飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方法研究與實踐

高貴福，王剛，孫建亮，任杰安，王圣剛，周春燕，趙保平

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飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方法研究與實踐

高貴福，王剛，孫建亮，任杰安，王圣剛，周春燕，趙保平

（北京機電工程研究所，北京 100074）

目的針對飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計不足的現(xiàn)狀提出對策。方法分析飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的特點和當(dāng)前存在的不足，以某電氣設(shè)備為對象開展應(yīng)用研究。結(jié)果提出環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作內(nèi)容、工作流程、設(shè)計原則和技術(shù)手段等方面的對策。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)采用環(huán)境仿真和驗證試驗相結(jié)合的手段，并逐步形成環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則。結(jié)論飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)采用系統(tǒng)工程的思路，覆蓋產(chǎn)品層級、環(huán)境因素和研制階段。技術(shù)手段方面應(yīng)大力推進環(huán)境仿真研究和應(yīng)用，建立產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范。

飛行器；環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計；誘發(fā)環(huán)境

飛行器各項技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)越來越高，飛行環(huán)境也越來越惡劣，面臨的誘發(fā)環(huán)境問題更為突出。另一方面，隨著飛行器使用地理范圍的擴大，自然環(huán)境越來越廣泛，環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)的要求不斷提高。環(huán)境適應(yīng)性是飛行器功能、性能指標(biāo)以及其他通用質(zhì)量特性實現(xiàn)的基礎(chǔ)，關(guān)系到飛行器在全壽命周期內(nèi)生存和完成任務(wù)的能力。在設(shè)計階段，設(shè)計人員針對環(huán)境指標(biāo)的實現(xiàn)開展了研究和設(shè)計工作，但是一般系統(tǒng)性不強、不夠規(guī)范化，在飛行試驗以及裝備使用中仍然暴露出不少與環(huán)境有關(guān)的問題。若由于設(shè)計不足在系統(tǒng)級地面環(huán)境試驗才暴露重大環(huán)境適應(yīng)性問題，往往造成設(shè)計反復(fù)、損失巨大。飛行器產(chǎn)品層級多、環(huán)境因素多、設(shè)計手段有限等因素給型號系統(tǒng)地開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計帶來了很大難度。

1 飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計概述

1.1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計特點分析

裝備（產(chǎn)品）的環(huán)境工程是將各種科學(xué)技術(shù)和工程實踐用于減緩各種環(huán)境對裝備（或產(chǎn)品）效能或提高裝備耐環(huán)境能力的一門工程學(xué)科，包括工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計和環(huán)境適應(yīng)性試驗與評價[1—2]。在GJB 9001B—2009《質(zhì)量管理體系要求》被列為產(chǎn)品“六性”之一，環(huán)境適應(yīng)性有以下特點。

1）基礎(chǔ)性。環(huán)境適應(yīng)性是產(chǎn)品功能、性質(zhì)以及其他質(zhì)量特性實現(xiàn)的基礎(chǔ)。飛行器武器只有具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，才能正常發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。在飛行試驗以及使用環(huán)境中遇到的部分可靠性問題，實際上屬于環(huán)境適應(yīng)性問題。

2）層級性。飛行器研制中產(chǎn)品層級可分為系統(tǒng)級、組件/設(shè)備級、元器件級等，每一層級產(chǎn)品都存在環(huán)境適應(yīng)性問題，而且環(huán)境互相影響。多層級之間的影響關(guān)系可以用圖1所示的模型來描述。

3）耦合性。各層級產(chǎn)品的環(huán)境存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。按照系統(tǒng)理論觀點，系統(tǒng)是指互相關(guān)聯(lián)的、互相制約、互相作用的一些部分組織成的具有某種特定功能的綜合體。系統(tǒng)都是處于一定的環(huán)境中，沒有孤立存在的系統(tǒng)。

如圖1所示的模型，描述了研究對象系統(tǒng)A的環(huán)境與上級系統(tǒng)（或外界環(huán)境）、其他同級系統(tǒng)的關(guān)系。從系統(tǒng)A環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計角度，需關(guān)注以下四個方面問題：研究對象A應(yīng)承受上級系統(tǒng)（或外界環(huán)境）的環(huán)境影響；研究對象A能承受自身誘發(fā)的環(huán)境影響；研究對象A對其他同級系統(tǒng)產(chǎn)生影響且不使其破壞；研究對象A對上級系統(tǒng)產(chǎn)生影響且不使其破壞。

4）多學(xué)科性。飛行器裝備/產(chǎn)品在生命周期內(nèi)遇到環(huán)境因素眾多，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計涉及的學(xué)科領(lǐng)域很廣。例如飛機、航天器壽命周期內(nèi)面臨的環(huán)境因素包括振動、溫度、濕度、加速度、沙塵、霉菌、鹽霧等十幾種之多。振動環(huán)境分析和設(shè)計中用到信號處理、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、流體力學(xué)領(lǐng)域知識；濕度、沙塵、濕度等環(huán)境因素則屬于氣候?qū)W范疇；熱環(huán)境方面則重點需要流體、熱物理方面的專業(yè)基礎(chǔ)。因此環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作，尤其對于系統(tǒng)級產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，通常依靠多專業(yè)協(xié)同工作來完成。

1.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計不足現(xiàn)狀分析

當(dāng)前階段，飛行器型號研制中環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計存在不足，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1）型號工作中暴露出的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計質(zhì)量問題突出。有一項統(tǒng)計表明，把某類飛行器地面環(huán)境中暴露出質(zhì)量問題按照問題原因分為“設(shè)計、工藝、元器件、軟件、操作、管理、其他”等幾類，其中“設(shè)計”類問題占比在20%以上，連續(xù)5年持續(xù)占據(jù)首位。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計問題較突出，這與前些年我國型號研制重點放在功能和性能指標(biāo)的實現(xiàn)方面，對環(huán)境適應(yīng)性重視程度不足有關(guān)。

2）環(huán)境工程體系中缺少環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計類規(guī)范。2001年，我國首次頒布了裝備環(huán)境工程頂層標(biāo)準(zhǔn)GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》，但是在這之后，底層標(biāo)準(zhǔn)編制沒有持續(xù)開展。普遍缺少針對性強的產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則，部分產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則包含在“可靠性設(shè)計準(zhǔn)則”中。目前國內(nèi)有少部分單位開始研究和編制環(huán)境設(shè)計準(zhǔn)則或規(guī)范。某項針對航天產(chǎn)品環(huán)境工程使用標(biāo)準(zhǔn)使用狀況的統(tǒng)計顯示，環(huán)境試驗類占統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)總量的54%，環(huán)境工程管理標(biāo)準(zhǔn)占34%，環(huán)境分析標(biāo)準(zhǔn)占12%，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計以及環(huán)境適應(yīng)性評價的標(biāo)準(zhǔn)則為空白。

3）環(huán)境仿真技術(shù)面臨應(yīng)用瓶頸。環(huán)境仿真技術(shù)（也稱為“虛擬環(huán)境試驗”、“環(huán)境數(shù)字仿真”）是基于數(shù)字仿真技術(shù)，對裝備在實際環(huán)境中產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)及裝備性能影響進行分析、評估和預(yù)測技術(shù)。作為新型的以計算機信息數(shù)字處理技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計手段，環(huán)境仿真有著巨大優(yōu)勢，有成本低、效率高、狀態(tài)全、不依賴實物等優(yōu)點，但是目前環(huán)境仿真技術(shù)度成熟不高，工程應(yīng)用不廣，沒有充分發(fā)揮其作為環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計手段的作用。

4）不同層級、不同專業(yè)協(xié)同設(shè)計不足。對于航天產(chǎn)品這樣復(fù)雜系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，是在多層級（系統(tǒng)級、設(shè)備級和元器件級等）、多專業(yè)等不同維度上協(xié)同實現(xiàn)的，需要多方人員動態(tài)、迭代式的設(shè)計，直至設(shè)計閉環(huán)、驗證閉環(huán)。目前環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作往往相對孤立的開展，甚至存在與型號工作相脫節(jié)的現(xiàn)象。多專業(yè)協(xié)同的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，需要多方面基礎(chǔ)作為支撐，例如合理的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計流程、必要的技術(shù)手段和專業(yè)配置等，這方面目前存在不同程度欠缺。

2 飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計對策研究

2.1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計內(nèi)容

開展環(huán)境適應(yīng)性工作，首先應(yīng)明確工作內(nèi)容，避免設(shè)計疏漏。根據(jù)系統(tǒng)工程理論“霍爾三維結(jié)構(gòu)”分析方法[3]，三維空間的點表示環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作內(nèi)容，如圖2所示。

對每個維度內(nèi)涵解釋如下。

1）時間維度。型號研制中的方案階段、工程研制階段、定型階段等每個研制階段都要開展工作，各階段工作重點和方法不同，通過不斷迭代最終實現(xiàn)環(huán)境指標(biāo)。

2）系統(tǒng)組成維度。系統(tǒng)級、設(shè)備/組件級、元器件級每層級都要開展環(huán)境適應(yīng)性工作。系統(tǒng)級的環(huán)境指標(biāo)在設(shè)計中要分解到每個層級。各層級之間環(huán)境指標(biāo)相互影響和制約，通過“系統(tǒng)-子系統(tǒng)-底層系統(tǒng)-子系統(tǒng)-系統(tǒng)”的多輪迭代，最終實現(xiàn)系統(tǒng)級指標(biāo)。

3）環(huán)境因素維度。針對裝備（產(chǎn)品）壽命周期內(nèi)遇到所有環(huán)境因素，包括自然因素和誘發(fā)的環(huán)境因素，都要開展設(shè)計工作。若耦合的環(huán)境因素會加劇單因素環(huán)境的破壞效應(yīng)，則需要針對多因素耦合環(huán)境開展設(shè)計，如熱振動、熱噪聲、聲振環(huán)境。

2.2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計流程

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作必須融合在產(chǎn)品設(shè)計中，對于某一產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作，通用工作流程如圖3所示。

對完整設(shè)計過程的說明如下所述。

1）界定任務(wù)范圍：確定研究對象，某設(shè)備。

2）任務(wù)分析：任務(wù)是根據(jù)功能、性能、結(jié)構(gòu)以及“七性”輸入要求，完成設(shè)備方案設(shè)計。在環(huán)境適應(yīng)性方面設(shè)計輸入、輸出見圖3。

3）系統(tǒng)功能分析：從功能/性能要求出發(fā)，分析、設(shè)計產(chǎn)品內(nèi)部的功能模塊，確定子系統(tǒng)功能、特性和指標(biāo)，此階段可以得到“自身誘發(fā)環(huán)境”、“自身環(huán)境對上級系統(tǒng)或其他同級子系統(tǒng)”的環(huán)境影響情況。

4）系統(tǒng)綜合：針對功能/性能、結(jié)構(gòu)以及“七性”要求進行綜合分析和設(shè)計，得到系統(tǒng)綜合后的設(shè)計要求。

5）系統(tǒng)權(quán)衡優(yōu)化：采取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、設(shè)計準(zhǔn)則、相似型號研制經(jīng)驗、仿真計算和驗證試驗等技術(shù)手段，進行多方案產(chǎn)品設(shè)計，并優(yōu)選方案。

6）系統(tǒng)決策：方案評估，確定方案。

7）系統(tǒng)實施：提交產(chǎn)品方案至上級系統(tǒng)，進入后續(xù)研制。

比較容易忽略之處是圖3中的設(shè)計輸入①和設(shè)計輸出②。對于系統(tǒng)級產(chǎn)品而言，就是裝備與平臺之間的相互影響，例如艦船及艦船上裝備的電磁環(huán)境；對于設(shè)備而言，就是設(shè)備間的誘發(fā)環(huán)境影響，如設(shè)備發(fā)熱、振動或者物質(zhì)揮發(fā)對附近設(shè)備的影響。設(shè)計者既要考慮自身受到的影響及設(shè)計對策，同時更重要的是要提出自身對外界的影響，用于其他設(shè)備或系統(tǒng)級環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的輸入，型號經(jīng)驗表明，這方面容易疏漏。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計原則

每個層級的產(chǎn)品在開展環(huán)境適應(yīng)性工作時，應(yīng)遵循下面的原則。

1）層級覆蓋。環(huán)境適應(yīng)設(shè)計工作在系統(tǒng)級、設(shè)備/組件級、元器件級層級都要開展。若某一層級的工作開展不充分，不僅影響產(chǎn)品自身，而且會影響到系統(tǒng)級或其他子系統(tǒng)。越是底層的產(chǎn)品，越應(yīng)該進行充分的分析，加以重視[4]。

2）環(huán)境因素剪裁原則。覆蓋性：環(huán)境因素包括產(chǎn)品全壽命周期的自然環(huán)境因素和任務(wù)剖面的誘發(fā)環(huán)境，典型的壽命剖面和任務(wù)剖面見圖4。對于設(shè)備級產(chǎn)品，特別注意環(huán)境因素應(yīng)該覆蓋圖3“環(huán)境分析”中的四方面內(nèi)容。避免過設(shè)計：環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的環(huán)境因素須滿足剖面中存在該環(huán)境、系統(tǒng)功能對環(huán)境敏感、環(huán)境因素量值達到足以影響系統(tǒng)功能的一定量值等三個必要條件[5]。

3）階段覆蓋。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)覆蓋產(chǎn)品方案、工程研制、定型各階段。方案階段重點梳理環(huán)境剖面、環(huán)境因素和量值，重點研究系統(tǒng)級的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計方案。工程研制階段，針對系統(tǒng)級、子系統(tǒng)開展設(shè)計，迭代完善系統(tǒng)級設(shè)計，形成閉合的、完整的詳細(xì)方案。定型階段則應(yīng)根據(jù)研制試驗中暴露出的問題完善設(shè)計。

4）關(guān)注系統(tǒng)間耦合。關(guān)注系統(tǒng)與子系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間對環(huán)境因素間的耦合和傳遞關(guān)系，避免設(shè)計疏漏。如設(shè)備工作發(fā)熱源、發(fā)動機振動、熱防護結(jié)構(gòu)相變揮發(fā)、電磁輻射、安裝結(jié)構(gòu)對振動的放大效應(yīng)等。另外，應(yīng)該注重系統(tǒng)級環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計實現(xiàn)整體最優(yōu)，若設(shè)備級產(chǎn)品設(shè)計代價太大或難以實現(xiàn)，則可在上級系統(tǒng)采取措施，如設(shè)備熱環(huán)境問題可在艙段級采取冷卻措施。

5）工藝影響。工藝因素會帶來環(huán)境適應(yīng)性問題。如結(jié)構(gòu)安裝配合差異造成振動特性變化、熱防護層加工誤差影響防護效果。設(shè)計中要梳理可能的工藝影響，并給出解決措施，必要時可通過篩選方式保證設(shè)計有效。

6）規(guī)避原則[5]。設(shè)計中要考慮經(jīng)濟性和可實現(xiàn)性，設(shè)計成本過高則應(yīng)考慮采用規(guī)避策略。例如對于戰(zhàn)場環(huán)境、高電磁武器、特別惡劣天氣可采取規(guī)避措施。

2.4 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計手段

環(huán)境適應(yīng)設(shè)計的技術(shù)手段及其特點見表1，應(yīng)該將三類技術(shù)手段組合使用。目前型號研制普遍使用手段見表2。

表1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計技術(shù)手段比較

表2 不同環(huán)境因素適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)用

環(huán)境仿真技術(shù)在方案階段，可以進行環(huán)境預(yù)示。研制階段，在產(chǎn)品數(shù)字模擬的基礎(chǔ)上，根據(jù)環(huán)境指標(biāo)和進行仿真分析，響應(yīng)預(yù)測和環(huán)境影響評估，進行多方案比較，也可進行環(huán)境試驗的輔助設(shè)計和試驗效果預(yù)測。振動、溫度仿真應(yīng)注重產(chǎn)品模型庫和產(chǎn)品特性數(shù)據(jù)的積累。環(huán)境仿真具有成本低、效率高、不依賴實物等優(yōu)點，便于早期設(shè)計應(yīng)用，應(yīng)作為后續(xù)研究和發(fā)展的重點[6—7]。

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則編制方面，我國在航空航天領(lǐng)域經(jīng)歷幾十年的型號研制工作，已經(jīng)從仿制過渡到自主創(chuàng)新階段，已經(jīng)基本具備了編制相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。如圖5所示，給出了飛行器環(huán)境工程規(guī)范體系建議。

3 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計應(yīng)用案例

某飛行器電氣設(shè)備處于封閉的艙內(nèi)，自身工作熱量大，面臨的振動環(huán)境惡劣，自身為電磁輻射源。該設(shè)備處于工程研制初樣階段，已經(jīng)具有首輪樣機。采用環(huán)境仿真和驗證試驗相結(jié)合的方式，針對振動、溫度和電磁環(huán)境開展設(shè)計。提出結(jié)構(gòu)、減震、電磁屏幕等多項設(shè)計改進建議；同時明確其熱環(huán)境方面、電磁方面對外界的影響，提出其下一級產(chǎn)品（板級）的振動環(huán)境條件。研究該電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計準(zhǔn)則，編制環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范，為后續(xù)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計提供技術(shù)支撐。其工作流程見圖6，環(huán)境仿真和試驗驗證結(jié)果見圖7。

a 模態(tài)試驗現(xiàn)場（殼體） b 模態(tài)分析（殼體一階） c 殼體模態(tài)分析（殼體二階）

d 隨機振動試驗（殼體） e 模態(tài)分析(殼體+模塊一階) f 模態(tài)分析(殼體+模塊二階)

g 模態(tài)試驗現(xiàn)場（殼體+模塊） h 隨機振動試驗仿真 i 隨機振動試驗動響曲線

j 驗現(xiàn)場（殼體+模塊） k 振動試驗結(jié)果與計算結(jié)果比較 l 設(shè)備溫度變化

4 結(jié)語

加強環(huán)境適應(yīng)設(shè)計是提高飛行器環(huán)境適應(yīng)性水平的根本之道，文中從系統(tǒng)工程角度提出了飛行器環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的整體思路，從工作內(nèi)容、工作流程、設(shè)計原則和技術(shù)手段等方面的提出了對策，并給出型號應(yīng)用案例。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的開展宜采用環(huán)境仿真和驗證試驗相結(jié)合的方式，并逐步建立起產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計規(guī)范（或準(zhǔn)則）。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計工作開展的系統(tǒng)性強，環(huán)境工程管理、環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境試驗與評價四方面聯(lián)系緊密、互為支撐。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計水平的提升很大程度有賴于環(huán)境工程工作的全面推進。

[1] GJB 4239—2001, 裝備環(huán)境工程通用要求[S].

[2] MIL-STD- 810F, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[3] 趙少奎, 楊永太. 工程系統(tǒng)工程導(dǎo)論[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2000.

[4] 趙保平, 孫建亮, 龐勇. 航天產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性問題研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2011, 8(2): 51—57.

[5] 趙保平, 張韜, 孫建亮, 等. 航天復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)中的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計[J]. 強度與環(huán)境, 2013, 40(5): 1—9.

[6] 朱蕾, 王連杰, 許明, 等. 裝備環(huán)境適應(yīng)性仿真技術(shù)的發(fā)展思路探討[J]. 裝備環(huán)境工程, 2007, 4(3):91—97.

[7] 吳勛, 周巍. 導(dǎo)彈武器系統(tǒng)開展環(huán)境適應(yīng)性研究的思考[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(2): 81—85.

Research and Practice of Environmental Worthiness Design of Flying Object

GAO Gui-fu, WANG Gang, SUN Jian-liang, REN Jie-an, WANG Sheng-gang, ZHOU Chun-yan, ZHAO Bao-ping

(Beijing Mechanical-electronic Engineering Institute, Beijing 100074, China)

Objective To propose countermeasures for insufficient environmental worthiness design of flying object. Methods Certain electrical equipment was researched based on features and current shortages in environmental worthiness design of flying object. Results Countermeasures on work contents, procedures, principles and means of environmental worthiness design were given, and the work was performed by means of environmental simulation integrated with environmental test. And the design criterions were carried out gradually. Conclusion Environmental worthiness design of flying object must be performed in the thought of system engineering, and it must be involved in different product levels, environmental factors and development phases. With regard to technical means, great efforts must be made on environmental simulation study and application. And the design standards for environmental worthiness design should be made.

flying object; environmental worthiness design; induced environmental

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.011

TJ07；TG147

A

1672-9242(2017)06-0049-06

2017-04-22；

2017-05-27

高貴福（1979—）,男，河北唐山人，高級工程師，主要研究方向為產(chǎn)品環(huán)境工程。