高鴻啟

[摘 ? ?要]平流層飛艇是二十一世紀(jì)高新技術(shù)前沿領(lǐng)域新興戰(zhàn)略裝備之一，有著極為廣闊的應(yīng)用前景。為了驗證某半硬式平流層飛艇功能性能，依照平流層飛艇縮比設(shè)計了一款對流層演示驗證飛艇，根據(jù)設(shè)計任務(wù)需要，對該演示驗證艇的可靠性和可維修性進行了深入分析研究。

[關(guān)鍵詞]可靠性;可維修性;分析

[中圖分類號]V19 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2020）05–00–02

Reliability and Maintainability Analysis of an Airship

Gao Hong-qi

[Abstract]Stratospheric airship is one of the new strategic equipment in the field of high and new technology in the 21st century， which has a very broad application prospect.In order to verify the functional performance of a semi-rigid stratospheric airship， a tropospheric demonstration airship was designed according to the scale of stratospheric airship.According to the needs of design tasks， the reliability and maintainability of the demonstration and verification airship were analyzed and studied in depth.

[Keywords]reliability; maintainability; analysis

近年來，臨近空間（Nearspace）具有獨特的資源優(yōu)勢，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步，它已成為各國競相開發(fā)的熱點，是二十一世紀(jì)利用高技術(shù)開發(fā)利用的重點空間領(lǐng)域。平流層飛艇是開發(fā)臨近空間資源的重要技術(shù)手段之一，能長時間定點駐空，時間長達數(shù)月或數(shù)年，非常適合作為區(qū)域性新型信息平臺，在高分辨率對地觀測、通信中繼、區(qū)域?qū)Ш筋I(lǐng)域有著獨特的優(yōu)勢，具有重要的應(yīng)用前景。

隨著國家戰(zhàn)略方針調(diào)整，國家開始注重對平流層飛艇的研制開發(fā)，平流層飛艇可廣泛應(yīng)用于國土資源觀測、海洋監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、大地測繪、城市規(guī)劃、旅游觀光、交通運輸、通訊中繼服務(wù)等方面，對促進國民經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。國家高分辨率對地觀測重大專項已將平流層飛艇列為重點發(fā)展的裝備。國家對現(xiàn)階段國內(nèi)平流層飛艇研制技術(shù)和材料水平，根據(jù)平流層演示驗證飛艇技術(shù)要求，MTBF≥200 h，MTTR：≤5 h，即平均無故障時間大于等于200h，出了故障之后盡可能5h內(nèi)維修完畢，本文根據(jù)演示驗證飛艇的主要裝備可靠性性能，進行分析評估，判斷該演示驗證飛艇是否滿足設(shè)計要求。

1 ?可靠性分析

一般來說，演示驗證飛艇中主要包含結(jié)構(gòu)、環(huán)控、推進、能源、航電五大分系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.1 ?可靠性參數(shù)預(yù)計

在進行可靠性參數(shù)預(yù)計時，首先要獲得系統(tǒng)中各設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率λi。有兩種方式可以計算各設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率，一種是依據(jù)GJB/Z299B-98，建立設(shè)備或分系統(tǒng)相應(yīng)的故障率模型，再根據(jù)其自身特性和工作環(huán)境，在提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)中準(zhǔn)確選取所需數(shù)據(jù)，代入故障率模型計算得到，另一種是當(dāng)無法準(zhǔn)確得到故障率模型計算所需要的參數(shù)值，而已知設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均無故障時間MTBFi，則通過對MTBFi取倒數(shù)也能獲取相應(yīng)的故障率。

計算出系統(tǒng)中各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率后，按公式（1）、（2）所示就可以計算出整個系統(tǒng)的平均故障間隔時間。

（1）

MTBF=1/λ （2）

其中，λ為系統(tǒng)故障率，λi為組成系統(tǒng)的各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率，Ni為系統(tǒng)中相同故障率的設(shè)備或分系統(tǒng)的數(shù)量，MTBF為系統(tǒng)的平均故障間隔時間。

1.2 ?可靠性參數(shù)計算

該演示驗證飛艇中的大部分設(shè)備均是采購成熟的產(chǎn)品，每個產(chǎn)品都有相應(yīng)的MTBF數(shù)據(jù)，通過類似方法依次可以計算得到結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有囊體材料、碳纖維骨架、環(huán)控系統(tǒng)、推進系統(tǒng)有推進電機和油機，能源系統(tǒng)有太陽能電池、航電系統(tǒng)等的故障率。各分系統(tǒng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)和以往設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)，預(yù)估其平均無故障時間。具體參數(shù)如表1所示。

“-”表示無法獲取該設(shè)備的MTBFi，λi是通過故障率模型計算得到。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)以及可靠性參數(shù)預(yù)計公式（1）和（2），對流層演示驗證飛艇的可靠性計算如下：

（3）

MTBF=1/λ=1352 h>200 h

2 ?維修性分析

系統(tǒng)維修性指標(biāo)為MTTR≤5 h（現(xiàn)場可更換單元）。平流層飛艇維修性要求主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

（1）能夠快速更換常見故障的分系統(tǒng)的模塊。

（2）各個分系統(tǒng)模塊具有獨立調(diào)試和測試的方法。

（3）維修過程簡單、操作方便。

2.1 ?維修性參數(shù)預(yù)計

（1）在進行維修性參數(shù)預(yù)計時，首先要獲得系統(tǒng)中各設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修率λi。有兩種方式可以計算各設(shè)備或者分系統(tǒng)的維修率，建立設(shè)備或分系統(tǒng)相應(yīng)的維修率模型，再根據(jù)其自身特性和工作環(huán)境，在提供的相應(yīng)數(shù)據(jù)參數(shù)中準(zhǔn)確選取所需數(shù)據(jù)，代入維修率模型計算得到。另一種是當(dāng)無法準(zhǔn)確得到維修率模型計算所需要的參數(shù)值，而已知設(shè)備或者分系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時間MTTRi，則通過對MTTRi取倒數(shù)也能獲取相應(yīng)的維修率。

計算出系統(tǒng)中各設(shè)備或分系統(tǒng)的維修率后，按公式（4）、（5）所示就可以計算出整個系統(tǒng)的平均維修間隔時間。

（4）

MTTR=1/λ （5）

其中，λ為系統(tǒng)維修率，λi為組成系統(tǒng)的各設(shè)備或分系統(tǒng)的故障率，Ni為系統(tǒng)中相同故障率的設(shè)備或分系統(tǒng)的數(shù)量，MTTR為系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時間。

（2）維修性指標(biāo)計算

系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時間的分配是跟據(jù)各分系統(tǒng)的值，采用下式計算系統(tǒng)的平均修復(fù)性維修時間：

MTTR= （6）

其中，MTTR為系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時間，為系統(tǒng)中第i個設(shè)備或者分系統(tǒng)的故障率λi，Ti為系統(tǒng)中第i個設(shè)備或者分系統(tǒng)更換部件完成一次修復(fù)所需時間。

該演示驗證飛艇中的大部分設(shè)備均是采購成熟的產(chǎn)品，每個產(chǎn)品組件或者控制軟件的修復(fù)時間都有相應(yīng)的經(jīng)驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過類似方法依次可以計算得到囊體材料、碳纖維骨架、推進電機、太陽能電池、油機、航電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)等的修復(fù)時間。各分系統(tǒng)參考相應(yīng)的數(shù)據(jù)和以往設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)，預(yù)估其平均修復(fù)時間數(shù)據(jù)。

根據(jù)表2的系統(tǒng)平均修復(fù)性維修時間預(yù)計公式，該對流層演示驗證飛艇的維修性計算如下：

（7）

MTTR=1/λ=2.64h<5h

由上述結(jié)果可知，平均維修時間為2.64小時，完全滿足要求。

3 ?結(jié)論和建議

根據(jù)分析結(jié)果得知，演示驗證飛艇各部分組件能夠滿足可靠性和可維修性要求，后續(xù)將在飛艇維修性設(shè)計與維修性保障等方面開展工作，確保飛艇產(chǎn)品有效可用，具體措施如下：

（1）采用組件化的設(shè)計思想，各組件之間統(tǒng)籌安排、合理布局，避免維修時交叉干擾，并盡量使易損件布置在易達到部位。

（2）加強設(shè)備自檢功能設(shè)計，以縮短故障定位時間，如：設(shè)備啟動時應(yīng)能首先自動完成自檢;設(shè)備工作中設(shè)置故障報警指示;設(shè)置出現(xiàn)故障后的相關(guān)診斷程序等，為快速維修做好充分準(zhǔn)備。

（3）所用的各組件，盡可能實現(xiàn)可獨立調(diào)試，以便在換件修理時簡化調(diào)試程序，縮短調(diào)試時間。

參考文獻

[1]張娜，劉亞春.混聯(lián)可維修系統(tǒng)可靠性分析與計算[J].南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017（31）：4.

[2]范江川，劉子先.基于故障相關(guān)與外部沖擊的兩部件系統(tǒng)機會維修研究[D].天津：天津理工大學(xué)學(xué)報，2014.

[3]宋家奎，石志想.低成本輕質(zhì)復(fù)合蒙布在飛艇尾翼中的應(yīng)用[J].裝備環(huán)境工程，2016，13（6）：135-139.

[4]江秀紅.多態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析及維修策略研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.

[5]吳軍，陳作懿，程一偉，等.任務(wù)驅(qū)動的復(fù)雜裝備可靠性與維修性仿真方法研究[J].艦船電子工程，2019，39（9）：133-139.

[6]柳劍.制造系統(tǒng)運行可靠性分析與維修保障策略研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2014.

[7]劉宇.多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)可靠性建模及維修決策[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[8]章國棟.系統(tǒng)可靠性與維修性的分析與設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

[9]張先.基于耦合振蕩器陣列的非線性有源天線陣設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2018.

[10]崔國友，李孟良.船用電子設(shè)備現(xiàn)場可靠性維修性數(shù)據(jù)分析的需求與方法[J].中國修船，2008（6）：46-49.