一種飛艇的可靠性和可維修性分析研究

高鴻啟

[摘 ? ?要]平流層飛艇是二十一世紀(jì)高新技術(shù)前沿領(lǐng)域新興戰(zhàn)略裝備之一，有著極為廣闊的應(yīng)用前景。為了驗(yàn)證某半硬式平流層飛艇功能性能，依照平流層飛艇縮比設(shè)計(jì)了一款對(duì)流層演示驗(yàn)證飛艇，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)需要，對(duì)該演示驗(yàn)證艇的可靠性和可維修性進(jìn)行了深入分析研究。

[關(guān)鍵詞]可靠性;可維修性;分析

[中圖分類號(hào)]V19 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）05–00–02

Reliability and Maintainability Analysis of an Airship

Gao Hong-qi

[Abstract]Stratospheric airship is one of the new strategic equipment in the field of high and new technology in the 21st century， which has a very broad application prospect.In order to verify the functional performance of a semi-rigid stratospheric airship， a tropospheric demonstration airship was designed according to the scale of stratospheric airship.According to the needs of design tasks， the reliability and maintainability of the demonstration and verification airship were analyzed and studied in depth.

[Keywords]reliability; maintainability; analysis

近年來，臨近空間（Nearspace）具有獨(dú)特的資源優(yōu)勢，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，它已成為各國競相開發(fā)的熱點(diǎn)，是二十一世紀(jì)利用高技術(shù)開發(fā)利用的重點(diǎn)空間領(lǐng)域。平流層飛艇是開發(fā)臨近空間資源的重要技術(shù)手段之一，能長時(shí)間定點(diǎn)駐空，時(shí)間長達(dá)數(shù)月或數(shù)年，非常適合作為區(qū)域性新型信息平臺(tái)，在高分辨率對(duì)地觀測、通信中繼、區(qū)域?qū)Ш筋I(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)勢，具有重要的應(yīng)用前景。

隨著國家戰(zhàn)略方針調(diào)整，國家開始注重對(duì)平流層飛艇的研制開發(fā)，平流層飛艇可廣泛應(yīng)用于國土資源觀測、海洋監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、大地測繪、城市規(guī)劃、旅游觀光、交通運(yùn)輸、通訊中繼服務(wù)等方面，對(duì)促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。國家高分辨率對(duì)地觀測重大專項(xiàng)已將平流層飛艇列為重點(diǎn)發(fā)展的裝備。國家對(duì)現(xiàn)階段國內(nèi)平流層飛艇研制技術(shù)和材料水平，根據(jù)平流層演示驗(yàn)證飛艇技術(shù)要求，MTBF≥200 h，MTTR：≤5 h，即平均無故障時(shí)間大于等于200h，出了故障之后盡可能5h內(nèi)維修完畢，本文根據(jù)演示驗(yàn)證飛艇的主要裝備可靠性性能，進(jìn)行分析評(píng)估，判斷該演示驗(yàn)證飛艇是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 ?可靠性分析

一般來說，演示驗(yàn)證飛艇中主要包含結(jié)構(gòu)、環(huán)控、推進(jìn)、能源、航電五大分系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.1 ?可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)

在進(jìn)行可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)時(shí)，首先要獲得系統(tǒng)中各設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率λi。有兩種方式可以計(jì)算各設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率，一種是依據(jù)GJB/Z299B-98，建立設(shè)備或分系統(tǒng)相應(yīng)的故障率模型，再根據(jù)其自身特性和工作環(huán)境，在提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)中準(zhǔn)確選取所需數(shù)據(jù)，代入故障率模型計(jì)算得到，另一種是當(dāng)無法準(zhǔn)確得到故障率模型計(jì)算所需要的參數(shù)值，而已知設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間MTBFi，則通過對(duì)MTBFi取倒數(shù)也能獲取相應(yīng)的故障率。

計(jì)算出系統(tǒng)中各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率后，按公式（1）、（2）所示就可以計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。

（1）

MTBF=1/λ （2）

其中，λ為系統(tǒng)故障率，λi為組成系統(tǒng)的各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率，Ni為系統(tǒng)中相同故障率的設(shè)備或分系統(tǒng)的數(shù)量，MTBF為系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間。

1.2 ?可靠性參數(shù)計(jì)算

該演示驗(yàn)證飛艇中的大部分設(shè)備均是采購成熟的產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品都有相應(yīng)的MTBF數(shù)據(jù)，通過類似方法依次可以計(jì)算得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有囊體材料、碳纖維骨架、環(huán)控系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)有推進(jìn)電機(jī)和油機(jī)，能源系統(tǒng)有太陽能電池、航電系統(tǒng)等的故障率。各分系統(tǒng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)估其平均無故障時(shí)間。具體參數(shù)如表1所示。

“-”表示無法獲取該設(shè)備的MTBFi，λi是通過故障率模型計(jì)算得到。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)以及可靠性參數(shù)預(yù)計(jì)公式（1）和（2），對(duì)流層演示驗(yàn)證飛艇的可靠性計(jì)算如下：

（3）

MTBF=1/λ=1352 h>200 h

2 ?維修性分析

系統(tǒng)維修性指標(biāo)為MTTR≤5 h（現(xiàn)場可更換單元）。平流層飛艇維修性要求主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

（1）能夠快速更換常見故障的分系統(tǒng)的模塊。

（2）各個(gè)分系統(tǒng)模塊具有獨(dú)立調(diào)試和測試的方法。

（3）維修過程簡單、操作方便。

2.1 ?維修性參數(shù)預(yù)計(jì)

（1）在進(jìn)行維修性參數(shù)預(yù)計(jì)時(shí)，首先要獲得系統(tǒng)中各設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修率λi。有兩種方式可以計(jì)算各設(shè)備或者分系統(tǒng)的維修率，建立設(shè)備或分系統(tǒng)相應(yīng)的維修率模型，再根據(jù)其自身特性和工作環(huán)境，在提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)中準(zhǔn)確選取所需數(shù)據(jù)，代入維修率模型計(jì)算得到。另一種是當(dāng)無法準(zhǔn)確得到維修率模型計(jì)算所需要的參數(shù)值，而已知設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時(shí)間MTTRi，則通過對(duì)MTTRi取倒數(shù)也能獲取相應(yīng)的維修率。

計(jì)算出系統(tǒng)中各設(shè)備或分系統(tǒng)的維修率后，按公式（4）、（5）所示就可以計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的平均維修間隔時(shí)間。

（4）

MTTR=1/λ （5）

其中，λ為系統(tǒng)維修率，λi為組成系統(tǒng)的各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率，Ni為系統(tǒng)中相同故障率的設(shè)備或分系統(tǒng)的數(shù)量，MTTR為系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時(shí)間。

（2）維修性指標(biāo)計(jì)算

系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時(shí)間的分配是跟據(jù)各分系統(tǒng)的值，采用下式計(jì)算系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時(shí)間：

MTTR= （6）

其中，MTTR為系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時(shí)間，為系統(tǒng)中第i個(gè)設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率λi，Ti為系統(tǒng)中第i個(gè)設(shè)備或者分系統(tǒng)更換部件完成一次修復(fù)所需時(shí)間。

該演示驗(yàn)證飛艇中的大部分設(shè)備均是采購成熟的產(chǎn)品，每個(gè)產(chǎn)品組件或者控制軟件的修復(fù)時(shí)間都有相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過類似方法依次可以計(jì)算得到囊體材料、碳纖維骨架、推進(jìn)電機(jī)、太陽能電池、油機(jī)、航電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等的修復(fù)時(shí)間。各分系統(tǒng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)和以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，預(yù)估其平均修復(fù)時(shí)間數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2的系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時(shí)間預(yù)計(jì)公式，該對(duì)流層演示驗(yàn)證飛艇的維修性計(jì)算如下：

（7）

MTTR=1/λ=2.64h<5h

由上述結(jié)果可知，平均維修時(shí)間為2.64小時(shí)，完全滿足要求。

3 ?結(jié)論和建議

根據(jù)分析結(jié)果得知，演示驗(yàn)證飛艇各部分組件能夠滿足可靠性和可維修性要求，后續(xù)將在飛艇維修性設(shè)計(jì)與維修性保障等方面開展工作，確保飛艇產(chǎn)品有效可用，具體措施如下：

（1）采用組件化的設(shè)計(jì)思想，各組件之間統(tǒng)籌安排、合理布局，避免維修時(shí)交叉干擾，并盡量使易損件布置在易達(dá)到部位。

（2）加強(qiáng)設(shè)備自檢功能設(shè)計(jì)，以縮短故障定位時(shí)間，如：設(shè)備啟動(dòng)時(shí)應(yīng)能首先自動(dòng)完成自檢;設(shè)備工作中設(shè)置故障報(bào)警指示;設(shè)置出現(xiàn)故障后的相關(guān)診斷程序等，為快速維修做好充分準(zhǔn)備。

（3）所用的各組件，盡可能實(shí)現(xiàn)可獨(dú)立調(diào)試，以便在換件修理時(shí)簡化調(diào)試程序，縮短調(diào)試時(shí)間。

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