黃清偉，袁洪濱，李 海

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

電爆閥廣泛用于各類導(dǎo)彈、火箭和衛(wèi)星中，用以實(shí)現(xiàn)控制工作介質(zhì)的通斷。電爆閥的可靠性對(duì)于飛行的成敗及航天員的安全性至關(guān)重要，因而合理確定可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，對(duì)在定型階段和批生產(chǎn)階段電爆閥的研制具有十分重要的意義。

電爆閥為一次動(dòng)作閥門，屬于成敗型。目前，國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)估電爆閥可靠性。如果采用傳統(tǒng)的成敗型方法對(duì)電爆閥的可靠性進(jìn)行評(píng)估，制定可靠性驗(yàn)證方案，需進(jìn)行大量的抽樣電爆試驗(yàn)，花費(fèi)大量研制時(shí)間和巨額的研制經(jīng)費(fèi)。由于沒有考慮到電爆閥的作動(dòng)特點(diǎn)，所以評(píng)估結(jié)果比較保守，而且反映不出電爆閥的性能指標(biāo)。航天系統(tǒng)內(nèi)主要以少量的拉偏電爆管裝藥量來定性考核，無法定量給出可靠性指標(biāo)，同時(shí)也不能真實(shí)反映電爆管輸出爆壓變化。法國(guó)、美國(guó)及俄羅斯等國(guó)采用了一種所需試驗(yàn)次數(shù)極少的可靠性評(píng)定方法，即：加嚴(yán)試驗(yàn)考核方法[1-2]。2002年邵德生提出了基于裕度思想的火工裝置的可靠性設(shè)計(jì)方法，以及減少試驗(yàn)樣本的強(qiáng)化試驗(yàn)驗(yàn)證可靠性方法[3]。上述評(píng)估方法未考慮電爆閥的產(chǎn)品特點(diǎn)，具有一定的局限性。

本文從電爆閥的力學(xué)特點(diǎn)出發(fā)，提出了一種評(píng)估電爆閥可靠性和試驗(yàn)驗(yàn)證的新思路，所提出的方法同樣適用于成敗型產(chǎn)品的可靠性評(píng)定。

1 電爆閥結(jié)構(gòu)原理

典型的電爆閥工作原理如圖1所示，通常由電爆管、閥體、活塞-切刀組件、接管嘴-襯套組件以及密封圈組成。工作時(shí)電爆管通電，產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，推?dòng)活塞-切刀組件運(yùn)動(dòng)，切斷接管嘴，并楔緊在閥體錐面上。

圖1 電爆閥工作原理示意圖Fig.1 Working principle of pyrovalve

2 可靠性模型

電爆閥的可靠性是指電爆閥在規(guī)定的時(shí)間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定任務(wù)的能力。電爆閥可靠性可分為點(diǎn)火可靠性、火藥爆炸產(chǎn)生爆壓可靠性和機(jī)構(gòu)可靠性3部分，三者之間是串聯(lián)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 電爆閥可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of pyrovalve

目前，點(diǎn)火一般采用高可靠電爆管，在置信水平為0.95時(shí)，可靠性可達(dá)到0.999 9，同時(shí)，對(duì)于機(jī)械作動(dòng)結(jié)構(gòu)來說，過程質(zhì)量控制使其可靠性能已經(jīng)比較穩(wěn)定，用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)和計(jì)量方法檢驗(yàn)，即可滿足可靠性要求?；谝陨显颍俣ǎ狐c(diǎn)火可靠度R1與機(jī)構(gòu)動(dòng)作可靠度R3均為1，這樣電爆閥的可靠度RL即為火藥產(chǎn)生爆壓可靠性R2。

由以上假設(shè)，得到電爆閥可靠性等于火藥爆炸產(chǎn)生的壓力大于所需最小壓力同時(shí)小于所需最大壓力時(shí)的概率，即

火藥爆炸產(chǎn)生的壓力決定于火藥爆炸產(chǎn)生的燃?xì)鈮毫。由于環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、藥粒厚度及均勻性等存在一定散差，這些獨(dú)立隨機(jī)因素的影響造成了火藥爆炸時(shí)產(chǎn)生的壓力值并非某一確定值，而是呈正態(tài)統(tǒng)計(jì)分布特性[4]。這種分布特性也造成了電爆閥在某種情況下可能會(huì)出現(xiàn)超壓的不可靠情況。同樣所需的壓力也是受不同的獨(dú)立的隨機(jī)誤差影響，由中心極限定理可知其近似服從正態(tài)分布。因此，電爆閥兩個(gè)參數(shù)服從正態(tài)分布，其可靠性評(píng)估模型如圖3所示。

圖3（a）為電爆管爆炸產(chǎn)生壓力在電爆閥所需的壓力范圍內(nèi)，此時(shí)電爆閥正常動(dòng)作，其可靠性為1。圖3（b）中陰影是電爆管爆炸產(chǎn)生的壓力與電爆閥所需的壓力有重疊部分,此時(shí)電爆閥有可能失效,陰影部分即為失效區(qū)。

由于在實(shí)際試驗(yàn)中電爆閥可靠動(dòng)作所需壓力可以通過設(shè)計(jì)、加工及裝配等方式很好地控制，使其方差接近于0，此時(shí)電爆閥可靠動(dòng)作所需壓力可視為常值，其可靠性模型簡(jiǎn)化為如圖4所示，可靠性為：

圖3 電爆閥可靠性模型Fig.3 Reliability model of pyrovalve

圖4 簡(jiǎn)化的可靠性模型Fig.4 Simplified reliability model

3 可靠性驗(yàn)證及評(píng)估原理

將產(chǎn)品放到惡劣的環(huán)境下，通過增大或者減小電爆閥內(nèi)爆壓，以降低其可靠性，用經(jīng)典方法推斷在額定環(huán)境下產(chǎn)品的可靠度。根據(jù)目前使用經(jīng)驗(yàn)，電爆管裝藥量改變量與其輸出爆壓無法定量描述，因此采用改變電爆容腔容積模擬電爆管爆壓改變。

為了利用pB的統(tǒng)計(jì)量評(píng)估電爆閥的可靠性，假設(shè)有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

式中：ρ1和ρ2分別為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的上側(cè)概率和下側(cè)概率。

一般取 k1=k2，結(jié)合式（3）～式（8）可以設(shè)計(jì)出極限容腔，然后按照極限容腔加工產(chǎn)品，并根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)后按照實(shí)際試驗(yàn)產(chǎn)品極限容腔、試驗(yàn)臺(tái)數(shù)、試驗(yàn)成功臺(tái)數(shù)進(jìn)行可靠性評(píng)估。

4 可靠性驗(yàn)證及評(píng)估示例

4.1 已知條件

一種火箭用電爆閥的可靠性要求及設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

1）用戶要求：置信度r=0.85時(shí)，RL≥0.99；

2）電爆管驗(yàn)收參數(shù)：▽B=30 cm3，p1min=7 MPa，p1max=14 MPa；

4.2 可靠性驗(yàn)證

1）根據(jù) r=0.85，RL=0.99,查閱 GB/T4086.1或者QJ1384，得到n與k1，k2有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系：

n=2 5 7 9 12 20

k1=k2=16.6 5.05 4.35 4.01 3.72 3.38

取n=9，則k1=k2=4.01。

4）按照表1生產(chǎn)了大小極限容腔產(chǎn)品各9臺(tái)，根據(jù)使用要求進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)、熱環(huán)境試驗(yàn)、電爆試驗(yàn)、電爆前后漏率檢查和爆破壓力等，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能均滿足使用要求。

表1 極限容腔試驗(yàn)Tab.1 Test of limit volume

4.3 可靠性評(píng)估

3）根據(jù) k1，k2，r，n=15，反查 GB/T4086.1或者 QJ1384 得到 ρ1=0.000 086，ρ2=0.000 01；

4）將p，p2帶入式（6），得到RL=0.999 904，滿足用戶“置信度r=0.85時(shí)，RL≥0.99”的要求。

本方法與成敗型二項(xiàng)分布所需試驗(yàn)次數(shù)對(duì)比見表2。

表2 本方法與成敗型二項(xiàng)分布所需試驗(yàn)數(shù)量對(duì)比Tab.2 Quantity of test samples needed by this method and pass-fail method binomial distribution

由表2可知，在驗(yàn)證置信度r=0.85，可靠性RL=0.999 9時(shí)，利用成敗型二項(xiàng)分布所需無失效樣本數(shù)量為18 970臺(tái)，利用本文提出方法所需無失效樣本數(shù)量為30臺(tái)，因此本文提出的方法具有極大的優(yōu)越性。

5 結(jié)論

本文提出的電爆閥可靠性驗(yàn)證及評(píng)估方法，是通過改變電爆容腔的安全裕度試驗(yàn)方法，已經(jīng)成功用于彈箭星用多種電爆閥的可靠性驗(yàn)證及評(píng)估。該方法可以用極少的試驗(yàn)次數(shù)驗(yàn)證極高的可靠性，尤其是當(dāng)可靠性要求高時(shí)，優(yōu)越性更加顯著。該方法不但可以用于電爆閥，還可推廣到成敗型產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證及評(píng)估，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]BEURTEY X.Reliability prediction on Ariane 5 pyrotechnicaldevicesusing the hardened testmethod[C]//Proceedingsof Probabilistic Safety Assessmentand Manag-ement.Crete Greece：Springer London Ltd,1997：1687-1695.

[2][蘇]卓洛托夫,季托夫.空間運(yùn)載器的可靠性保證[M].潘紹珍,譯.北京：宇航出版社,1996.

[3]邵德生.關(guān)于火工裝置的可靠性設(shè)計(jì)與驗(yàn)證問題[J].質(zhì)量與可靠性,2002,(增刊2)：34-36.

[4]胡昌壽.航天可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.