一種基于綜合環(huán)境剖面的導(dǎo)彈彈上設(shè)備加速貯存試驗(yàn)方法

張仕念，楊維忠，夏克寒，顏詩(shī)源，戢中東

航空航天裝備

一種基于綜合環(huán)境剖面的導(dǎo)彈彈上設(shè)備加速貯存試驗(yàn)方法

張仕念，楊維忠，夏克寒，顏詩(shī)源，戢中東

（北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)北清路109號(hào)24分隊(duì)，北京 100094）

基于導(dǎo)彈武器在歷經(jīng)地面使用載荷后，還要滿足飛行載荷的特點(diǎn)，討論用于評(píng)估導(dǎo)彈彈上設(shè)備貯存期的加速貯存試驗(yàn)流程與方法。開(kāi)展加速因子試驗(yàn)，獲得加速因子計(jì)算公式，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境載荷，制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，按照貯存期目標(biāo)值開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，等效地面使用環(huán)境載荷，開(kāi)展飛行環(huán)境載荷考核試驗(yàn)，試驗(yàn)成功后，給出貯存期評(píng)估結(jié)論。該方法在多型導(dǎo)彈貯存延壽工程的彈上設(shè)備貯存期評(píng)估中得到應(yīng)用，應(yīng)用表明，可以評(píng)估導(dǎo)彈彈上設(shè)備的貯存期，具有工程應(yīng)用價(jià)值。獲得加速因子計(jì)算公式后，將導(dǎo)彈彈上設(shè)備的地面使用環(huán)境載荷累計(jì)影響與能夠經(jīng)受飛行載荷環(huán)境分步進(jìn)行試驗(yàn)，能夠體現(xiàn)導(dǎo)彈彈上設(shè)備歷經(jīng)的環(huán)境載荷，可以用于彈上設(shè)備的貯存期評(píng)估。

導(dǎo)彈；加速貯存試驗(yàn)；綜合環(huán)境剖面；貯存期

導(dǎo)彈的貯存延壽是一項(xiàng)具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)投入大、綜合效益高等特點(diǎn)的重大長(zhǎng)效工程，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-4]。加速貯存試驗(yàn)是貯存延壽的重要途徑[5-11]，可以用于提前評(píng)估彈上產(chǎn)品的壽命[12-16]，在石英加速度計(jì)[17]、金屬減振器[18]、天饋系統(tǒng)[19]、慣性器件[20]、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[21]、伺服渦輪泵密封膜片[22]、天線[23]、空空導(dǎo)彈電子部件[24]、開(kāi)關(guān)電源[25]等航空航天及民用產(chǎn)品上到廣泛應(yīng)用。加速貯存試驗(yàn)是在不改變產(chǎn)品失效機(jī)理的前提下，通過(guò)加大應(yīng)力加速產(chǎn)品失效，根據(jù)加速模型計(jì)算得出正常應(yīng)力水平下的貯存壽命。GB 2689—81《恒定應(yīng)力壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)方法》用于指導(dǎo)電子元器件等產(chǎn)品的加速壽命試驗(yàn)，主要適用于在地面使用的產(chǎn)品，應(yīng)用廣泛。

導(dǎo)彈彈上設(shè)備具有長(zhǎng)期貯存、飛行環(huán)境惡劣的特點(diǎn)，即在經(jīng)歷長(zhǎng)期的地面貯存和使用載荷后，還需要滿足飛行環(huán)境載荷要求，而是否滿足飛行載荷要求，通常在組件以上層級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)考核。因此，常規(guī)的方法用于彈上材料、元器件的加速貯存試驗(yàn)是有效的，用于彈上部組件、整機(jī)的加速貯存試驗(yàn)時(shí)，存在以下問(wèn)題：在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)故障或退化時(shí)，可以獲得加速因子和在地面使用的貯存期，由于沒(méi)有經(jīng)過(guò)飛行載荷考核，不能作為彈上產(chǎn)品的貯存期結(jié)論，只能作為初步的壽命摸底。若試驗(yàn)中未出現(xiàn)故障或未退化，可以進(jìn)行地面鑒定試驗(yàn)，但無(wú)法計(jì)算加速因子，也不能給出貯存期評(píng)估結(jié)論。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在系統(tǒng)總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合多型導(dǎo)彈貯存延壽工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究提出了“加速因子試驗(yàn)→綜合環(huán)境剖面加速貯存試驗(yàn)→地面鑒定試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)”的試驗(yàn)流程與方法。經(jīng)過(guò)應(yīng)用表明，該方法提供了一種通過(guò)加速貯存試驗(yàn)評(píng)估導(dǎo)彈彈上設(shè)備貯存期的途徑。

1 試驗(yàn)流程與方法

針對(duì)導(dǎo)彈彈上設(shè)備不僅要滿足地面使用載荷要求，還要滿足飛行載荷的這一特點(diǎn)，通過(guò)加速因子試驗(yàn)獲取加速因子計(jì)算公式后，根據(jù)導(dǎo)彈的貯存使用情況，制定等效地面載荷的綜合試驗(yàn)剖面。將試驗(yàn)件按照綜合試驗(yàn)剖面等效加速到要求的貯存期目標(biāo)值后，進(jìn)行飛行環(huán)境載荷考核試驗(yàn)，判斷老化到目標(biāo)年的產(chǎn)品能否滿足飛行試驗(yàn)的要求，試驗(yàn)流程如圖1所示。

具體方法步驟如下：

1）加速因子試驗(yàn)。采取恒定應(yīng)力、步退應(yīng)力、步進(jìn)應(yīng)力等加速應(yīng)力施加方式，獲得加速貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)備的特性選用合適的加速模型，得出加速因子方程，計(jì)算加速因子。

圖1 綜合環(huán)境剖面加速貯存試驗(yàn)方法流程

2）制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，等效地面環(huán)境載荷。根據(jù)設(shè)備的加速因子制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，基于貯存期目標(biāo)值和試驗(yàn)件的已有自然貯存時(shí)間或加速貯存試驗(yàn)時(shí)間，計(jì)算加速貯存試驗(yàn)的循環(huán)數(shù)，將設(shè)備的壽命加速到目標(biāo)值。

（1）制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面。統(tǒng)計(jì)設(shè)備出廠交付后實(shí)際面臨的使用環(huán)境數(shù)據(jù)，計(jì)算平均1 a經(jīng)受的溫度、電、振動(dòng)等環(huán)境載荷值，作為制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面和計(jì)算加速因子的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

a）對(duì)于溫度、濕度等持續(xù)作用的環(huán)境應(yīng)力，利用加速因子計(jì)算等效1 a（8 760 h）的加速貯存試驗(yàn)時(shí)間：=8 760/。

b）對(duì)于機(jī)動(dòng)運(yùn)輸產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力，根據(jù)每年機(jī)動(dòng)運(yùn)輸?shù)睦锍?，按照GJB 150.16A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》規(guī)定的譜形或設(shè)備設(shè)計(jì)技術(shù)文件的規(guī)定，計(jì)算利用振動(dòng)臺(tái)模擬要求的機(jī)動(dòng)運(yùn)輸距離所需的振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)間。

c）對(duì)于電應(yīng)力，根據(jù)使用過(guò)程中通電的實(shí)際次數(shù)進(jìn)行通電測(cè)試或檢查。

根據(jù)a）、b）、c），將設(shè)備實(shí)際貯存使用1 a的環(huán)境載荷影響，按照應(yīng)力施加的順序，轉(zhuǎn)換為等效1 a的試驗(yàn)剖面，即每施加1個(gè)循環(huán)的綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面代表實(shí)際貯存使用1 a。不足1 a時(shí)，根據(jù)已經(jīng)完成的貯存時(shí)間、機(jī)動(dòng)距離和通電次數(shù)，計(jì)算還需要等效考核的貯存時(shí)間、機(jī)動(dòng)距離、通電次數(shù)等載荷，按照相似的方法編制相應(yīng)的綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面。

（2）等效地面載荷加速貯存試驗(yàn)。根據(jù)貯存期目標(biāo)值和試驗(yàn)件已有自然貯存時(shí)間，計(jì)算加速貯存試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)，即：試驗(yàn)循環(huán)數(shù)=貯存期目標(biāo)值0–已自然貯存時(shí)間1。試驗(yàn)循環(huán)數(shù)不是整數(shù)時(shí)，一般貯存期目標(biāo)值0為整數(shù)，通常是由于試驗(yàn)件的已自然貯存時(shí)間1不是整數(shù)引起的。此時(shí)可以按照相同的方法制定將試驗(yàn)件等效到滿足1 a的試驗(yàn)剖面。按照綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，并達(dá)到試驗(yàn)循環(huán)數(shù)，等效需要通過(guò)加速貯存試驗(yàn)累積的自然貯存使用的載荷。

3）飛行環(huán)境載荷考核試驗(yàn)。選取0件（0=1+2）均進(jìn)行a）或均進(jìn)行b）；也可以1件先進(jìn)行a），2件再進(jìn)行b）。試驗(yàn)成功后，給出貯存期目標(biāo)值0評(píng)估結(jié)論。對(duì)等效加速到貯存期目標(biāo)年的試驗(yàn)件，按照設(shè)備的設(shè)計(jì)文件要求開(kāi)展地面試驗(yàn)，覆蓋導(dǎo)彈飛行所歷經(jīng)的環(huán)境載荷。將其裝配到導(dǎo)彈上，參加飛行試驗(yàn)。

將加速因子試驗(yàn)、等效地面貯存試驗(yàn)載荷的綜合環(huán)境剖面加速貯存試驗(yàn)以及地面鑒定試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)相互獨(dú)立，分步進(jìn)行，能夠體現(xiàn)導(dǎo)彈彈上設(shè)備歷經(jīng)的貯存使用環(huán)境載荷和飛行環(huán)境載荷，可以用于彈上設(shè)備的貯存期評(píng)估。

2 案例

某控制器是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的重要設(shè)備，用于接收各控制信號(hào)，進(jìn)行綜合、放大，輸出功率信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)工作，貯存期指標(biāo)要求值為24 a。該設(shè)備在正常使用情況下主要經(jīng)受溫度、運(yùn)輸振動(dòng)和電應(yīng)力，其中，設(shè)置貯存的平均溫度為21 ℃，每年隨導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)運(yùn)輸500 km，通電測(cè)試2次。通過(guò)加速貯存試驗(yàn)對(duì)其貯存期進(jìn)行評(píng)估。

1）通過(guò)加速因子試驗(yàn)，獲得某控制器的加速因子計(jì)算公式。在90、100、110、120 ℃條件下開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)“輸出電流”存在退化，并且該參數(shù)也是自然貯存產(chǎn)品中相對(duì)退化量最大的參數(shù)，可作為該控制器貯存壽命的表征參數(shù)。采用線性退化模型進(jìn)行回歸，得到不同溫度下的退化方程，利用阿羅尼茲方程計(jì)算得到激活能為0.46 eV。該控制器的貯存期評(píng)估加速貯存試驗(yàn)在100 ℃下進(jìn)行，從而計(jì)算得到相對(duì)于平均溫度21 ℃的加速因子為48.7，計(jì)算公式為：

式中：為激活能，該控制器的激活能為0.46 eV；0為波爾茲曼常數(shù)，0=8.617×10–5eV/K；s為加速貯存試驗(yàn)溫度，這里s=372 K；0為正常使用溫度，0=294 K。

2）制定綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，等效地面環(huán)境載荷。選取2臺(tái)已自然貯存9年3個(gè)月的產(chǎn)品用于貯存期評(píng)估試驗(yàn)，自然貯存第10年已存放3個(gè)月，未通電測(cè)試和機(jī)動(dòng)運(yùn)輸。因此，仍需等效加速到14年9個(gè)月。

對(duì)于溫度應(yīng)力，采取加速的方式進(jìn)行等效。此時(shí)在100 ℃下，等效1 a的試驗(yàn)時(shí)間為180 h，等效9個(gè)月的試驗(yàn)時(shí)間為133 h。對(duì)于電應(yīng)力，每年測(cè)試2次，不進(jìn)行加速，按照與實(shí)際使用情況完全一致的方式進(jìn)行測(cè)試。對(duì)于機(jī)動(dòng)運(yùn)輸500 km經(jīng)受的振動(dòng)應(yīng)力，利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬，根據(jù)某控制器的設(shè)計(jì)文件，其振動(dòng)試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。從而得到某控制器第10年的綜合試驗(yàn)剖面如圖3所示，第11～24年每年的綜合試驗(yàn)剖面如圖4所示。

將上述2臺(tái)某控制器按照?qǐng)D3的綜合試驗(yàn)剖面開(kāi)展1個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，按照?qǐng)D4所示的綜合試驗(yàn)剖面開(kāi)展14個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，共等效14年9個(gè)月的地面使用載荷。若測(cè)試仍然合格，進(jìn)行下一步；若試驗(yàn)中出現(xiàn)貯存引起的故障或失效，則某控制器的貯存期小于24 a。

3）開(kāi)展地面鑒定試驗(yàn)或飛行試驗(yàn)，考核是否滿足導(dǎo)彈飛行載荷。對(duì)等效加速到貯存期24 a的2臺(tái)某控制器，其中1臺(tái)按照某控制器的設(shè)計(jì)文件要求開(kāi)展地面鑒定試驗(yàn)，包括低氣壓試驗(yàn)、高溫工作試驗(yàn)、飛行振動(dòng)試驗(yàn)、飛行沖擊試驗(yàn)和加速度試驗(yàn)，全部通過(guò)考核。另1臺(tái)裝配到導(dǎo)彈上，參加飛行試驗(yàn)，飛行試驗(yàn)也取得成功。

已自然貯存9年3個(gè)月的2臺(tái)某控制器，等效地面使用環(huán)境載荷加速到貯存期24 a后，仍然能夠滿足導(dǎo)彈飛行要求，因此可以給出24 a貯存期評(píng)估結(jié)論。

表1 模擬機(jī)動(dòng)運(yùn)輸振動(dòng)試驗(yàn)條件

Tab.1 Vibration test condition of simulated mobile transportation

圖2 模擬機(jī)動(dòng)運(yùn)輸隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜

圖3 第10年等效9個(gè)月的綜合試驗(yàn)剖面

圖4 等效1 a的綜合試驗(yàn)剖面

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出通過(guò)加速因子試驗(yàn)獲得加速因子計(jì)算公式后，制定了綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面，分別開(kāi)展了導(dǎo)彈彈上設(shè)備的地面使用環(huán)境載荷累計(jì)影響試驗(yàn)與飛行載荷環(huán)境考核試驗(yàn)，能夠體現(xiàn)導(dǎo)彈彈上設(shè)備歷經(jīng)的貯存使用環(huán)境載荷和飛行環(huán)境載荷，可以用于彈上設(shè)備的貯存期評(píng)估。該方法在多型導(dǎo)彈貯存延壽工程的彈上設(shè)備貯存期評(píng)估中的得到應(yīng)用，表明該方法符合導(dǎo)彈貯存使用的實(shí)際情況，可以評(píng)估導(dǎo)彈彈上設(shè)備的貯存期，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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Accelerated Storage Test Method for Missile Equipment Based on Comprehensive Environmental Profile

ZHANG Shi-nian, YANG Wei-zhong, XIA Ke-han, YAN Shi-yuan, JI Zhong-dong

(Division 24, No. 109, Beiqing Road, Xibeiwang Town, Haidian District, Beijing 100094, China)

The work aims to discuss the accelerated storage test process and method for evaluating the storage term of missile equipment in view of that missile must withstand flight environment load after bearing ground load during service.The accelerated test was carried out to obtain the calculation formula of accelerated factor. The comprehensive environmental test profile was formulated based on actual service environment load. According to the target value of storage term, the accelerated storage test was conducted. The equivalent service environment load on ground was simulated to carry out assessment test of flight environment load. After the test, the evaluation results of storage term were obtained. The method was applied to evaluate the storage term of missile equipment in polytype missiles' storage life extending project. From the application results, the method could be used to evaluate the storage term of missile equipment and had application value in engineering. After the calculation formula of accelerated factor is obtained, the accumulated effects of service environment load on ground and the ability to withstand the flight environment load are tested step by step, reflecting that the method can evaluate the storage term of missile equipment after bearing the environment load.

missile; accelerated storage test; comprehensive environmental profile; storage term

TJ760；V216

A

1672-9242(2022)12-0060-06

10.7643/ issn.1672-9242.2022.12.010

2021–11–16；

2021–12–17

2021-11-16；

2021-12-17

張仕念（1976—），男，碩士，副研究員，主要研究方向?yàn)榭煽啃耘c延壽技術(shù)。

ZHANG Shi-nian (1976-), Male, Master, Associate researcher, Research focus: reliability and storage life extension technology.

張仕念, 楊維忠, 夏克寒, 等. 一種基于綜合環(huán)境剖面的導(dǎo)彈彈上設(shè)備加速貯存試驗(yàn)方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2022, 19(12): 060-065.

ZHANG Shi-nian, YANG Wei-zhong, XIA Ke-han, et al.Accelerated Storage Test Method for Missile EquipmentBased on Comprehensive Environmental Profile[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(12): 060-065.

責(zé)任編輯：劉世忠