某型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)研究

彭兆春

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

相控陣?yán)走_(dá)采用自適應(yīng)相控陣天線陣面和先進(jìn)的時(shí)空二維信息處理技術(shù)，具有多波束掃描、目標(biāo)更新速率快、視場(chǎng)范圍大、多目標(biāo)追蹤和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代雷達(dá)裝備的主體[1-2]。機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)是以載機(jī)為平臺(tái)的機(jī)載雷達(dá)發(fā)展的重要趨勢(shì)，為了適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)和電子對(duì)抗環(huán)境，保證雷達(dá)的持續(xù)作戰(zhàn)能力和任務(wù)成功性就顯得尤為重要，這對(duì)雷達(dá)裝備提出了更高的可靠性要求。機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)為了實(shí)現(xiàn)特定的探測(cè)威力，在天線陣面安裝了大量的能獨(dú)立工作的數(shù)字收發(fā)組件，同時(shí)需要多個(gè)信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行綜合分析，其可靠性已成為一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程?？煽啃允钱a(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)屬性，雷達(dá)裝備的性能應(yīng)當(dāng)與雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)?？煽啃灶A(yù)計(jì)是可靠性設(shè)計(jì)的核心和基礎(chǔ)，開(kāi)展機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)可靠性預(yù)計(jì)可以評(píng)估其可靠性指標(biāo)能否達(dá)到規(guī)定的要求，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應(yīng)的改進(jìn)措施來(lái)提高雷達(dá)的固有可靠性水平，同時(shí)也對(duì)可靠性指標(biāo)的分配、設(shè)計(jì)可行性決策、方案優(yōu)選、維修策略和綜合保障要求的制定等起著重要的作用。

本文以某型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)為例，按照系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思路，基于元器件應(yīng)力分析法開(kāi)展雷達(dá)模塊級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的基本可靠性預(yù)計(jì)，根據(jù)雷達(dá)執(zhí)行任務(wù)時(shí)的任務(wù)剖面，建立任務(wù)可靠性模型，開(kāi)展雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)，并對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果的符合性進(jìn)行分析。

1 可靠性預(yù)計(jì)的內(nèi)容

1.1 可靠性預(yù)計(jì)的定義及分類

可靠性預(yù)計(jì)是針對(duì)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的系統(tǒng)可靠性的一種定量評(píng)估，它根據(jù)產(chǎn)品的歷史可靠性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及工作環(huán)境等因素估計(jì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備、組件或模塊及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，其目的是為了確定所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是否能達(dá)到規(guī)定的可靠性要求，找到設(shè)計(jì)上的薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)定的可靠性定量要求，系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)包括基本可靠性預(yù)計(jì)和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)兩種?；究煽啃灶A(yù)計(jì)是為了評(píng)估由于產(chǎn)品不可靠導(dǎo)致的對(duì)維修與后勤保障資源的要求，其可靠性模型是系統(tǒng)所有組成單元的全串聯(lián)模型，任一單元的故障均需要進(jìn)行維修和保障。任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)是指對(duì)系統(tǒng)成功地完成某一特定任務(wù)的概率的預(yù)計(jì)，其可靠性模型是系統(tǒng)任務(wù)剖面內(nèi)各組成單元的一系列結(jié)構(gòu)組合，通常采用冗余或備份的方式確保任務(wù)成功性，例如：并聯(lián)、k/n表決、旁聯(lián)和混聯(lián)等結(jié)構(gòu)模型。

1.2 系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)流程

按照系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)是一個(gè)自下而上、從局部到整體、由小到大的歸納綜合過(guò)程，根據(jù)系統(tǒng)層次的劃分，下一層次的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果可作為上一層次可靠性預(yù)計(jì)的輸入。相控陣?yán)走_(dá)屬于典型的任務(wù)電子系統(tǒng)，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為4個(gè)層次，逐級(jí)開(kāi)展可靠性預(yù)計(jì)，如圖1所示。系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)的流程一般可表述為：

圖1 系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)層次關(guān)系

a）明確系統(tǒng)的功能、組成、工作原理和各個(gè)接口間的關(guān)系；

b）明確系統(tǒng)的故障判據(jù)及工作條件；

c）劃分可靠性預(yù)計(jì)單元，建立系統(tǒng)可靠性框圖；

d）建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型；

e）收集各個(gè)模塊的元器件清單，進(jìn)行元器件級(jí)可靠性預(yù)計(jì)；

f）將模塊內(nèi)各類元器件的預(yù)計(jì)失效率累加，進(jìn)行模塊級(jí)可靠性預(yù)計(jì)；

g）根據(jù)模塊級(jí)的預(yù)計(jì)結(jié)果，按分系統(tǒng)、系統(tǒng)的可靠性模型逐級(jí)預(yù)計(jì)分系統(tǒng)和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)流程是以基本可靠性預(yù)計(jì)中模塊級(jí)的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型及任務(wù)執(zhí)行時(shí)間開(kāi)展預(yù)計(jì)。

2 可靠性預(yù)計(jì)方法

按照系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)的層次關(guān)系，常用的可靠性預(yù)計(jì)方法包括元器件計(jì)數(shù)法、相似產(chǎn)品法、評(píng)分預(yù)計(jì)法、應(yīng)力分析法和故障率預(yù)計(jì)法等[3-5]。根據(jù)產(chǎn)品研制階段的不同選擇合適的可靠性預(yù)計(jì)方法，不同研制階段可靠性預(yù)計(jì)方法的適用性[6]如表1所示。

表1 可靠性預(yù)計(jì)方法的適用性

3 某型機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)

3.1 可靠性指標(biāo)要求

合同規(guī)定的可靠性定量要求如下所示。

a）基本可靠性指標(biāo)

成熟期的規(guī)定值：平均故障間隔飛行小時(shí)（MFHBF）≥300 h。

b）任務(wù)可靠性指標(biāo)

按一次任務(wù)時(shí)間t=4 h，任務(wù)可靠度R（t）≥0.996。

3.2 雷達(dá)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)

某機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)由天線子系統(tǒng)、伺服控制子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)組成，各個(gè)子系統(tǒng)功能上相互獨(dú)立、缺一不可。系統(tǒng)基本可靠性框圖如圖2所示。雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備組成如表2所示。個(gè)子系統(tǒng)的內(nèi)部組成，將系統(tǒng)的基本可靠性框圖進(jìn)一步地細(xì)化至模塊級(jí)（外場(chǎng)可更換模塊），如圖3所示。

表2 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)備組成

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)基本可靠性框圖

圖3雷達(dá)系統(tǒng)基本可靠性框圖（模塊級(jí)）

系統(tǒng)的基本可靠性反映的是所有組成單元引起的維修和對(duì)后勤保障資源的要求。根據(jù)雷達(dá)各在進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，進(jìn)行如下的假設(shè)：a）所有組成模塊的壽命均服從指數(shù)分布；

b）系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊及元器件只有故障和正常兩種狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)；

c）各個(gè)子系統(tǒng)、模塊和元器件之間都是相互獨(dú)立的，它們的故障相互間不發(fā)生影響；

d）不計(jì)入各個(gè)模塊結(jié)構(gòu)件及軟件的失效率。

相控陣?yán)走_(dá)屬于典型的任務(wù)電子裝備，其壽命服從指數(shù)分布。根據(jù)圖3所示，雷達(dá)系統(tǒng)的基本可靠性模型是所有組成模塊的全串聯(lián)模型，其可靠性數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中：MTBFs——雷達(dá)系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間，單位為h；

λs——雷達(dá)系統(tǒng)的失效率，單位為10-6/h；

λi——雷達(dá)系統(tǒng)第i個(gè)模塊的失效率，單位為10-6/h。

按照系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)流程，首先，預(yù)計(jì)各個(gè)模塊內(nèi)部元器件的失效率，基于應(yīng)力分析法，根據(jù)應(yīng)用元器件的類別、質(zhì)量等級(jí)、應(yīng)力水平和環(huán)境條件等因素，國(guó)產(chǎn)元器件以GJB/Z 299C為依據(jù)選擇相應(yīng)元器件的基本失效率、質(zhì)量系數(shù)和環(huán)境系數(shù)等各個(gè)π系數(shù)來(lái)計(jì)算該器件的工作失效率；進(jìn)口元器件的工作失效率依據(jù)MIL-HDBK-217F進(jìn)行預(yù)計(jì)。其次，將各個(gè)元器件的失效率累加得到相應(yīng)模塊的失效率，預(yù)計(jì)結(jié)果如表3所示。以此逐級(jí)進(jìn)行各個(gè)分系統(tǒng)及系統(tǒng)的失效率預(yù)計(jì)，并按式（1）計(jì)算MTBF，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表3 各個(gè)模塊失效率預(yù)計(jì)結(jié)果

表4 雷達(dá)系統(tǒng)基本可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

由表4可知，雷達(dá)系統(tǒng)MTBF預(yù)計(jì)值為244.704 2 h，合同規(guī)定的基本可靠性指標(biāo)MFHBF≥300 h，根據(jù)載機(jī)一次飛行時(shí)間F=6 h，雷達(dá)執(zhí)行一次任務(wù)的工作時(shí)間S=4 h，將MTBF預(yù)計(jì)值轉(zhuǎn)換成MFHBF，結(jié)果為：

由此可知，雷達(dá)系統(tǒng)的MFHBF預(yù)計(jì)值大于成熟期的規(guī)定值，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)

任務(wù)可靠性與系統(tǒng)的任務(wù)要求和執(zhí)行功能密切相關(guān)，任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)是針對(duì)某一任務(wù)剖面進(jìn)行的。根據(jù)雷達(dá)的工作原理和典型任務(wù)剖面，建立雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖，如圖4所示。

由圖4可知，在執(zhí)行某典型任務(wù)剖面時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型是一個(gè)由串聯(lián)、并聯(lián)、表決和旁聯(lián)組成混聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，陣面電源模塊A1～A2、陣面電源模塊B1～B2、專用電源1～2各自構(gòu)成并聯(lián)模型；數(shù)字收發(fā)模塊A1～A15、數(shù)字收發(fā)模塊B1～B15各自構(gòu)成12/15表決模型，校正網(wǎng)絡(luò)模塊A1～A8、校正網(wǎng)絡(luò)模塊B1～B8各自構(gòu)成7/8表決模型，信號(hào)處理模塊1～4、信號(hào)處理模塊5～8各自構(gòu)成3/4表決模型；兩個(gè)時(shí)序控制模塊構(gòu)成冷備份模型；其余各個(gè)模塊構(gòu)成串聯(lián)模型。因此，系統(tǒng)任務(wù)可靠性數(shù)學(xué)模型可表示為：

圖4 雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

式（3）中：Rs（t）——雷達(dá)系統(tǒng)的任務(wù)可靠度；

R串i（t）——第i個(gè)串聯(lián)模型的可靠度；

R并j（t）——第j個(gè)并聯(lián)模型的可靠度；

R表k（t）——第k個(gè)表決模型的可靠度；

R旁l（t）——第l個(gè)旁聯(lián)模型的可靠度。

其中，串聯(lián)、并聯(lián)、表決和旁聯(lián)模型的可靠度計(jì)算公式分別如下：

式（4）-（7）中：Ri（t）——第i個(gè)模塊的可靠度。

雷達(dá)系統(tǒng)在任務(wù)剖面內(nèi)的工作時(shí)間為4 h，根據(jù)表3中各個(gè)模塊的失效率數(shù)據(jù)計(jì)算各個(gè)模塊的可靠度，同時(shí)按式（4）-（7）計(jì)算相應(yīng)模型的可靠度，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)及式（3）計(jì)算雷達(dá)系統(tǒng)的任務(wù)可靠度Rs（t）=0.998 504 049，合同規(guī)定的任務(wù)可靠性指標(biāo)R（t）≥0.996，預(yù)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 雷達(dá)系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果

4 預(yù)計(jì)結(jié)果分析

雷達(dá)系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性的預(yù)計(jì)結(jié)果均能滿足合同規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求。在進(jìn)行基本可靠性預(yù)計(jì)時(shí)，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)計(jì)出各個(gè)模塊的失效率及4個(gè)子系統(tǒng)的失效率對(duì)雷達(dá)整機(jī)失效的影響程度，分別如圖5、6所示。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)，數(shù)字收發(fā)模塊的失效率占比最大，比重遠(yuǎn)超其他模塊，它對(duì)雷達(dá)整機(jī)的失效起決定作用。另外，從圖6中可以看出，雷達(dá)天線陣子系統(tǒng)的失效率占比最大，遠(yuǎn)超過(guò)其他3個(gè)子系統(tǒng)。因此，數(shù)字收發(fā)模塊可認(rèn)為是雷達(dá)系統(tǒng)的重要部件，該模塊在天線陣面裝機(jī)數(shù)量多，且內(nèi)部集成了多個(gè)多通道TR組件，屬于自制件成熟度較低，因而可靠性設(shè)計(jì)和改進(jìn)需重點(diǎn)關(guān)注該模塊，以實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)。在系統(tǒng)任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)方面，由于采用了多種冗余或備份設(shè)計(jì)手段，雷達(dá)系統(tǒng)具有較高的任務(wù)可靠度，能有效地保證其任務(wù)成功性。雷達(dá)的基本可靠性預(yù)計(jì)值約為規(guī)定值的1.22倍，兼顧性能設(shè)計(jì)的同時(shí)還能為系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更大的改進(jìn)空間，可以通過(guò)加強(qiáng)各個(gè)模塊內(nèi)部元器件的篩選、選用更高質(zhì)量等級(jí)的元器件、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)等措施進(jìn)一步地提高雷達(dá)整機(jī)的基本可靠性和任務(wù)可靠性水平。

圖5 各模塊失效率占比

圖6 各個(gè)子系統(tǒng)的失效率占比

5 結(jié)束語(yǔ)

正確、科學(xué)地確定可靠性要求是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，可靠性指標(biāo)是可靠性定量要求的直觀體現(xiàn)，代表了產(chǎn)品能達(dá)到的可靠性水平。機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)屬于典型的任務(wù)電子系統(tǒng)，可靠性指標(biāo)預(yù)計(jì)是進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)分析的一項(xiàng)重要手段，可為設(shè)計(jì)決策提供依據(jù)。本文從系統(tǒng)工程思想出發(fā)，闡述了雷達(dá)系統(tǒng)可靠性預(yù)計(jì)的流程和預(yù)計(jì)方法，基于元器件應(yīng)力分析法開(kāi)展雷達(dá)系統(tǒng)基本可靠性和任務(wù)可靠性預(yù)計(jì)，并對(duì)預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了分析，分析結(jié)果可為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和資源的合理配置提供理論支持。此外，現(xiàn)階段的可靠性預(yù)計(jì)工作主要依據(jù)GJB/Z 299C和MIL-HDBK-217F，參照標(biāo)準(zhǔn)較老，為了更精確地進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)亟待發(fā)布和實(shí)施新標(biāo)準(zhǔn)。