空空導(dǎo)彈定延壽技術(shù)應(yīng)用研究

李根成，陳智芳

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471009）

空空導(dǎo)彈是由載機(jī)攜帶，從載機(jī)上發(fā)射、攻擊并摧毀敵方各類空中目標(biāo)的精確制導(dǎo)武器，其作戰(zhàn)效能的高低已成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的重要因素[1]。壽命對(duì)空空導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能影響大，結(jié)合其“長(zhǎng)期貯存，多次掛飛，一次使用”的特點(diǎn)，用戶通常對(duì)其壽命周期不同階段提出了相應(yīng)的壽命指標(biāo)。如除用總壽命外，還有貯存壽命、掛飛壽命和通電壽命要求[2-4]。

合理確定壽命指標(biāo)是科學(xué)規(guī)劃空空導(dǎo)彈使用維護(hù)與修理、降低壽命周期費(fèi)用、充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能的需要，故受到用戶和承制方的高度關(guān)注。定壽是指通過分析與試驗(yàn)找到一個(gè)期限，在此期限內(nèi)產(chǎn)品仍能保持規(guī)定要求。由于導(dǎo)彈可維修，價(jià)值昂貴，在它開始不滿足規(guī)定要求時(shí)往往表現(xiàn)在一些薄弱環(huán)節(jié)上，這時(shí)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)維修可以使其滿足規(guī)定要求，這種維修就是延壽[5-6]。

1 國(guó)內(nèi)外常用的導(dǎo)彈定延壽方法

導(dǎo)彈貯存壽命的定延壽國(guó)際上主要有兩種方法：一是以美國(guó)為代表的國(guó)家，主要采用跟蹤監(jiān)測(cè)法；另一種是以俄羅斯為代表的國(guó)家，主要采用加速試驗(yàn)法[7-8]。國(guó)內(nèi)對(duì)導(dǎo)彈定延壽的典型做法是：設(shè)計(jì)定型階段承制方根據(jù)廠內(nèi)試驗(yàn)、外場(chǎng)信息以及相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)給出壽命預(yù)估值，隨著使用數(shù)據(jù)的積累等逐步給出首翻期、貯存期限等[9-10]。

1.1 跟蹤監(jiān)測(cè)法

美國(guó)認(rèn)為導(dǎo)彈組成復(fù)雜，材料種類繁多，其貯存使用環(huán)境也多種多樣，長(zhǎng)期貯存中失效是多因素作用的結(jié)果，并不存在可以計(jì)算貯存壽命的準(zhǔn)確公式。他們認(rèn)為確定貯存壽命的有效方法是跟蹤監(jiān)測(cè)，即執(zhí)行貯存可靠性計(jì)劃，從裝備列裝起，定期監(jiān)測(cè)導(dǎo)彈老化過程，包括貯存、戰(zhàn)場(chǎng)使用、飛行試驗(yàn)等環(huán)境下的性能參數(shù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而估計(jì)貯存壽命。同時(shí)通過分解檢查，用無損探傷和破壞性試驗(yàn)來檢查零部件有無腐蝕、脆化以及與老化有關(guān)的跡象。美軍所有貯存可靠性計(jì)劃都要求對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行飛行試驗(yàn)，之后將遙測(cè)數(shù)據(jù)與交付前的數(shù)據(jù)對(duì)比以尋找變化趨勢(shì)。如1968年美空軍擬定的“大力神Ⅱ可靠性和老化趨勢(shì)監(jiān)測(cè)計(jì)劃（草案）”中包括理論分析、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。地面試驗(yàn)需對(duì)全彈從頭到尾全面試驗(yàn)，分析時(shí)要對(duì)分系統(tǒng)的功能參數(shù)建立性能極限和故障判據(jù)，對(duì)部分分系統(tǒng)建立相應(yīng)模型，選擇相應(yīng)統(tǒng)計(jì)方法以估算可靠性和老化趨勢(shì)。該計(jì)劃的實(shí)施確保了使用可靠性，使大力神Ⅱ服役期延長(zhǎng)至25年[6,9]。

1.2 加速試驗(yàn)法

俄羅斯認(rèn)為開展加速試驗(yàn)可在有限時(shí)間內(nèi)獲得更多的壽命與可靠性信息，20世紀(jì)80年代前蘇聯(lián)就用加速貯存試驗(yàn)與加速運(yùn)輸試驗(yàn)來確定導(dǎo)彈壽命，并將其用于延壽。加速貯存試驗(yàn)以描述產(chǎn)品在貯存過程中物理化學(xué)失效過程為前提，在此基礎(chǔ)上形成用來設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案的軟件，該軟件運(yùn)行時(shí)需輸入貯存環(huán)境條件、場(chǎng)所、材料清單、元器件數(shù)量及其失效率等。俄羅斯“火炬”設(shè)計(jì)局對(duì) 8000多發(fā)導(dǎo)彈及彈上設(shè)備的失效情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，甄別出影響貯存壽命的薄弱環(huán)節(jié)，用6個(gè)月加速試驗(yàn)來模擬導(dǎo)彈10 年貯存壽命[9]。

加速運(yùn)輸試驗(yàn)是通過分析實(shí)際運(yùn)輸數(shù)據(jù)，弄清哪些頻段影響最大，之后提出試驗(yàn)方法，適用于導(dǎo)彈、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電子設(shè)備和零件等。通過建立一些定律和方程得到材料疲勞、老化過程，且要運(yùn)用兩個(gè)假設(shè)：應(yīng)力變化是線性的；故障是可累加的。通過試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)大幅縮短了時(shí)間，如進(jìn)行10 000 km的實(shí)地運(yùn)輸一般要1個(gè)月，而加速試驗(yàn)只需6天[11]。

1.3 國(guó)內(nèi)常用的導(dǎo)彈定延壽方法[12-14]

常用的有廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法、領(lǐng)先使用法、外場(chǎng)信息法、工程分析法、加速試驗(yàn)法等。廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法是利用設(shè)備盡量模擬外場(chǎng)使用條件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)，通過分析處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定產(chǎn)品壽命。領(lǐng)先使用法是根據(jù)使用時(shí)間最長(zhǎng)產(chǎn)品的外場(chǎng)信息進(jìn)行工程判斷和（或）統(tǒng)計(jì)分析，來確定產(chǎn)品壽命。外場(chǎng)信息法是利用產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用中的信息確定產(chǎn)品壽命，根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析方法的不同又分為殘存比率法和平均秩次法。工程分析法有薄弱環(huán)節(jié)法、相似法和折算法，薄弱環(huán)節(jié)法是通過分析產(chǎn)品中的壽命短板來確定壽命，相似法是利用相似產(chǎn)品壽命來確定或給定新產(chǎn)品壽命，折算法是將產(chǎn)品一種壽命單位折算為飛行小時(shí)或起落次數(shù)。加速試驗(yàn)法是在失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上，通過尋找產(chǎn)品壽命與應(yīng)力之間的物理化學(xué)關(guān)系（加速模型），利用加速應(yīng)力水平下的數(shù)據(jù)去外推或評(píng)估正常應(yīng)力水平下的壽命，有加速壽命試驗(yàn)法和加速退化試驗(yàn)法之分，前者得到的是加速應(yīng)力下的壽命數(shù)據(jù)，而后者得到的是加速應(yīng)力下的性能退化數(shù)據(jù)。

2 國(guó)內(nèi)空空導(dǎo)彈定延壽現(xiàn)狀

2.1 廠內(nèi)壽命試驗(yàn)法

空空導(dǎo)彈通電壽命和掛飛壽命的定延壽常用此方法，試驗(yàn)條件采用模擬實(shí)際使用中對(duì)產(chǎn)品壽命影響較大的敏感應(yīng)力，按工程經(jīng)驗(yàn)法對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。以某紅外空空導(dǎo)彈為例，在對(duì)其通電壽命延壽時(shí)，采用溫度應(yīng)力+振動(dòng)應(yīng)力+濕度應(yīng)力+電應(yīng)力的綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，結(jié)合延壽目標(biāo)取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.5設(shè)計(jì)延壽試驗(yàn)時(shí)間。在對(duì)該導(dǎo)彈掛飛壽命延壽時(shí)，采用掛飛耐久振動(dòng)+機(jī)動(dòng)飛振動(dòng)+橫向沖擊+縱向沖擊進(jìn)行考核，以充分模擬空中掛飛、帶彈起降過程，并取經(jīng)驗(yàn)系數(shù) 1.5處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 工程分析法

2.2.1 薄弱環(huán)節(jié)法

空空導(dǎo)彈貯存壽命、通電壽命、掛飛壽命的定延壽可用此方法。首先找出產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行試驗(yàn)以確定其壽命，進(jìn)而確定高一層次產(chǎn)品的壽命。延壽時(shí)先重點(diǎn)論證薄弱環(huán)節(jié)是否具有延壽潛力，如有則開展原位延壽，即結(jié)合薄弱環(huán)節(jié)所用元器件原材料特性、仿真分析結(jié)果等初步分析延壽潛力，然后設(shè)計(jì)試驗(yàn)以驗(yàn)證，進(jìn)而給出比初始?jí)勖L(zhǎng)的指標(biāo)。若無潛力則進(jìn)行修理延壽。以某導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)為例，研制階段分析認(rèn)為裝藥、橡膠密封圈為貯存壽命薄弱環(huán)節(jié)，通過對(duì)裝藥、橡膠密封圈進(jìn)行壽命試驗(yàn)表明可滿足首翻期要求。達(dá)到首翻期時(shí)，根據(jù)實(shí)際使用情況分析認(rèn)為裝藥壽命尚有一定余量，而橡膠密封圈的延壽潛力較小，故對(duì)已到首翻期的發(fā)動(dòng)機(jī)先更換橡膠密封圈，之后對(duì)裝藥貯存壽命進(jìn)行延壽試驗(yàn)。

2.2.2 相似產(chǎn)品法

空空導(dǎo)彈貯存壽命、通電壽命、掛飛壽命的定延壽可用此方法。如某彈載計(jì)算機(jī)與另一型彈載計(jì)算機(jī)模塊 A相比，工作原理基本相同，選用的元器件類同，印制板生產(chǎn)工藝也基本相同，A模塊自交付十多年來正常，類比分析認(rèn)為該彈載計(jì)算機(jī)的貯存壽命能達(dá)10年以上。再如某探測(cè)器是在另一型探測(cè)器B的基礎(chǔ)上改進(jìn)的，針對(duì)探測(cè)器B實(shí)際使用中的問題從配套器件、工藝等進(jìn)行了改進(jìn)，探測(cè)器 B已實(shí)際掛飛150次，類比分析認(rèn)為該型探測(cè)器的掛飛壽命能達(dá)到150次。

2.2.3 折算法

常用此方法進(jìn)行空空導(dǎo)彈掛飛壽命的定延壽。按照GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》，當(dāng)掛飛壽命為150飛行小時(shí)，試驗(yàn)量值為1.6倍功能試驗(yàn)量值時(shí)，耐久試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為每個(gè)軸向46 min[15]。產(chǎn)品研制總要求中常按起落次數(shù)明確掛飛壽命要求，如不小于70起落，所以對(duì)空空導(dǎo)彈掛飛壽命定延壽時(shí)，首先按載機(jī)的平均攜彈留空時(shí)間將起落次數(shù)折算為總的留空時(shí)間，再按46 min地面振動(dòng)試驗(yàn)相當(dāng)于空中150 h飛行的比例進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。

2.3 加速試驗(yàn)法

空空導(dǎo)彈貯存壽命定延壽常用此方法，即在分析并確定薄弱環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上開展加速試驗(yàn)。如對(duì)某型加速度計(jì)開展了加速退化試驗(yàn)，從而預(yù)估出正常應(yīng)力下的貯存壽命可達(dá) 17.1年。對(duì)某型電雷管、擴(kuò)爆管、火藥拔銷器等火工品開展了71 ℃的加速壽命試驗(yàn)，預(yù)估了正常應(yīng)力下的貯存壽命。采用加速壽命試驗(yàn)法對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)延壽時(shí)，既有針對(duì)裝藥（薄弱環(huán)節(jié)）的試驗(yàn)，又有針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的試驗(yàn)。

3 建議

定延壽技術(shù)在空空導(dǎo)彈中的應(yīng)用促進(jìn)了其戰(zhàn)斗力的形成與保持。隨著導(dǎo)彈日益集成化、系統(tǒng)化，其壽命與可靠性要求也不斷提高，當(dāng)前的定延壽技術(shù)在日益增長(zhǎng)的工程需求面前逐漸顯得力不從心。另外受研制周期、成本等因素制約，一些基礎(chǔ)工作仍有待加強(qiáng)。

1）加強(qiáng)廠內(nèi)試驗(yàn)技術(shù)研究。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的真實(shí)程度決定了廠內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的可信程度?？湛諏?dǎo)彈使用地域廣，配裝多型載機(jī)，應(yīng)重視空空導(dǎo)彈列裝后運(yùn)輸、裝卸、貯存、起降、掛飛等階段環(huán)境數(shù)據(jù)的收集分析。特別是盡可能利用科研靶試、批檢靶試、戰(zhàn)訓(xùn)等機(jī)會(huì)實(shí)測(cè)導(dǎo)彈實(shí)際工作環(huán)境，以指導(dǎo)廠內(nèi)試驗(yàn)條件的制定。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)試驗(yàn)方法研究，包括產(chǎn)品裝夾、控制點(diǎn)選擇、多輸入多輸出控制、極限控制、彈內(nèi)外傳遞特性等，以盡可能模擬實(shí)際環(huán)境。

2）重視失效機(jī)理研究。加速試驗(yàn)的前提是失效機(jī)理不變，即產(chǎn)品在不同應(yīng)力水平下的失效機(jī)理是相同的。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)致產(chǎn)品失效的物理化學(xué)過程研究，利用材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、失效分析技術(shù)等找出失效原因，進(jìn)而設(shè)計(jì)合理的方案，促進(jìn)加速試驗(yàn)在空空導(dǎo)彈上的廣泛應(yīng)用，并為基于失效物理的可靠性虛擬試驗(yàn)方法的應(yīng)用與發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

3）推廣可靠性虛擬試驗(yàn)?？煽啃蕴摂M試驗(yàn)是通過建立產(chǎn)品的物理模型、材料模型、設(shè)計(jì)分析模型、失效機(jī)理模型和其他工程分析模型，將產(chǎn)品預(yù)期承受的工作應(yīng)力與產(chǎn)品的潛在故障發(fā)展聯(lián)系起來，從而定量預(yù)計(jì)產(chǎn)品的可靠性與壽命。如在產(chǎn)品早期設(shè)計(jì)階段，可利用軟件進(jìn)行溫度應(yīng)力和振動(dòng)應(yīng)力的仿真計(jì)算，應(yīng)用失效物理模型進(jìn)行應(yīng)力損傷分析，以獲取潛在的故障信息。實(shí)踐表明，可靠性虛擬試驗(yàn)可有效避免可靠性和壽命試驗(yàn)的盲目性，節(jié)約研制經(jīng)費(fèi)，縮短研制周期[5-6]。

4）系統(tǒng)開展自然貯存試驗(yàn)。加速試驗(yàn)具有時(shí)間短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但依賴大量的元器件原材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，且加速試驗(yàn)的可信度得不到充分保證。相比而言，自然貯存試驗(yàn)可信度高?？蓞⒄彰绹?guó)成功經(jīng)驗(yàn)，制定并實(shí)施貯存可靠性計(jì)劃，通過跟蹤監(jiān)測(cè)及時(shí)掌握產(chǎn)品老化趨勢(shì)，識(shí)別薄弱環(huán)節(jié)并盡可能改進(jìn)，充分挖掘產(chǎn)品壽命潛力。

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