基于時序的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性分析方法

李炳蔚，祝學(xué)軍，林德健，南宮自軍，張子俊

（中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

武器裝備環(huán)境適應(yīng)性是指其在壽命期預(yù)計可能遇到的各種環(huán)境作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能、性能和（或）不被破壞的能力[1]，是武器裝備系統(tǒng)重要的質(zhì)量特性，也是武器系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的重要組成部分，直接影響部隊戰(zhàn)斗力的生成、保持和提高。美國國防部對武器裝備損壞情況進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)環(huán)境造成的損壞占整個使用過程的50%以上，庫存期環(huán)境導(dǎo)致的損壞占所有損壞的60%[2]。開展武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性研究工作是非常重要，也是非常急需的，研究針對武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性的分析方法具有重要意義。

目前我國導(dǎo)彈武器的環(huán)境適應(yīng)性分析工作主要參考GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》，通常按照環(huán)境分析、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性試驗及評價的順序開展工作，其中的環(huán)境分析偏重于環(huán)境的分析和環(huán)境條件的制定[1,3]。在環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計期間，應(yīng)進行環(huán)境適應(yīng)性分析，對裝備和產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進行預(yù)計，找出產(chǎn)品的耐環(huán)境水平和薄弱環(huán)節(jié)，然后改進設(shè)計，從而減少實物試驗的數(shù)量，提高研制效率，節(jié)省研制成本[3-5]。王冬等對艦載武器環(huán)境工程的實施進行了研究，提出了在方案設(shè)計階段對環(huán)境適應(yīng)性進行預(yù)先評價的重要性，提出了通過比較產(chǎn)品的使用環(huán)境和產(chǎn)品耐受環(huán)境極限對環(huán)境適應(yīng)性進行工程評估的方法[6]。朱蕾等提出了采用仿真分析方法對裝備的環(huán)境適應(yīng)性進行預(yù)估，并指出該方法的困難在于缺乏足夠的先驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)、失效規(guī)律復(fù)雜等[7]。段楠楠等對武器裝備系統(tǒng)的力學(xué)、自然、電磁環(huán)境適應(yīng)性進行了分析[8-14]。李濤等對材料、元器件和單機級產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進行了分析[15-18]。上述分析方法主要是結(jié)合各類環(huán)境效應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性的定性分析。

目前的環(huán)境適應(yīng)性分析方法主要是定性評價，在工程實踐中該項工作往往陷入依靠個人經(jīng)驗和“頭腦風(fēng)暴”式的工程評估，使得環(huán)境適應(yīng)性分析和預(yù)計收效甚微。為此，提出了基于時序的武器裝備環(huán)境適應(yīng)性分析方法，以產(chǎn)品、時序和環(huán)境作為線索全面梳理武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)，識別、控制和化解研制風(fēng)險，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。采用該方法，可以在方案階段提前暴露問題，避免方案反復(fù)。在工程研制階段可以提高研制效率，節(jié)省研制成本。在型號出廠前可以識別型號風(fēng)險，為任務(wù)成功奠定基礎(chǔ)。該方法中“時序”為廣義時序的概念，強調(diào)導(dǎo)彈全壽命周期經(jīng)歷環(huán)境的時序因果關(guān)系和相互影響。

1 方法概述

基于時序的導(dǎo)彈全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性分析方法框圖見圖1，研究思路如下。

圖1 基于時序的環(huán)境適應(yīng)性分析方法

1）在型號的方案階段或研制階段初期開展基于時序的導(dǎo)彈全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性分析工作，該方法分為環(huán)境要素分析和產(chǎn)品要素分析兩部分工作。

2）環(huán)境要素分析：主要是對導(dǎo)彈在全壽命周期內(nèi)遇到的所有環(huán)境剖面按照時序進行梳理分析的工作，包括外界的氣象或自然環(huán)境，也包括可能的人為操作、平臺發(fā)射、時序動作等產(chǎn)生的誘導(dǎo)環(huán)境。對于產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性問題，環(huán)境要素屬于外因，該部分工作按照時序進行梳理，最終給出各個剖面下的環(huán)境及量值Et、Es、Ed、Ef等。這些環(huán)境可以是單因素環(huán)境，也可以是多因素環(huán)境。

3）產(chǎn)品要素分析：主要是對導(dǎo)彈武器各個部位產(chǎn)品的環(huán)境耐受極限進行全面梳理統(tǒng)計的工作。環(huán)境極值的獲取方法包括元器件環(huán)境極值統(tǒng)計法、產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性數(shù)值仿真分析法、試驗驗證法等，最終得到產(chǎn)品耐受高低溫、振動、沖擊等環(huán)境的極值Ep。

4）通過對比產(chǎn)品耐受環(huán)境量值Ep和外界環(huán)境因素量值Et、Es、Ed、Ef，可以暴露武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)或風(fēng)險點，并定位到設(shè)備、安裝位置、時間段、具體環(huán)境。

5）根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性風(fēng)險點，制定針對性的措施。比如采取環(huán)境控制措施、更換元器件或其他設(shè)計改善措施。

2 環(huán)境要素分析

導(dǎo)彈武器裝備通常從出廠到完成飛行任務(wù)的全過程可以分成若干個任務(wù)剖面，一般任務(wù)剖面可以分為運輸剖面、貯存剖面和飛行使用剖面。在每個任務(wù)期中所遇到的環(huán)境因素的時間過程，稱為環(huán)境剖面。每個任務(wù)環(huán)境剖面考慮的環(huán)境因素可以分為力學(xué)環(huán)境、熱環(huán)境、自然環(huán)境和電磁環(huán)境等種類。以某型陸基車載發(fā)射導(dǎo)彈為例，其在全壽命周期經(jīng)歷的環(huán)境剖面如圖2所示。

2.1 貯存環(huán)境應(yīng)力

貯存環(huán)境通常按照后勤裝卸運輸、遮蔽儲存、無遮蔽儲存給出環(huán)境應(yīng)力，考慮的環(huán)境有：貯存期間由于后勤短途裝卸運輸造成的振動、沖擊等運輸環(huán)境，通常可以與運輸環(huán)境合并考慮；貯存時的高低溫、淋雨、砂塵、鹽霧、太陽輻射等自然環(huán)境。

2.2 運輸環(huán)境應(yīng)力

導(dǎo)彈武器系統(tǒng)在進行機動時處于運輸狀態(tài)，通常機動方式有公路運輸、鐵路運輸、航空運輸和水路運輸，考慮的環(huán)境如下。

圖2 某車載發(fā)射導(dǎo)彈環(huán)境剖面

1）公路運輸環(huán)境：公路運輸?shù)恼駝迎h(huán)境是運輸車或發(fā)射車在路面行駛時，由于路面起伏不平和車輛發(fā)動機激勵引起的。沖擊環(huán)境是由運輸車或發(fā)射車經(jīng)過凹凸路面顛簸，以及搬運、吊裝過程中的跌落和碰撞等引起的。

2）鐵路運輸：一般鐵路運輸按照10∶1的里程比例折算到公路運輸加以考慮。

3）海上運輸：振動環(huán)境是由波浪激勵、機械設(shè)備工作振動等引起的；沖擊環(huán)境是由其他武器發(fā)射、搬運、吊裝過程中的跌落和碰撞等引起的。

4）掛機飛行的振動環(huán)境主要是氣動噪聲引起的，掛機飛行的沖擊環(huán)境是由搬運、吊裝、著陸過程中的跌落和碰撞等引起的。

5）運輸自然環(huán)境：包括溫度、濕度、低氣壓、砂塵、鹽霧等環(huán)境。

2.3 飛行使用環(huán)境應(yīng)力

導(dǎo)彈從點火發(fā)射到命中目標期間經(jīng)歷的環(huán)境為飛行環(huán)境，主要的飛行環(huán)境應(yīng)力如下。

1）飛行振動環(huán)境：飛行振動環(huán)境主要是由發(fā)射、發(fā)動機噴流噪聲、發(fā)動機推力脈動、氣動噪聲引起。

2）加速度環(huán)境：加速度環(huán)境主要與導(dǎo)彈的飛行彈道過載相關(guān)。

3）噪聲環(huán)境：噪聲環(huán)境是由發(fā)射、發(fā)動機噴流噪聲和氣動噪聲引起的，氣動噪聲由動壓和脈動壓力系數(shù)決定。

4）沖擊環(huán)境：飛行沖擊環(huán)境主要是由發(fā)射、級間分離、頭體分離、拋罩等引起的，分離沖擊環(huán)境取決于分離方式、火工品種類和導(dǎo)彈艙段結(jié)構(gòu)形式。

5）自然環(huán)境：飛行過程中的自然環(huán)境包括溫度、溫度沖擊、濕度、低氣壓、淋雨等，這些環(huán)境主要與飛行彈道模式相關(guān)度較高。

3 產(chǎn)品要素分析

首先梳理武器系統(tǒng)組成，將各個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成進行分析，重點了解各系統(tǒng)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、元器件組成。隨后，分析產(chǎn)品的環(huán)境效應(yīng)，確定其耐受環(huán)境極限。

環(huán)境作用于武器裝備，會使武器裝備性能降低、可靠性降低、使用壽命縮短、研制成本提高。對于單項環(huán)境對武器裝備的影響已有較多研究。

1）高溫：高溫可使材料產(chǎn)生膨脹、軟化、老化，發(fā)生變形、強度降低，從而導(dǎo)致功能下降和喪失。具體體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)粘合、卡死、松動，機電部件過熱導(dǎo)致導(dǎo)通絕緣性能改變，有機材料褪色開裂，熱失配效應(yīng)導(dǎo)致涂層局部脫粘鼓包，密封件失效，電路穩(wěn)定性發(fā)生變化，繼電器開關(guān)范圍改變，含能材料燃燒加速，潤滑油脂性能降低等。

2）低溫：低溫會影響材料的力學(xué)性能、電氣性能、熱性能，導(dǎo)致裝備性能下降、失效甚至損毀。體現(xiàn)在材料硬化脆化導(dǎo)致抗沖擊性能降低、配合間隙變化，影響構(gòu)件性能，濕氣冷凝結(jié)霜結(jié)冰導(dǎo)致光學(xué)儀器性能下降，元器件可靠性降低，固體炸藥產(chǎn)生裂紋，固體燃料燃速降低等，潤滑性能下降。

3）高濕：高濕會在裝備表面形成水膜，造成材料腐蝕變質(zhì)直至失效，引起光學(xué)儀器表面起霧，水汽促進微生物生長加速密封件失效，電子設(shè)備和精密器件受潮會引起電氣性能下降，炸藥和推進劑受潮性能下降，潤滑性能下降。

4）砂塵：對裝備產(chǎn)生磨損、沉積、堵塞等多種形式，造成裝備磨損加速，活動部件卡死，增大接觸電阻，電路短路，砂塵與空氣摩擦產(chǎn)生高壓靜電（高達3000 V）對通信和雷達設(shè)備有破壞作用。

5）振動沖擊：振動沖擊等力學(xué)環(huán)境會使設(shè)備產(chǎn)生變形、疲勞、損傷、斷裂，引起設(shè)備發(fā)生機械故障，引發(fā)功能失效，對人員和設(shè)備造成間接傷害。比如裝備結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋和破壞失效、連接件/緊固件發(fā)生松動，結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，電子產(chǎn)品的絕緣強度改變，管路焊縫破壞引起串火，元器件針腳脫粘引起設(shè)備失效，電路板/電接頭/電熱絲損壞，密封件失效等。

當有多個環(huán)境交互作用時，環(huán)境因素的綜合作用可能會加劇對產(chǎn)品的影響，比如溫度、濕度綜合環(huán)境會使霉菌加速生長，加劇對產(chǎn)品的腐蝕，濕度和砂塵結(jié)合可使裝備材料加劇腐蝕失效。

獲取產(chǎn)品耐受環(huán)境量值常用的方法如下：通過環(huán)境摸底試驗、可靠性強化試驗等試驗獲取產(chǎn)品的環(huán)境耐受極限；通過環(huán)境虛擬試驗或者仿真，采用工程軟件對產(chǎn)品在各種環(huán)境下的響應(yīng)的應(yīng)力進行仿真，根據(jù)元器件的耐受極限預(yù)估產(chǎn)品的環(huán)境耐受極限；根據(jù)元器件能夠耐受的環(huán)境極限確定產(chǎn)品的耐受極限，尤其對于高低溫，元器件耐受極限往往可以很好的代表產(chǎn)品的耐受極限；根據(jù)類似產(chǎn)品以往經(jīng)歷過的試驗量級預(yù)估產(chǎn)品的耐受極限。

4 實施方法

4.1 分析流程

基于時序的環(huán)境適應(yīng)性分析流程如圖3所示，該方法的分析流程如下所述。

1）首先根據(jù)任務(wù)剖面編制導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的環(huán)境剖面。

2）針對特定的時序，開展環(huán)境因素的分析，對時序和環(huán)境分別進行編號i、j，第i個時序第j項環(huán)境為 Eij。這里的環(huán)境指的是設(shè)計環(huán)境，已在使用環(huán)境基礎(chǔ)上考慮了，該項工作由總體設(shè)計部門負責。

圖3 導(dǎo)彈武器環(huán)境適應(yīng)性分析流程

3）分析導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的組成，對產(chǎn)品進行編號，對第k個產(chǎn)品進行環(huán)境效應(yīng)分析。通過試驗、仿真和工程預(yù)示的方法得到其環(huán)境耐受極限為Ek。該項工作由武器系統(tǒng)總體設(shè)計部門分解，由產(chǎn)品設(shè)計單位負責開展。

4）根據(jù)環(huán)境條件和產(chǎn)品耐受環(huán)境信息，開展環(huán)境適應(yīng)性分析。分析時考慮不同時序環(huán)境的時間相關(guān)性（比如時間累計效應(yīng)、之前時序動作對后續(xù)時序的影響）和空間相關(guān)性（比如產(chǎn)品工作對其他部位產(chǎn)品環(huán)境的影響），該項工作由總體設(shè)計部門負責。

5）根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性分析結(jié)果，評價環(huán)境適應(yīng)性余量 fs=Ek/Eij。如果 fs<1，表明環(huán)境適應(yīng)性不合格，應(yīng)進一步驗證、優(yōu)化或更改設(shè)計方案；如果fs接近1，說明產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性處理臨界狀態(tài)，需要考慮各種不確定性，結(jié)合試驗、仿真等手段進一步驗證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性；如果fs>1，可以認為環(huán)境適應(yīng)性良好，但是fs過大可能會導(dǎo)致較高的成本。

6）根據(jù)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性分析結(jié)果，識別分系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)，指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計和試驗工作，為武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的提升提供關(guān)鍵支撐。

4.2 組織實施

基于時序的環(huán)境適應(yīng)性分析可以在導(dǎo)彈武器的方案設(shè)計、工程研制、定型和批產(chǎn)等各個階段開展，但應(yīng)盡早開展，最好在方案設(shè)計和工程研制之初開展。方案階段進行基于時序的環(huán)境適應(yīng)性分析，可以定位設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，有效識別風(fēng)險。對于地面試驗、飛行試驗出現(xiàn)故障的情況，該項工作也可以輔助FTA進行環(huán)境適應(yīng)性分析，為故障定位、排除和驗證提供重要支撐。

通常質(zhì)量部門負責基于時序的環(huán)境適應(yīng)性分析工作的策劃、組織和管理，總體單位負責工作的技術(shù)抓總，各分系統(tǒng)負責按照模板反饋重要產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性調(diào)查結(jié)果，包括產(chǎn)品的敏感環(huán)境、敏感元器件、環(huán)境耐受極限等信息。

5 結(jié)果及討論

該方法目前已應(yīng)用于多型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的環(huán)境適應(yīng)性分析工作中，并且應(yīng)用到了型號研制的各個階段。在方案階段，可以及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，及時完善導(dǎo)彈總體方案；在工程研制階段，尤其是在首飛前，可以全面發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈飛行環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)風(fēng)險，通過試驗驗證、仿真分析，采取改善措施，確保飛行任務(wù)成功。環(huán)境適應(yīng)性的分析工作應(yīng)盡量提前開展，以避免方案和試驗的反復(fù)，降低研制成本，提高研制效率。

采用基于時序的導(dǎo)彈武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性分析方法，對某型導(dǎo)彈武器首飛飛行力、熱、電磁、自然環(huán)境適應(yīng)性進行了分析，發(fā)現(xiàn)了63項潛在的環(huán)境適應(yīng)性風(fēng)險，其中有3項影響成敗。通過試驗、仿真、改進設(shè)計等手段將上述風(fēng)險一一化解，最終該導(dǎo)彈取得了多發(fā)飛行試驗成功，證明了該方法的有效性。

6 結(jié)語

提出了基于時序的武器裝備環(huán)境適應(yīng)性分析方法，給出了基于時序的環(huán)境要素分析方法、產(chǎn)品要素分析方法和基于研制流程的工程實施方法。該方法已成功應(yīng)用于多型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，可以充分暴露武器系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性風(fēng)險，并且可以作為一種風(fēng)險識別方法應(yīng)用到試驗充分性分析和測試覆蓋性分析中，具有重要的工程應(yīng)用和推廣價值。