趙長見 , 洪東跑, 管 飛, 張海瑞

(1. 國防科學技術(shù)大學航天科學與工程學院， 湖南 長沙 410073; 2.中國運載火箭技術(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。飛行器火工品承擔著一系列有關(guān)固體發(fā)動機點火、姿態(tài)控制、分離等飛行器飛行過程中控制指令的執(zhí)行，對飛行器飛行成敗起到關(guān)鍵性的作用，需要對飛行器火工品貯存壽命進行有效地評估。

飛行器火工品在貯存過程中受到環(huán)境因素的影響，其可靠性會逐漸降低。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，無法得到有效的貯存壽命信息，故需要通過開展加速貯存壽命試驗，對火工品貯存壽命進行評估[2]。目前加速壽命試驗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，其失效時間不可測。通過測試只能判斷在一定貯存時間后其是否失效[3-4]，而且每個樣本只能測試一次。如按傳統(tǒng)的加速壽命試驗理論與方法，則試驗樣本需求巨大，試驗經(jīng)費和周期難以滿足工程要求。國內(nèi)外學者通過研究給出了適合火工品的加速壽命試驗方法[5-6]，極大地減少了試驗樣本量。71℃試驗法是國內(nèi)工程中常用的一種火工品加速貯存壽命試驗方法，利用加速系數(shù)，由高溫下的試驗時間，推算常溫下的貯存壽命[5]。對于不同類別的火工品，活化能可能存在一定的差異，進而加速系數(shù)也不完全一致，影響了貯存壽命評估的精確性。美國航天航空工業(yè)協(xié)會發(fā)布的火工品加速貯存壽命試驗方法也是一種利用加速系數(shù)的小樣本試驗方法[6]。該方法需要在加速試驗前后進行感度參數(shù)一致性檢驗，作為貯存壽命是否滿足要求的評判標準。由于飛行器火工品具有長壽命、高可靠的特點，可能在加速貯存后感度參數(shù)發(fā)生了退化不能通過一致性檢驗，但可靠性依然滿足指標要求。如果以一致性檢驗結(jié)果作為唯一的評判標準，則會導致貯存壽命評估結(jié)果與實際存在較大偏差。

針對現(xiàn)有火工品加速貯存壽命試驗方法存在的不足，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，對飛行器火工品貯存壽命影響因素、失效模式與失效機理進行分析，將感度試驗與加速貯存試驗相結(jié)合，利用可靠性評估來代替感度參數(shù)一致性檢驗，給出一種適用于飛行器火工品的加速貯存壽命試驗與評估方法，在較小樣本量下，有效提高火工品貯存壽命試驗與評估的精確性與穩(wěn)健性。

2 貯存失效分析

在長期貯存中常常會因受到各種環(huán)境的影響，在飛行器火工品內(nèi)部發(fā)生物理變化和化學變化，導致其性能逐漸退化到不能完成其預(yù)定設(shè)計功能的狀態(tài)而發(fā)生失效?；鸸て肥侵钙洳荒芡瓿苫?qū)⒉荒芡瓿善湓O(shè)計功能的事件或狀態(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，可以分為電點火(起爆)器類、爆炸螺栓類、固體小火箭類和隔板點火器類四大類[6]。同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計控制措施及方法相似，因此以典型產(chǎn)品為代表進行該類火工品的貯存失效模式分析。

電點火(起爆)器類: 對電點火(起爆)器類產(chǎn)品進行失效分析可知，導致電性能變化、輸出性能超差以及外觀問題等故障的原因，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方面，而導致三種現(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: 對爆炸螺栓類產(chǎn)品失效進行分析可知，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: 對火箭類產(chǎn)品進行失效分析可知，導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。

隔板點火器類: 對隔板點火器類產(chǎn)品失效進行分析可知，隔板點火器除包含電發(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。

通過對飛行器火工品常用的失效模式與失效機理進行分析可知，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)計與生產(chǎn)過程中對于濕度的控制都比較嚴格，結(jié)構(gòu)上可確保密封性能達到要求，同時飛行器的貯存環(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中，通常采用溫度作為加速應(yīng)力。

3 加速貯存壽命試驗

在貯存過程中火工品的失效往往是由多種失效機理引起的，是多個退化過程同時發(fā)生的結(jié)果，但整個退化反應(yīng)的速度取決于最快的過程。一般來講，當對材料、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。當火工品樣本量足夠時，可選擇經(jīng)典的恒定溫度應(yīng)力試驗法。以阿倫尼斯方程作為火工品壽命與溫度關(guān)系的數(shù)學模型，通過至少四個溫度應(yīng)力水平的加速壽命試驗求出加速系數(shù)，由此外推常溫下的貯存壽命。然而，針對火工品不可重復測試、無法確定失效時間等特點，經(jīng)典的加速壽命試驗方法難以適用。

鑒于71 ℃試驗法和恒定溫度加速壽命試驗法的局限性，當飛行器火工品平貯件樣本量較少時，可利用在美國航天航空工業(yè)協(xié)會發(fā)布火工品加速壽命試驗方法[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溫度，K。在工程應(yīng)用中，一般先確定加速貯存時間θ1，再選取樣本量n的產(chǎn)品在高溫T1下進行加速貯存試驗，對加速貯存試驗后的產(chǎn)品進行感度試驗，由感度試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)品試驗前后性能參數(shù)的一致性進行檢驗。如果一致性檢驗通過，則認為該火工品在高溫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。如果一致性檢驗不通過，則需要降低加速貯存時間θ1，重新選取一批新產(chǎn)品進行試驗。針對感度參數(shù)一致性檢驗存在的不足，利用可靠性評估來代替感度參數(shù)一致性檢驗，如果加速試驗后產(chǎn)品的可靠性評估符合指標要求，則可認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]。通過對飛行器火工品的貯存失效模式與失效機理進行分析可知，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和試驗周期合理確定加速貯存試驗溫度T1，T1越高，加速貯存試驗時間越短，但T1的選取應(yīng)保持貯存失效機理不變，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和加速貯存試驗溫度T1后，由式(2)可確定加速貯存試驗時間θ1。已知加速試驗溫度和時間，選取樣本量為n的飛行器火工品進行加速貯存試驗。

4 貯存壽命評估

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

對加速后的飛行器火工品進行升降法感度試驗。升降法試驗方案會直接影響感度分布參數(shù)的估計結(jié)果，根據(jù)文獻[10]研究結(jié)果，假設(shè)感度服從正態(tài)分布X～N(μ,σ)，可利用加速試驗前火工品的感度分布參數(shù)估計結(jié)果(μ0,σ0)來確定升降法試驗方案。取樣本量n0，初始刺激量x0=μ0，試驗步長d=σ0。利用該方案，對加速試驗后的火工品進行升降法試驗。對升降法試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，按刺激量的升序排列，可表示成如下通用形式:

(3)

其中s為刺激量個數(shù)，xi(i=1,2,…,s)為試驗刺激量，mi為在xi試驗的失效數(shù)，ni為在xi試驗的成功數(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℃作為加速試驗中的正常貯存溫度。對該火工品進行分析可知，其極限溫度為100 ℃，故取85 ℃作為加速貯存溫度。由式計算可得加速貯存時間為38.8 d，可令加速貯存時間為39 d。選取一定樣本量的火工品，在85 ℃的條件下，進行為期39 d的試驗。待加速貯存試驗后，利用升降法感度試驗。

表1 某火工品模擬升降法試驗數(shù)據(jù)

Table1Up and Down test simulation data of an explosive initiator

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

6 結(jié) 論

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

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