徐宏偉,周玉清,薛小樂

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

基于PHM的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)*

徐宏偉,周玉清,薛小樂

(中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065)

如何在復(fù)雜多變的環(huán)境下,保持小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈良好的性能,是其面臨的重要課題。針對這一情形,論文提出一種基于環(huán)境應(yīng)力、時間應(yīng)力和PHM相結(jié)合的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù),深入討論和分析了視情維護(hù)系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)路線以及關(guān)鍵技術(shù),實現(xiàn)了傳統(tǒng)的周期性測試維護(hù)到視情維護(hù)的轉(zhuǎn)變,提高了小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的維護(hù)技術(shù)水平。

小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈;PHM;周期性測試維護(hù);視情維護(hù)

0 引言

小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈武器系統(tǒng)是多種新技術(shù)的綜合應(yīng)用,涉及到機械、電子、計算機、自動控制、信息處理等領(lǐng)域,組成復(fù)雜,系統(tǒng)性強,一個關(guān)鍵器件或部件發(fā)生故障會導(dǎo)致整個武器系統(tǒng)不能工作[1];并且,導(dǎo)彈作為武器裝備在使用壽命剖面中所經(jīng)歷的過程主要有運輸、貯存、裝卸、戰(zhàn)斗值班等[2]。任何環(huán)節(jié)都有可能導(dǎo)致導(dǎo)彈性能退化,因此,如何在復(fù)雜多變的環(huán)境下,保持導(dǎo)彈良好的性能,是小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈面臨的重要課題。

1 小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈周期性測試

目前對于小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈狀態(tài)評估方法,主要采用周期性測試技術(shù)[3]。國外高度重視小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的測試技術(shù)研究,美國通過HELLFIRE Missile Compact Test Set (HMCTS)對HELLFIRE智能彈藥進(jìn)行周期性功能測試,每發(fā)智能彈藥測試126個參數(shù),到1994年,共有20 000發(fā)智能彈藥得到測試,共發(fā)現(xiàn)40多種軟硬件問題[4];為加強Longbow Hellfire智能彈藥的貯存狀態(tài)跟蹤和非破壞性驗收,美國軍方紅寶石試驗場成立了長弓海爾法的測試與驗收中心,該中心采用開環(huán)和閉環(huán)測試兩種方式,提供一個非破壞的手段來判斷庫存智能彈藥各個部件是否處于良好的工作狀態(tài)或性能是否退化[5]。英國采用Services Weapon Test Set(SWTS),在不同的功能模塊的幫助下,可分別實現(xiàn)硫磺石空地導(dǎo)彈發(fā)射裝置和導(dǎo)彈的測試等。此外,不同任務(wù)的剖面的溫度、濕度、沖擊、振動、電磁等環(huán)境對智能彈藥的性能影響也很大。如:沙漠風(fēng)暴后,美國軍方花費2 000萬美元來評估從戰(zhàn)場上撤回的7 000發(fā)TOW 2A智能彈藥的狀態(tài);在伊拉克反恐戰(zhàn)爭中,由于熱、濕度、沙塵、運輸?shù)确矫娴脑?有10%智能彈藥不能得以正常應(yīng)用。元器件篩選和地面測試盡管暴露一些問題等,但由于應(yīng)用批次的偶然性和突發(fā)故障的易發(fā)性,都可能造成小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈性能的退化。

小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的測試一般由導(dǎo)彈檢測儀來完成[6]。導(dǎo)彈檢測儀主要由目標(biāo)模擬器和導(dǎo)彈檢測儀組成,其中目標(biāo)模擬器用來模擬導(dǎo)彈的目標(biāo),檢驗導(dǎo)引頭的跟蹤特性和捕獲特性;導(dǎo)彈檢測儀與導(dǎo)彈發(fā)射接口安全連接,用來給導(dǎo)彈供電、參數(shù)裝定、數(shù)據(jù)采集、存儲和分析,以實現(xiàn)對導(dǎo)彈的狀態(tài)進(jìn)行判斷。結(jié)合目標(biāo)模擬器和導(dǎo)引頭的輸出值,可以判斷導(dǎo)引頭的狀態(tài);結(jié)合舵機的輸入指令和反饋指令可以判斷舵機的狀態(tài);根據(jù)初始裝定參數(shù)、導(dǎo)引頭輸出值、慣性導(dǎo)航裝置的輸出值、舵機的輸入值,并利用導(dǎo)彈控制模型反算,可判斷彈載計算機性能的好壞等。

但是,小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈周期性測試存在以下幾個問題:

1)小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的周期性測試對可靠性的影響。由于導(dǎo)彈的長期貯存原因,導(dǎo)彈的可靠性退化曲線一般不是傳統(tǒng)的浴盆曲線,更可能是指數(shù)曲線。理論上,周期性測試是可能降低導(dǎo)彈的可靠性的[7]。若周期性測試后,進(jìn)行維修,可靠性將提高,但總的可靠性還是在遞減,周期性測試維修的可靠性退化曲線如圖1(a)所示。

2)小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈原位測試問題(見圖1(b))。當(dāng)前,對小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈進(jìn)行測試大部分須將導(dǎo)彈從彈藥庫轉(zhuǎn)移至測試場地。轉(zhuǎn)場及測試過程存在如下問題:轉(zhuǎn)場的過程約束了導(dǎo)彈后勤保障的快速和機動;需要較多的人工干預(yù);存在容易對導(dǎo)彈造成損害的不安全因素。

3)小型導(dǎo)彈的測試周期選擇問題。如圖1(c)所示,目前的導(dǎo)彈測試周期,選擇半年、一年、兩年、五年等等,其依據(jù)主要靠試驗數(shù)據(jù)評估,會不會過測試和欠測試,如何才能做到合理科學(xué)的規(guī)劃,確保導(dǎo)彈處于良好的狀態(tài)。

4)小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的抽樣檢驗問題。如圖1(d)所示,目前,要求每一發(fā)導(dǎo)彈都要進(jìn)行測試,假如導(dǎo)彈同一批庫存較多,測試周期為半年,這樣將對軍方測試帶來很大的負(fù)擔(dān),能否結(jié)合先進(jìn)理論與技術(shù),進(jìn)行抽樣檢測,這樣將大大降低人力和物力。

圖1 周期性測試帶來的問題

2 小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)

2.1 PHM技術(shù)

PHM即預(yù)測與健康狀態(tài)管理(prognostics and health management, PHM),利用傳統(tǒng)的故障特征檢測技術(shù),并綜合先進(jìn)的軟件建模,來獲得低虛警率的故障檢測和隔離結(jié)果,進(jìn)而提高復(fù)雜系統(tǒng)的任務(wù)可靠性和安全性。PHM技術(shù)是綜合測試技術(shù)的最重要發(fā)展方向。進(jìn)行導(dǎo)彈PHM技術(shù)研究的數(shù)據(jù)主要來源于周期性測試數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。而環(huán)境監(jiān)測法廣泛用于國外的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的PHM中,有研究認(rèn)為:溫度、濕度、沖擊、振動、電磁、壓強、沙塵等環(huán)境應(yīng)力變化將會對武器的系統(tǒng)造成很大的影響,因此美國陸軍航空和導(dǎo)彈司令部推出一種基于環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測的RRAPDS(remote readiness asset prognostics/diagnostics system)[8]。如圖2所示,該系統(tǒng)通過綜合應(yīng)用先進(jìn)的PHM技術(shù)以及微機電、無線通信、微數(shù)據(jù)處理器和電源微功耗技術(shù),以實現(xiàn)對導(dǎo)彈、彈藥以及發(fā)射平臺的貯存、運輸以及使用過程中的狀態(tài)進(jìn)行評估,從而確定或預(yù)測即將投入戰(zhàn)斗的這些武器系統(tǒng)狀態(tài)是否完好。整個系統(tǒng)由狀態(tài)監(jiān)測器、數(shù)據(jù)接收器、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)驗證中心組成。每發(fā)導(dǎo)彈安裝1塊狀態(tài)監(jiān)測器,每個監(jiān)測器包括溫度、濕度、沖擊、振動、電磁、壓強等微機電傳感器,在超過設(shè)定閾值的環(huán)境應(yīng)力的作用下或數(shù)據(jù)接收器的激勵下,系統(tǒng)進(jìn)行采集、初步處理和存儲,并在上級的指令下,進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸。數(shù)據(jù)接收器接收到狀態(tài)監(jiān)測器的數(shù)據(jù)后,一方面可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,判斷導(dǎo)彈的狀態(tài);另一方面,可通過有線或無線的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)向更高一級傳輸。此外,環(huán)境應(yīng)力對導(dǎo)彈的影響有專門的驗證中心,如上文所提的長弓海爾法仿真與驗收中心等。

圖2 RRAPDS工作原理

采用RRAPDS采用的技術(shù),可對導(dǎo)彈狀態(tài)長期監(jiān)控,不需要設(shè)定測試周期;導(dǎo)彈不需要開箱測試;對所有導(dǎo)彈都進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測,所以不需要抽樣測試,并且價格低廉,易實現(xiàn)信息化組網(wǎng);經(jīng)過相關(guān)設(shè)置,可通過RRAPDS實現(xiàn)小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈任務(wù)狀態(tài)和環(huán)境應(yīng)力變化進(jìn)行全生命周期記錄,從而為導(dǎo)彈的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2 小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

RRAPDS融合著當(dāng)前最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)與PHM技術(shù),代表著小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈維護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。因此,在吸取RRAPDS相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上,展開復(fù)雜多變環(huán)境下的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)的研究(見圖3),該系統(tǒng)綜合應(yīng)用環(huán)境測試系統(tǒng)+無線傳感網(wǎng)絡(luò)+PHM相關(guān)技術(shù),實現(xiàn)傳統(tǒng)的導(dǎo)彈周期性測試維護(hù)到視情維護(hù)的轉(zhuǎn)變,將有效地提高小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的維護(hù)技術(shù)水平。

圖3 小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)系統(tǒng)原理示意圖

其中,環(huán)境測試系統(tǒng)用法如下:

1)可安裝在發(fā)射箱外壁上,并于箱內(nèi)相通,用于監(jiān)測、分析導(dǎo)彈在存儲、運輸以及發(fā)射時的環(huán)境參數(shù),數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)可通過無線適時監(jiān)測各個導(dǎo)彈的溫度、濕度、氣壓、沖擊、振動、磁場等環(huán)境參數(shù);

2)可安裝在小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上,用于任何任務(wù)剖面環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測,并基于數(shù)據(jù)以及歷史經(jīng)驗和先進(jìn)的PHM技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)彈性能狀態(tài)的評估;

3)可配合導(dǎo)彈檢測儀,進(jìn)行功能性測試。由于該視情維護(hù)系統(tǒng)是建立在一個假設(shè)之上的,即導(dǎo)彈性能的退化主要來源于外界環(huán)境應(yīng)力的變化。實際上,有的導(dǎo)彈的故障也有一定突發(fā)性,并且諸如慣導(dǎo)、導(dǎo)引頭等精密傳感器,其性能有可能隨著時間退化,顯然對導(dǎo)彈的功能性測試也是必要的。因此,可提出一種基于環(huán)測和功能性測試相結(jié)合的導(dǎo)彈狀態(tài)評估技術(shù)。工作原理如下:在每發(fā)導(dǎo)彈上安裝環(huán)測裝置,通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取環(huán)境應(yīng)力值和時間應(yīng)力值,若環(huán)境應(yīng)力值或時間應(yīng)力值超過設(shè)定閾值時,則對導(dǎo)彈進(jìn)行測試。相對于傳統(tǒng)的導(dǎo)彈測試,基于環(huán)測和功能性測試相結(jié)合的導(dǎo)彈狀態(tài)評估方法有如下優(yōu)點:消除了傳統(tǒng)盲目的周期性測試,能夠做到導(dǎo)彈視情測試。

4)用于小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈倉儲信息化管理,即可在環(huán)測系統(tǒng)上開辟一塊區(qū)域,用于導(dǎo)彈的不同任務(wù)剖面以及飛行試驗前的生命階段的重要信息記錄,由于采用無線傳感網(wǎng)絡(luò),可實現(xiàn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的智能化管理。

由于小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)主要是建立在先進(jìn)的PHM技術(shù)和大量的歷史經(jīng)驗知識基礎(chǔ)之上的,考慮到當(dāng)前的PHM技術(shù)發(fā)展水平,也采用兩步走研究策略:

第一步:基于環(huán)境應(yīng)力(ESMD)和時間應(yīng)力(TSMD)的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)的工作原理如下:通過環(huán)境應(yīng)力和時間應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測,一旦應(yīng)力超過設(shè)定閾值(經(jīng)驗值),則采用導(dǎo)彈檢測儀進(jìn)行測試評估。這種方法可以消除采用導(dǎo)彈檢測儀定期測試帶來的問題。

第二步:開展基于環(huán)境應(yīng)力(ESMD)的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈視情維護(hù)技術(shù)研究。通過理論研究和試驗驗證(仿真驗證、武器飛行、老化試驗等)的方法,建立環(huán)境應(yīng)力與小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)性能的映射模型。

兩者的關(guān)鍵技術(shù)如下:

①原位測試技術(shù):原位測試技術(shù)主要包括導(dǎo)彈可測試性設(shè)計技術(shù)以及關(guān)鍵部件如導(dǎo)引頭、舵機、慣導(dǎo)等的不開箱測試技術(shù)。

②嵌入式測試技術(shù):盡管彈上電氣連接是整個導(dǎo)彈的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),但為了提高檢測深度而過多地增加機外測試線纜,不但會加大其彈上與作戰(zhàn)性能無關(guān)的“盲腸”效應(yīng),而且增加導(dǎo)彈飛行負(fù)荷,降低了全彈的可靠性。因此,可以開展彈上嵌入式測試技術(shù),即利用彈上專用嵌入式采集模塊獲取導(dǎo)彈狀態(tài)信息,利用無線網(wǎng)絡(luò)、專用接口等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用彈上嵌入式測試方式,可有效減少彈上與地面測試線纜連接,拓展測試深度。此外,彈上嵌入式模塊還可以作為PHM單元,對彈上部件和導(dǎo)彈進(jìn)行故障診斷和預(yù)測。

③基于導(dǎo)彈性能數(shù)據(jù)的PHM技術(shù)。

④基于環(huán)境應(yīng)力的小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈PHM技術(shù):低功耗低成本環(huán)境參數(shù)采集技術(shù),高可靠、高安全、高性能無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及環(huán)境應(yīng)力與小型戰(zhàn)術(shù)武器系統(tǒng)性能的映射模型的構(gòu)建。

⑤產(chǎn)品生命周期管理技術(shù)。

3 總結(jié)

綜上所述,視情維護(hù)技術(shù)是減少小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈維護(hù)成本,延長壽命的重要途徑,滿足軍方“打則能用,用則能成”的急切需求。

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Condition-based Maintenance Technology of Small Tactical Missile Using PHM

XU Hongwei,ZHOU Yuqing,XUE Xiaole

(No.203 Resarch Institure of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

It is the very important issue that how to keep performance for a small tactical missile. According to current situation, a kind of PHM technology on small tactical missile was proposed using environmental stress, time stress and data information in this text, and the principles, methods and key technologies of condition-based system were profoundly analyzed and discussed. The research results promote transformation from traditional test-based periodic maintenance to condition-based maintenance, and enhance development level of maintenance technologies.

small tactical missile; PHM; test-based periodic maintenance; condition-based maintenance

2014-11-05

徐宏偉(1967-),男,陜西渭南人,研究員,研究方向:武器系統(tǒng)電氣設(shè)計及綜合測試技術(shù)。

TP302

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