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(3): 87—90.

[11] 宋振鐸.反坦克制導兵器論證與試驗[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2003. SONG Zhen-duo. Demonstration and Test for Anti-tank Guided Weapon[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003.

[12] 李維寶, 李明,李澤新, 等. 環(huán)境適應性要求在型號中應用問題分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(5): 81—86. LI Wei-bao, LI Ming, LI Ze-xin, et al. Application of Environmental Adaptability Requirements in Equipment[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(5): 81—86.

[13] 中國航空工業(yè)總公司第三〇一研究所. GJB 150軍用設備環(huán)境試驗方法實施指南[K]. 北京: 中國航空工業(yè)總公司第三〇一研究所, 1998. No 301 Institute Aviation Industry Corporation of China. GJB 150 The Implementation Guide of Laboratory Environmental Test Methods for Military Material[K]. Beijing: No 301 Institute Aviation Industry Corporation of China Press, 1998.

[14] 王善, 何健. 導彈結構可靠性[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學出版社, 2002. WANG Shan, HE Jian. Reliability of Missile Structure[M]. Harbin: Harbin Engineering University Press, 2002.

[15] 《力學環(huán)境試驗技術》編著委員會. 力學環(huán)境試驗技術[M]. 西安: 西北工業(yè)大學出版社, 2003. The Compilation Committee of Mechanics Environment Test Technology. Mechanics Environment Test Technology[M]. Xi′an: Northwestern Poly-technical University Press, 2003.

Application of Environmental Stress Screening in Anti-tank Missiles and Rockets

YANG Hua,XIE Long,FENG Lei,QIANG Peng,DU Wu-bin
(NO.203 Research Institute of China Ordnance Industry, Xi′an 710065, China)

ObjectiveCombining the engineering experience and the characteristics of anti-tank missiles and rockets, this paper put forward a new environmental stress screening method to eliminate the initial failure of weapon equipments.MethodsAccording to the characteristics of anti-tank missiles and rockets, GJB 1032 was tailored scientifically, the environmental stress screening condition was made separately according to the different levels of the products.ResultsThe initial failure of anti-tank missiles and rockets could be excited by using the method of environmental stress screening proposed in this paper, as verified by the analysis test.ConclusionThe method for analysis of environmental stress screening conditions has been successfully used in weapon equipments such as anti-tank missiles and rockets.

environmental stress screening; anti-tank missiles; initial failure; stress excitation test

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.028

TJ7

A

1672-9242(2016)03-0169-06

2016-01-12；

2016-02-07

Received：2016-01-12；Revised：2016-02-07

楊華（1962—），男，河南獲加人，高級工程師，主要研究方向為可靠性及環(huán)境工程。

Biography：YANG Hua(1962—), Male, from Huojia, Henan, Senior engineer, Research focus: reliability and environment engineering.