導(dǎo)彈裝備貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)體系探討

張生鵬，李宏民，趙朋飛

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

導(dǎo)彈裝備具有“長期貯存，一次使用”的特點(diǎn)，在導(dǎo)彈產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)，絕大部分的時(shí)間是處于貯存或不工作狀態(tài)。目前各型號(hào)研制中，都將導(dǎo)彈貯存若干年后的可靠度作為導(dǎo)彈的一項(xiàng)重要指標(biāo)。對于如何開展導(dǎo)彈貯存壽命指標(biāo)的考核與驗(yàn)證，目前還缺乏有效的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范作為依據(jù)。如果通過長期的自然貯存來驗(yàn)證導(dǎo)彈的貯存期，對于軍方要求武器型號(hào)在定型時(shí)能給出貯存期結(jié)論顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，開展導(dǎo)彈加速貯存試驗(yàn)技術(shù)研究是適應(yīng)當(dāng)前型號(hào)研制周期短、經(jīng)費(fèi)少、可靠性要求高的形勢需要。

導(dǎo)彈裝備的研制是一個(gè)系統(tǒng)工程，要全面實(shí)現(xiàn)并滿足貯存可靠性指標(biāo)要求，需要在研制過程中及早制定試驗(yàn)計(jì)劃，分階段、針對不同級(jí)別和層次的產(chǎn)品系統(tǒng)地開展貯存壽命加速試驗(yàn)驗(yàn)證工作。目前在GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》[1]及GJB 4239《裝備環(huán)境工程管理》[2]中，已經(jīng)建立了比較完善的可靠性試驗(yàn)及環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)體系。對于壽命試驗(yàn)，還缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)體系框架。文中針對導(dǎo)彈產(chǎn)品的特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀[3-4]，探討開展導(dǎo)彈裝備貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)研究的維度、試驗(yàn)時(shí)機(jī)及總體技術(shù)途徑，提出在其全壽命周期應(yīng)開展貯存壽命加速試驗(yàn)的工作項(xiàng)目，為快速驗(yàn)證及評(píng)估新研裝備的貯存壽命，以及評(píng)定現(xiàn)役裝備的剩余壽命提供依據(jù)。

1 導(dǎo)彈裝備貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)要點(diǎn)

1.1 技術(shù)特征

目前，國內(nèi)掀起了導(dǎo)彈加速貯存試驗(yàn)與評(píng)估技術(shù)研究熱潮，但技術(shù)難度大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面[4]。

1）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能失效的環(huán)節(jié)多。導(dǎo)彈裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是由不同種類原材料、元器件、多層產(chǎn)品構(gòu)成的復(fù)雜體系。體系中不管是材料器件的問題、工藝的問題、設(shè)計(jì)的問題，還是使用的問題等，最終都會(huì)在貯存使用過程中暴露出來。

2）環(huán)境剖面復(fù)雜。導(dǎo)彈裝備在貯存壽命內(nèi)經(jīng)歷的環(huán)境剖面包括工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，且交替出現(xiàn)。在長期貯存過程中，受到溫度、濕度等因素的影響，隨著貯存年限的增加，會(huì)發(fā)生材料老化、腐蝕，元器件、含能材料、磁性結(jié)構(gòu)的性能衰退等物理或化學(xué)變化。在“地面使用”過程中受振動(dòng)、沖擊、電應(yīng)力等因素的影響會(huì)產(chǎn)生疲勞、磨損、過應(yīng)力等物理損傷。

3）失效原因、過程復(fù)雜。盡管貯存延壽主要研究非工作狀態(tài)下的壽命問題，但在導(dǎo)彈的貯存剖面內(nèi)，由于長期貯存和“地面使用”交替出現(xiàn)，導(dǎo)致難以辨別導(dǎo)彈產(chǎn)品發(fā)生失效的原因和過程，增加了研究的難度。

4）失效模式多，失效判據(jù)制定難。導(dǎo)彈裝備的失效模式很多，部分失效模式之間還具有相關(guān)性，單一失效模式的失效數(shù)據(jù)又很少，這些都給制定科學(xué)有效的失效判據(jù)帶來了困難。目前國內(nèi)普遍缺少用于表征貯存壽命的性能參數(shù)指標(biāo)體系及其判據(jù)，成為制約貯存延壽工作的瓶頸問題。

5）老化過程監(jiān)測檢測難。貯存壽命加速試驗(yàn)主要研究產(chǎn)品的老化問題，最直接、最有效的方法是對老化過程進(jìn)行監(jiān)測。由于老化速度非常緩慢，監(jiān)測的時(shí)間很長，對檢測設(shè)備的靈敏度和可靠性要求高，特別是對傳感器的要求很高。

因此，貯存壽命加速試驗(yàn)不僅僅是壽命問題，還包含了對導(dǎo)彈研制的再認(rèn)識(shí)。貯存延壽技術(shù)涉及損傷力學(xué)、失效化學(xué)、失效物理、材料學(xué)、航空航天技術(shù)、環(huán)境工程、統(tǒng)計(jì)學(xué)、失效分析學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，專業(yè)面廣，對國家的工業(yè)基礎(chǔ)依賴很強(qiáng)，是一項(xiàng)基礎(chǔ)性、長遠(yuǎn)性、全局性的研究課題。

1.2 技術(shù)研究維度

針對導(dǎo)彈裝備貯存壽命研究的這些特點(diǎn)，文中提出從應(yīng)力類型、產(chǎn)品類別及產(chǎn)品層次三個(gè)維度開展貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)的研究，如圖1所示。

1.2.1 產(chǎn)品層次

從產(chǎn)品層次劃分，導(dǎo)彈從上至下可分為系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、整機(jī)級(jí)和元器件材料級(jí)[5]，如圖2所示。針對不同層次的產(chǎn)品，貯存壽命加速試驗(yàn)的目的和方法不同。

1.2.2 產(chǎn)品類別

按照產(chǎn)品類別，將導(dǎo)彈產(chǎn)品分為電子產(chǎn)品、機(jī)電產(chǎn)品、光電產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)件、彈性元件、含能產(chǎn)品（火工品，發(fā)動(dòng)機(jī)）等，如圖3所示。不同類別產(chǎn)品的壽命特征參數(shù)及其檢測方法不同：對于結(jié)構(gòu)件、光學(xué)產(chǎn)品、電路板等，主要采用無損檢測的方法；對于電子產(chǎn)品（包括軟件），需要采用電參數(shù)測試及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)；對于機(jī)電產(chǎn)品，需要進(jìn)行電參數(shù)測試及負(fù)載測試；對于含能產(chǎn)品，則需要通過點(diǎn)火等方式進(jìn)行測試。

1.2.3 應(yīng)力類型

根據(jù)導(dǎo)彈裝備實(shí)際貯存任務(wù)剖面、包裝狀態(tài)下的敏感環(huán)境應(yīng)力選取相應(yīng)的加速模型，如圖4所示。

1.3 試驗(yàn)時(shí)機(jī)

根據(jù)研制各階段的貯存試驗(yàn)任務(wù)及可能提供的試驗(yàn)產(chǎn)品情況，在研制過程中及早制定試驗(yàn)計(jì)劃，分階段、針對不同級(jí)別和層次的產(chǎn)品系統(tǒng)地開展貯存壽命加速試驗(yàn)驗(yàn)證工作。一般按以下方法選取。

1）方案階段及初樣階段：可選取采用的新材料、新元器件/零部件以及影響導(dǎo)彈貯存壽命的薄弱部件作為試品。薄弱環(huán)節(jié)的貯存壽命加速試驗(yàn)結(jié)果是開展彈上設(shè)備和分系統(tǒng)加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提。

2）試樣階段：選取關(guān)鍵的彈上設(shè)備作為試品。

3）定型階段：選取關(guān)鍵的彈上設(shè)備、分系統(tǒng)/全彈作為試品。

此外，在裝備交付使用階段，也可開展不同級(jí)別和層次產(chǎn)品的貯存壽命加速試驗(yàn)，用于評(píng)定產(chǎn)品的剩余壽命。

1.4 技術(shù)途徑

為了驗(yàn)證和評(píng)價(jià)導(dǎo)彈裝備的貯存壽命指標(biāo)是否滿足研制總要求或任務(wù)書的要求，以導(dǎo)彈裝備的產(chǎn)品層次為主線，建立從薄弱部件、整機(jī)到分系統(tǒng)/全彈的整體的加速壽命試驗(yàn)總體技術(shù)方案，如圖5所示。

該方案中，導(dǎo)彈貯存壽命加速試驗(yàn)輸入的數(shù)據(jù)包括：導(dǎo)彈全壽命周期貯存環(huán)境條件數(shù)據(jù)；貯存失效數(shù)據(jù)，包括靶場靶試數(shù)據(jù)、貯存定期檢測數(shù)據(jù)，自然貯存失效數(shù)據(jù)及貯存可靠性分析數(shù)據(jù)。

開展薄弱部件加速貯存試驗(yàn)的目的是確定各環(huán)節(jié)的壽命分布模型及加速模型，其結(jié)果是開展彈上設(shè)備、分系統(tǒng)/全彈加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提。彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品可采用恒定應(yīng)力或者步進(jìn)/步退應(yīng)力加速試驗(yàn)方案[6-7]。

對于彈上設(shè)備等整機(jī)級(jí)產(chǎn)品只開展驗(yàn)證性試驗(yàn)，其目的是根據(jù)底層材料、器件、部組件的壽命信息和加速試驗(yàn)結(jié)果，建立整機(jī)產(chǎn)品貯存壽命模型，求取整機(jī)加速因子，通過加速試驗(yàn)剖面在較短的時(shí)間考核驗(yàn)證產(chǎn)品的貯存壽命。整機(jī)級(jí)產(chǎn)品采用貯存壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)與貯存后可用性驗(yàn)證試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)方案[8-9]。

分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗(yàn)也是驗(yàn)證性試驗(yàn)，因?yàn)橐揽砍Ｒ?guī)不同類型的加速試驗(yàn)方法，試驗(yàn)件數(shù)量滿足不了要求，成本太高。分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗(yàn)需要依托構(gòu)成導(dǎo)彈的底層材料、器件、部組件、整機(jī)的壽命信息和加速試驗(yàn)成果，自上而下、綜合集成、形成加速試驗(yàn)驗(yàn)證方法。分系統(tǒng)/全彈采用貯存壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)與貯存后飛行靶試相結(jié)合的試驗(yàn)方案[4]。

2 導(dǎo)彈裝備貯存壽命加速試驗(yàn)工作項(xiàng)目探討

2.1 貯存環(huán)境數(shù)據(jù)歸納

通過分析導(dǎo)彈貯存任務(wù)剖面，進(jìn)行貯存環(huán)境條件分析，確定產(chǎn)品失效或退化敏感應(yīng)力。

導(dǎo)彈全壽命周期貯存環(huán)境條件數(shù)據(jù)，需要與實(shí)際貯存環(huán)境或研制總要求/任務(wù)書對應(yīng)。

貯存環(huán)境載荷譜是進(jìn)行導(dǎo)彈貯存可靠性（壽命）設(shè)計(jì)、分析的基礎(chǔ)和輸入，同時(shí)，實(shí)際貯存狀態(tài)的環(huán)境載荷譜也是進(jìn)行導(dǎo)彈貯存可靠性和貯存壽命試驗(yàn)驗(yàn)證和評(píng)估的依據(jù)，提供了加速貯存試驗(yàn)的基準(zhǔn)。

2.2 貯存失效信息分析

收集導(dǎo)彈裝備貯存失效模式及失效機(jī)理數(shù)據(jù)，為確定貯存壽命薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

1）調(diào)研分析收集的戰(zhàn)備值班、演習(xí)靶場、靶試等外場數(shù)據(jù)，調(diào)研在演習(xí)、靶試時(shí)導(dǎo)彈裝備上工作不正常、性能退化及失效的組件。

2）調(diào)研分析導(dǎo)彈裝備的定期檢測數(shù)據(jù)，從中分析出導(dǎo)彈裝備性能參數(shù)的退化趨勢。有明顯單調(diào)退化趨勢的產(chǎn)品通?？梢源_定為導(dǎo)彈裝備的貯存薄弱元器件及組件。

3）重點(diǎn)關(guān)注采用新材料、新器件、新工藝的產(chǎn)品。在材料與器件壽命分析的基礎(chǔ)上，找出導(dǎo)彈裝備與筒（箱）彈的貯存可靠性薄弱元器件及組件。

4）通過可靠性預(yù)計(jì)，估計(jì)導(dǎo)彈故障率較高的環(huán)節(jié)和產(chǎn)品。通過FMEA以及P-FMEA確定導(dǎo)彈設(shè)計(jì)上的薄弱元器件及組件以及這些薄弱元器件及組件的敏感應(yīng)力。

2.3 薄弱部件加速試驗(yàn)

彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品貯存壽命加速試驗(yàn)的目的是確定其壽命分布模型和加速模型類型及其參數(shù)，其結(jié)果是開展彈上設(shè)備、分系統(tǒng)/全彈加速試驗(yàn)的基礎(chǔ)和前提。

1）彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品，包括材料件、元器件及部組件可采用恒定應(yīng)力或者步進(jìn)/步退應(yīng)力加速試驗(yàn)方案。

2）薄弱元器件及組件貯存失效模式分析應(yīng)考慮導(dǎo)致貯存失效的各種影響因素，包括產(chǎn)品的物理及力學(xué)性能、貯存環(huán)境條件、環(huán)境防護(hù)措施及安裝方式等，通過失效機(jī)理分析確定導(dǎo)致薄弱元器件及組件失效的物理化學(xué)過程及失效敏感應(yīng)力，為加速模型的選擇提供依據(jù)。

2.4 整機(jī)加速試驗(yàn)

整機(jī)加速試驗(yàn)的目的是根據(jù)底層材料、器件、部組件的壽命信息和加速試驗(yàn)結(jié)果，建立產(chǎn)品在實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)狀態(tài)下的失效與自然貯存失效的等效關(guān)系，通過加速試驗(yàn)在較短的時(shí)間驗(yàn)證和評(píng)價(jià)產(chǎn)品的貯存壽命是否滿足規(guī)定的指標(biāo)要求。

1）整機(jī)加速貯存試驗(yàn)是驗(yàn)證性試驗(yàn)。整機(jī)采用貯存壽命加速驗(yàn)證試驗(yàn)與貯存后可用性驗(yàn)證相結(jié)合的試驗(yàn)方案。

2）固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，戰(zhàn)斗部及火工品等采用GJB 1307A—2004《航天火工裝置通用規(guī)范》[10]推薦的加速老化試驗(yàn)與貯存后環(huán)境及性能試驗(yàn)相結(jié)合的試驗(yàn)方案。

3）整機(jī)加速通過加速因子進(jìn)行時(shí)間折算，根據(jù)整機(jī)加速因子、實(shí)際貯存環(huán)境，設(shè)計(jì)貯存壽命加速試驗(yàn)剖面，并開展試驗(yàn)驗(yàn)證。因此根據(jù)材料、器件級(jí)的加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)求取整機(jī)加速因子是關(guān)鍵。

2.5 分系統(tǒng)/全彈加速試驗(yàn)與評(píng)估

以產(chǎn)品貯存薄弱環(huán)節(jié)與壽命短板分析為基礎(chǔ)，實(shí)際貯存環(huán)境載荷譜與載荷譜編制為基準(zhǔn)，底層產(chǎn)品（材料、元器件、部組件等）和整機(jī)（電子類、機(jī)電類、光電類和結(jié)構(gòu)類）加速試驗(yàn)信息為支撐，采用金字塔式建模方式，建立貯存條件下分系統(tǒng)/全彈的貯存壽命模型，開展貯存期加速試驗(yàn)驗(yàn)證與評(píng)估。

1）分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗(yàn)是集成性試驗(yàn)。需要依托構(gòu)成導(dǎo)彈的底層材料、器件、部組件、整機(jī)的壽命信息和加速試驗(yàn)成果，自上而下、綜合集成、形成加速試驗(yàn)驗(yàn)證方法。分系統(tǒng)/全彈采用貯存壽命加速試驗(yàn)驗(yàn)證與貯存后飛行靶試相結(jié)合的試驗(yàn)方案。

2）利用各整機(jī)/分系統(tǒng)的壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及導(dǎo)彈薄弱環(huán)節(jié)分析結(jié)果，結(jié)合導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)信息和地面試驗(yàn)信息，綜合部隊(duì)的使用維護(hù)信息和飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估導(dǎo)彈分系統(tǒng)/全彈的貯存可靠度。

3 展望

受限于主客觀因素的影響，目前導(dǎo)彈裝備貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)體系尚不完善，還沒有形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。隨著導(dǎo)彈貯存壽命加速試驗(yàn)技術(shù)及壽命評(píng)估方法研究的不斷深入，將不斷加深對導(dǎo)彈貯存壽命指標(biāo)的認(rèn)識(shí)及對導(dǎo)彈貯存試驗(yàn)的理解。后續(xù)將對體系框架中涉及的相關(guān)技術(shù)問題仍需進(jìn)一步深入研究。

1）從原材料、元器件向整機(jī)、分系統(tǒng)/全彈級(jí)加速試驗(yàn)方向發(fā)展。研究表明，僅做低層級(jí)產(chǎn)品的加速貯存試驗(yàn)并不能反映高層級(jí)產(chǎn)品的真實(shí)失效情況，很多在高層級(jí)產(chǎn)品上暴露出來的失效現(xiàn)象，不能夠通過由其所包含的低層級(jí)產(chǎn)品的加速貯存試驗(yàn)反映出來。究其原因是開展整機(jī)、分系統(tǒng)/全彈級(jí)產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)，產(chǎn)品的邊界條件更為真實(shí)，更能反映產(chǎn)品的真實(shí)壽命歷程。因此，加速貯存試驗(yàn)的產(chǎn)品層次越高，得出的結(jié)論越可信。提升加速試驗(yàn)的應(yīng)用對象級(jí)別是裝備貯存可靠性領(lǐng)域亟待解決的問題。

2）從單應(yīng)力加速向多應(yīng)力耦合加速試驗(yàn)方向發(fā)展。導(dǎo)彈裝備在全壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的階段及面臨的環(huán)境因素多樣，既有自然環(huán)境，又有誘發(fā)環(huán)境，以及通電工作應(yīng)力及復(fù)雜工況耦合應(yīng)力。因此，產(chǎn)品的失效往往存在多個(gè)失效模式和多個(gè)失效機(jī)理，從單應(yīng)力加速向多應(yīng)力加速方向發(fā)展是提高試驗(yàn)驗(yàn)證準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。開展多應(yīng)力條件試驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)產(chǎn)品實(shí)際經(jīng)受的、同時(shí)發(fā)生的應(yīng)力，能夠產(chǎn)生綜合的應(yīng)力效應(yīng)，因而能夠更有效地進(jìn)行裝備的壽命預(yù)測及全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性的考核驗(yàn)證。

3）向“環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)-壽命預(yù)測-可靠性驗(yàn)證考核”一體化試驗(yàn)方向發(fā)展。環(huán)境試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)及壽命試驗(yàn)幾乎同樣貫穿于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、定型的各個(gè)階段。雖然這些試驗(yàn)隨著階段的不同其目的和針對性都有所不同，但無疑這些試驗(yàn)都是在實(shí)驗(yàn)室受控的環(huán)境條件下進(jìn)行的，所用的環(huán)境因素、應(yīng)力類型和試驗(yàn)設(shè)備都基本類似，并且加速壽命試驗(yàn)在一定程度上可以覆蓋環(huán)境適應(yīng)性的試驗(yàn)條件，又能夠得出量化的可靠性指標(biāo)。因此開展“環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)-壽命預(yù)測-可靠性驗(yàn)證考核”一體化的試驗(yàn)方法研究，可以推動(dòng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ降霓D(zhuǎn)變，在一定條件下進(jìn)行試驗(yàn)項(xiàng)目的綜合、協(xié)調(diào)、避免重復(fù)試驗(yàn)。

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