王鳳金 楊璐 陳津虎 董軍超 李艷喆

（1北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京，100076；2北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京，100076）

0 引言

隨著實(shí)戰(zhàn)化要求的不斷提升，我國(guó)武器裝備在全壽命周期中將長(zhǎng)時(shí)間處于復(fù)雜環(huán)境執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，這就要求新型裝備具有復(fù)雜任務(wù)工況下長(zhǎng)壽命和高可靠的能力[1,2]。本文以某地面發(fā)射裝備為研究對(duì)象，其要在全國(guó)復(fù)雜環(huán)境下服役使用，因此要長(zhǎng)期承受值班使用過(guò)程中的惡劣氣候、力學(xué)環(huán)境應(yīng)力，并要求長(zhǎng)時(shí)間值班后仍然保持較高的任務(wù)可靠性。所以在研制過(guò)程中需要對(duì)發(fā)射裝備的使用壽命與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。

發(fā)射裝備的研制過(guò)程中，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的質(zhì)量以及驗(yàn)證技術(shù)指標(biāo)是否滿(mǎn)足使用壽命長(zhǎng)、高可靠的要求，需要開(kāi)展一系列的驗(yàn)證試驗(yàn)。其中使用壽命與可靠性指標(biāo)的驗(yàn)證方法，如采用傳統(tǒng)的外場(chǎng)平貯以及可靠性試驗(yàn)[3]考核驗(yàn)證已經(jīng)難以滿(mǎn)足研制鑒定任務(wù)周期要求。因此，本文將對(duì)地面發(fā)射裝備開(kāi)展復(fù)雜服役任務(wù)工況下的壽命、可靠性指標(biāo)驗(yàn)證和評(píng)估方法進(jìn)行研究。

發(fā)射裝備是貯存、運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)和發(fā)射過(guò)程的一體化裝置。其為導(dǎo)彈提供支撐和保護(hù)，能維持導(dǎo)彈和發(fā)射裝置所需的良好溫濕度環(huán)境，支撐完成導(dǎo)彈測(cè)試和發(fā)射，是武器系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)射裝備組成復(fù)雜，主要包括貯運(yùn)發(fā)射筒、彈射動(dòng)力裝置、安全裝置、調(diào)溫裝置、溫濕壓傳感器等單機(jī)或部組件。本文考慮驗(yàn)證的是發(fā)射裝備服役中的使用壽命和可靠性指標(biāo)，根據(jù)本裝備特點(diǎn)具體包括野外服役環(huán)境下能否戰(zhàn)備值班M年和戰(zhàn)備值班M年后的發(fā)射可靠度R。

本文中針對(duì)需要同時(shí)驗(yàn)證壽命與可靠性指標(biāo)的情況提出了壽命與可靠性融合驗(yàn)證評(píng)估的方法。主要采用加速試驗(yàn)和相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)相結(jié)合的思路開(kāi)展試驗(yàn)與評(píng)估工作。通過(guò)該方法在較短的時(shí)間內(nèi)完成了服役過(guò)程中的壽命和可靠性指標(biāo)的驗(yàn)證與評(píng)估，為地面發(fā)射裝備實(shí)戰(zhàn)化使用條件下的壽命驗(yàn)證與可靠性評(píng)估提供了新思路、新方法。

1 壽命與可靠性融合驗(yàn)證方法

壽命與可靠性融合驗(yàn)證方法是將壽命指標(biāo)與可靠性指標(biāo)在同一個(gè)試驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證的方法。主要是通過(guò)對(duì)加速壽命試驗(yàn)與加速可靠性試驗(yàn)進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)試驗(yàn)過(guò)程同時(shí)驗(yàn)證壽命與可靠性雙重指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品壽命與可靠性的一體化驗(yàn)證。這一方法在試驗(yàn)子樣數(shù)量有限以及研制周期短的情況下可以通過(guò)試驗(yàn)方式有效的對(duì)產(chǎn)品的壽命與可靠性進(jìn)行驗(yàn)證與評(píng)估。首先針對(duì)各組成部分的敏感應(yīng)力和失效機(jī)理分別設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)，對(duì)服役使用壽命進(jìn)行驗(yàn)證，最終獲得裝備的服役使用壽命。然后建立裝備可靠性模型，對(duì)各組成部分安排一定樣本的材料或部組件，同步開(kāi)展加速試驗(yàn)，等效加速至規(guī)定壽命年限后，進(jìn)行性能試驗(yàn)，根據(jù)性能測(cè)試結(jié)果綜合評(píng)估得到產(chǎn)品服役使用后的可靠性指標(biāo)。下面就針對(duì)發(fā)射裝備服役使用壽命與可靠性融合驗(yàn)證的方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2 發(fā)射裝備服役使用壽命與可靠性融合驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 發(fā)射裝備服役任務(wù)剖面及敏感應(yīng)力分析

發(fā)射裝置服役任務(wù)剖面內(nèi)經(jīng)受的環(huán)境應(yīng)力主要有溫度、濕度、振動(dòng)、沖擊等。具體分析至各個(gè)組成部分時(shí)：1）筒體由復(fù)合材料構(gòu)成，長(zhǎng)期暴露于外界環(huán)境中，主要面臨溫度、濕度的影響，造成對(duì)筒體結(jié)構(gòu)的破壞；2）安全裝置和彈射動(dòng)力處于筒體內(nèi)部，由于筒內(nèi)有環(huán)控功能，維持溫濕度在穩(wěn)定狀態(tài)，經(jīng)分析安全裝置和彈射動(dòng)力裝置主要承受溫度和運(yùn)輸振動(dòng)的綜合作用，溫度會(huì)造成電子器件和內(nèi)部裝藥的老化，長(zhǎng)期的運(yùn)輸振動(dòng)會(huì)造成內(nèi)部焊點(diǎn)、連接結(jié)構(gòu)、藥柱的疲勞損傷；3）調(diào)溫裝置和溫濕度傳感器等給筒內(nèi)提供良好、穩(wěn)定的溫濕度環(huán)境，存在長(zhǎng)時(shí)間工作要求，因此，服役期內(nèi)承受溫度、振動(dòng)和工作應(yīng)力，在溫度、振動(dòng)、電和負(fù)載應(yīng)力綜合作用下，長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)出現(xiàn)磨損、性能退化、焊點(diǎn)開(kāi)裂的故障。

2.2 貯運(yùn)發(fā)射筒的壽命與可靠性驗(yàn)證評(píng)估

1）試驗(yàn)對(duì)象

貯運(yùn)發(fā)射筒加速壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)了筒體試片級(jí)試驗(yàn)和模擬筒體試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)應(yīng)力

根據(jù)敏感應(yīng)力分析結(jié)果，對(duì)筒體試驗(yàn)開(kāi)展溫度、濕度恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)，試驗(yàn)根據(jù)QJ/Z164.1-86《高分子材料熱老化試驗(yàn)方法-老化試驗(yàn)導(dǎo)則》[4]進(jìn)行實(shí)施，對(duì)材料進(jìn)行老化后性能數(shù)據(jù)的處理和貯存壽命的統(tǒng)計(jì)外推評(píng)估。通過(guò)材料級(jí)試驗(yàn)獲得加速模型和加速因子，進(jìn)而設(shè)計(jì)模擬筒體加速壽命試驗(yàn)，對(duì)規(guī)定的服役壽命進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)貯運(yùn)發(fā)射筒復(fù)合材料試片的加速壽命試驗(yàn)結(jié)果，按照高分子材料熱老化試驗(yàn)方法數(shù)據(jù)處理規(guī)范中的計(jì)算方法，可以得到材料老化的動(dòng)力學(xué)模型、老化速率與試驗(yàn)應(yīng)力的加速模型，進(jìn)而得到不同使用溫度下的性能退化模型，利用加速模型對(duì)不同溫度下的退化速率進(jìn)行擬合，獲取使用環(huán)境下的性能退化模型，得到筒體材料服役壽命置信下限計(jì)算公式：

式中，P—性能變化指標(biāo)；τ—壽命；A—常數(shù)；α—時(shí)間指數(shù)，KS—與溫度有關(guān)的性能變化速率常速的上限值。

將筒體材料在各量級(jí)下試驗(yàn)后的抗拉強(qiáng)度根據(jù)退化方程和加速方程進(jìn)行外推，得到正常使用狀態(tài)下的壽命分布，假設(shè)性能參數(shù)所對(duì)應(yīng)的壽命分布服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，其可靠性計(jì)算公式為

式中，R—可靠性；τ—壽命；σ—標(biāo)準(zhǔn)差；t—使用期。

3）驗(yàn)證與評(píng)估結(jié)果

對(duì)筒體材料試片在各溫、濕度應(yīng)力下的開(kāi)展加速貯存試驗(yàn)，如表1所示。

表1 筒體材料試片的試驗(yàn)應(yīng)力與試驗(yàn)時(shí)間 Table 1 test stress and test time of cylinder material test piece

通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，筒體材料試片的拉伸強(qiáng)度性能呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。采用Arrhenius方程作為加速模型，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關(guān)系，由此可通過(guò)擬合外推得到其它溫度條件下的材料老化速率，進(jìn)一步根據(jù)公式（1），得到筒體材料服役壽命置信下限τ為18.9年，同時(shí)根據(jù)材料老化速率方程，得到70℃/RH70%條件下相對(duì)于25℃/RH70%條件下的加速因子為12.8。

將模擬筒體在70℃/RH70%RH試驗(yàn)條件下進(jìn)行加速試驗(yàn)150天，等效25℃/RH70%下為5.26年。試驗(yàn)后對(duì)模擬筒體進(jìn)行并通過(guò)了地面靜力試驗(yàn)，考核其完成任務(wù)的能力，得到貯運(yùn)發(fā)射筒滿(mǎn)足服役使用壽命不低于5年的結(jié)論。

圖1 筒體材料試片拉伸強(qiáng)度變化曲線Fig. 1 The curve of tensile strength of tube material

針對(duì)拉伸強(qiáng)度數(shù)據(jù)，外推得到25℃下的性能退化速率Ks和時(shí)間指數(shù)α，將P、Ks、α、σ值代入公式（1）、（2）計(jì)算得到貯運(yùn)發(fā)射筒服役使用5年后的可靠度為0.9876。 2彈射動(dòng)力裝置的壽命與可靠性驗(yàn)證評(píng)估

1）試驗(yàn)對(duì)象

發(fā)射裝備的含能產(chǎn)品采用2套彈射動(dòng)力裝置、若干主裝藥參加試驗(yàn)。彈射動(dòng)力裝置加速壽命試驗(yàn)包括：主裝藥藥柱試驗(yàn)和彈射動(dòng)力裝置整機(jī)試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)應(yīng)力

在溫度、振動(dòng)綜合應(yīng)力下進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)后將彈射動(dòng)力裝置進(jìn)行點(diǎn)火試車(chē)，驗(yàn)證長(zhǎng)期服役后的可用性。主裝藥同步進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行力學(xué)性能和燃速測(cè)試，利用試驗(yàn)后主裝藥的性能測(cè)試結(jié)果，評(píng)估彈射動(dòng)力裝置服役后發(fā)射可靠度。

對(duì)典型服役過(guò)程的任務(wù)剖面進(jìn)行分析，對(duì)低溫應(yīng)力進(jìn)行模擬考核，對(duì)值班剖面中的常溫與高溫進(jìn)行加速，對(duì)于機(jī)動(dòng)運(yùn)輸過(guò)程中的溫度、振動(dòng)進(jìn)行加速，具體考慮了營(yíng)區(qū)訓(xùn)練、野外值班等工況，制定等效一次戰(zhàn)備值班周期的綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)剖面。

圖2 彈射動(dòng)力裝置典型服役值班加速試驗(yàn)剖面 Fig. 2 Typical on-duty acceleration test profile of ejection power plant

彈射動(dòng)力裝置典型服役值班加速試驗(yàn)剖面中高溫加速方法根據(jù)GJB736.8-90《火工品試驗(yàn)方法 71℃試驗(yàn)法》[5]進(jìn)行，火工品在高溫下相對(duì)常溫下的加速因子Acc計(jì)算公式如下：

式（3）中，T1為高溫試驗(yàn)溫度；T0為常溫溫度。

對(duì)隨機(jī)振動(dòng)，MIL-STD-810G中的振動(dòng)疲勞等價(jià)折算公式與GJB150A[6]中的振動(dòng)疲勞等價(jià)折算公式的表達(dá)式是

式中，W和W'分別是加速前和加速后的振動(dòng)功率譜密度，T和T'分別是加速前和加速后的振動(dòng)時(shí)間，n為加速模型參數(shù)，可以參考GJB150.16A的參考值，也可根據(jù)材料特性和工程經(jīng)驗(yàn)綜合給出。

3）驗(yàn)證與評(píng)估結(jié)果

按照?qǐng)D2中彈射動(dòng)力裝置典型服役值班加速試驗(yàn)剖面開(kāi)展試驗(yàn)，彈射動(dòng)力裝置和主裝藥完成了等效5年的加速試驗(yàn)，試驗(yàn)后2套彈射動(dòng)力裝置進(jìn)行了地面點(diǎn)火并均通過(guò)了試驗(yàn)，得出滿(mǎn)足服役使用5年的結(jié)論。根據(jù)彈射動(dòng)力裝置內(nèi)主裝藥試驗(yàn)后力學(xué)及燃速性能參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律，主裝藥性能參數(shù)服從正態(tài)分布。給定了置信度γ，則主裝藥的可靠性精確置信下限可用如下方法獲得

對(duì)加速試驗(yàn)后等效服役5年的主裝藥進(jìn)行了燃速、抗拉強(qiáng)度等性能測(cè)試。根據(jù)公式（5），根據(jù)GB/T4885的要求計(jì)算可靠性置信下限。評(píng)估方法采用的GB/T4885中雙邊可靠性置信下限計(jì)算方法。得到主裝藥以燃速為性能指標(biāo)的可靠度評(píng)估結(jié)果為：RL=1（-PL+PU） =0.9867。

2.4 電子整機(jī)產(chǎn)品的壽命與可靠性驗(yàn)證評(píng)估

1）試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象是發(fā)射裝備中安全裝置、調(diào)溫裝置與溫濕度傳感器為代表的電子整機(jī)產(chǎn)品。

2）試驗(yàn)應(yīng)力

對(duì)于調(diào)溫裝置、溫度傳感器等電子產(chǎn)品，其在導(dǎo)彈服役期間處于長(zhǎng)期工作的狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行加速試驗(yàn)的同時(shí)，需按照其MTBF等指標(biāo)要求進(jìn)行通電工作，以驗(yàn)證其使用壽命，同時(shí)結(jié)合產(chǎn)品壽命周期中經(jīng)歷的各類(lèi)環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)剖面制定，包括貯存、機(jī)動(dòng)、值班等各種任務(wù)環(huán)節(jié)。加速使用壽命試驗(yàn)主要考慮高溫加速、通電工作、運(yùn)輸振動(dòng)、低溫、濕熱等環(huán)境應(yīng)力。

圖3 電氣產(chǎn)品等效一年的服役值班加速試驗(yàn)剖面Fig. 3 The equivalent one-year on-duty accelerated test profile of electrical products

剖面中高溫加速部分按照電子產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法進(jìn)行，電子產(chǎn)品的高溫加速因子主要根據(jù)其電子元器件的激活能、工作失效率等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算[7,8]。根據(jù)Q/QJA 793-2022《導(dǎo)彈武器電子和機(jī)電整機(jī)加速貯存試驗(yàn)方法》[9]，利用整機(jī)加速因子計(jì)算模型，結(jié)合產(chǎn)品組成元器件的失效率與加速因子數(shù)據(jù)，計(jì)算得出整機(jī)加速因子，設(shè)計(jì)加速壽命試驗(yàn)，將產(chǎn)品加速至需要驗(yàn)證的年份。

剖面中振動(dòng)加速方法同公式（4），根據(jù)確定的加速使用壽命試驗(yàn)剖面，將產(chǎn)品在此剖面下進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)品分別進(jìn)行等效5年和10年使用壽命進(jìn)行驗(yàn)證，電子產(chǎn)品在試驗(yàn)期間定期對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢查，以監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的狀態(tài)變化。完成加速試驗(yàn)后，對(duì)產(chǎn)品開(kāi)展可靠性試驗(yàn)，以進(jìn)一步評(píng)估服役后的可靠性水平。

安全裝置、調(diào)溫裝置及溫濕度傳感器屬于電氣產(chǎn)品，在產(chǎn)品完成等效規(guī)定服役時(shí)間的加速壽命試驗(yàn)后，繼續(xù)開(kāi)展發(fā)射可靠性試驗(yàn)。在發(fā)射準(zhǔn)備階段產(chǎn)品主要處于溫度、濕度、電應(yīng)力的環(huán)境下，因此采用溫度、濕度、電應(yīng)力進(jìn)行考核，產(chǎn)品可靠壽命服從指數(shù)分布，有效試驗(yàn)時(shí)間包括溫度、濕度、電應(yīng)力的綜合試驗(yàn)時(shí)間，總的試驗(yàn)時(shí)間根據(jù)發(fā)射可靠性指標(biāo)與發(fā)射準(zhǔn)備任務(wù)時(shí)間確定[10,11]。

式中，T0—參試產(chǎn)品的通電試驗(yàn)總時(shí)間；t0—參試產(chǎn)品的發(fā)射準(zhǔn)備任務(wù)時(shí)間；Rl(t0)—參試產(chǎn)品的發(fā)射可靠性指標(biāo)；n—參試產(chǎn)品的數(shù)量；β—使用方風(fēng)險(xiǎn)。T0可以由可靠性試驗(yàn)數(shù)據(jù)T1和相似產(chǎn)品長(zhǎng)期服役后的發(fā)射可靠性數(shù)據(jù)T2綜合獲得，即

則產(chǎn)品的服役后發(fā)射可靠度單側(cè)置信下限RL為

其中r為故障個(gè)數(shù)。

3）驗(yàn)證與評(píng)估結(jié)果

按照?qǐng)D3中的試驗(yàn)剖面對(duì)安全裝置、調(diào)溫裝置及溫濕度傳感器各2套產(chǎn)品開(kāi)展綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，根據(jù)溫度、振動(dòng)綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，驗(yàn)證等效服役使用5年時(shí)間，加速試驗(yàn)后產(chǎn)品通過(guò)了功能性能和環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，驗(yàn)證其滿(mǎn)足服役使用5年的壽命結(jié)論。

將進(jìn)行了等效5年的參試產(chǎn)品繼續(xù)開(kāi)展發(fā)射可靠性試驗(yàn)，同時(shí)，收集到相似產(chǎn)品長(zhǎng)期服役后的使用數(shù)據(jù)。根據(jù)公式（7）、（8），在發(fā)射準(zhǔn)備任務(wù)時(shí)間為15min，γ=0.8時(shí)役使用5年各產(chǎn)品的可靠性數(shù)據(jù)如表2，表3所示。

表2 安全裝置可靠性數(shù)據(jù)Table 2 Safety device reliability data

表3 調(diào)溫裝置和溫濕度傳感器服可靠性數(shù)據(jù) Table 3 reliability data of temperature regulating device and temperature and humidity sensor clothing

2.5 發(fā)射裝備的壽命與可靠性驗(yàn)證評(píng)估

本次壽命驗(yàn)證方法采用薄弱環(huán)節(jié)法與相似產(chǎn)品法相結(jié)合的方法對(duì)發(fā)射裝備的壽命進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)各部組件的驗(yàn)證評(píng)估結(jié)果，該型發(fā)射裝備各薄弱環(huán)節(jié)的服役使用壽命均在5年以上，因此可以確定發(fā)射裝備服役使用壽命不低于5年。

根據(jù)服役期內(nèi)的任務(wù)特點(diǎn)，建立產(chǎn)品可靠性模型，確定長(zhǎng)期服役使用后，受各種應(yīng)力作用導(dǎo)致性能下降進(jìn)而影響發(fā)射任務(wù)的薄弱環(huán)節(jié)為發(fā)射筒筒體、彈射動(dòng)力裝置、安全裝置和調(diào)溫裝置及溫濕度傳感器，因此建立可靠性框圖見(jiàn)圖4。

圖4 可靠性框圖 Fig. 4 Reliability block diagram

根據(jù)可靠性框圖，該型發(fā)射裝備可靠性模型為串聯(lián)模型，其中非成敗型的數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換成成敗型使用L-M法。若第i個(gè)可靠性單元的數(shù)據(jù)為成敗型數(shù)據(jù)，則統(tǒng)計(jì)其成功數(shù)和試驗(yàn)數(shù)；若為非成敗型數(shù)據(jù)，應(yīng)將其計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為成敗型數(shù)據(jù)，再與L-M方法配合使用。轉(zhuǎn)化方法舉例如下：

將各個(gè)部組件的可靠性度帶入計(jì)算后可以得出，發(fā)射裝備的服役5年后發(fā)射可靠度為0.9742。

3 結(jié)論

本文以某地面發(fā)射裝備為研究對(duì)象，根據(jù)其實(shí)戰(zhàn)化要求下要長(zhǎng)期承受復(fù)雜值班使用過(guò)程中的惡劣環(huán)境，并保持較高任務(wù)可靠性的新特點(diǎn)，開(kāi)展了復(fù)雜服役任務(wù)工況下的壽命、可靠性指標(biāo)驗(yàn)證和評(píng)估方法研究。針對(duì)產(chǎn)品特點(diǎn)，以實(shí)驗(yàn)室加速壽命試驗(yàn)與可靠性試驗(yàn)相融合的方法，設(shè)計(jì)了綜合應(yīng)力加速壽命與可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。在較短的時(shí)間內(nèi)完成了服役過(guò)程中的壽命和可靠性指標(biāo)驗(yàn)證，為后續(xù)地面發(fā)射裝備在全壽命周期實(shí)戰(zhàn)使用條件下的壽命驗(yàn)證與可靠性評(píng)估提供了新思路和方法。