海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)分析及發(fā)展建議

張弛，周芳，胡紹華，陳津虎，胡彥平

（1.海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，南京210006；2.北京強度環(huán)境研究所，北京100076）

海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)分析及發(fā)展建議

張弛1，周芳2，胡紹華2，陳津虎2，胡彥平2

（1.海軍駐南京地區(qū)航天機電系統(tǒng)軍事代表室，南京210006；2.北京強度環(huán)境研究所，北京100076）

為深入完善海軍戰(zhàn)術(shù)導彈可靠性試驗技術(shù)，為新研型號研制定型提供借鑒參考。對近年來海軍導彈武器產(chǎn)品的可靠性試驗工作進行了總結(jié)。闡述了單機、艦面設(shè)備、全彈不同層級產(chǎn)品可靠性試驗技術(shù)特點，指出了當前可靠性試驗工作中存在的不足之處，最后為后續(xù)海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)發(fā)展提出建議。

戰(zhàn)術(shù)導彈；武器系統(tǒng)；可靠性試驗

隨著作戰(zhàn)實戰(zhàn)化要求的不斷提高，海軍對戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)的可靠性格外重視。為了保證試驗驗證的充分性、試驗技術(shù)的先進性、試驗過程的規(guī)范性，海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器可靠性試驗采用第三方實驗室管理模式，即軍方與研制單位、第三方試驗機構(gòu)一起策劃提出導彈武器系統(tǒng)的可靠性試驗方案體系，由第三方專業(yè)機構(gòu)提供技術(shù)支撐，并管控、實施，確保試驗的規(guī)范化和公正性。近年來，海軍對多個新研戰(zhàn)術(shù)導彈武器在研制階段開展了充分的可靠性試驗工作，從產(chǎn)品層級、考核指標、技術(shù)特點等方面而言均具有較好的覆蓋性和先進性，整個工作取得極為積極有益的效果。通過對暴露單機和系統(tǒng)產(chǎn)品的缺陷進行設(shè)計和工藝的改進，從而實現(xiàn)了武器系統(tǒng)可靠性水平的切實提升[1—2]。文中對近年來新研型號可靠性試驗工作進行了分析總結(jié)，指出其寶貴經(jīng)驗和不足之處，提出后續(xù)技術(shù)發(fā)展建議，為新研型號研制定型工作提供參考。

1 可靠性試驗技術(shù)特點

經(jīng)過長期的探索和發(fā)展，目前海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)采用單機可靠性試驗與全彈可靠性試驗相結(jié)合的思路，產(chǎn)品層級包括彈上單機、艦面設(shè)備和全彈。一般在研制初樣階段安排可靠性摸底試驗，試樣階段開展可靠性增長試驗，定型階段開展可靠性鑒定試驗。早期型號產(chǎn)品在可靠性試驗中暴露大量故障，經(jīng)過在設(shè)計和工藝上的改進后，產(chǎn)品可靠性水平的顯著提高。當新研型號產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)具有借鑒性和繼承性時，可以考慮減少可靠性摸底試驗，直接選擇開展可靠性增長試驗和可靠性鑒定試驗。

1.1 彈上單機可靠性試驗

單機可靠性試驗，主要進行可靠性增長（摸底）試驗和可靠性鑒定試驗?？煽啃栽鲩L試驗是模擬產(chǎn)品實際使用環(huán)境下，激發(fā)產(chǎn)品故障，分析故障機理，采取糾正措施，提高產(chǎn)品固有可靠性的試驗過程。可靠性鑒定試驗通過準確模擬實際使用環(huán)境應力的試驗方式，定量評估產(chǎn)品的可靠性[3]。

可靠性增長試驗主要供參考的有基于GJB 1407—92進行的可靠性增長試驗方案[4]，基于無模型的可靠性增長試驗方案，基于增長試驗和預鑒定試驗相結(jié)合的可靠性增長試驗設(shè)計方案。目前航天產(chǎn)品故障數(shù)較小，GJB 1407—92中的方法很難適用，型號彈上電子產(chǎn)品主要采用第三種方案，其主要特點是假設(shè)產(chǎn)品可靠性隨時間的變化服從指數(shù)分布，采用指數(shù)分布的定時截尾試驗方案，具體方法參考QJ 3127—2000《航天產(chǎn)品可靠性增長試驗指南》[5]?？煽啃澡b定試驗則嚴格按照GJB 899A—2009中的方法進行[6]。對于某些指標極高，試驗時間過長的產(chǎn)品，則采用加速試驗的方法以縮短時間。

采用指數(shù)分布的零故障定時截尾試驗方案，試驗時間由式（1）和式（2）確定：

式中：T為總試驗時間；t為任務時間；β為使用方風險；R為可靠性增長目標值；n為參試產(chǎn)品數(shù)。

進行加速試驗時，采用如下加速公式縮短試驗時間：

式中：W1為加速前功率譜密度值；W2為加速后功率譜密度值；T1為加速前試驗時間；T2為加速后試驗時間；n為加速模型冪指數(shù)，取值參考GJB 150.16A—2009振動試驗中提供的振動應力加速方法[7—9]。

對于電子、機電產(chǎn)品，試驗應力采用溫、濕、振、電四綜合應力，對于機械產(chǎn)品主要采用工作應力。彈上產(chǎn)品試驗剖面的制定在相關(guān)標準基礎(chǔ)上，還要結(jié)合產(chǎn)品自身特點，依據(jù)任務剖面、壽命剖面最終確定。例如力學環(huán)境除飛行振動應力外，還逐漸增加艦載運輸振動應力。艦空導彈任務時間短，飛行振動應力即為全程任務的振動條件，艦艦導彈任務時間長，飛行振動應力會根據(jù)不同工作階段進一步細分為多種條件。氣候環(huán)境則全面覆蓋各種可能出現(xiàn)的溫度、濕度應力，有些產(chǎn)品還增加了氣動熱環(huán)境的模擬。

圖1 典型艦載武器單機可靠性試驗剖面

1.2 艦面設(shè)備可靠性試驗

艦面設(shè)備是武器系統(tǒng)重要的組成部分，是導彈的裝載、控制、發(fā)射平臺，負責完成發(fā)射任務，是武器系統(tǒng)任務成功性的重要保障。以前受試驗能力限制及認識不足，型號研制中“重彈上輕地面”，使彈上產(chǎn)品的可靠性得到了普遍的重視，而艦面設(shè)備可靠性一直未受到足夠的重視，以致部隊使用過程中問題較多。如果艦面設(shè)備可靠性低，在作戰(zhàn)中將直接影響整個武器的戰(zhàn)備完好性和實戰(zhàn)能力[11]。為解決這些實際問題，海軍在新研型號中，專門策劃開展了艦面設(shè)備的可靠性試驗，依然采用單機與系統(tǒng)相結(jié)合的方式進行，在初樣、試樣階段開展單機、系統(tǒng)的可靠性增長試驗，暴露故障，改進設(shè)計，并對可靠性進行摸底。在定型階段開展系統(tǒng)級可靠性鑒定試驗，以多個分系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的狀態(tài)開展試驗。

艦面設(shè)備可靠性試驗主要采用GJB 899A—2009中規(guī)定的艦船設(shè)備可靠性試驗方法，試驗時間、試驗剖面、試驗量級都規(guī)定的比較明確[12]。其主要技術(shù)難點在于綜合環(huán)境應力下的系統(tǒng)聯(lián)合試驗，艦面設(shè)備體積大，設(shè)備多，艙內(nèi)艙外設(shè)備分別同時施加各自的試驗應力，需要在大型綜合環(huán)境可靠性試驗設(shè)備中進行。通過設(shè)計專用工裝模擬每套產(chǎn)品的實際邊界條件，往往采用多振動臺同時施加激勵，所有設(shè)備組成完整的系統(tǒng)，試驗中進行系統(tǒng)全流程考核。典型艦面設(shè)備可靠性試驗狀態(tài)和剖面如圖2和圖3所示。目前海軍已經(jīng)完成多個型號的艦面設(shè)備可靠性試驗，均暴露出了薄弱環(huán)節(jié)，通過設(shè)計改進提高了產(chǎn)品可靠性，取得了良好的試驗效果。

圖2 典型艦面設(shè)備可靠性試驗狀態(tài)

圖3 典型艦面設(shè)備可靠性試驗剖面

1.3 全彈可靠性試驗

單機產(chǎn)品可靠性增長試驗的目的是提高產(chǎn)品的可靠性基礎(chǔ)，系統(tǒng)級或全彈產(chǎn)品可靠性增長試驗的目的則是提高和考核系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)品匹配協(xié)調(diào)關(guān)系的可靠性。和單機試驗相比，系統(tǒng)級試驗具有產(chǎn)品邊界模擬更加真實、結(jié)構(gòu)更加真實、載荷模擬更加真實的特點，因此產(chǎn)品的響應也更加真實，能夠暴露單機試驗不能暴露的高層次問題。海軍戰(zhàn)術(shù)導彈較早地開展了全彈綜合環(huán)境可靠性試驗技術(shù)的研究及工程實施。

全彈試驗狀態(tài)出于安全考慮，發(fā)動機等火工品采用工藝件代替，其他均為真實產(chǎn)品。試驗時間計算方案、試驗剖面的構(gòu)成均與單機可靠性試驗相類似，但在環(huán)境條件方面應盡量根據(jù)飛行實測數(shù)據(jù)來制定，因?qū)椀募氶L體特性，不同位置試驗條件往往不同，依據(jù)飛行遙測數(shù)據(jù)可以更加準確地制定不同艙段的試驗條件，使應力加載更加真實。同時，全彈試驗應增加產(chǎn)品冷透、熱透時間確保整個系統(tǒng)溫度達到要求。試驗過程中采用雙振動臺并激的方式施加振動應力，雙臺并激既可以保證足夠的振動推力，更能實現(xiàn)兩個不同條件的施加，但是對振動控制方式要求較高，必須制定合理的振動控制方案以確保試驗加載合理，不出現(xiàn)過、欠試驗現(xiàn)象。綜合環(huán)境試驗箱施加氣候應力，同時需對試驗箱進行改造增加相關(guān)的特殊防護和測試設(shè)備，以實現(xiàn)全彈各種特殊的測試要求。全彈綜合環(huán)境可靠性試驗是非常必要的，在開展全彈試驗的多個型號中，均激發(fā)了系統(tǒng)級的故障，這些故障是單機級產(chǎn)品試驗中沒有暴露的，通過全彈試驗更加充分地對系統(tǒng)整體功能性進行了考核和驗證。

由于導彈飛行過程中實際是受多維振動的，既受到發(fā)動機點火、工作時的軸向激勵，也受到氣動噪聲的脈動激勵。根據(jù)戰(zhàn)斧導彈的飛行遙測數(shù)據(jù)分析，其軸向振動量級是需要注意的，在很多測點和縱向振動達到同等數(shù)量級；另一方面，其他型號工程實踐證明，軸向平推也是暴露導彈薄弱環(huán)節(jié)的重要手段。因此，海軍在現(xiàn)有雙臺單維全彈可靠性試驗基礎(chǔ)上，研究并實現(xiàn)了全彈多維綜合環(huán)境可靠性試驗技術(shù)[14]，如圖4所示。在保留彈身剛度較大的部位施加了垂向振動應力的同時，對導彈施加了軸向振動。多軸振動的同時施加，既較真實地模擬了產(chǎn)品實際飛行時的應力狀態(tài)，又使結(jié)構(gòu)的振動合成為空間向量，能夠?qū)崿F(xiàn)多維振動對結(jié)構(gòu)的激勵，能夠激發(fā)產(chǎn)品不同的故障模式。

圖4 全彈多軸綜合環(huán)境可靠性試驗

2 存在的問題

當前海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)可靠性試驗體系已經(jīng)較為完善，試驗策劃與設(shè)計貫穿研制階段，覆蓋層級從單機到系統(tǒng)，盡可能地確保地面試驗的充分性。多個型號經(jīng)過大量可靠性試驗后，在研制階段暴露出大量薄弱環(huán)節(jié)，通過對設(shè)計的改進，切實提高了可靠性，在實戰(zhàn)打靶和部隊使用中都取得了很好的效果。在分析各型號可靠性試驗的具體過程中，主要還存在以下一些問題。

1）可靠性試驗中有效試驗時間不統(tǒng)一。有效試驗時間是可靠性試驗中的重要參數(shù)，只有有效試驗時間才會計入可靠性評估中。當前主要存在兩種情況，一種是以溫、濕、振、電綜合應力時間作為有效時間，另一種是以溫、濕度應力時間作為有效時間。有效試驗時間定義的不同直接影響到試驗方案和剖面的制定，溫、濕、振、電綜合應力時間作為有效試驗時間時，振動應力根據(jù)任務時間和可靠度指標計算得到，試驗時間明確；溫、濕度應力時間作為有效試驗時間時，振動應力根據(jù)任務剖面要求施加，受主觀因素影響較大[15]。此外，不同應力方式作為任務時間時，由于產(chǎn)品的工作狀態(tài)不同，其壽命分布模型也不相同。對于舵機、伺服機構(gòu)等有帶載工作要求的產(chǎn)品而言，其實際飛行任務中是溫度、濕度、振動、電應力同時存在的綜合環(huán)境，工作失效模式屬于典型的耗損型失效，采用Weibull分布進行可靠性試驗方案設(shè)計與評估更加合適。結(jié)合海軍戰(zhàn)術(shù)導彈可靠性試驗工程實踐經(jīng)驗，筆者認為彈上產(chǎn)品根據(jù)其真實工作環(huán)境狀態(tài)，采用溫、濕、振、電綜合應力作為有效試驗時間更加規(guī)范、合理。

2）某些產(chǎn)品工作應力加載不充分。對于電子產(chǎn)品，其工作應力為電應力，環(huán)境應力為溫度、濕度、振動等?？煽啃栽囼灄l件可以很好地模擬其工作情況。有些產(chǎn)品如舵機、伺服機構(gòu)等，其實際工況需要帶負載工作，飛行中的負載應力很大，負載應力的施加與否對產(chǎn)品可靠性考核影響很大。試驗中也已經(jīng)表明不帶負載下產(chǎn)品很容易通過試驗，但施加負載應力后產(chǎn)品會暴露出問題。目前，有些型號通過專用工裝設(shè)計實現(xiàn)了負載應力的施加，有些型號因種種原因負載應力考核不充分[16]。這是后續(xù)相似產(chǎn)品可靠性試驗中應進一步完善解決的地方。

3）特殊產(chǎn)品可靠性試驗開展不充分。當前電子、機電產(chǎn)品可靠性試驗方法比較完善，過程管理相對規(guī)范。對于特殊產(chǎn)品如發(fā)動機、戰(zhàn)斗部、電池、彈體結(jié)構(gòu)、發(fā)射筒、火工品、折疊舵等含能類、火工類、復雜機電一體化類產(chǎn)品。各類型產(chǎn)品組成復雜，工作模式特殊，還沒有成熟的可靠性試驗方法。目前主要結(jié)合研制階段開展的專項試驗以及研制數(shù)據(jù)折算，在定型時進行可靠性評估，產(chǎn)品真實的可靠性水平還很難通過地面試驗方式進行充分考核與驗證。

3 發(fā)展建議

海軍非常重視導彈武器系統(tǒng)的可靠性工作，多年來采用第三方實驗室管理模式，進行了較為充分的地面驗證試驗。文中對多個新研型號可靠性試驗工作進行分析總結(jié)，闡述了單機、分系統(tǒng)、全彈不同層級產(chǎn)品可靠性試驗技術(shù)特點，提出了當前可靠性試驗工作中存在的一些問題，最后為后續(xù)海軍戰(zhàn)術(shù)導彈武器系統(tǒng)可靠性試驗技術(shù)發(fā)展提出如下建議。

1）需要進一步開展特殊產(chǎn)品可靠性試驗方法研究。特殊產(chǎn)品主要為發(fā)動機、戰(zhàn)斗部、貯運發(fā)射筒、電池等復雜含能產(chǎn)品，技術(shù)特點復雜，工況嚴酷，對導彈整體功能的實現(xiàn)又有著重要影響，需要設(shè)計特定的試驗方法，選擇專用的試驗設(shè)備和場地，以在地面試驗中充分考核。

2）需要開展遠海值班任務可靠性研究與驗證[19]。隨著我國海軍遠洋戰(zhàn)略的要求，艦載戰(zhàn)術(shù)導彈面臨長期艦上值班的任務需求，航母艦載機掛載導彈面臨長期值班與掛飛任務需求[21]。在復雜惡劣的海洋環(huán)境中長期值班后，導彈武器的可靠性如何考核驗證需要在后續(xù)進一步解決。

3）完善全彈系統(tǒng)綜合環(huán)境可靠性試驗方法。當前海軍已經(jīng)實踐了全彈綜合環(huán)境可靠性試驗技術(shù)，取得了有益效果。在真實飛行任務中，導彈受到發(fā)動機脈動推力和氣動噪聲的影響，實際是多維振動和熱應力復合的形式，此外還會受到出筒、分離的沖擊作用，舵系統(tǒng)承受負載應力，這些問題都需要在后續(xù)解決完善。

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Technical Analysis and Development Suggestion on Reliability Test of Naval Tactical Missile Weapon System

ZHANG Chi1,ZHOU Fang2,HU Shao-hua2,CHEN Jin-hu2,HU Yan-ping2
(1.Navy Representative Office of Aerospace Mechanical and Eletrical System in Nanjing,Nanjing 210006,China; 2.Beijing Institute of Structure and Environment Engineering,Beijing 100076,China)

The paper aims to improve reliability test technology of naval tactical missile and provide reference for development of new research and design.This paper summarized reliability tests of naval missile weapon in recent years, analyzed technical features of reliability test for all levels of single machine,on-board equipment and entire missile,and pointed out shortcomings in current reliability test.Finally,the paper gave suggestions on development of reliability test technology for the new tactical missile weapon system.

tactical missile;weapons system;reliability test

10.7643/issn.1672-9242.2017.07.017

TJ760.6+1；V216.8

A

1672-9242(2017)07-0083-04

2017-02-22；

2017-03-26

張弛（1990—），男，主要研究方向為導彈武器系統(tǒng)。