無人機載光電任務(wù)載荷可靠性試驗方案設(shè)計

常海 田薇 陳卓 趙倩 李旭

摘 ?要：基于無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性分析與FMECA分析都可以對無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性水平進行分析。但是這兩者注重的是某些影響參數(shù)所帶來的影響，因此可能會忽略部分因素。同時，在采用這兩種方法的過程之中，也沒有注重各個因素之間的聯(lián)系。這就使得這兩種分析方法的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。為了能夠解決這種情況，提高分析的可靠性。在文中涉及了無人機載光電任務(wù)載荷可靠性試驗方案，為可靠性試驗的開展提供借鑒，進一步地提高分析結(jié)果的可靠性。

關(guān)鍵詞：光電任務(wù)荷載;可靠性試驗;無人機載

中圖分類號：V279 ? ? 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）13-0054-03

Design of Load Reliability Test Scheme for Unmanned Aerial Optoelectronic Mission

CHANG Hai，TIAN Wei，CHEN Zhuo，ZHAO Qian，LI Xu

（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an ?710065，China）

Abstract：Both reliability analysis and FMECA analysis based on UAV-borne photoelectric mission load can analyze the reliability level of UAV-borne photoelectric mission load. However，both of them focus on the impact on some influencing parameters，so some factors may be neglected. At the same time，in the process of adopting these two methods，the relationship between various factors is not emphasized. This makes the results of these two analyses inaccurate. In order to solve this situation and improve the reliability of analysis. In this paper，the reliability test scheme of UAV on-board photoelectric mission load is involved，which provides a reference for the development of reliability test and further improves the reliability of the analysis results.

Keywords：photoelectric mission load;reliability test;unmanned aerial vehicle

1 ?無人機載光電任務(wù)載荷可靠性試驗的必要性分析

基于無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性分析與FMECA分析雖然能夠在理論上對無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性水平做出較全面的評估，但是為了著重分析某些影響參數(shù)對光電任務(wù)載荷可靠性的影響，通常會忽略其他次要因素，從而簡化模型;另外在可靠性分析中也未考慮影響參數(shù)之間的耦合情況，忽略了因素之間可能的關(guān)聯(lián)性，需要對無人機載光電任務(wù)載荷進行真實環(huán)境下的實物可靠性試驗。

另一方面，由類似光電任務(wù)載荷的外場試驗結(jié)果分析，造成光電任務(wù)載荷失效的原因還有很多。因此，為了保證無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性，除了要深入研究光電任務(wù)載荷載在理想工作環(huán)境中的可靠性之外，還需要對無人機載光電任務(wù)載荷載在真實環(huán)境下進行實物可靠性試驗，暴露光電任務(wù)載荷的設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，獲得光電任務(wù)載荷的關(guān)鍵失效模式，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)評估其可靠性指標(biāo)并提出相應(yīng)的改進措施，以實現(xiàn)無人機載光電任務(wù)載荷可靠性增長，保證無人機系統(tǒng)的可靠性。

2 ?無人機載光電任務(wù)載荷可靠性試驗設(shè)計思路

無人機光電任務(wù)載荷在進行任務(wù)工作期間，很大程度上都會承受周圍環(huán)境應(yīng)力對其的影響，基礎(chǔ)的可靠性試驗由于試驗周期長，費時費工。若要在較短時間內(nèi)評定出光電載荷的可靠性，可以采用加速壽命試驗。加速壽命試驗，又分為：

（1）恒定應(yīng)力加速壽命試驗，其試驗方法穩(wěn)定、試驗精度較高、但試驗周期長;

（2）序進應(yīng)力加速壽命試驗，其試驗周期短、但試驗方法不穩(wěn)定，并且對試驗設(shè)備的配置要求較高;

（3）步進應(yīng)力加速壽命試驗，步進應(yīng)力加速壽命試驗與序進應(yīng)力加速壽命試驗相比較，其試驗方法較穩(wěn)定，試驗設(shè)備配置要求簡單;與恒定應(yīng)力加速壽命試驗相比較，其試驗周期相對較短，且試驗產(chǎn)品失效率得到了提高，所以步進應(yīng)力加速壽命試驗成為了近幾年國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域新的發(fā)展方向。

為了提高無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性試驗精度，將可靠性試驗周期有效縮短，很多學(xué)者著重于研究優(yōu)化步進應(yīng)力加速壽命試驗方案，但結(jié)果都不理想。

所以，結(jié)合三種加速壽命試驗之間的優(yōu)劣性，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)可靠性試驗的基礎(chǔ)上，以步進應(yīng)力加速壽命試驗技術(shù)的研究為著重點，設(shè)計合理的步進應(yīng)力試驗剖面，提高試驗穩(wěn)定性的試驗效果，達到縮短試驗周期的目的，使產(chǎn)品在正常應(yīng)力水平時中位壽命估計值的精度提高。

3 ?無人機載光電任務(wù)載荷步進應(yīng)力加速壽命試驗方法

3.1 ?無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性統(tǒng)計模型

溫度應(yīng)力是影響無人機載光電任務(wù)載荷在進行任務(wù)工作期間的可靠性的最主要環(huán)境因素。在溫度應(yīng)力的影響下，無人機載光電任務(wù)載荷的壽命t服從二參數(shù)的Weibull分布，其概率密度函數(shù)為：

3.2 ?步進應(yīng)力加速壽命試驗的基本原理

設(shè)定試驗加速應(yīng)力是用溫度轉(zhuǎn)化應(yīng)力參數(shù)x來表示，那么在步進應(yīng)力加速壽命試驗中，當(dāng)試驗應(yīng)力參數(shù)為xq（除q=1外）時，要想獲得在應(yīng)力參數(shù)xq下完整的試驗壽命數(shù)據(jù)，可以采用時間折算的方法，因為要考慮到應(yīng)力參數(shù)xq以前所有應(yīng)力參數(shù)的累積試驗時間，這樣可以將試驗產(chǎn)品在前q-1個應(yīng)力參數(shù)下所受到的試驗對產(chǎn)品壽命的影響進行補償。

3.3 ?無人記載光電任務(wù)載荷的步進應(yīng)力加速壽命試驗優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則

現(xiàn)根據(jù)無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性統(tǒng)計模型，假設(shè)以下情況，便于對整體步進應(yīng)力加速壽命試驗方案優(yōu)化：

（1）整體步進應(yīng)力加速壽命試驗均有一個總截尾時間τS=τ1+τ2+…+τK，試驗期間除非試驗產(chǎn)品失效而中止試驗，否則試驗持續(xù)進行，直至試驗結(jié)束或者試驗產(chǎn)品全部失效。

（2）試驗的溫度從應(yīng)力參數(shù)為xi時到應(yīng)力參數(shù)為xi+1時的轉(zhuǎn)化過程中（轉(zhuǎn)化周期為τi），將失效的試驗產(chǎn)品從試驗中取出，并對未失效的產(chǎn)品繼續(xù)試驗。

（3）試驗開始前，需要設(shè)定試驗溫度應(yīng)力參數(shù)的正常參數(shù)x0以及最高參數(shù)xK（最高試驗溫度應(yīng)力參數(shù)的設(shè)計要保證試驗產(chǎn)品的失效機理不變）。

3.4 ?步進加速壽命試驗參數(shù)的確定

3.4.1 ?正常試驗溫度參數(shù)的確定

根據(jù)GJB150A的規(guī)定，無人機載光電任務(wù)載荷的工作溫度為-55℃～65℃，考慮到試驗室是封閉的空間，且恒溫恒濕，并參考相關(guān)光電任務(wù)載荷的環(huán)境試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)取環(huán)境溫度為θ0=20℃。

3.4.2 ?最高溫度參數(shù)的確定

試驗最高溫度參數(shù)的選擇，首先要保證不能對試驗產(chǎn)品進行破壞性試驗，在這個前提下，試驗溫度參數(shù)應(yīng)選擇可取溫度參數(shù)范圍內(nèi)的最大值，根據(jù)無人機載光電任務(wù)載荷的工作環(huán)境，擬定本次試驗的最高溫度為-60℃及70℃。

3.4.3 ?總截尾時間的上限τs的確定

本次加速壽命試驗選擇步進應(yīng)力加速壽命試驗，其試驗優(yōu)點就在于總截尾時間較恒定應(yīng)力加速壽命試驗短。由于相關(guān)機載光電任務(wù)載荷的恒定應(yīng)力加速壽命試驗的總截尾上限 =600h，因此，考慮到試驗的加速性并結(jié)合試驗費用預(yù)算，確定本次試驗總截尾時間上限τs=240h。

3.4.4 ?步進應(yīng)力參數(shù)的確定

本次步進加速壽命試驗分為高溫應(yīng)力階段和低溫應(yīng)力階段?？紤]到試驗結(jié)束后的試驗箱內(nèi)的環(huán)境溫度，試驗從低溫應(yīng)力階段開始，根據(jù)試驗箱初始溫度參數(shù)，設(shè)定初始溫度參數(shù)（即正常試驗溫度參數(shù)）為20℃，根據(jù)GJB150A的規(guī)定，選取降溫速率為2℃/min，如此步進進行低溫階段及高溫階段的步進應(yīng)力試驗。每一階段溫度穩(wěn)定后保溫30分鐘，并對試驗產(chǎn)品進行功能測試，直至試驗產(chǎn)品出現(xiàn)故障，以判斷是否到達產(chǎn)品的低溫操作界限或破壞界限。

4 ?無人機載光電任務(wù)載步進應(yīng)力加速壽命試驗流程

4.1 ?試驗設(shè)備

本文可靠性試驗設(shè)備選用美國環(huán)測三綜合試驗箱，其具備多通道的數(shù)據(jù)監(jiān)控和測試系統(tǒng)，并具備了高低溫、濕熱綜合環(huán)境應(yīng)力，可以進行綜合環(huán)境下的無人機載光電任務(wù)載荷的可靠性試驗。其試驗箱尺寸：3000mm×2300mm×2500mm（長×寬×高），工作室容積：3m3，溫度范圍：-70℃～+100℃。

4.2 ?試驗流程

根據(jù)試驗方案要求，制定試驗流程如下：

（1）低溫階段試驗：設(shè)定初始溫度參數(shù)為20℃，然后進行低溫步進應(yīng)力階段的試驗，每個溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換期間，以2℃/min降溫速率降低溫度10℃，待溫度穩(wěn)定后，在該溫度階段保溫30分鐘，并對試驗產(chǎn)品進行功能測試，如果一切正常，則再進行下一溫度參數(shù)階段的試驗，待溫度穩(wěn)定后保溫30分鐘，并再一次對試驗產(chǎn)品進行功能測試，直至試驗產(chǎn)品出現(xiàn)故障，以判斷是否到達產(chǎn)品的低溫操作界限或破壞界限。

（2）高溫階段試驗：設(shè)定初始溫度參數(shù)為20℃，然后進行高溫步進應(yīng)力階段的試驗，每個溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換期間，以2℃/min升溫速率升高溫度10℃，待溫度穩(wěn)定后，在該溫度階段保溫30分鐘，并對試驗產(chǎn)品進行功能測試，如果一切正常，則在進行下一溫度參數(shù)階段的試驗，待溫度穩(wěn)定后保溫30分鐘，并再一次對試驗產(chǎn)品進行功能測試，重復(fù)操作直至試驗產(chǎn)品出現(xiàn)故障，以判斷是否到達產(chǎn)品的高溫操作界限或破壞界限。

試驗期間，發(fā)生故障時，試驗室值班人員應(yīng)按要求填寫相關(guān)試驗報告。

4.3 ?檢測參數(shù)設(shè)置

在試驗過程，根據(jù)失效模式的分析，以下參量被選為需要檢查和測量：

（1）檢查無人機載光電任務(wù)載荷機械運動是否有卡滯情況。

（2）檢測無人機載光電任務(wù)載荷各光學(xué)傳感器是否出現(xiàn)故障。

（3）檢測長周期后，無人機載光電任務(wù)載荷零部件的磨損情況。

5 ?結(jié) ?論

本章主要對無人機載光電任務(wù)載荷的實物可靠性試驗進行了必要性論證和試驗方案的設(shè)計。首先，通過分析了無人機載光電任務(wù)載荷真實工作環(huán)境的嚴(yán)酷性和其前期相關(guān)產(chǎn)品的外場試驗結(jié)果，論證了無人機載光電任務(wù)載荷開展真實環(huán)境條件下實物可靠性試驗的必要性。其次，從無人機載光電任務(wù)載荷所受的環(huán)境應(yīng)力考慮，結(jié)合現(xiàn)有環(huán)境試驗條件，設(shè)計了一套步進應(yīng)力加速壽命試驗方案，除了按照試驗技術(shù)文件和國軍標(biāo)等對試驗過程中的檢測指標(biāo)進行設(shè)置外，本文較多地針對步進應(yīng)力加速壽命試驗的檢測指標(biāo)進行推算，從檢測指標(biāo)的設(shè)置，到檢測周期的安排，對無人機光電任務(wù)載荷進行了實時檢測，很好地彌補了可靠性試驗的不足。

參考文獻：

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作者簡介：常海（1986-），男，漢族，陜西西安人，工程師，本科，研究方向：可靠性工程。