基于分檔策略的裝備統(tǒng)一環(huán)境試驗條件設計方法

李炳蔚，牛智玲，黃夢宏，李雨青

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

在裝備研發(fā)過程中，為降低成本，提高可靠性，需要大量采用相對成熟、久經(jīng)考驗的貨架產(chǎn)品，如通用遙測傳感器、通用導航接收機等。貨架產(chǎn)品為了適應不同型號、不同安裝位置的環(huán)境試驗條件，相同的產(chǎn)品往往要重復開展大量定制化的試驗項目，這對于產(chǎn)品的低成本研制、批量化備料、規(guī)?；a(chǎn)、高效率驗收都非常不利。傳統(tǒng)的“包絡式”設計方法把所有型號的環(huán)境試驗條件進行最大化包絡，雖然可以實現(xiàn)環(huán)境試驗條件的統(tǒng)一，但不利于產(chǎn)品的低成本設計。為此，本文從裝備的實際出發(fā)，研究提出了基于分檔策略的裝備統(tǒng)一環(huán)境試驗條件設計方法。本文以航天裝備為例，開展了力、熱、自然環(huán)境試驗條件設計方法的研究，該方法對于其他類型裝備也具有一定的普適性。

工程中，裝備的環(huán)境的力、熱、自然等試驗條件主要是根據(jù)相關標準制定的[1-5]。大部分裝備環(huán)境試驗條件制定方法研究主要是集中在力學環(huán)境試驗條件方面，包括地面運輸和飛行環(huán)境，研究的主要方向是環(huán)境試驗條件預示和標準剪裁方法方面。馮福來[4]、鄒小玲[5]、王亮等[6-7]、章思騤[8]、張曾锠等[9]、郭強嶺等[10-11]、馬升等[12]、李春麗等[13]、劉凱[14]、寧薇薇等[15]研究了各類裝備振動環(huán)境預示、制定和分析的方法。商霖等[16]研究了基于實測地面試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的導彈裝備公路運輸振動環(huán)境試驗條件的預示方法。王曉雷等[17]研究了基于實測飛行試驗數(shù)據(jù)的慣組飛行角振動環(huán)境測量與試驗條件設計方法。李春麗等[18]研究了基于地面脈動壓力風洞試驗數(shù)據(jù)的再入飛行器飛行噪聲、振動環(huán)境預示方法。董周戰(zhàn)等[19]、孫建勇等[20]、史明麗等[21]、宋敬利等[22]、龔學兵等[23]、張玉杰等[24]研究了裝備沖擊試驗條件的制定和分析方法。對于自然環(huán)境（鹽霧、霉菌、砂塵等）、平臺誘導環(huán)境（機載武器掛飛振動環(huán)境等）主要是參考相關標準[25-29]。黃夢宏等[30]基于任務剖面分析，根據(jù)實測地面運輸、飛行試驗的數(shù)據(jù)，研究了武器裝備統(tǒng)一力學環(huán)境試驗條件的可行性。結(jié)果表明，裝備運輸振動、運輸沖擊環(huán)境、飛行振動、飛行噪聲環(huán)境可以建立統(tǒng)一的環(huán)境試驗條件。在航天工程實踐中，對一個適裝不同型號的貨架產(chǎn)品提出統(tǒng)一環(huán)境試驗條件時，傳統(tǒng)做法是對不同型號的環(huán)境試驗條件進行包絡處理，使得產(chǎn)品可以適應不同型號項目的環(huán)境。

然而，目前對環(huán)境條件制定的研究主要是集中在通過環(huán)境分析或者參考相關標準制定特定的環(huán)境條件，其中對統(tǒng)一環(huán)境條件的研究主要是采用條件包絡的方法，還缺乏針對貨架產(chǎn)品的產(chǎn)品化統(tǒng)一環(huán)境試驗條件制定方法的系統(tǒng)研究，且難以指導和支撐裝備產(chǎn)品化、低成本的工程研制需求。為此，本文從裝備的實際出發(fā)，提出基于分檔策略的裝備統(tǒng)一環(huán)境試驗條件設計方法，通過采用“基本項”+“定制項”的方法對試驗項目進行統(tǒng)一化，采用“包絡式”+“精細式”+“分檔式”對試驗條件進行統(tǒng)一化。本文的方法從工程實際出發(fā)，提出了一種基于分檔策略的系統(tǒng)、多維度統(tǒng)一環(huán)境條件的制定方法，是對傳統(tǒng)“大包絡”設計方法的重要延拓和創(chuàng)新，規(guī)避了傳統(tǒng)方法帶來的高量級、高成本弊端，且經(jīng)過了航天工程實踐的驗證，對于產(chǎn)品化研制、降低裝備成本具有重要意義，支撐現(xiàn)代戰(zhàn)爭“打得起才能打得贏”。

1 統(tǒng)一環(huán)境試驗條件制定方法概述

首先，對裝備環(huán)境試驗條件的統(tǒng)一化進行詳細的論證。全面梳理裝備環(huán)境適應性要求的試驗條件，結(jié)合不同平臺裝備的使用剖面，開展不同平臺裝備使用環(huán)境統(tǒng)一化可行性論證，研究統(tǒng)一環(huán)境試驗條件制定的策略。裝備需要開展的環(huán)境試驗項目可以分為平臺使用環(huán)境試驗和飛行環(huán)境試驗，每一類又可以細分為若干不同類型的試驗項目。對于不同型號，其環(huán)境試驗條件可能在試驗項目、試驗條件上有所不同，如圖1 所示。為了提高統(tǒng)一環(huán)境條件在型號應用中的便捷性、可操作性，且降低研制和批產(chǎn)成本，環(huán)境試驗條件統(tǒng)一化應遵循簡化和經(jīng)濟性的原則，按照環(huán)境試驗項目和條件分檔2 個方面提出環(huán)境試驗條件分檔的總體策略。

2 環(huán)境試驗項目分檔方法

首先，對圖1 中產(chǎn)品涉及的不同型號各類環(huán)境試驗的項目進行分析，確定試驗項目的分檔策略，明確分檔環(huán)境試驗項目。由于航天工程中一些通用產(chǎn)品應用到不同平臺、不同軍兵種的型號眾多，面臨不同型號環(huán)境試驗條件項目差異較大，同一類環(huán)境試驗條件散布范圍較大的情況。為此，對試驗項目進行分檔，分為“基本項”和“定制項”，如圖2 所示?！盎卷棥笔峭ㄓ玫沫h(huán)境試驗項目，也就是所有產(chǎn)品都要開展的試驗項目，“定制項”是需要視情剪裁的試驗項目。

圖2 環(huán)境試驗項目的分檔Fig.2 Grading of environmental test projects

根據(jù)裝備實際情況，經(jīng)過論證后的統(tǒng)一環(huán)境試驗條件及其制定策略見表1。本文的研究結(jié)果可以作為其他武器裝備的參考，也可以根據(jù)實際情況具體問題具體分析。

3 環(huán)境試驗條件分檔方法

對于圖2 中每個具體的環(huán)境試驗項目，如果不同型號的試驗條件差異不大，盡可能合并為1 個統(tǒng)一的包絡環(huán)境試驗條件，也就是“包絡式”環(huán)境試驗條件，這樣會使得貨架產(chǎn)品在研制、備料和批產(chǎn)時只需要對標1 個環(huán)境試驗條件，可以極大地降低成本。對于不同型號環(huán)境試驗條件差異性較大的情況，考慮到不同量級的環(huán)境試驗（如振動、沖擊試驗）可能會極大影響產(chǎn)品的試驗方法、產(chǎn)品元器件原材料等級，進一步會極大地影響研制成本和批產(chǎn)價格，如果采用簡單的包絡式統(tǒng)一化環(huán)境試驗條件，那么會使得低檔位型號對應產(chǎn)品的成本大大增加。這種情況下，需要首先盡可能地根據(jù)飛行或者地面試驗實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，然后基于統(tǒng)計結(jié)果進行精細化的環(huán)境試驗條件設計，也就是“精細式”環(huán)境試驗條件。或者對多型號環(huán)境試驗條件進行分檔環(huán)境試驗條件的制定，把不同型號的環(huán)境試驗條件就近歸集到若干檔位。出于經(jīng)濟性的考慮，一般環(huán)境試驗條件的檔位個數(shù)不超過3個，也就是“分檔式”環(huán)境試驗條件。

3.1 “包絡式”環(huán)境試驗條件制定方法

在工程上，往往已知各型號的環(huán)境試驗條件，那么最簡單的方式是對各型號的環(huán)境試驗條件進行簡單的包絡，得到統(tǒng)一環(huán)境試驗條件。包絡的方法是：

1）對試驗項目進行包絡。對于不同型號的試驗項目進行最大包絡，比如有的型號有鹽霧試驗，有的型號沒有鹽霧試驗，統(tǒng)一環(huán)境試驗條件需要按照有鹽霧試驗考慮。

2）對試驗條件進行包絡。對于不同型號的試驗條件進行最大包絡，比如有的型號高溫試驗按60 ℃，有的型號55 ℃，那么統(tǒng)一后試驗條件按照60 ℃。

假設有n個型號，其環(huán)境試驗條件為E1,E2,…,En，那么進行包絡后，統(tǒng)一環(huán)境試驗條件可以描述為：

對典型的幾種試驗條件包絡的方法如下：

1）隨機振動。一般環(huán)境試驗條件以功率譜密度的形式給出，應對功率譜密度曲線取最大包絡。

2）高頻沖擊。一般環(huán)境試驗條件以沖擊響應譜的形式給出，應對沖擊響應譜取最大包絡。

3）高、低溫試驗。保溫時間取最大值，高溫溫度取最高值，低溫溫度取最低值，溫度變化率取最大值。

4）濕熱試驗。溫度、濕度、持續(xù)時間取最大值。

5）霉菌試驗。溫度、濕度、試驗周期取最大值，試驗菌種取包絡。

6）鹽霧試驗。鹽溶液濃度、鹽霧沉降量、持續(xù)時間取最大值。

7）砂塵試驗。風速取最大值，吹塵、吹砂濃度取最大值。

其他類型試驗條件的包絡可以參考上述方法進行包絡，包絡的原則是使得統(tǒng)一環(huán)境可以包絡各型號的環(huán)境對產(chǎn)品的損傷、破壞或腐蝕效果。包絡的溫度–濕度–高度環(huán)境試驗條件如圖3 所示。

“包絡式”環(huán)境試驗條件的制定方法是工程上目前比較常用的一種方法，其優(yōu)點是簡單易行、對現(xiàn)有型號環(huán)境試驗條件滿足性好、對批產(chǎn)比較友好，缺點是條件取最大包絡，可能會導致統(tǒng)一環(huán)境試驗條件的量級過高?！鞍j式”環(huán)境試驗條件的制定方法比較適用于環(huán)境試驗條件本身比較接近，或者產(chǎn)品對相關環(huán)境不敏感，或者試驗條件的大包絡不顯著改變產(chǎn)品研制或試驗成本的情況。

3.2 “精細式”環(huán)境試驗條件制定方法

“包絡式”環(huán)境試驗條件制定方法雖然比較方便，但是多型號的包絡往往導致環(huán)境試驗條件項目多、量級高，對于產(chǎn)品的低成本設計和批量生產(chǎn)往往是不利的。為了規(guī)避這一弊端，提出“精細式”環(huán)境試驗條件制定方法，即通過梳理分析產(chǎn)品在不同型號地面及飛行試驗實測的環(huán)境數(shù)據(jù)，得到精細化的統(tǒng)一環(huán)境試驗條件。由于各型號環(huán)境試驗條件的提出往往是在方案設計階段，這一階段由于缺乏試驗實測數(shù)據(jù)，出于工程化的考慮，提出的條件往往帶有較大的余量，屬于強化的環(huán)境試驗條件。隨著裝備進入到鑒定定型階段、使用階段，環(huán)境實測數(shù)據(jù)子樣就更多了，且其量級往往遠小于當初制定的環(huán)境試驗條件。因此，在進行多型號條件統(tǒng)一時，可以基于各型號實測的環(huán)境數(shù)據(jù)，進行環(huán)境試驗條件的“統(tǒng)一化”和“再制定”，可以達到既滿足各型號環(huán)境試驗考核的要求，同時又避免量級過高的效果。

“精細式”環(huán)境試驗條件制定前，需要先收集不同型號實測的飛行試驗數(shù)據(jù)，根據(jù)子樣大小，采用不同的概率統(tǒng)計方法得到環(huán)境試驗條件[3]。

1）子樣數(shù)3≤N<7 時，采用正態(tài)單邊容差上限（NTL）的方法確定環(huán)境試驗條件。對于某個3 子樣的火工沖擊環(huán)境試驗條件的制定情況（99%概率，90%的置信度）如圖4 所示。

圖4 基于NTL 的“精細式”環(huán)境試驗條件Fig.4 Schematic diagram of "fine" environmental test conditions based on NTL

2）子樣數(shù)7≤N≤10 時，采用自由分布容差上限（DFL）或正態(tài)單邊容差上限（NTL）方法確定環(huán)境試驗條件。

3）數(shù)據(jù)子樣數(shù)N>10 時，采用經(jīng)驗容差上限（ETL）或自由分布容差上限（DFL）、正態(tài)單邊容差上限（NTL）方法確定環(huán)境試驗條件。

“精細式”環(huán)境試驗條件是基于實測數(shù)據(jù)制定的，具備傳統(tǒng)“包絡式”方法的優(yōu)點，同時規(guī)避了環(huán)境試驗條件過大的問題。然而，該方法應建立在數(shù)據(jù)子樣足夠多的基礎上，并且需要處理好統(tǒng)一環(huán)境試驗條件與各型號環(huán)境適應性要求之間的兼容關系，也需要處理好與未來新的型號環(huán)境適應性要求的兼容性。

3.3 “分檔式”環(huán)境試驗條件制定方法

針對“包絡式”、“精細式”環(huán)境試驗條件制定方法的缺點，提出了“分檔式”環(huán)境試驗條件制定方法。該方法主要是對不同型號的環(huán)境試驗項目和環(huán)境試驗條件進行分析梳理，就近歸集到若干檔位，按照量級、譜形等區(qū)分為若干個不同的檔位，通常不應超過3 檔。

通過論證，某航天裝備飛行環(huán)境試驗條件的分檔情況如圖5 所示。對于飛行環(huán)境試驗條件，根據(jù)不同的環(huán)境要素，結(jié)合飛行試驗數(shù)據(jù)，分析得到分檔環(huán)境試驗條件。某航天裝備飛行振動環(huán)境試驗條件的分檔情況如圖6 所示，根據(jù)不同型號環(huán)境試驗條件子樣的分布，進行就近歸集可以細分為3 檔統(tǒng)一環(huán)境試驗條件。相關產(chǎn)品在研發(fā)和批產(chǎn)過程中可以進行分組、分批，分別執(zhí)行相關檔位的環(huán)境試驗。在工程中，也可以根據(jù)實際情況，對產(chǎn)品的設計進行對應分檔，對應于低檔位環(huán)境試驗條件，可以適當選取低等級的元器件、原材料，以降低成本。

圖5 飛行環(huán)境試驗條件的分檔策略Fig.5 Grading strategy of environmental test conditions of flight

圖6 飛行振動分檔環(huán)境試驗條件Fig.6 Schematic diagram of environmental test conditions of flight vibration

“分檔式”環(huán)境試驗條件制定方法特點是把環(huán)境試驗條件或者實測環(huán)境進行就近歸集，避免了多型號環(huán)境試驗條件散布較大時“一刀切”的做法，且兼顧了經(jīng)濟性要求。

4 結(jié)語

本文提出基于分檔策略的裝備統(tǒng)一環(huán)境試驗條件設計方法，給出了裝備環(huán)境試驗條件的分檔策略和剪裁方法。經(jīng)過航天裝備的實踐表明，本文提出的統(tǒng)一環(huán)境試驗條件設計方法是可行的，可以很好地兼顧產(chǎn)品化設計驗收和低成本之間的關系。對不同型號環(huán)境剖面和試驗項目進行分析，可以采用“基本項”+“定制項”的方法對試驗項目進行統(tǒng)一化。對不同型號具體環(huán)境試驗條件進行分析，可以采用“包絡式”+“精細式”+“分檔式”對試驗條件進行統(tǒng)一化。

本文提出的統(tǒng)一環(huán)境試驗條件的設計方法對于產(chǎn)品化研制、裝備降成本具有重要意義。后續(xù)還需要開展的研究工作如下：

1）開展基于疲勞/損傷等效的環(huán)境試驗條件等效方法的研究，支撐半正弦、隨機振動等不同類型試驗條件的統(tǒng)一化。

2）開展力、熱、自然環(huán)境效應研究，通過環(huán)境觀測數(shù)據(jù)、自然暴露性能退化試驗數(shù)據(jù)的積累，支撐綜合環(huán)境試驗條件的等效。