導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)現(xiàn)狀及建議

劉艷，陳江攀，劉藝，孫立敏，張為雯，王冬

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

環(huán)境適應(yīng)性是裝備的重要質(zhì)量特性，環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)劣將直接影響到裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。導(dǎo)彈裝備在全壽命周期中既要面臨短時(shí)高量級(jí)的發(fā)射飛行環(huán)境，又要面臨貯存或使用過程中長(zhǎng)期自然環(huán)境的影響。長(zhǎng)期自然環(huán)境帶來的影響很難通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行充分考核，因此需要利用典型氣候區(qū)域的自然環(huán)境試驗(yàn)確定各種環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)品的綜合影響，通過分析自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)裝備的環(huán)境適應(yīng)性做出準(zhǔn)確評(píng)價(jià)[1-2]。

1 導(dǎo)彈裝備特點(diǎn)

導(dǎo)彈裝備的組成復(fù)雜，涵蓋電子、機(jī)械、火工等各類產(chǎn)品，涉及多種金屬、非金屬材料。從壽命及環(huán)境剖面的特點(diǎn)來分，又分為導(dǎo)彈系統(tǒng)、地(艦)面裝備兩大部分。

1.1 地面(艦)面裝備特點(diǎn)

地(艦)面裝備主要包括各類地面車輛、地(艦)面設(shè)備、發(fā)射架、貯運(yùn)發(fā)射筒等，設(shè)備量大，涉及產(chǎn)品、材料類型多。地(艦)面裝備需要長(zhǎng)期在露天環(huán)境下值班、作戰(zhàn)。同一型號(hào)的地面裝備在內(nèi)陸、沿海等各典型氣候區(qū)域均有可能使用，因此使用區(qū)域范圍廣，需適應(yīng)各種典型區(qū)域自然環(huán)境。艦上裝備在艦上艙內(nèi)或艙外使用，需適應(yīng)復(fù)雜且嚴(yán)酷的海洋環(huán)境。因此，在開展自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮各種環(huán)境因素的影響。

由于地(艦)面裝備可進(jìn)行日常維護(hù)，因此開展自然環(huán)境試驗(yàn)，一方面可對(duì)裝備的自然環(huán)境適應(yīng)性能力進(jìn)行驗(yàn)證，另一方面也可通過自然環(huán)境試驗(yàn)對(duì)裝備的維護(hù)周期、維護(hù)措施的合理及有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2 導(dǎo)彈系統(tǒng)特點(diǎn)

對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)來說，不同類別導(dǎo)彈環(huán)境適應(yīng)性要求不同。比如，地(艦)空導(dǎo)彈發(fā)射前均處于貯運(yùn)發(fā)射筒內(nèi)，導(dǎo)彈所處環(huán)境較好，但貯存發(fā)射筒值班時(shí)需承受各種外部自然環(huán)境，需保持良好的環(huán)境適應(yīng)性從而確保為筒內(nèi)導(dǎo)彈提供良好的環(huán)境。機(jī)載平臺(tái)導(dǎo)彈在掛機(jī)時(shí)為裸彈狀態(tài)，直接暴露在自然大氣環(huán)境下，環(huán)境惡劣，大氣腐蝕與掛機(jī)力學(xué)環(huán)境的耦合作用又會(huì)加速結(jié)構(gòu)的疲勞失效，同一型號(hào)的導(dǎo)彈也可能在不同地區(qū)部署，因此需要適應(yīng)不同地區(qū)的氣候環(huán)境。

此外，各種導(dǎo)彈均存有長(zhǎng)期貯存的要求，要求導(dǎo)彈在經(jīng)歷長(zhǎng)期貯存后隨時(shí)可用，且具有較高可靠性。因此長(zhǎng)期貯存環(huán)境對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)各方面產(chǎn)生的緩變效應(yīng)也不容忽視。

與地(艦)面裝備相比，由于導(dǎo)彈為一次性使用的不可修產(chǎn)品，處于發(fā)射筒(箱)內(nèi)的導(dǎo)彈或?qū)椗搩?nèi)部的設(shè)備在服役階段不可維護(hù)，因此需要確保全壽命周期內(nèi)導(dǎo)彈應(yīng)具有良好的自然環(huán)境適應(yīng)能力。導(dǎo)彈系統(tǒng)的主要自然環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)見表1，型號(hào)在開展自然環(huán)境試驗(yàn)時(shí)需重點(diǎn)對(duì)相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證[3-5]。

表1 導(dǎo)彈系統(tǒng)自然環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)Table 1 Weak links of missile system adaptability to natural environment

2 導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施情況

在導(dǎo)彈裝備研制階段會(huì)開展大量的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室單環(huán)境應(yīng)力下通常用規(guī)定的極限量級(jí)進(jìn)行考核，這種試驗(yàn)對(duì)于發(fā)射飛行階段極限環(huán)境考核較為充分，但往往不能體現(xiàn)各種自然環(huán)境對(duì)裝備的長(zhǎng)期綜合影響，無(wú)法有效驗(yàn)證裝備長(zhǎng)期環(huán)境適應(yīng)能力，導(dǎo)致裝備長(zhǎng)期自然環(huán)境適應(yīng)性在定型階段無(wú)法確定，交付部隊(duì)后在使用過程中曾暴露出各種問題。如，膠粘劑分離、脫粘；金屬件腐蝕、開裂；不同金屬搭接產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；非金屬材料老化、粉化等。這些問題導(dǎo)致裝備定型后的設(shè)計(jì)更改，也影響了裝備的正常服役。

導(dǎo)彈裝備服役后暴露出的環(huán)境適應(yīng)性問題引起了工業(yè)部門的重視，自然環(huán)境試驗(yàn)逐步在型號(hào)中得到推廣并取得長(zhǎng)足發(fā)展。導(dǎo)彈裝備研制部門通過總結(jié)對(duì)多年來型號(hào)自然環(huán)境試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，形成了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，自然環(huán)境試驗(yàn)趨于規(guī)范。

2.1 早期型號(hào)自然環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施情況

最早在20世紀(jì)80年代，我國(guó)某地空導(dǎo)彈裝備就開展了初步的自然環(huán)境試驗(yàn)。隨后為了考核某艦空導(dǎo)彈裝備對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)能力，先后3次選擇典型試件(包括材料、元器件、零部件等)在某單位環(huán)境試驗(yàn)站開展了自然環(huán)境試驗(yàn)。并根據(jù)使用部位，分別在戶外曝露場(chǎng)、棚下和庫(kù)房?jī)?nèi)3種環(huán)境下進(jìn)行試件投放。通過分析產(chǎn)品的使用情況、自然環(huán)境試驗(yàn)的情況，總結(jié)了主要存在的各類腐蝕問題，開展防腐技術(shù)攻關(guān)后形成型號(hào)工藝要求，包括材料選用、三防技術(shù)措施、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則等。該工作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)起到了積極的作用，對(duì)提高產(chǎn)品耐海環(huán)境的能力有積極意義。

2.2 導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展情況

目前導(dǎo)彈裝備研制單位以GJB 8893-2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗(yàn)方法》系列標(biāo)準(zhǔn)作為指導(dǎo)自然環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施的頂層標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，通過總結(jié)各型號(hào)自然環(huán)境試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)導(dǎo)彈特點(diǎn)形成了自然環(huán)境試驗(yàn)相關(guān)的系列企標(biāo)。內(nèi)容涉及自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)方法、自然貯存試驗(yàn)規(guī)范及產(chǎn)品三防設(shè)計(jì)要求等。以上標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范指導(dǎo)了型號(hào)自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)及各項(xiàng)試驗(yàn)的規(guī)范開展。

2.2.1 試驗(yàn)分類明確

與早期型號(hào)相比，新研型號(hào)自然環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目根據(jù)產(chǎn)品類型及具體需求的不同存在不同分類。

從試驗(yàn)?zāi)康膩碚f，試驗(yàn)的類型分為自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和自然貯存試驗(yàn)兩大類。自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)重點(diǎn)考核產(chǎn)品對(duì)壽命期內(nèi)可能長(zhǎng)期經(jīng)受的自然環(huán)境的適應(yīng)能力。自然貯存試驗(yàn)針對(duì)導(dǎo)彈及彈上設(shè)備等具有長(zhǎng)期貯存特點(diǎn)的產(chǎn)品實(shí)施，為產(chǎn)品長(zhǎng)期貯存可靠性分析和壽命評(píng)定等服務(wù)。

從試驗(yàn)地點(diǎn)來說，由于導(dǎo)彈部署范圍廣，因此通常會(huì)選取海洋、寒冷內(nèi)陸、干熱沙漠等典型氣候區(qū)域開展試驗(yàn)。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)品在裝備的使用部位，會(huì)選取暴露場(chǎng)、棚下、庫(kù)房等不同位置來模擬實(shí)際使用狀態(tài)實(shí)施試驗(yàn)。導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)分類及不同產(chǎn)品試驗(yàn)實(shí)施情況見圖1。

圖1 導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)分類及不同產(chǎn)品試驗(yàn)實(shí)施情況Fig.1 Classification of natural environment tests of missile equipment and test implementation of different products

2.2.2 分階段、分層次開展試驗(yàn)

由于自然環(huán)境試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，需要各型號(hào)在研制之初就對(duì)整個(gè)研制過程各階段的自然環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行系統(tǒng)策劃，不同階段試驗(yàn)有不同側(cè)重點(diǎn)。

在型號(hào)研制早期，主要選取新材料、新器(組)件開展試驗(yàn)，為暴露自然環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)采取改進(jìn)措施提供依據(jù)，為分析材料、器件退化規(guī)律提供數(shù)據(jù)支撐。

在型號(hào)技術(shù)狀態(tài)基本確定后，一般開展整機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品試驗(yàn)。一方面，對(duì)之前暴露的問題的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施進(jìn)行驗(yàn)證；另一方面，對(duì)裝備整體環(huán)境適應(yīng)性或?qū)椯A存可靠性的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2.2.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)逐步量化

評(píng)價(jià)內(nèi)容從定性到定量。針對(duì)材料類試件，早期試驗(yàn)多是對(duì)試件的外觀變化情況進(jìn)行定性評(píng)價(jià)。目前，隨著自然環(huán)境試驗(yàn)的不斷深入，會(huì)進(jìn)一步根據(jù)材料具體使用部位、功能對(duì)材料試件提出定量評(píng)價(jià)要求。比如針對(duì)金屬材料，要求對(duì)拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試；針對(duì)橡膠密封件類材料，要求對(duì)拉伸率、壓縮率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于組件、設(shè)備整機(jī)和系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品，則要求定期對(duì)各項(xiàng)性能指標(biāo)開展測(cè)試。

2.2.4 試驗(yàn)方式不斷拓展

試驗(yàn)方式從實(shí)際自然環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展到加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)相結(jié)合。由于自然環(huán)境試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)的局限性，僅采用實(shí)際自然環(huán)境試驗(yàn)已不能滿足當(dāng)前型號(hào)快速發(fā)展的要求。為了快速發(fā)現(xiàn)環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)，各類加速試驗(yàn)越來越多地應(yīng)用于型號(hào)中。如試驗(yàn)裝置與自然環(huán)境相結(jié)合的跟蹤太陽(yáng)暴露試驗(yàn)、黑箱暴露試驗(yàn)、周期噴淋戶外暴露試驗(yàn)等，已在型號(hào)材料、涂層環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證上得到應(yīng)用。此外，根據(jù)自然環(huán)境影響及作用機(jī)理，在實(shí)驗(yàn)室利用各種試驗(yàn)裝置開展的自然環(huán)境加速模擬試驗(yàn)、加速貯存試驗(yàn)等也逐步在型號(hào)上得到應(yīng)用[6-9]。

另一方面，雖然加速試驗(yàn)技術(shù)不斷發(fā)展，但自然環(huán)境試驗(yàn)依然不可或缺。通過自然環(huán)境試驗(yàn)與加速試驗(yàn)相結(jié)合的方式，可對(duì)加速試驗(yàn)的試驗(yàn)機(jī)理一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)加速模型進(jìn)行修正，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄弱環(huán)節(jié)的快速、準(zhǔn)確查找與評(píng)價(jià)。

2.2.5 試驗(yàn)組織趨于規(guī)范

早期研制部門在開展自然環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)一般由各型號(hào)單獨(dú)實(shí)施。試驗(yàn)結(jié)果服務(wù)于各自型號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)較為分散。加上未使用信息化手段對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)共享性差，同時(shí)可能存在重復(fù)試驗(yàn)的情況。

目前各型號(hào)自然環(huán)境試驗(yàn)的實(shí)施采取由專業(yè)部門統(tǒng)一組織，同時(shí)逐步建立起數(shù)據(jù)庫(kù)，明確數(shù)據(jù)收集要求，對(duì)各型號(hào)試件選取、測(cè)試、數(shù)據(jù)收集等要求進(jìn)行統(tǒng)一，試驗(yàn)實(shí)施趨于規(guī)范。

3 對(duì)導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境試驗(yàn)工作的建議

雖然自然環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)在導(dǎo)彈裝備中已得到了一定發(fā)展，但是根據(jù)多年自然環(huán)境試驗(yàn)工作的實(shí)踐來看，導(dǎo)彈裝備的自然環(huán)境試驗(yàn)工作仍不能滿足導(dǎo)彈裝備環(huán)境區(qū)域不斷擴(kuò)展以及裝備研制周期不斷縮短的要求，需要重點(diǎn)在試驗(yàn)規(guī)劃、數(shù)據(jù)積累與應(yīng)用、自然環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)等方面進(jìn)一步完善。

3.1 開展系統(tǒng)規(guī)劃，有效支撐自然環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)

導(dǎo)彈裝備組成復(fù)雜，自然環(huán)境試驗(yàn)具有周期長(zhǎng)、涉及專業(yè)廣、單位多的特點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品自然環(huán)境適應(yīng)性的分析評(píng)價(jià)需從宏觀到微觀，不同類型產(chǎn)品檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)方式差異大。

基于以上特點(diǎn)，需要對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)工作進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，確保試驗(yàn)全面開展，同時(shí)使試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到有效利用、設(shè)計(jì)措施能夠充分落實(shí)[10-11]。具體需要關(guān)注以下幾點(diǎn)：

(1)在型號(hào)研制早期，應(yīng)綜合以往型號(hào)數(shù)據(jù)，開展系統(tǒng)分析，明確自然環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)是否有相似型號(hào)數(shù)據(jù)支撐，對(duì)于沒有相似型號(hào)數(shù)據(jù)，或者有相似型號(hào)數(shù)據(jù)但不能覆蓋新型號(hào)環(huán)境的應(yīng)開展試驗(yàn)需求分析。

(2)系統(tǒng)梳理導(dǎo)彈及彈上設(shè)備面臨的新環(huán)境，采用的新材料、新工藝等，并根據(jù)具體產(chǎn)品自身特性及所處環(huán)境特點(diǎn)提出試驗(yàn)需求，包括試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)類型、檢測(cè)項(xiàng)目、檢測(cè)周期等。

(3)根據(jù)產(chǎn)品外觀、性能檢測(cè)項(xiàng)目要求確定不同試件的具體形式、數(shù)量，并制定自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集表格。

(4)針對(duì)影響導(dǎo)彈性能的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，需考慮將加速試驗(yàn)作為自然環(huán)境試驗(yàn)的補(bǔ)充，以盡快獲取支撐數(shù)據(jù)，因此還需要對(duì)相應(yīng)加速試驗(yàn)的項(xiàng)目、實(shí)施方案進(jìn)行規(guī)劃。

3.2 加強(qiáng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)與數(shù)據(jù)挖掘，充分利用已有數(shù)據(jù)

隨著越來越多的型號(hào)開展自然環(huán)境試驗(yàn)，數(shù)據(jù)量越來越大。此外，越來越多的型號(hào)服役，也產(chǎn)生了大量的實(shí)際使用維護(hù)數(shù)據(jù)，其中也可提取出導(dǎo)彈的自然環(huán)境適應(yīng)性信息。這些數(shù)據(jù)對(duì)新研型號(hào)的自然環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)起到重要作用。

大量的數(shù)據(jù)若散落在各單位、各型號(hào)設(shè)計(jì)師手中，只能服務(wù)于有限產(chǎn)品和型號(hào)，無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在新型號(hào)中應(yīng)用。因此，首先需要統(tǒng)籌規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的規(guī)范收集和管理。梳理型號(hào)在研制過程、交付部隊(duì)使用過程可能產(chǎn)生的所有環(huán)境信息，對(duì)所有數(shù)據(jù)信息特征開展分析提取，對(duì)各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)特征等進(jìn)行匯總。同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)分類開展數(shù)據(jù)收集機(jī)制研究，提出不同類型數(shù)據(jù)收集的要求，形成數(shù)據(jù)收集指南。

另一方面，在利用數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行充分收集整理的基礎(chǔ)上，還需進(jìn)一步開展數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究。利用已有各類數(shù)據(jù)尋找數(shù)據(jù)規(guī)律，總結(jié)各類數(shù)據(jù)規(guī)律的提取方法，研究已有數(shù)據(jù)信息在型號(hào)研制過程的應(yīng)用方法。結(jié)合人工智能等前沿技術(shù)，形成專家知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)，為新研型號(hào)自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)、長(zhǎng)期自然環(huán)境適應(yīng)能力的預(yù)評(píng)價(jià)等提供支撐。

3.3 研究綜合評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)研制階段的快速準(zhǔn)確評(píng)價(jià)

隨著導(dǎo)彈壽命要求的不斷提高，自然環(huán)境試驗(yàn)周期也相應(yīng)加長(zhǎng)。僅采用常規(guī)自然環(huán)境試驗(yàn)，難以快速獲取試驗(yàn)結(jié)果，無(wú)法在研制階段有效暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)、得到評(píng)價(jià)結(jié)論，不能滿足當(dāng)前型號(hào)高速發(fā)展需求。目前各種自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)得以發(fā)展，通過加速模擬的方式，可盡快地獲取試驗(yàn)結(jié)果，達(dá)到快速暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)/缺陷、快速篩選工藝的目的。另一方面，自然環(huán)境加速試驗(yàn)雖具有試驗(yàn)周期短、重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)，但可能存在與實(shí)際失效模式和規(guī)律不完全一致，不能反映真實(shí)環(huán)境中失效規(guī)律的缺點(diǎn)。

因此，需要將自然環(huán)境試驗(yàn)與自然環(huán)境加速試驗(yàn)相結(jié)合，并充分結(jié)合已有的相似型號(hào)數(shù)據(jù)、自然環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等，采用合理的綜合評(píng)價(jià)方法，通過充分利用各種信息，最終提高評(píng)價(jià)的時(shí)效性、全面性與客觀性，以便在導(dǎo)彈研制階段就可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性問題，從而采取改進(jìn)措施，盡可能避免將環(huán)境適應(yīng)性問題帶到服役階段。

4 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)期自然環(huán)境引起的緩變效應(yīng)最終將會(huì)影響到裝備的作戰(zhàn)效能，研制期間的自然環(huán)境試驗(yàn)與評(píng)價(jià)對(duì)于確保導(dǎo)彈裝備服役后戰(zhàn)斗力的保持具有十分重要的意義。面對(duì)實(shí)戰(zhàn)化要求，裝備研制部門應(yīng)加強(qiáng)對(duì)自然環(huán)境試驗(yàn)的重視與深入研究，同時(shí)做好基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的積累與分析應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)在研制階段對(duì)裝備全壽命周期環(huán)境適應(yīng)能力的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。