航天閥門的可靠性試驗方法研究

林 曄，喻天翔，崔衛民，宋筆鋒

（西北工業大學 航空學院，西安 710072）

0 引言

高可靠性是對航天產品（運載火箭等）的最基本要求，近年來，由于航天產品復雜程度的提高和對環境適應性的苛刻要求，可靠性工作越來越受到重視。

航天閥門是火箭系統中重要的元部件，是典型的機械結構件，其可靠性，直接影響火箭發射任務的成功，甚至直接關系到人員和設備的安全。因此，系統對閥門提出了非常高的可靠性指標。然而在實際的開發過程中，閥門為成敗型產品，如何進行可靠性試驗確定其可靠性指標是非常困難的問題。周正伐[1]針對航天成敗型高可靠性產品的可靠性試驗，提出了以特征量裕度試驗代替成敗型試驗的思路，將系統轉換成為薄弱部件的串聯。但是目前航天閥門還具有自己的特點，僅僅應用薄弱環節的可靠性試驗替代整體試驗是冒進的。本文提出了通過閥門薄弱元部件和系統整體試驗，物理試驗和仿真試驗相結合的方法，驗證航天閥門的可靠性指標，對航天閥門的可靠性試驗有著重要的參考價值。

1 一般航天產品可靠性研究思路

航天產品有如下特點：系統復雜；風險大，可靠性指標要求高；子樣少，價值昂貴；產品任務時間短，一次性使用，一般為成敗型（即試驗結果為成功或失敗，考察產品可靠性特征量為失敗數或成功數)；研制周期緊；經費有限等特點，導致不能有多臺產品同時參加可靠性試驗，以期在較短的時間內獲得較多的可靠性信息。另外，在當前情況下，可靠性預計工作不充分，難以在可靠性試驗前獲得有模型可靠性試驗的起始點。所以，如果按成敗型試驗方式做可靠性試驗，所需的試驗數量巨大。

要減少試驗數量，出路在于首先尋找計量型可靠性特征量代替計數型（即成敗型）特征量，然后用特征量裕度試驗代替成敗型試驗。據此，航天非電子產品可靠性試驗方法的思路[1]如圖1所示。

圖1 一般航天產品的可靠性試驗思路

1）考慮到航天產品的系統可靠性模型主要是串聯系統，即“最弱環”模型，必須抓薄弱環節，因此首先將產品化整為零，完整、準確地分解成若干個薄弱環節，這些環節為可靠性串聯，這是遵循本思路的前提條件；

2）分析每個薄弱環節，尋找各環節的可靠性特征量，這些特征量應盡量是可檢測的計量型變量；

3）利用各環節可靠性特征量裕度試驗代替成敗型試驗，制定可靠性試驗方案，按此方案實施試驗。

2 航天閥門系統可靠性試驗

航天閥門具有和其他航天非電子產品一樣的特點，所以航天閥門的可靠性特征分析也要遵從航天非電子產品可靠性試驗方法的一般思路[2]。

然而航天閥門的可靠性驗證試驗還要考慮其特殊性。航天閥門是一種典型的帶有反饋控制回路的控制閥[3]，例如本文研究對象安溢活門，其壓力的調節過程，都是通過敏感元件感應壓力變化，調節開口度大小，調整壓力，因此，將航天閥門分割開來進行分析是不合理的，也就是不能將閥門看做由幾個薄弱的關鍵元/部件簡單組成的串聯系統，認為某些部件的失效才會導致系統的失效，實際過程中還存在一個潛在的失效就是每個元/部件并沒有失效，而是由于多個元/部件的性能退化，它們之間不是相互獨立，而是相互影響，多種因素耦合到一起，從而導致閥門系統某個功能失效。因此在考慮此類故障的時候，僅僅進行部件可靠性驗證，元/部件合格，由元/部件組成的系統并不一定合格。所以，對于航天閥門系統，通過部件試驗和系統試驗相結合的方法，進行可靠性驗證試驗[4]。

基于以上理論與方法，可制定如圖2所示的航天閥門可靠性驗證試驗具體步驟。

圖2 航天閥門可靠性試驗思路

1）由于航天閥門具有航天產品的一般特點，所以在對其進行可靠性分析的時候首先應該遵循航天產品可靠性分析的一般思路，即將產品化整為零，確定若干環節。通過FMEA，識別各環節故障模式，并找出對產品功能具有致命性的、災難性的且發生可能性較大的各種故障模式，據此確定若干薄弱環節。

2）同時考慮到航天閥門具有其特殊性，所以在試驗中將薄弱環節可靠性試驗和系統整體試驗，物理試驗和仿真試驗兩部分。

3）系統各個薄弱環節的可靠性試驗應按照一般航天產品可靠性的步驟進行分析。

4）仿真試驗在建立好閥門的仿真試驗模型后，首先要明確設計變量的統計特性，然后確定性能指標失效數據，最后進行仿真抽樣試驗。

3 某型航天安溢活門工程應用案例分析

航天閥門的幾種基本性能要求：強度性能、密封性能、總體動作性能[5]。

強度性能是指閥門承受介質壓力的能力。為了保證閥門安全使用，必須具有足夠的強度和剛度。針對航天閥門而言，保證其強度要求的主要部件為殼體和膜片。

密封性能是閥門最重要的性能要求之一，也是實際過程中難以滿足的指標之一，指的是閥門各個密封部位阻止介質泄露的能力。閥門的主要密封部位有：啟閉件與閥座間的吻合面，閥桿與漲圈和O型圈的配合處，閥體和閥蓋之間的連接處。

動作性能包括以下幾個方面內容：1）啟閉力和啟閉力矩；2）啟閉速度 ；3）動作靈敏度，4）穩定性（不振顫/不鳴叫等）。

從重要度角度考慮，安溢活門零組件的重要度排序如下：1）主閥膜片拉桿組件，2）指揮閥膜片拉桿組件，3）主閥體，4）指揮閥閥體，5）調壓組件，6）控制腔組件，7）主、副閥連接件，8）反饋管。

從出現故障的頻率角度考慮，安溢活門零組件發生故障的頻率排序如下：1）主閥膜片拉桿組件，2）指揮閥膜片拉桿組件，3）主、副閥連接件，4）反饋管，其他元部件幾乎無故障。因此元組件可靠性驗證試驗選擇重要關鍵部件和故障率比較高的部件，因此，其主要問題體現在以下幾個關鍵部位：1）膜片，2）密封墊片，3）O型圈，4）殼體。

安溢活門的總體可靠性驗證試驗方案設計如

圖3所示。

圖3 安溢活門的可靠性驗證試驗設計

以上各部分的具體試驗方案為：

3.1 膜片承壓可靠性驗證試驗方案

條件要求：特征量為膜片破壞強度，服從正態分布；設計承壓強度為：L；驗證指標：0.9999；樣本選擇：30；使用方判別風險：0.1。

查表可得，隨機抽取30個膜片，進行膜片的承壓試驗，記錄各膜片的承壓極限值，分別求取它們的均值 和方差s2。如果，則接收該批產品；否則拒收。

3.2 膜片疲勞可靠性驗證試驗方案

條件要求：特征量為膜片疲勞壽命，服從威布爾分布；任務時間：10分鐘（ 以實際任務過程膜片振動疲勞時間為準）；驗證指標：0.9999；樣本量選擇：30；使用方判別風險：0.1。

查表可得，隨機抽取30個膜片進行277分鐘的疲勞壽命試驗，如果在試驗過程中沒有膜片破壞，則接收，否則拒收。

3.3 殼體的承壓強度可靠性驗證試驗方案

條件要求：特征量為殼體承壓強度，服從正態分布；設計承壓強度為：L；驗證指標：0.9999；樣本選擇：10；使用方判別風險：0.1；失效判斷準則：閥體出現裂紋破損現象。

查表可得，隨機抽取10個閥門殼體，進行殼體的承壓強度試驗，記錄各殼體的承壓極限值，并分別計算它們的均值 和方差s2。如果，則接收該批產品；否則拒收。

3.4 閥門整體密封可靠性驗證試驗方案

條件要求：特征量為泄露量氣泡個數，服從正態分布；設計高壓容許氣泡上限為：9泡/秒，低壓6泡/秒；驗證指標：0.9999；樣本選擇：20；使用方判別風險：0.1。

查表可得，隨機抽取20個閥門，進行閥門的整體密封性試驗，記錄各閥門在高壓狀態和低壓狀態的每秒鐘氣泡的溢出值，并分別計算它們的均值 和方差s2。如果在高壓狀態下有在低壓狀態下有則接收該批產品；否則拒收。

3.5 結合仿真試驗的閥門整體性能可靠性驗證試驗方案

條件要求：特征量為成敗數，服從二項式分布；驗證指標：0.9999；使用方判別風險：0.1。

查表可得，需要隨機抽取23025個閥門樣本，在規定的條件下進行整體性能試驗，當試驗結束時沒有出現失效產品則接收，否則拒收。這在實際過程中，是不可能實現的。因此，提出了通過仿真試驗和實際整體試驗相互結合的方法?？紤]到目前的閥門性能仿真模型的合理性，且經過了和實際性能試驗對比分析，仿真性能參數已經達到了一個相當高的精度，因此擬通過大量的Monte Carlo仿真試驗代替真實試驗，真實的整體試驗選10個件，仿真環境下試驗選取23015次。當試驗結束時沒有出現失效產品則接收，否則拒收。值得注意的是，仿真模型必須是通過實際試驗進行過驗證和校正的，且相關隨機變量的選擇及其分布參量盡量和實際情況符合。

4 結論

本文提出了一種航天閥門可靠性試驗的方法。首先按照航天產品可靠性分析的思路，將航天閥門分解成若干個薄弱環節，利用各環節可靠性特征量裕度試驗對其進行可靠性分析。同時針對航天閥門是一種典型的帶有反饋控制回路的控制閥的特點，將其作為一個整體來分析，制定閥門整體性能可靠性驗證試驗方案。同時針對物理實驗需要樣本過大等問題，我們提出了仿真試驗和實際整體試驗相互結合的方法。最后的結果與實際性能試驗對比分析證明了這種方法的正確性。

[1] 周正伐,等.航天可靠性工程[M].北京:中國宇航出版社,2007.

[2] 張福學.可靠性工學[M].北京:中國科學技術出版社,1992.

[3] 何國偉,等.可靠性試驗技術[M].北京:國防工業出版社,1995.

[4] 金碧輝.系統可靠性工程[M].北京:國防工業出版社,2004.

[5] 肖德輝.可靠性工程[M].北京:中國宇航出版社,1985.