穆希輝，牛躍聽(tīng)，馬小兵

（1.總裝備部軍械技術(shù)研究所，石家莊 050000；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100083）

炮射導(dǎo)彈具有發(fā)射過(guò)載高、長(zhǎng)期貯存、一次使用的鮮明特點(diǎn)，它有發(fā)射藥筒，初速大、轉(zhuǎn)速大、發(fā)射過(guò)載高、炮口橫向自振頻率高。由于其發(fā)射過(guò)載高，它采取了大量減震措施使其具有很強(qiáng)的抗過(guò)載能力。其制導(dǎo)控制系統(tǒng)是其“大腦和中樞神經(jīng)”，一般由激光接收機(jī)、電子裝置、陀螺坐標(biāo)儀、舵機(jī)艙等組成?，F(xiàn)階段，研制單位給出的彈載控制系統(tǒng)壽命期指標(biāo)是一個(gè)具有統(tǒng)計(jì)意義的指標(biāo)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估值，尚缺乏自然環(huán)境貯存的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)等支撐，導(dǎo)致給出的預(yù)期壽命不夠準(zhǔn)確。

長(zhǎng)期貯存后，彈載控制系統(tǒng)（特別是超出給定質(zhì)保期的彈載控制系統(tǒng)）的質(zhì)量變化規(guī)律尚不明確，這導(dǎo)致以下亟需解決的問(wèn)題：一方面，彈載控制系統(tǒng)雖然在設(shè)計(jì)時(shí)都采用了加固措施，但長(zhǎng)期貯存后加固材料等性能退化，控制系統(tǒng)中的光電元器件也發(fā)生退變，能否承受發(fā)射時(shí)高達(dá)20 000g的過(guò)載，這是其戰(zhàn)時(shí)能否可靠使用的重大戰(zhàn)備問(wèn)題，也是其有別于通用彈藥和導(dǎo)彈的一個(gè)新問(wèn)題；另一方面，超出給定質(zhì)保期的彈載控制系統(tǒng)平時(shí)能否安全貯存，其在質(zhì)量監(jiān)控、貯存勤務(wù)、作業(yè)搬運(yùn)等方面需要采取哪些科學(xué)舉措，這都需要依據(jù)其壽命評(píng)估和質(zhì)量變化規(guī)律研究的結(jié)果。

1 存在的問(wèn)題

彈載控制系統(tǒng)在使用可靠性方面存在以下諸多問(wèn)題。

1）部組件互因失效問(wèn)題。相對(duì)于常規(guī)單體機(jī)電設(shè)備而言，彈載控制系統(tǒng)集成了自動(dòng)駕駛儀、激光接收機(jī)、陀螺坐標(biāo)儀、加速度計(jì)、舵機(jī)放大器等高精密設(shè)備，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，并且各功能部件之間相互交聯(lián)、相互影響，失效模式難于判斷。

2）彈載控制系統(tǒng)常規(guī)靜態(tài)測(cè)試獲取的參數(shù)指標(biāo)與其可靠性的關(guān)聯(lián)程度尚不夠明確，這導(dǎo)致靜態(tài)測(cè)試顯示設(shè)備正常而高過(guò)載條件下卻發(fā)射失敗的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生（不出膛、脫靶等）。依據(jù)以往的故障分析理論又難以準(zhǔn)確查找原因，只能“定性”為長(zhǎng)期貯存過(guò)程中環(huán)境應(yīng)力可能對(duì)高過(guò)載下控制系統(tǒng)的使用可靠性產(chǎn)生了影響。

3）彈載控制系統(tǒng)在高過(guò)載條件下的測(cè)試問(wèn)題。在定性分析之后，需要抽取不同貯存年份的彈載控制系統(tǒng)進(jìn)行高過(guò)載條件下的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)測(cè)試，以獲取科學(xué)的評(píng)估數(shù)據(jù)。高過(guò)載條件下的測(cè)試技術(shù)是面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，這是因?yàn)椋阂环矫?，定型的彈載控制系統(tǒng)沒(méi)有預(yù)留高過(guò)載條件下動(dòng)態(tài)測(cè)試接口，需要對(duì)其進(jìn)行改裝；另一方面，高過(guò)載條件下的測(cè)試裝置要滿足抗高過(guò)載、微型化、高可靠性等諸多苛刻條件；再者，彈載控制系統(tǒng)處于高過(guò)載狀態(tài)的時(shí)間歷程很短，測(cè)試捕捉其多參數(shù)的電信號(hào)難度大。

4）變環(huán)境、異批次小子樣貯存壽命評(píng)估問(wèn)題。獲取的高過(guò)載條件下彈載控制系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)只是評(píng)估其貯存可靠性的數(shù)據(jù)來(lái)源之一，除此之外還有例行維護(hù)檢測(cè)數(shù)據(jù)、定型階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)、同類產(chǎn)品數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)來(lái)源于不同的貯存環(huán)境、生產(chǎn)批次，而且彈載控制系統(tǒng)可靠性高，性能試驗(yàn)可能出現(xiàn)零失效數(shù)據(jù)。如何在小樣本的前提下融合上述數(shù)據(jù)和加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)科學(xué)評(píng)估其貯存可靠性是項(xiàng)目研究面臨的難題。

鑒于以上諸多有待于解決的問(wèn)題，現(xiàn)有的技術(shù)還不能夠科學(xué)評(píng)估彈載控制系統(tǒng)的貯存可靠性。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

由于炮射導(dǎo)彈是一種特殊的導(dǎo)彈，和導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的共同之處是：結(jié)構(gòu)上均由光、機(jī)、電部件組成，使其具有精確制導(dǎo)能力。不同之處是：炮射導(dǎo)彈控制系統(tǒng)需要經(jīng)受住20 000g的高過(guò)載，其遠(yuǎn)高于普通導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)載。基于此，彈載控制系統(tǒng)中的部組件在設(shè)計(jì)上采取了減震技術(shù)、抗高過(guò)載組裝互連技術(shù)、封裝技術(shù)、工藝材料抗高過(guò)載技術(shù)等。因此，在高過(guò)載彈載控制系統(tǒng)貯存可靠性研究方面，它與導(dǎo)彈貯存可靠性研究既有聯(lián)系又有所差異。

2.1 導(dǎo)彈貯存可靠性研究現(xiàn)狀

美軍導(dǎo)彈司令部于20世紀(jì)60年代，開(kāi)始組織實(shí)施導(dǎo)彈裝備貯存可靠性計(jì)劃（the Storage Reliability of Missile Materiel Program，SRMMP）和貯存可靠性研究計(jì)劃（the Storage Reliability Research Program，SRRP）[1—5]，這2項(xiàng)計(jì)劃的實(shí)施，使美軍對(duì)導(dǎo)彈電子裝置、機(jī)電裝置、氣動(dòng)液壓部件、光學(xué)部件、火工品等的貯存可靠性有了全面的掌握，但是美軍也指出了現(xiàn)場(chǎng)貯存壽命評(píng)估方法的不足：采用元器件、材料的數(shù)據(jù)逐級(jí)向上評(píng)估整機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)的貯存可靠性，精度不高；突發(fā)型失效產(chǎn)品的失效數(shù)據(jù)難以獲得，而退化型失效產(chǎn)品的性能退化緩慢，需要經(jīng)歷漫長(zhǎng)時(shí)間才能獲得滿足統(tǒng)計(jì)要求的數(shù)據(jù)量；導(dǎo)彈質(zhì)量監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)量龐大，人為造成的統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤難免干擾貯存壽命評(píng)估的結(jié)果。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)羅姆航空發(fā)展中心發(fā)表了多份貯存可靠性研究報(bào)告，其中，RADC-TR-85-91[6]建立了預(yù)測(cè)貯存周期對(duì)裝備可靠性影響的定量分析方法，并給出了元器件、材料的貯存失效率評(píng)估模型及相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。美軍監(jiān)測(cè)手段先進(jìn)，開(kāi)展了“遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)計(jì)劃”[7]，依托微型傳感器、衛(wèi)星等遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)導(dǎo)彈的溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊，一旦監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超出允許的數(shù)值，立即將失效數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心報(bào)警。

20世紀(jì)90年代以后，由于現(xiàn)場(chǎng)貯存監(jiān)測(cè)計(jì)劃經(jīng)費(fèi)開(kāi)支大、時(shí)間跨度長(zhǎng)、導(dǎo)彈更新?lián)Q代快的原因，美軍開(kāi)始采用加速試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)貯存相結(jié)合的方法開(kāi)展導(dǎo)彈貯存壽命研究。

俄羅斯在導(dǎo)彈貯存可靠性研究領(lǐng)域公開(kāi)的信息較少。據(jù)報(bào)道，俄羅斯以C-300整彈為研究對(duì)象，通過(guò)6個(gè)月的加速試驗(yàn)評(píng)估C-300導(dǎo)彈貯存壽命為10年。其采用的技術(shù)途徑是現(xiàn)場(chǎng)貯存壽命試驗(yàn)和加速壽命試驗(yàn)相結(jié)合的方法。圖1對(duì)導(dǎo)彈貯存可靠性評(píng)估發(fā)展進(jìn)行了歸納[8]：

圖1 導(dǎo)彈貯存可靠性評(píng)估發(fā)展歷程Fig.1 Development process of reliability assessment of missile storage

2.2 高過(guò)載條件下控制系統(tǒng)的可靠性研究

2.2.1 抗高過(guò)載技術(shù)及測(cè)試裝置的研究

壽命數(shù)據(jù)是可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)和前提，高過(guò)載條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)是其中重要的組成部分。因此，高過(guò)載條件下的測(cè)試技術(shù)和測(cè)試裝置作為獲取壽命數(shù)據(jù)的重要手段，在可靠性研究中占有重要地位。

炮射導(dǎo)彈發(fā)射瞬間的載荷高達(dá)20 000g，其控制系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備承受很大的過(guò)載[9]。研制階段，針對(duì)彈載控制系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備在設(shè)計(jì)、材料、工藝、試驗(yàn)等不同領(lǐng)域開(kāi)展了大量關(guān)于抗高過(guò)載技術(shù)的研究。如：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了由橡膠墊和碟簧組合的復(fù)合減振裝置，通過(guò)改善連接關(guān)系、對(duì)關(guān)鍵器件采取封裝固化等措施，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高了彈載設(shè)備的抗高過(guò)載能力[10]；西南交通大學(xué)研究了彈載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊在高過(guò)載沖擊條件下基于復(fù)合緩沖模塊的防護(hù)技術(shù)，對(duì)保護(hù)裝置的復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖機(jī)理從能量角度進(jìn)行了探討和研究，得到了復(fù)合緩沖結(jié)構(gòu)的緩沖效果[11]；國(guó)防科技大學(xué)對(duì)彈體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的抗高過(guò)載性能進(jìn)行了Ansys軟件仿真、馬歇特試驗(yàn)以及實(shí)彈飛行試驗(yàn)，給出的抗高過(guò)載方案在降低高過(guò)載對(duì)彈體姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的影響方面，可以發(fā)揮良好的作用[12]；北京理工大學(xué)以空氣炮和火藥模擬火炮為過(guò)載發(fā)生裝置，采用彈載數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)GPS接收機(jī)抗高過(guò)載進(jìn)行了試驗(yàn)研究[13]；中北大學(xué)、北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)在彈載數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)方面進(jìn)行了深入研究，并將之應(yīng)用到高過(guò)載彈藥的數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

值得強(qiáng)調(diào)的是：上述研究多是在彈載控制系統(tǒng)定型階段進(jìn)行的，其在測(cè)試手段、測(cè)試空間等方面有諸多便利條件（定型階段數(shù)據(jù)可以作為可靠性評(píng)估的先驗(yàn)信息）。針對(duì)長(zhǎng)期貯存后彈載控制系統(tǒng)在高過(guò)載條件下的測(cè)試，是面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，需要研制特定的數(shù)據(jù)采集裝置，并需要對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行改裝，導(dǎo)致該方面的研究工作、科技文獻(xiàn)很少。這是由于我國(guó)乃至世界其他國(guó)家彈藥研發(fā)部門(mén)和后期維護(hù)保障部門(mén)相對(duì)獨(dú)立所造成的。

2.2.2 可靠性研究

駐二○九所軍事代表室在某激光探測(cè)器研制過(guò)程中，對(duì)其在高過(guò)載沖擊時(shí)的失效進(jìn)行了分析研究。經(jīng)解剖及測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)失效探測(cè)器主要表現(xiàn)為:玻璃光窗出現(xiàn)微裂紋或破碎、電容和管芯支架脫落，其失效模式均為機(jī)械失效導(dǎo)致的電功能失效。激光探測(cè)器的失效導(dǎo)致炮射導(dǎo)彈基本喪失命中目標(biāo)的能力[18—19]。

彈載控制系統(tǒng)從出廠到最終使用，往往經(jīng)歷了在不同環(huán)境貯存數(shù)年的時(shí)間，其性能參數(shù)一般會(huì)在長(zhǎng)期的貯存環(huán)境中發(fā)生退化，一旦承受高過(guò)載發(fā)射條件，失效現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。目前的現(xiàn)狀是：有達(dá)到耐過(guò)載指標(biāo)要求的彈載控制系統(tǒng)，但是目前還不掌握其高過(guò)載條件下的失效機(jī)理，且沒(méi)有長(zhǎng)期貯存后其性能狀態(tài)、可靠性評(píng)估的有效方法。

總之，目前針對(duì)“由普通機(jī)電設(shè)備構(gòu)成的導(dǎo)彈控制系統(tǒng)”的可靠性評(píng)估問(wèn)題，已經(jīng)有了一套比較完整的評(píng)估方法。針對(duì)高過(guò)載條件下（發(fā)射瞬間過(guò)載達(dá)到20 000g）長(zhǎng)期貯存后的彈載控制系統(tǒng)的可靠性研究，至今鮮有研究文獻(xiàn)報(bào)道，尚需進(jìn)一步深入研究。

3 亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

3.1 高過(guò)載試驗(yàn)中控制系統(tǒng)性能參數(shù)的動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)

針對(duì)長(zhǎng)期貯存后的彈載控制系統(tǒng)，實(shí)彈靶試的高過(guò)載試驗(yàn)方法獲取的控制系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)最為真實(shí)可信。需要研制“微型彈載多參數(shù)采集存儲(chǔ)裝置”（如圖2所示）。該裝置既要滿足緊湊設(shè)計(jì)條件下微型化的要求，又要承受高溫、高壓、強(qiáng)沖擊振動(dòng)、高過(guò)載等惡劣環(huán)境。

圖2 微型彈載多參數(shù)采集存儲(chǔ)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro onboard multi-parameter acquisition structure of the storage device

它包含下列基本要素：根據(jù)抗高過(guò)載測(cè)試要求，選用或?qū)ｉT(mén)設(shè)計(jì)體積小、功耗低、性能穩(wěn)定的傳感器組合（傳感器陣列）；存儲(chǔ)測(cè)試電路系統(tǒng)完成信號(hào)調(diào)理、采集、編碼、存儲(chǔ)以及向地面處理設(shè)備輸出測(cè)試結(jié)果；系統(tǒng)能源保障存儲(chǔ)裝置的能源供應(yīng)；與計(jì)算機(jī)交換信息的接口電路；保證電路系統(tǒng)正常工作的抗高過(guò)載環(huán)境保護(hù)器；方便回收的位置指示器。

然后，對(duì)炮射導(dǎo)彈進(jìn)行改裝：將“微型彈載多參數(shù)采集存儲(chǔ)裝置”替換戰(zhàn)斗部，使其獨(dú)立自動(dòng)完成控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)記憶。高過(guò)載條件下的測(cè)試技術(shù)是面臨的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。

3.2 高可靠、長(zhǎng)壽命控制系統(tǒng)的小子樣加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于炮射導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)載高，其控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)時(shí)就滿足高可靠、長(zhǎng)壽命的要求。隨之而來(lái)的是壽命試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)法獲得足夠失效數(shù)據(jù)，這與其高精度的可靠性評(píng)估要求之間存在很大的矛盾。

另一方面，由于控制系統(tǒng)的高可靠性，有可能得到無(wú)失效加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其通常不包含壽命分散的正確信息。因此，如何建立不同應(yīng)力水平間壽命分布的關(guān)系，解決無(wú)失效加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的難題，對(duì)高可靠、長(zhǎng)壽命、小子樣控制系統(tǒng)進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，這是可靠性領(lǐng)域亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題[20]。

3.3 部組件互因失效條件下多性能參數(shù)退化問(wèn)題

單元相互獨(dú)立是系統(tǒng)最常見(jiàn)的可靠性結(jié)構(gòu)形式，但彈載控制系統(tǒng)具有多種失效模式以及多個(gè)性能退化參數(shù)，每種失效模式可能與1個(gè)或者多個(gè)性能參數(shù)相關(guān)，因而出現(xiàn)單元級(jí)產(chǎn)品性能退化失效模式相關(guān)的情況。由此，建立部組件互因失效情況下性能退化模型為難點(diǎn)問(wèn)題。

3.4 針對(duì)性能退化失效和突發(fā)失效控制系統(tǒng)的可靠性建模

彈載控制系統(tǒng)退化失效與突發(fā)失效并存，針對(duì)其性能退化失效模式[21]，首先建立各退化失效模式下的部組件狀態(tài)余量方程，然后根據(jù)部組件的可靠性結(jié)構(gòu)建立控制系統(tǒng)參數(shù)的多維相關(guān)系數(shù)平穩(wěn)序列模型，并在模型參數(shù)相關(guān)性辨識(shí)的基礎(chǔ)上據(jù)此對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性做出評(píng)估。突發(fā)故障在失效機(jī)理上與性能參數(shù)的退化失效存在較大差別，擬將該系統(tǒng)狀態(tài)余量方程中的廣義強(qiáng)度變量隨機(jī)化，用以解決系統(tǒng)隨機(jī)失效閥值的可靠性評(píng)估問(wèn)題?；谕嘶瘮?shù)據(jù)序列的彈載控制系統(tǒng)可靠性建模與分析如圖3所示。

3.5 小子樣彈載控制系統(tǒng)多源信息融合可靠性評(píng)估技術(shù)

圖3 基于退化數(shù)據(jù)序列的彈載控制系統(tǒng)可靠性建模與分析Fig.3 Modeling and analysis of reliability of missile-borne control system based on the degradation data sequence

彈載控制系統(tǒng)價(jià)值高，可供試驗(yàn)研究的樣本少。在考慮零失效試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)（彈載控制系統(tǒng)可靠性高，控制系統(tǒng)性能測(cè)試中往往出現(xiàn)零失效現(xiàn)象）、不同環(huán)境下所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（彈載控制系統(tǒng)儲(chǔ)存分布于我國(guó)各地）的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Bayes驗(yàn)前分布理論中收縮估計(jì)的融合方法和權(quán)系數(shù)融合方法，合理地融合利用諸多驗(yàn)前信息和加速退化壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立其多源信息融合儲(chǔ)存可靠性評(píng)定數(shù)學(xué)模型。這是涉及到彈載控制系統(tǒng)壽命評(píng)估準(zhǔn)確性和可信度的關(guān)鍵問(wèn)題。

4 展望

圍繞高過(guò)載條件下彈載控制系統(tǒng)貯存壽命評(píng)估方法的研究，旨在確定影響其控制系統(tǒng)貯存壽命的環(huán)境應(yīng)力類型，以及應(yīng)力水平的作用結(jié)果，準(zhǔn)確定位影響控制系統(tǒng)貯存質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，為提高彈載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)水平與固有質(zhì)量提供參考。掌握長(zhǎng)期貯存彈載控制系統(tǒng)關(guān)鍵部組件的壽命規(guī)律，以及控制系統(tǒng)整體的質(zhì)量變化規(guī)律，獲得其可靠壽命指標(biāo)，為彈載控制系統(tǒng)延壽維修決策提供技術(shù)支撐。創(chuàng)建長(zhǎng)期貯存彈載控制系統(tǒng)在經(jīng)受高過(guò)載沖擊后的可靠性及儲(chǔ)存壽命評(píng)估理論體系，拓寬彈藥貯存壽命評(píng)估技術(shù)的研究范圍。

隨著時(shí)間的推移，我國(guó)將有價(jià)值數(shù)億元的炮射導(dǎo)彈陸續(xù)達(dá)到出廠指標(biāo)壽命，其控制系統(tǒng)儲(chǔ)存質(zhì)量變化規(guī)律、壽命評(píng)估問(wèn)題日益突出，急需關(guān)注和解決。因此，科學(xué)評(píng)估其貯存可靠性不但具有巨大經(jīng)濟(jì)效益，而且事關(guān)國(guó)家戰(zhàn)備。

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