彭兆春

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

相控陣雷達采用自適應相控陣天線陣面和先進的時空二維信息處理技術(shù)，具有多波束掃描、目標更新速率快、視場范圍大、多目標追蹤和抗干擾能力強等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代雷達裝備的主體[1-2]。機載相控陣雷達是以載機為平臺的機載雷達發(fā)展的重要趨勢，為了適應現(xiàn)代復雜多變的戰(zhàn)場形勢和電子對抗環(huán)境，保證雷達的持續(xù)作戰(zhàn)能力和任務(wù)成功性就顯得尤為重要，這對雷達裝備提出了更高的可靠性要求。機載相控陣雷達為了實現(xiàn)特定的探測威力，在天線陣面安裝了大量的能獨立工作的數(shù)字收發(fā)組件，同時需要多個信號處理和數(shù)據(jù)處理模塊對回波信號進行綜合分析，其可靠性已成為一項復雜的系統(tǒng)工程。可靠性是產(chǎn)品的一種設(shè)計屬性，雷達裝備的性能應當與雷達系統(tǒng)的可靠性同步進行，實現(xiàn)一體化設(shè)計?？煽啃灶A計是可靠性設(shè)計的核心和基礎(chǔ)，開展機載相控陣雷達可靠性預計可以評估其可靠性指標能否達到規(guī)定的要求，及時地發(fā)現(xiàn)設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，并采取相應的改進措施來提高雷達的固有可靠性水平，同時也對可靠性指標的分配、設(shè)計可行性決策、方案優(yōu)選、維修策略和綜合保障要求的制定等起著重要的作用。

本文以某型機載相控陣雷達為例，按照系統(tǒng)工程的設(shè)計思路，基于元器件應力分析法開展雷達模塊級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級的基本可靠性預計，根據(jù)雷達執(zhí)行任務(wù)時的任務(wù)剖面，建立任務(wù)可靠性模型，開展雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性預計，并對預計結(jié)果的符合性進行分析。

1 可靠性預計的內(nèi)容

1.1 可靠性預計的定義及分類

可靠性預計是針對產(chǎn)品在設(shè)計階段進行的系統(tǒng)可靠性的一種定量評估，它根據(jù)產(chǎn)品的歷史可靠性數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的組成和結(jié)構(gòu)特點，以及工作環(huán)境等因素估計系統(tǒng)各個設(shè)備、組件或模塊及系統(tǒng)的可靠性指標，其目的是為了確定所設(shè)計的產(chǎn)品是否能達到規(guī)定的可靠性要求，找到設(shè)計上的薄弱環(huán)節(jié)，為設(shè)計決策提供依據(jù)。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)定的可靠性定量要求，系統(tǒng)可靠性預計包括基本可靠性預計和任務(wù)可靠性預計兩種。基本可靠性預計是為了評估由于產(chǎn)品不可靠導致的對維修與后勤保障資源的要求，其可靠性模型是系統(tǒng)所有組成單元的全串聯(lián)模型，任一單元的故障均需要進行維修和保障。任務(wù)可靠性預計是指對系統(tǒng)成功地完成某一特定任務(wù)的概率的預計，其可靠性模型是系統(tǒng)任務(wù)剖面內(nèi)各組成單元的一系列結(jié)構(gòu)組合，通常采用冗余或備份的方式確保任務(wù)成功性，例如：并聯(lián)、k/n表決、旁聯(lián)和混聯(lián)等結(jié)構(gòu)模型。

1.2 系統(tǒng)可靠性預計流程

按照系統(tǒng)工程的設(shè)計思想，系統(tǒng)可靠性預計是一個自下而上、從局部到整體、由小到大的歸納綜合過程，根據(jù)系統(tǒng)層次的劃分，下一層次的可靠性預計結(jié)果可作為上一層次可靠性預計的輸入。相控陣雷達屬于典型的任務(wù)電子系統(tǒng)，可將整個系統(tǒng)劃分為4個層次，逐級開展可靠性預計，如圖1所示。系統(tǒng)基本可靠性預計的流程一般可表述為：

圖1 系統(tǒng)可靠性預計層次關(guān)系

a）明確系統(tǒng)的功能、組成、工作原理和各個接口間的關(guān)系；

b）明確系統(tǒng)的故障判據(jù)及工作條件；

c）劃分可靠性預計單元，建立系統(tǒng)可靠性框圖；

d）建立系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型；

e）收集各個模塊的元器件清單，進行元器件級可靠性預計；

f）將模塊內(nèi)各類元器件的預計失效率累加，進行模塊級可靠性預計；

g）根據(jù)模塊級的預計結(jié)果，按分系統(tǒng)、系統(tǒng)的可靠性模型逐級預計分系統(tǒng)和系統(tǒng)的可靠性指標。

系統(tǒng)任務(wù)可靠性預計流程是以基本可靠性預計中模塊級的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型及任務(wù)執(zhí)行時間開展預計。

2 可靠性預計方法

按照系統(tǒng)可靠性預計的層次關(guān)系，常用的可靠性預計方法包括元器件計數(shù)法、相似產(chǎn)品法、評分預計法、應力分析法和故障率預計法等[3-5]。根據(jù)產(chǎn)品研制階段的不同選擇合適的可靠性預計方法，不同研制階段可靠性預計方法的適用性[6]如表1所示。

表1 可靠性預計方法的適用性

3 某型機載相控陣雷達系統(tǒng)可靠性預計

3.1 可靠性指標要求

合同規(guī)定的可靠性定量要求如下所示。

a）基本可靠性指標

成熟期的規(guī)定值：平均故障間隔飛行小時（MFHBF）≥300 h。

b）任務(wù)可靠性指標

按一次任務(wù)時間t=4 h，任務(wù)可靠度R（t）≥0.996。

3.2 雷達系統(tǒng)基本可靠性預計

某機載相控陣雷達系統(tǒng)由天線子系統(tǒng)、伺服控制子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)和電源子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)功能上相互獨立、缺一不可。系統(tǒng)基本可靠性框圖如圖2所示。雷達系統(tǒng)設(shè)備組成如表2所示。個子系統(tǒng)的內(nèi)部組成，將系統(tǒng)的基本可靠性框圖進一步地細化至模塊級（外場可更換模塊），如圖3所示。

表2 雷達系統(tǒng)設(shè)備組成

圖2 雷達系統(tǒng)基本可靠性框圖

圖3雷達系統(tǒng)基本可靠性框圖（模塊級）

系統(tǒng)的基本可靠性反映的是所有組成單元引起的維修和對后勤保障資源的要求。根據(jù)雷達各在進行基本可靠性預計時，進行如下的假設(shè)：a）所有組成模塊的壽命均服從指數(shù)分布；

b）系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊及元器件只有故障和正常兩種狀態(tài)，不存在第三種狀態(tài)；

c）各個子系統(tǒng)、模塊和元器件之間都是相互獨立的，它們的故障相互間不發(fā)生影響；

d）不計入各個模塊結(jié)構(gòu)件及軟件的失效率。

相控陣雷達屬于典型的任務(wù)電子裝備，其壽命服從指數(shù)分布。根據(jù)圖3所示，雷達系統(tǒng)的基本可靠性模型是所有組成模塊的全串聯(lián)模型，其可靠性數(shù)學模型為：

式（1）中：MTBFs——雷達系統(tǒng)平均故障間隔時間，單位為h；

λs——雷達系統(tǒng)的失效率，單位為10-6/h；

λi——雷達系統(tǒng)第i個模塊的失效率，單位為10-6/h。

按照系統(tǒng)可靠性預計流程，首先，預計各個模塊內(nèi)部元器件的失效率，基于應力分析法，根據(jù)應用元器件的類別、質(zhì)量等級、應力水平和環(huán)境條件等因素，國產(chǎn)元器件以GJB/Z 299C為依據(jù)選擇相應元器件的基本失效率、質(zhì)量系數(shù)和環(huán)境系數(shù)等各個π系數(shù)來計算該器件的工作失效率；進口元器件的工作失效率依據(jù)MIL-HDBK-217F進行預計。其次，將各個元器件的失效率累加得到相應模塊的失效率，預計結(jié)果如表3所示。以此逐級進行各個分系統(tǒng)及系統(tǒng)的失效率預計，并按式（1）計算MTBF，計算結(jié)果如表4所示。

表3 各個模塊失效率預計結(jié)果

表4 雷達系統(tǒng)基本可靠性預計結(jié)果

由表4可知，雷達系統(tǒng)MTBF預計值為244.704 2 h，合同規(guī)定的基本可靠性指標MFHBF≥300 h，根據(jù)載機一次飛行時間F=6 h，雷達執(zhí)行一次任務(wù)的工作時間S=4 h，將MTBF預計值轉(zhuǎn)換成MFHBF，結(jié)果為：

由此可知，雷達系統(tǒng)的MFHBF預計值大于成熟期的規(guī)定值，滿足設(shè)計要求。

3.3 雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性預計

任務(wù)可靠性與系統(tǒng)的任務(wù)要求和執(zhí)行功能密切相關(guān)，任務(wù)可靠性預計是針對某一任務(wù)剖面進行的。根據(jù)雷達的工作原理和典型任務(wù)剖面，建立雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖，如圖4所示。

由圖4可知，在執(zhí)行某典型任務(wù)剖面時，雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性模型是一個由串聯(lián)、并聯(lián)、表決和旁聯(lián)組成混聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，陣面電源模塊A1～A2、陣面電源模塊B1～B2、專用電源1～2各自構(gòu)成并聯(lián)模型；數(shù)字收發(fā)模塊A1～A15、數(shù)字收發(fā)模塊B1～B15各自構(gòu)成12/15表決模型，校正網(wǎng)絡(luò)模塊A1～A8、校正網(wǎng)絡(luò)模塊B1～B8各自構(gòu)成7/8表決模型，信號處理模塊1～4、信號處理模塊5～8各自構(gòu)成3/4表決模型；兩個時序控制模塊構(gòu)成冷備份模型；其余各個模塊構(gòu)成串聯(lián)模型。因此，系統(tǒng)任務(wù)可靠性數(shù)學模型可表示為：

圖4 雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性框圖

式（3）中：Rs（t）——雷達系統(tǒng)的任務(wù)可靠度；

R串i（t）——第i個串聯(lián)模型的可靠度；

R并j（t）——第j個并聯(lián)模型的可靠度；

R表k（t）——第k個表決模型的可靠度；

R旁l（t）——第l個旁聯(lián)模型的可靠度。

其中，串聯(lián)、并聯(lián)、表決和旁聯(lián)模型的可靠度計算公式分別如下：

式（4）-（7）中：Ri（t）——第i個模塊的可靠度。

雷達系統(tǒng)在任務(wù)剖面內(nèi)的工作時間為4 h，根據(jù)表3中各個模塊的失效率數(shù)據(jù)計算各個模塊的可靠度，同時按式（4）-（7）計算相應模型的可靠度，計算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5的數(shù)據(jù)及式（3）計算雷達系統(tǒng)的任務(wù)可靠度Rs（t）=0.998 504 049，合同規(guī)定的任務(wù)可靠性指標R（t）≥0.996，預計結(jié)果滿足設(shè)計要求。

表5 雷達系統(tǒng)任務(wù)可靠性預計結(jié)果

4 預計結(jié)果分析

雷達系統(tǒng)的基本可靠性和任務(wù)可靠性的預計結(jié)果均能滿足合同規(guī)定的可靠性指標要求。在進行基本可靠性預計時，根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，可以統(tǒng)計出各個模塊的失效率及4個子系統(tǒng)的失效率對雷達整機失效的影響程度，分別如圖5、6所示。

根據(jù)圖5中的數(shù)據(jù)，數(shù)字收發(fā)模塊的失效率占比最大，比重遠超其他模塊，它對雷達整機的失效起決定作用。另外，從圖6中可以看出，雷達天線陣子系統(tǒng)的失效率占比最大，遠超過其他3個子系統(tǒng)。因此，數(shù)字收發(fā)模塊可認為是雷達系統(tǒng)的重要部件，該模塊在天線陣面裝機數(shù)量多，且內(nèi)部集成了多個多通道TR組件，屬于自制件成熟度較低，因而可靠性設(shè)計和改進需重點關(guān)注該模塊，以實現(xiàn)可靠性增長。在系統(tǒng)任務(wù)可靠性預計方面，由于采用了多種冗余或備份設(shè)計手段，雷達系統(tǒng)具有較高的任務(wù)可靠度，能有效地保證其任務(wù)成功性。雷達的基本可靠性預計值約為規(guī)定值的1.22倍，兼顧性能設(shè)計的同時還能為系統(tǒng)后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供更大的改進空間，可以通過加強各個模塊內(nèi)部元器件的篩選、選用更高質(zhì)量等級的元器件、簡化設(shè)計、降額設(shè)計和熱設(shè)計等措施進一步地提高雷達整機的基本可靠性和任務(wù)可靠性水平。

圖5 各模塊失效率占比

圖6 各個子系統(tǒng)的失效率占比

5 結(jié)束語

正確、科學地確定可靠性要求是一項復雜的系統(tǒng)工程，可靠性指標是可靠性定量要求的直觀體現(xiàn)，代表了產(chǎn)品能達到的可靠性水平。機載相控陣雷達屬于典型的任務(wù)電子系統(tǒng)，可靠性指標預計是進行雷達系統(tǒng)可靠性設(shè)計分析的一項重要手段，可為設(shè)計決策提供依據(jù)。本文從系統(tǒng)工程思想出發(fā)，闡述了雷達系統(tǒng)可靠性預計的流程和預計方法，基于元器件應力分析法開展雷達系統(tǒng)基本可靠性和任務(wù)可靠性預計，并對預計結(jié)果進行了分析，分析結(jié)果可為系統(tǒng)的設(shè)計改進和資源的合理配置提供理論支持。此外，現(xiàn)階段的可靠性預計工作主要依據(jù)GJB/Z 299C和MIL-HDBK-217F，參照標準較老，為了更精確地進行可靠性預計亟待發(fā)布和實施新標準。