趙長(zhǎng)見(jiàn) , 洪東跑, 管 飛, 張海瑞

(1. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)航天科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073; 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

1 引 言

火工品是裝有火藥或炸藥，受外界能量刺激后產(chǎn)生燃燒或爆炸，用以引燃火藥、引爆炸藥、做機(jī)械功或產(chǎn)生特種效應(yīng)的一次性使用的元件和裝置的總稱[1]，廣泛應(yīng)用于飛行器領(lǐng)域。飛行器火工品承擔(dān)著一系列有關(guān)固體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、姿態(tài)控制、分離等飛行器飛行過(guò)程中控制指令的執(zhí)行，對(duì)飛行器飛行成敗起到關(guān)鍵性的作用，需要對(duì)飛行器火工品貯存壽命進(jìn)行有效地評(píng)估。

飛行器火工品在貯存過(guò)程中受到環(huán)境因素的影響，其可靠性會(huì)逐漸降低。由于飛行器火工品可靠性高，正常貯存條件下其失效率很低，短期內(nèi)很難暴露出缺陷，無(wú)法得到有效的貯存壽命信息，故需要通過(guò)開(kāi)展加速貯存壽命試驗(yàn)，對(duì)火工品貯存壽命進(jìn)行評(píng)估[2]。目前加速壽命試驗(yàn)理論與方法已較為成熟，普遍應(yīng)用于飛行器上的電子、材料等產(chǎn)品。然而，火工品屬于一種含藥元件或裝置，其失效時(shí)間不可測(cè)。通過(guò)測(cè)試只能判斷在一定貯存時(shí)間后其是否失效[3-4]，而且每個(gè)樣本只能測(cè)試一次。如按傳統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)理論與方法，則試驗(yàn)樣本需求巨大，試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和周期難以滿足工程要求。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究給出了適合火工品的加速壽命試驗(yàn)方法[5-6]，極大地減少了試驗(yàn)樣本量。71℃試驗(yàn)法是國(guó)內(nèi)工程中常用的一種火工品加速貯存壽命試驗(yàn)方法，利用加速系數(shù)，由高溫下的試驗(yàn)時(shí)間，推算常溫下的貯存壽命[5]。對(duì)于不同類別的火工品，活化能可能存在一定的差異，進(jìn)而加速系數(shù)也不完全一致，影響了貯存壽命評(píng)估的精確性。美國(guó)航天航空工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的火工品加速貯存壽命試驗(yàn)方法也是一種利用加速系數(shù)的小樣本試驗(yàn)方法[6]。該方法需要在加速試驗(yàn)前后進(jìn)行感度參數(shù)一致性檢驗(yàn)，作為貯存壽命是否滿足要求的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。由于飛行器火工品具有長(zhǎng)壽命、高可靠的特點(diǎn)，可能在加速貯存后感度參數(shù)發(fā)生了退化不能通過(guò)一致性檢驗(yàn)，但可靠性依然滿足指標(biāo)要求。如果以一致性檢驗(yàn)結(jié)果作為唯一的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，則會(huì)導(dǎo)致貯存壽命評(píng)估結(jié)果與實(shí)際存在較大偏差。

針對(duì)現(xiàn)有火工品加速貯存壽命試驗(yàn)方法存在的不足，本研究結(jié)合飛行器火工品及其貯存壽命與可靠性的特點(diǎn)，對(duì)飛行器火工品貯存壽命影響因素、失效模式與失效機(jī)理進(jìn)行分析，將感度試驗(yàn)與加速貯存試驗(yàn)相結(jié)合，利用可靠性評(píng)估來(lái)代替感度參數(shù)一致性檢驗(yàn)，給出一種適用于飛行器火工品的加速貯存壽命試驗(yàn)與評(píng)估方法，在較小樣本量下，有效提高火工品貯存壽命試驗(yàn)與評(píng)估的精確性與穩(wěn)健性。

2 貯存失效分析

在長(zhǎng)期貯存中常常會(huì)因受到各種環(huán)境的影響，在飛行器火工品內(nèi)部發(fā)生物理變化和化學(xué)變化，導(dǎo)致其性能逐漸退化到不能完成其預(yù)定設(shè)計(jì)功能的狀態(tài)而發(fā)生失效。火工品失效是指其不能完成或?qū)⒉荒芡瓿善湓O(shè)計(jì)功能的事件或狀態(tài)，按失效性質(zhì)分為功能失效和材料失效兩類[6]。

根據(jù)飛行器火工品的結(jié)構(gòu)及功能特點(diǎn)，可以分為電點(diǎn)火(起爆)器類、爆炸螺栓類、固體小火箭類和隔板點(diǎn)火器類四大類[6]。同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計(jì)控制措施及方法相似，因此以典型產(chǎn)品為代表進(jìn)行該類火工品的貯存失效模式分析。

電點(diǎn)火(起爆)器類: 對(duì)電點(diǎn)火(起爆)器類產(chǎn)品進(jìn)行失效分析可知，導(dǎo)致電性能變化、輸出性能超差以及外觀問(wèn)題等故障的原因，最終可以歸結(jié)到金屬材料腐蝕、非金屬材料老化和藥劑失效三個(gè)方面，而導(dǎo)致三種現(xiàn)象出現(xiàn)的環(huán)境因素為溫度、濕度、鹽霧和霉菌。

爆炸螺栓類: 對(duì)爆炸螺栓類產(chǎn)品失效進(jìn)行分析可知，爆炸螺栓除包含電發(fā)火管失效的各因素外，還包括螺栓頭和隔板裝藥體部分性能超差的問(wèn)題，最終也可以歸結(jié)到金屬材料腐蝕、非金屬材料老化和藥劑失效三方面，而導(dǎo)致三種現(xiàn)象出現(xiàn)的環(huán)境因素為溫度、濕度、鹽霧和霉菌。

火箭類: 對(duì)火箭類產(chǎn)品進(jìn)行失效分析可知，導(dǎo)致火箭類火工品貯存性能失效的原因除電發(fā)火管失效的各因素外，還包括火箭類火工品部分性能超差的問(wèn)題，最終也可以歸結(jié)到金屬材料腐蝕、非金屬材料老化、藥劑或藥柱失效三方面，而導(dǎo)致三種現(xiàn)象出現(xiàn)的環(huán)境因素為溫度、濕度、鹽霧和霉菌。

隔板點(diǎn)火器類: 對(duì)隔板點(diǎn)火器類產(chǎn)品失效進(jìn)行分析可知，隔板點(diǎn)火器除包含電發(fā)火管失效的各因素外，還包括隔板裝藥體部分性能超差的問(wèn)題，最終也可以歸結(jié)到金屬材料腐蝕、非金屬材料老化、藥劑失效三方面，而導(dǎo)致三種現(xiàn)象出現(xiàn)的環(huán)境因素為溫度、濕度、鹽霧和霉菌。

通過(guò)對(duì)飛行器火工品常用的失效模式與失效機(jī)理進(jìn)行分析可知，飛行器火工品裝藥的內(nèi)在性能和結(jié)構(gòu)是決定其貯存失效的內(nèi)在原因，環(huán)境溫度、濕度、鹽霧和霉菌是影響其貯存性能的重要的外在因素。飛行器火工品在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于濕度的控制都比較嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)上可確保密封性能達(dá)到要求，同時(shí)飛行器的貯存環(huán)境較好，火工品受鹽霧和霉菌影響較小。這樣在飛行器火工品密封良好、裝藥和結(jié)構(gòu)既定的情況下，環(huán)境溫度變化是引起飛行器火工品藥劑理化性能改變進(jìn)而造成飛行器火工品貯存失效的主要因素。因此在飛行器火工品的加速壽命試驗(yàn)中，通常采用溫度作為加速應(yīng)力。

3 加速貯存壽命試驗(yàn)

在貯存過(guò)程中火工品的失效往往是由多種失效機(jī)理引起的，是多個(gè)退化過(guò)程同時(shí)發(fā)生的結(jié)果，但整個(gè)退化反應(yīng)的速度取決于最快的過(guò)程。一般來(lái)講，當(dāng)對(duì)材料、產(chǎn)品有害的反應(yīng)持續(xù)到一定限度，失效即隨之發(fā)生，這樣的模型就是反應(yīng)速度論模型[3]。這種反應(yīng)速度k與溫度T的關(guān)系可以用經(jīng)典的阿倫尼斯模型來(lái)描述[3]:

(1)

式中，A為與產(chǎn)品特性有關(guān)的正常數(shù)，Ea為活化能，eV； 波爾茲曼常數(shù)R=1.38×10-23J·K-1。

對(duì)于不同類別的火工品，活化能Ea可能存在一定的差異，因而加速系數(shù)也不完全一致。當(dāng)火工品樣本量足夠時(shí)，可選擇經(jīng)典的恒定溫度應(yīng)力試驗(yàn)法。以阿倫尼斯方程作為火工品壽命與溫度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)至少四個(gè)溫度應(yīng)力水平的加速壽命試驗(yàn)求出加速系數(shù)，由此外推常溫下的貯存壽命。然而，針對(duì)火工品不可重復(fù)測(cè)試、無(wú)法確定失效時(shí)間等特點(diǎn)，經(jīng)典的加速壽命試驗(yàn)方法難以適用。

鑒于71 ℃試驗(yàn)法和恒定溫度加速壽命試驗(yàn)法的局限性，當(dāng)飛行器火工品平貯件樣本量較少時(shí)，可利用在美國(guó)航天航空工業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布火工品加速壽命試驗(yàn)方法[6]，其加速方程為:

(2)

式中，θ0為火工品的正常貯存壽命，θ1為加速貯存壽命，T0為火工品的正常貯存溫度，K；T1為火工品的加速試驗(yàn)溫度，K。在工程應(yīng)用中，一般先確定加速貯存時(shí)間θ1，再選取樣本量n的產(chǎn)品在高溫T1下進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)，對(duì)加速貯存試驗(yàn)后的產(chǎn)品進(jìn)行感度試驗(yàn)，由感度試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)前后性能參數(shù)的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)。如果一致性檢驗(yàn)通過(guò)，則認(rèn)為該火工品在高溫T1下貯存壽命大于θ1，由加速系數(shù)可推導(dǎo)出該產(chǎn)品在正常貯存溫度T0的壽命大于θ0。如果一致性檢驗(yàn)不通過(guò)，則需要降低加速貯存時(shí)間θ1，重新選取一批新產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。針對(duì)感度參數(shù)一致性檢驗(yàn)存在的不足，利用可靠性評(píng)估來(lái)代替感度參數(shù)一致性檢驗(yàn)，如果加速試驗(yàn)后產(chǎn)品的可靠性評(píng)估符合指標(biāo)要求，則可認(rèn)為火工品貯存壽命滿足要求。

根據(jù)飛行器火工品貯存任務(wù)剖面確定正常貯存溫度T0，通常飛行器火工品的貯存溫度要求為區(qū)間形式，即[TL,TH]。通過(guò)對(duì)飛行器火工品的貯存失效模式與失效機(jī)理進(jìn)行分析可知，貯存溫度越高貯存壽命越小，從保守上考慮，可取貯存溫度上限作為加速試驗(yàn)中的正常貯存溫度，即T0=TH。

結(jié)合飛行器火工品的貯存壽命θ0和試驗(yàn)周期合理確定加速貯存試驗(yàn)溫度T1，T1越高，加速貯存試驗(yàn)時(shí)間越短，但T1的選取應(yīng)保持貯存失效機(jī)理不變，通常比極限貯存溫度低10～20 K。

在確定貯存壽命θ0，貯存溫度T0和加速貯存試驗(yàn)溫度T1后，由式(2)可確定加速貯存試驗(yàn)時(shí)間θ1。已知加速試驗(yàn)溫度和時(shí)間，選取樣本量為n的飛行器火工品進(jìn)行加速貯存試驗(yàn)。

4 貯存壽命評(píng)估

為對(duì)飛行器火工品貯存壽命進(jìn)行評(píng)估，需要對(duì)加速后的產(chǎn)品開(kāi)展感度試驗(yàn)，以獲取感度試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)。升降法是工程上常用的火工品感度試驗(yàn)方法[8-9]。升降法的試驗(yàn)方案包括三個(gè)因素: 試驗(yàn)量n、初始刺激量x0和步長(zhǎng)d。在x0和d選定后，用x0作第一次刺激-響應(yīng)試驗(yàn)；第二次及以后每次試驗(yàn)所用刺激量的取法如下:如前一次試驗(yàn)的反應(yīng)結(jié)果為“響應(yīng)”，則本次試驗(yàn)用刺激量為xi+1=xi-d；如為“不響應(yīng)”，則為xi+1=xi+d。如此循環(huán)試驗(yàn)，至完成預(yù)定試驗(yàn)量n為止。

對(duì)加速后的飛行器火工品進(jìn)行升降法感度試驗(yàn)。升降法試驗(yàn)方案會(huì)直接影響感度分布參數(shù)的估計(jì)結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[10]研究結(jié)果，假設(shè)感度服從正態(tài)分布X～N(μ,σ)，可利用加速試驗(yàn)前火工品的感度分布參數(shù)估計(jì)結(jié)果(μ0,σ0)來(lái)確定升降法試驗(yàn)方案。取樣本量n0，初始刺激量x0=μ0，試驗(yàn)步長(zhǎng)d=σ0。利用該方案，對(duì)加速試驗(yàn)后的火工品進(jìn)行升降法試驗(yàn)。對(duì)升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按刺激量的升序排列，可表示成如下通用形式:

(3)

其中s為刺激量個(gè)數(shù)，xi(i=1,2,…,s)為試驗(yàn)刺激量，mi為在xi試驗(yàn)的失效數(shù)，ni為在xi試驗(yàn)的成功數(shù)。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

5 算 例

某飛行器火工品貯存壽命與可靠性要求為: 置信水平γ=0.95，可靠度R≥0.999，工作刺激量為6 cm，貯存溫度為5～35 ℃，貯存壽命不低于15 a。

由于貯存溫度與貯存壽命成反比，從保守上考慮，取35℃作為加速試驗(yàn)中的正常貯存溫度。對(duì)該火工品進(jìn)行分析可知，其極限溫度為100 ℃，故取85 ℃作為加速貯存溫度。由式計(jì)算可得加速貯存時(shí)間為38.8 d，可令加速貯存時(shí)間為39 d。選取一定樣本量的火工品，在85 ℃的條件下，進(jìn)行為期39 d的試驗(yàn)。待加速貯存試驗(yàn)后，利用升降法感度試驗(yàn)。

表1 某火工品模擬升降法試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table1Up and Down test simulation data of an explosive initiator

stimulus/cmAGroupresponsenumbernonresponsenumberBGroupresponsenumbernonresponsenumberCGroupresponsenumbernonresponsenumber1．50705052．07125145152．51251451453．05151413．5101010

6 結(jié) 論

通過(guò)將加速壽命試驗(yàn)與升降法相結(jié)合，有效地增加了火工品貯存壽命與可靠性信息量。同時(shí)利用廣義線性模型對(duì)火工品貯存壽命進(jìn)行評(píng)估，可在較小樣本量下，顯著地提高火工品貯存壽命評(píng)估的精確性與穩(wěn)健性。以某飛行器火工品為例，結(jié)合模擬升降法試驗(yàn)，利用本文給出的方法進(jìn)行加速貯存壽命試驗(yàn)與評(píng)估。結(jié)果表明，該方法通過(guò)利用樣本量約為150、試驗(yàn)周期約為40 d的加速貯存壽命試驗(yàn)和感度試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)，可對(duì)貯存壽命要求為15 a以上的飛行器火工品進(jìn)行有效評(píng)估。

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