周潔，宮曉春，褚亮

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

載機(jī)長期在遠(yuǎn)離陸地、復(fù)雜海洋環(huán)境下工作，需要具備較高的戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率，安裝在載機(jī)上的關(guān)鍵電子設(shè)備也必須具備較高的可靠性。因此，高度重視機(jī)載電子設(shè)備可靠性工作，提升其可靠性水平，是實現(xiàn)較高的戰(zhàn)備完好率和任務(wù)成功率的關(guān)鍵因素。在定型階段，通常根據(jù)GJB 899A—2009的規(guī)定選擇合適的統(tǒng)計方案，通過在實驗室中開展能夠模擬實際遇到的環(huán)境條件的掛飛可靠性鑒定試驗對電子設(shè)備的掛飛可靠性進(jìn)行鑒定。因此，如何選擇試驗方案、確定可靠性試驗剖面，成為開展可靠性鑒定試驗的關(guān)鍵。

目前已經(jīng)有不少文獻(xiàn)對電子設(shè)備可靠性試驗剖面的設(shè)計進(jìn)行了研究。陳萬創(chuàng)等分析了防空導(dǎo)彈綜合環(huán)境可靠性試驗的作用以及試驗剖面、試驗應(yīng)力的確定方法等。程德斌講述了電子吊艙可靠性試驗剖面制定的過程和方法。陳萬創(chuàng)等結(jié)合試驗剖面的真實性和典型性，將導(dǎo)彈掛飛作為主要試驗階段，對空空導(dǎo)彈可靠性試驗剖面進(jìn)行了研究，并討論了試驗剖面設(shè)計中循環(huán)及小周期的確定問題。在機(jī)載設(shè)備的環(huán)境與可靠性試驗研究方面，林琳對機(jī)載電子產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了研究。張書明等對機(jī)載設(shè)備振動譜的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行了研究，得到了通過實測振動譜數(shù)據(jù)制定可靠性試驗剖面中的振動條件的方法。湛振華等結(jié)合工程實踐中的一些難題，從任務(wù)剖面的確定、振動譜型的選取等方面進(jìn)行了分析，給出了機(jī)載設(shè)備可靠性試驗剖面中振動應(yīng)力的處理方法。汪凱蔚等對直升機(jī)載導(dǎo)彈及外掛可靠性試驗技術(shù)進(jìn)行了研究。王桂華等給出了一種航空發(fā)動機(jī)成附件振動環(huán)境試驗剖面的確定方法。王學(xué)孔分析了利用實測數(shù)據(jù)制定可靠性試驗剖面的方法。呂夢琴等給出了一種機(jī)載外掛設(shè)備開展發(fā)射飛行可靠性試驗的試驗剖面制定方法。申加康等給出了一種安裝于飛機(jī)發(fā)動機(jī)影響區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)備的可靠性試驗剖面設(shè)計方法，并使用此方法對某設(shè)備的振動數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，得到了安裝于飛機(jī)發(fā)動機(jī)影響區(qū)域設(shè)備的可靠性試驗剖面。在其他發(fā)射平臺的電子設(shè)備可靠性試驗研究領(lǐng)域，QJ 2653—1994對地地戰(zhàn)略導(dǎo)彈地面設(shè)備可靠性驗證試驗方法進(jìn)行了規(guī)定。莫昌瑜等給出了一種通過艦船設(shè)備的實測數(shù)據(jù)確定可靠性試驗中振動應(yīng)力的方法。陳津虎等對機(jī)動發(fā)射平臺電子設(shè)備可靠性試驗技術(shù)進(jìn)行了研究。宋巖等對跨平臺裝備可靠性試驗剖面合成方法進(jìn)行了探討。

袁宏杰等結(jié)合工程實際情況，通過合理運用數(shù)學(xué)和空氣動力學(xué)知識，給出了一種安裝在噴氣式飛機(jī)上的設(shè)備的可靠性試驗剖面設(shè)計方法。鄒祁峰等給出了安裝在機(jī)載吊艙內(nèi)的設(shè)備的可靠性試驗剖面制定方法，但都沒有給出安裝在帶溫控裝置飛機(jī)吊艙內(nèi)的電子設(shè)備在制定可靠性試驗剖面時的處理方法。本文通過分析某機(jī)載偵察相機(jī)的安裝位置和任務(wù)剖面，結(jié)合GJB 899A—2009和GJB 150.16A—2009，考慮到帶溫控裝置飛機(jī)吊艙內(nèi)的電子設(shè)備在制定可靠性試驗剖面時的特殊性，給出了某機(jī)載偵察相機(jī)掛飛可靠性試驗方案選擇依據(jù)、試驗剖面設(shè)計及試驗方法。

1 任務(wù)剖面分析

某機(jī)載偵察相機(jī)，安裝于飛機(jī)機(jī)腹下方的吊艙內(nèi)，吊艙內(nèi)安裝有溫度控制裝置，在周圍環(huán)境溫度低于-20 ℃、高于60 ℃時，溫度控制裝置會啟動工作。該機(jī)載偵察相機(jī)屬于外掛設(shè)備，用于執(zhí)行全天時特別是夜間等氣象條件下遠(yuǎn)距離、大范圍高分辨率成像偵察任務(wù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、全天時工作等突出優(yōu)點。其任務(wù)剖面是隨載機(jī)在完成規(guī)定任務(wù)這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的全部事件和狀態(tài)的一種時序描述，該電子設(shè)備吊掛在載機(jī)的吊艙內(nèi)，并隨載機(jī)執(zhí)行2種任務(wù)：高–高–高偵察任務(wù)和高–中–高偵察任務(wù)，分別占P和P（P+P=1），2個典型任務(wù)剖面中，主要包含事件、高度、速度、持續(xù)時間等參數(shù)。

2 可靠性試驗方案選擇

在定型階段，通常根據(jù)GJB 899A—2009的規(guī)定選擇合適的統(tǒng)計方案、制定合理的試驗剖面，通過開展實驗室試驗來評估電子設(shè)備的MTBF。由于該偵察相機(jī)為新研產(chǎn)品，綜合考慮承制方及訂購方能夠接受的試驗時間和允許出現(xiàn)的故障數(shù)，經(jīng)與總體單位及軍廠雙方協(xié)調(diào)確認(rèn)，選用GJB 899A—2009中的標(biāo)準(zhǔn)型定時試驗統(tǒng)計方案17，即在4.3θ的時間內(nèi)，試驗中所出現(xiàn)的責(zé)任故障數(shù)≤2時，則作出接收判決，具體參數(shù)見表1。

3 掛飛可靠性試驗剖面制定

吊艙是吊掛在飛機(jī)機(jī)腹下方的裝備，對于安裝在吊艙內(nèi)的電子設(shè)備，其遇到的環(huán)境條件通常有2種：隨載機(jī)在機(jī)場停留時遇到的地面環(huán)境和執(zhí)行任務(wù)過程中遇到的空中環(huán)境，主要的環(huán)境應(yīng)力有溫度、濕度和振動。為了提高試驗效率，整個可靠性試驗剖面中， 前半部分模擬“冷天–標(biāo)準(zhǔn)天–熱天”的環(huán)境條件，后半部分模擬“熱天–標(biāo)準(zhǔn)天–冷天”的環(huán)境條件，冷天、標(biāo)準(zhǔn)天和熱天的應(yīng)力均使用由溫度、濕度、振動、電應(yīng)力以及這4種應(yīng)力隨時間的變化來模擬實際的環(huán)境條件。

表1 可靠性鑒定試驗指標(biāo)參數(shù) Tab.1 Reliability qualification test index parameters

3.1 溫度應(yīng)力

3.1.1 溫度應(yīng)力剖面

1）地面停留階段的溫度。掛飛前后，機(jī)載外掛電子設(shè)備隨載機(jī)在機(jī)場停留時遇到的溫度主要有3種：即標(biāo)準(zhǔn)天、熱天、冷天的地面溫度。標(biāo)準(zhǔn)天地面溫度可以從GB 1920中查出，為15 ℃；冷天和熱天地面溫度可以從HB 5652.1中查出，冷天地面溫度為-54 ℃，熱天地面溫度為45 ℃（在假定產(chǎn)品設(shè)計時選定的冒極端溫度的風(fēng)險率為10%的情況下）。由于該偵察相機(jī)吊掛在載機(jī)機(jī)腹下方的吊艙內(nèi)，其內(nèi)帶有溫度控制裝置，當(dāng)環(huán)境溫度低于-20 ℃、或高于 60 ℃時，溫控設(shè)備會啟動工作。依據(jù)該偵察相機(jī)的技術(shù)協(xié)議，高溫貯存溫度為60 ℃，低溫貯存溫度為-20 ℃，高溫工作溫度為50 ℃，低溫工作溫度為-20 ℃。為此，將冷天地面停放溫度調(diào)整為-20 ℃，冷天地面工作溫度調(diào)整為-20 ℃，熱天地面停放溫度調(diào)整為60 ℃，熱天地面工作溫度調(diào)整為50 ℃。

2）各個任務(wù)剖面中空中階段溫度。掛飛階段的溫度主要是根據(jù)載機(jī)的高–高–高偵察任務(wù)（占P）和高–中–高偵察任務(wù)（占P）中載機(jī)所處高度的飛行速度、大氣溫度，依據(jù)式（1）得到恢復(fù)溫度（t）。

式中：t為所在高度的大氣絕對溫度，通過查閱GB 1920和HB 5652.1獲得；M為載機(jī)飛行速度，以馬赫數(shù)計算。

依據(jù)式（1），計算出高–高–高偵察任務(wù)和高–中–高偵察任務(wù)各階段的恢復(fù)溫度，見表2。

表2 各階段的恢復(fù)溫度 Tab.2 Recovery temperature at each stage

3.1.2 合成試驗溫度應(yīng)力剖面

根據(jù)GJB 899A—2009，可靠性試驗一般只模擬持續(xù)時間不小于20 min的穩(wěn)態(tài)溫度應(yīng)力。因此，本次可靠性試驗只考慮執(zhí)行偵察任務(wù)時外掛設(shè)備遇到的溫度，不考慮在空中飛行過程中的溫度變化。將以上2個任務(wù)剖面中所有溫度按照遞增次序進(jìn)行排列，同一溫度只寫1個，如果某溫度值僅出現(xiàn)1次，則將出現(xiàn)這一溫度的加權(quán)持續(xù)時間作為總加權(quán)持續(xù)時間；如果某溫度出現(xiàn)多次，則將出現(xiàn)這一溫度的各加權(quán)時間相加作為總加權(quán)時間，得到各階段的最高溫度、最低溫度、加權(quán)溫度，見表3。

依據(jù)技術(shù)協(xié)議規(guī)定的高溫貯存/工作溫度、低溫 貯存/工作溫度對計算得到的溫度值進(jìn)行調(diào)整，具體如下：

表3 冷天、標(biāo)準(zhǔn)天、熱天溫度值及持續(xù)時間（計算值） Tab.3 Cold day, standard day, hot day temperature and duration (calculated value)

1）由于冷天計算溫度均低于技術(shù)協(xié)議規(guī)定的最低工作溫度-20 ℃，因此將冷天飛行階段溫度調(diào)整為-20 ℃。

2）標(biāo)準(zhǔn)天的最高溫度總加權(quán)持續(xù)時間為1 min，按GJB 899A—2009的規(guī)定，刪去熱天階段中溫度低于10 ℃或持續(xù)時間小于20 min的部分，可將最高溫度33 ℃刪去。因此，標(biāo)準(zhǔn)天飛行階段溫度調(diào)整為-10、14 ℃。

3）熱天的最高溫度總加權(quán)持續(xù)時間為1 min，且吊艙內(nèi)的溫控裝置在高于50 ℃時就會啟動工作，同理，可將最高溫度65 ℃刪去。因此，熱天飛行階段溫度調(diào)整為21、42 ℃。

最終，得到的合成溫度應(yīng)力試驗剖面見表4。

表4 合成后的冷天、標(biāo)準(zhǔn)天、熱天溫度值及持續(xù)時間 Tab.4 Temperature value and duration of cold day, standard day and hot day after synthesis

3.2 濕度應(yīng)力

對于完整組合式外掛及密封設(shè)備，濕度應(yīng)力確定為僅在每一循環(huán)的熱天地面階段對濕度進(jìn)行控制。從熱天地面不工作階段開始，即保持露點溫度≥31 ℃，直到熱天地面工作階段結(jié)束。

3.3 振動應(yīng)力

3.3.1 振動譜

根據(jù)GJB 899A—2009，確定可靠性試驗所要施加的振動應(yīng)力主要有3種方法。鑒于本次可靠性鑒定試驗的振動應(yīng)力不能通過實測應(yīng)力得到，因此參考GJB 899A—2009中圖B3.8-6安裝在外掛和導(dǎo)彈上的設(shè)備的振動譜，確定振動應(yīng)力的譜形，再根據(jù)GJB 150.16A—2009中表C.5噴氣式飛機(jī)外掛的振動環(huán)境計算得到各拐點頻率及功率譜密度值，得f=20 Hz，f=31 Hz，f=102 Hz，f=1 102 Hz，W= 0.02 g/Hz，W=0.065 73 g/Hz。因此，確定的隨機(jī)振動譜如圖1所示。

圖1 掛飛隨機(jī)振動譜 Fig.1 Random vibration spectrum of hanging flight

3.3.2 合成試驗振動應(yīng)力剖面

由于吊艙是組合式的單個外掛，產(chǎn)品位置因子（F）選取為0.88。根據(jù)典型任務(wù)剖面的詳細(xì)參數(shù)計算出的動壓和位置因子，計算掛飛振動量值調(diào)節(jié)因子F，再用該振動量值調(diào)節(jié)因子乘以歸一化的基本功率譜密度值（W、W），可得到試驗的功率譜密度值（W、W）。計算公式為：

根據(jù)公式（2）—（6）計算得到各階段的振動量級，見表5。

刪去不足0.1 (m·s)/Hz的振動量級，增加0.1 (m·s)/Hz的持續(xù)振動以保證振動的連續(xù)。參照GJB 899A—2009附錄B.3.5.5.4.3.3和附錄B.3.5.5.5.3中的方法，根據(jù)表5各任務(wù)剖面的比例和功率譜密度值進(jìn)行加權(quán)合成，得到振動量級的最低振動量值、加權(quán)振動量值、最高振動量值及其相應(yīng)的持續(xù)時間，見表6。

振動施加先后順序按照2個任務(wù)剖面實際起飛過程經(jīng)歷的振動順序進(jìn)行，具體施加時序及時間見表7。

表5 各階段振動量級 Tab.5 Vibration magnitude at each stage

表6 合成后的振動量級及持續(xù)時間 Tab.6 The magnitude and duration of vibration after synthesis

表7 振動量級、時序及持續(xù)時間 Tab.7 Magnitude, timing and duration of vibration

3.3.3 振動方向

機(jī)載偵察相機(jī)掛飛期間，振動應(yīng)力主要集中在產(chǎn)品的豎軸方向（Y向），豎軸方向（Y向）的應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直于豎軸方向（X、Z向）的量值，因此選擇豎軸方向（Y向）作為機(jī)載偵察相機(jī)掛飛可靠性鑒定試驗的振動應(yīng)力施加方向。

3.4 電應(yīng)力

試驗中每次通電模擬地面工作和空中執(zhí)行任務(wù)時間，輸入電壓按照標(biāo)稱值的±10%（產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議規(guī)定的幅值）進(jìn)行拉偏，第1、2、3循環(huán)的輸入電壓分別為電應(yīng)力的上限值、標(biāo)稱值、下限值。3個試驗循環(huán)的輸入電壓變化構(gòu)成一個完整的電應(yīng)力循環(huán)，以滿足GJB 899A—2009中對輸入電壓的變化要求。在每個試驗循環(huán)中，冷天、標(biāo)準(zhǔn)天、熱天地面階段的前30 min，產(chǎn)品不工作，之后按操作程序啟動3次，以考核產(chǎn)品在該溫度下的瞬時啟動能力。第3次啟動后，產(chǎn)品應(yīng)在相應(yīng)氣候段連續(xù)工作，并在規(guī)定的時刻進(jìn)行功能性能測試。

3.5 可靠性試驗剖面

根據(jù)3.1—3.4節(jié)的分析結(jié)果，確定該機(jī)載偵察相機(jī)的掛飛可靠性試驗剖面如圖2所示。

4 可靠性試驗安裝方式

本試驗使用綜合環(huán)境試驗系統(tǒng)對產(chǎn)品施加溫度、濕度和振動應(yīng)力。該產(chǎn)品按照模擬實際安裝方式，采用吊掛的方式，通過橡膠減振器安裝在工裝上。試驗中振動控制采用六點平均控制方式（1#、2#、3#、4#、5#、6#），其中，1#、2#、3#、4#位于工裝的4個支腳上部，5#、6#傳感器位于振動工裝底板上，以此完成對產(chǎn)品振動應(yīng)力的施加。此外，在產(chǎn)品的關(guān)鍵部位，剛度較大處安裝測量傳感器，以監(jiān)測產(chǎn)品上的響應(yīng)量級，根據(jù)響應(yīng)量級確定是否進(jìn)行限值控制。在試驗過程中，對產(chǎn)品上的響應(yīng)量級及諧振頻率進(jìn)行觀察，并與試驗前的試振曲線進(jìn)行對比，根據(jù)響應(yīng)曲線的變化情況決定是否更換減振器。

5 掛飛可靠性評估

本次對產(chǎn)品共進(jìn)行了344 h的可靠性鑒定試驗，試驗期間產(chǎn)品未發(fā)生故障，即r=0。

根據(jù)定時截尾的統(tǒng)計方案，則產(chǎn)品MTBF的單側(cè)置信下限值為：

式中：T為總試驗時間，T=344 h。

圖2 掛飛可靠性鑒定試驗剖面 Fig.2 Hanging reliability qualification test profile

在置信度γ=0.8、故障數(shù)r=0時，χ(γ, 2r+2)= 3.219，則θ=213.731 h。在置信度γ=0.8、綜合環(huán)境應(yīng)力條件下評估得到機(jī)載偵察相機(jī)MTBF單側(cè)置信下限值為213.731 h，達(dá)到了規(guī)定的MTBF最低可接收值80 h的要求，據(jù)此作出接收判決。

6 結(jié)論

本文針對機(jī)載外掛設(shè)備的典型任務(wù)剖面及其環(huán)境條件，考慮到安裝于帶溫控裝置的設(shè)備的特殊性，結(jié)合GJB 899A—2009和GJB 150.16A—2009，給出了安裝于帶溫控裝置的吊艙內(nèi)的機(jī)載外掛設(shè)備開展掛飛可靠性鑒定試驗的試驗剖面制定方法，并以某機(jī)載偵察相機(jī)為例，驗證了該方法的可行性，得出以下結(jié)論。

1）在制定環(huán)境應(yīng)力時，帶和不帶溫控裝置的機(jī)載外掛設(shè)備的異同為：不帶溫控裝置的機(jī)載外掛設(shè)備在確定溫度應(yīng)力時，通過查閱GB 1920和HB 5652.1獲得所在高度的大氣絕對溫度，然后根據(jù)所處高度的飛行速度、大氣絕對溫度計算得到恢復(fù)溫度，將此恢復(fù)溫度作為可靠性試驗剖面中的溫度應(yīng)力；帶溫控裝置的機(jī)載外掛設(shè)備在確定溫度應(yīng)力時，在獲得恢復(fù)溫度的基礎(chǔ)上，綜合考慮溫控裝置的低溫啟動工作溫度和高溫啟動工作溫度，將低于低溫啟動工作溫度和高于高溫啟動工作溫度的溫度點調(diào)整為溫控裝置的低溫啟動工作溫度和高溫啟動工作溫度，其余溫度點保持不變，并作為可靠性試驗剖面中的溫度應(yīng)力。

2）給出的試驗方案選擇依據(jù)為其他新研裝備在開展可靠性鑒定試驗的過程中如何選取試驗方案提供了參考。

3）提出的可靠性鑒定試驗剖面設(shè)計方法，為安裝于帶溫控裝置的吊艙內(nèi)的機(jī)載外掛電子設(shè)備開展可靠性鑒定試驗提供了新思路。

4）該可靠性試驗方法已應(yīng)用于某機(jī)載偵察相機(jī)的可靠性鑒定試驗中，在實驗室較好地完成了對該產(chǎn)品掛飛可靠性指標(biāo)的評估。