導彈貯存延壽的技術途徑及關鍵技術

張仕念,何敬東,顏詩源,張國彬,易當祥

(北京市海淀區西北旺鎮北清路109號203分隊,北京100094)

導彈貯存延壽的技術途徑及關鍵技術

張仕念,何敬東,顏詩源,張國彬,易當祥

(北京市海淀區西北旺鎮北清路109號203分隊,北京100094)

目的分析導彈貯存延壽的技術途徑和應突破的關鍵技術。方法結合導彈貯存延壽的特點和難點,在分析美國、俄羅斯等國導彈貯存延壽主要做法的基礎上,結合我國的技術差距,總結提出導彈貯存延壽的技術途徑和關鍵技術。結果導彈貯存延壽的技術途徑是加速貯存試驗、自然貯存試驗、失效分析、性能改進相結合的基本方法。應重點突破的關鍵技術包括貯存壽命表征參數體系、貯存失效分析技術、加速貯存壽命試驗方法、貯存壽命評估方法。結論圍繞選定的技術途徑長期進行技術攻關,才能形成導彈貯存延壽的技術優勢。

導彈;加速貯存壽命試驗;失效分析;貯存延壽

導彈貯存延壽是指通過對自然貯存件進行監測、開展加速貯存試驗等方式,分析評估彈上儀器設備及導彈的貯存壽命,在此基礎上采取更換短壽命件、維修、嵌入式性能改進、放寬設計要求等技術措施,延長導彈的貯存壽命。導彈貯存延壽是一項具有持續時間長、經費投入大、綜合效益高等特點的重大、長效工程。通過貯存延壽可以實現以較小的代價保持導彈的有效作戰規模,科學合理地確定維修時機和維修內容,優化貯存使用方法,提高壽命設計水平。這對延長導彈的服役年限,提高導彈的貯存使用性能,減少武器裝備購置經費,帶動國家工業基礎和科技水平的提升等都具有重要的意義[1—2]。貯存延壽在航空導彈[3]、信息化彈藥[4]等武器裝備上也受到高度關注。

文中結合導彈貯存延壽的特點和難點,在分析美國、俄羅斯等國導彈貯存延壽主要做法的基礎上,討論導彈貯存延壽的基本技術途徑,分析了圍繞選定技術路線應該重點突破的關鍵技術。

1 導彈貯存延壽的特點

導彈貯存延壽主要研究導彈本身的貯存壽命問題、如何恢復導彈的狀態問題和使用新技術改造舊裝備即性能改進問題,主要具有以下特點。

1)持續時間長、綜合效益高。導彈貯存延壽研究涉及的基礎學科專業多,專業面很廣,跟蹤監測、試驗分析對國家的工業基礎依賴很強,需要長期跟蹤監測產品的性能變化情況,研究的時間往往很長,一般要持續十幾年甚至數十年,如民兵導彈的延壽工作持續了50年。為了提高性能,各種新材料、新技術不斷在導彈研制過程得到應用,新產品的研制不斷帶來新的貯存延壽問題,導彈貯存延壽是一項長期的研究任務。世界各國都競相開展導彈貯存延壽工作,這是因為通過貯存延壽的研究,不僅可以回答導彈的貯存使用壽命問題,還能為長壽命導彈的設計奠定基礎,并帶動國家工業基礎和科技水平的提升,綜合效益非常高。

2)分級試驗、逐層驗證。固體導彈貯存延壽技術的基本思路是“分級、分類、分步”開展試驗:“分級”一般分為非金屬材料及元器件、部組件及整機、艙段及整彈;“分類”一般分為裝藥類、結構類、機電類、電子類;“分步”一般采用先底層,后高層逐層遞進的方式。總體上采用的是“金字塔”結構,底層是基礎性試驗,上一層級是下一層級的綜合性、驗證性試驗。材料、器件級作為基礎需要開展大量的試驗;組件、整機級是關鍵,需要有足夠的試驗支撐;艙段、全彈級的貯存試驗,是以整機以下大量試驗為基礎開展的綜合性驗證試驗,是導彈貯存延壽試驗不可或缺的。

3)共性技術多,產品間可借鑒程度高。盡管各型導彈的組成結構差異很大,但開展貯存延壽研究涉及的技術是相似的,包括貯存失效分析技術、加速貯存試驗技術、貯存壽命分析評估技術等。“一點突破,多方受益”的技術研發與管理模式具有很強的優勢,導彈貯存延壽研究正逐步走向專業化發展的道路。由于導彈造價昂貴,就某一導彈而言,用于貯存試驗的產品十分有限,部分產品甚至只有12件,是典型的小子樣問題。通過分析不同導彈的結構組成,發現在非金屬材料、電子元器件、電池、火工品等大量產品中,產品間的共用程度很高。還有部分產品,其工作原理、材料、制造工藝是相同或相近的,相互之間也可以借鑒。統籌考慮多型導彈的試驗項目和試驗件,解決單一產品試驗件有限、不同產品之間試驗項目一定程度上重復等問題,有利于實現統計評估,提高評估結果的準確性。

2 導彈貯存延壽的難點

導彈由大量機械、機電、電子、光電功能系統及設備整機組成,每一整機又由大量的元器件、非金屬材料、各種結構等組成,產品構成復雜,每一環節都有可能失效。在貯存使用過程中,通常要經歷運輸、貯存、轉載、值班、狀態升級、作戰演練、檢查、測試、維護、保養、維修等事件,處于不同的環境條件之中,對導彈的壽命產生不同程度的影響,導致失效原因很多。導彈貯存延壽主要研究非工作狀態下的壽命問題,部分彈上儀器在測試等過程中又處于工作狀態,導致難以辨別導彈產品發生失效的原因和過程。貯存失效是一個非常緩慢過程,增加了研究的難度。導彈貯存延壽研究的主要難點包括以下幾點。

1)試驗效率提高難。導彈貯存延壽主要研究產品在非工作狀態下的壽命問題,由于非工作狀態下的失效率一般要遠遠小于工作狀態,研究工作可靠性的理論、方法在指導貯存延壽工作時,出現了新的問題,主要體現在試驗效率很低。例如,要對首保期為50 000 km的汽車進行考核,按100 km/h計算,只需500 h,晝夜不停地行駛約需21天。要對貯存壽命為10年的導彈進行考核,采用自然貯存需要10年的貯存時間,對于產品管理、環境控制等都是一個挑戰。采用加速壽命試驗,據報道俄羅斯等效加速10年需要6個月時間,要求加速試驗設備連續工作6個月,對試驗設備是一個巨大的挑戰。

2)老化過程監檢測難。導彈貯存延壽主要研究產品的老化問題,最直接有效的方法是對老化過程進行監測。由于老化速度非常緩慢,監測的時間很長,對檢測設備的靈敏度和可靠性要求高,特別是對傳感器的要求很高。國內尚未實現對老化過程進行實時監測,相關技術還處于研究階段。由于缺乏有效的監測手段,目前國內普遍采用定期檢測的方式研究貯存老化問題,美國早期也采用定期檢測的方式。例如在民兵導彈的發動機監視計劃中,貯存推進劑的批試樣在0時和每隔18個月時做化學和物理實驗;靜態試車每隔6個月試車1臺,共計39臺發動機。

3)失效判據制定難。彈上產品層次多樣、種類繁多,每種產品貯存失效的表現形式多種多樣,對其功能、性能的影響程度各不相同。不同層次產品貯存失效之間具有極為復雜的關系,上層產品的指標參數有時無法體現底層單元的參數變化。部分底層單元的性能參數變化,不僅對自身性能產生影響,還會影響上層產品的功能性能,同一產品的不同參數之間有時還具有相關性。彈上產品貯存失效數據積累有限,貯存失效的研究也還處于起步階段。以上因素導致找出可檢測、可量化、相互獨立的能夠表征貯存失效的參數,并制定科學有效的失效判據難度很大。

3 導彈貯存延壽的基本途徑

美國先后對民兵、三叉戟[5—8]等導彈進行了延壽研究,特別是針對民兵導彈的延壽研究工作很具代表性,已經成為世界各國參照學習的典范。美國并不是給每種武器預先確定一個壽命期,然后放心大膽地使用,而是利用其先進的測試檢測技術,主要依靠長期監測產品的貯存性能,輔以加速貯存試驗,獲取變化規律,建立外推模型預報壽命。通過持續進行性能改進保持技術優勢,采取的延壽措施主要是更換、改進或者修理存在問題的部組件或有限壽命部組件。

俄羅斯先后對撒旦(SS-18)、匕首(SS-19)、白楊(SS-25)等導彈進行了延壽研究,積累類豐富的經驗,形成了一套成熟的做法,具有鮮明的特點。俄羅斯基于扎實的基礎數據和系統的壽命設計,利用加速貯存試驗技術在研制階段就能夠給出一個較長的壽命評估值。進入使用階段后,采用分段開展加速貯存試驗、結合訓練發射進行試驗驗證的方法逐步延長導彈的貯存壽命,并結合延壽實施性能改進,確保戰略核力量的穩定性和有效性。

綜合比較美國和俄羅斯的導彈貯存延壽技術,其不同之處在于美國以貯存使用過程中的性能監測為主,通過外推預報壽命;俄羅斯以加速貯存試驗為主快速預估壽命。其相似之處在于兩國都重視壽命設計、試驗驗證和性能改進,且從全壽命周期來看,兩國都采用分段試驗的方式進行延壽,并沒有一次給出導彈的最終壽命。

貯存試驗方法主要有自然貯存試驗和加速貯存試驗2種途徑。其中,自然貯存試驗方法成熟、結論準確,但試驗周期長。加速貯存試驗的試驗時間短、效率高,能夠提前評估壽命,但不如自然貯存試驗準確。隨著加速貯存試驗技術的發展完善,用該方法得出的壽命結論準確性正逐步提高[9—10]。因此,長遠看應該加快加速貯存試驗方法的研究,走以加速貯存試驗為主的預測導彈壽命之路,這是一條既經濟又有效的技術途徑。鑒于當前還沒有系統掌握加速貯存試驗技術的狀況,可以以加速貯存試驗為主提前給出貯存期的“評估值”,解決批量戰斗彈整修所需的時間提前量問題,自然貯存試驗產品到期后開展試驗驗證,給出“評定值”,彌補“評估值”不夠準確的問題。

無論是美國還是俄羅斯,都進行了大量的失效分析工作。對于美國的模式,只有進行失效分析,才能建立外推模型提前預報壽命。對于俄羅斯的導彈貯存延壽模式,在開展加速貯存試驗的過程中,只有失效機理保持不變,分析得出的結論才可信。無論是自然貯存試驗還是加速貯存試驗,對失效樣品進行失效分析都是十分必要的,分析結果不僅可以用于改進試驗方法、提高評估結果的準確性,同時也是開展長壽命導彈設計的重要基礎。

導彈作為一種武器,是要用來作戰的。戰術技術性能是否具有優勢,是判斷一型導彈是否應該繼續服役的基礎。美國和俄羅斯為了保持技術優勢,在延壽的過程中都進行了性能改進。特別是民兵導彈,預計服役時間會超過50年,根本原因在于美國持續對其進行性能改進。在開展導彈貯存延壽的過程中,也應注重性能改進,把最新技術嵌入老產品,通過整修把恢復狀態與提高性能有機地結合起來,既要保持規模,又要提升作戰能力,導彈貯存延壽才有生命力。

因此,根據導彈貯存延壽的總體需求,結合導彈的特點和我國現有技術水平,在借鑒美俄先進成熟的技術途徑基礎上,充分利用和發揮自身的特點優勢,采取加速貯存試驗、自然貯存試驗、失效分析、性能改進相結合的導彈貯存延壽方法,逐漸形成具有我國特色的導彈貯存延壽技術途徑:

1)以加速貯存試驗為主,進行適當外推,綜合利用相關信息,提前3～5年給出貯存期的“評估值”,解決批量戰斗彈整修所需的時間提前量問題。

2)自然貯存試驗產品到期后,開展地面試驗和驗證性飛行試驗,以自然貯存試驗為主給出貯存期的“評定值”,彌補加速貯存試驗所給“評估值”的不夠準確問題。

3)重點針對自然貯存試驗和加速貯存試驗中的失效模式開展失效分析,解決自然貯存試驗和加速貯存試驗的針對性問題,為貯存壽命評估技術和試驗技術優化提供支撐,為長壽命導彈設計奠定基礎;

4)根據同類產品的先進成熟技術,結合整修節點實施“嵌入式”性能改進、再制造,把恢復狀態與提高性能有機地結合起來,既要保持規模,又要提升作戰能力。

4 導彈貯存延壽的關鍵技術

為了更加科學合理地回答導彈的貯存使用壽命問題,系統帶動我國工業水平的提升和科技基礎研究的進步,圍繞選定的技術途徑,有重點地組織技術攻關,應突破以下關鍵技術。

1)貯存壽命表征參數體系。貯存壽命表征參數體系,是指表征和判定導彈、分系統、整機、部組件、元器件、材料等彈上產品貯存壽命的參數體系,是判定彈上產品經過貯存后是否能夠滿足功能、性能要求的主要依據。在自然貯存試驗、加速貯存試驗、失效分析等研究過程中,都要對貯存壽命表征參數進行檢測和分析。在研制過程中用于判斷彈上產品功能、性能的設計參數中,部分參數與貯存時間有關,也有部分參數與貯存時間無關,還有些參數與貯存時間有關,但在產品研制過程中并沒有作為設計參數考慮,目前國內普遍缺少用于表征貯存壽命的性能參數指標體系及其判據,成為制約導彈貯存延壽研究的瓶頸問題。逐步建立彈上產品的貯存壽命表征參數體系及其失效判據,并建立相應的測試檢測手段,是導彈貯存延壽研究最基礎、最重要的研究內容。

2)貯存失效分析技術。失效模式與機理,是指產品在正常和加速應力條件下怎樣(失效模式)失效以及為什么(失效機理)失效。失效分析是通過對每一失效模式、失效機理的分析,包括細觀/微觀結構、機械失效過程、化學失效過程、熱退化過程等內在原因的分析,找出產品失效的內在原因。只有通過失效分析,建立加速貯存試驗和自然貯存試驗之間的相關性,才能保證壽命評估結果的可信度。經過多年的積累,部分彈上產品的貯存失效模式已相對清楚,然而對其貯存失效機理的研究很少。由于進行失效模式與機理分析通常要用構成產品各種材料的原子、分子間組成形態的變化來加以闡明或解釋,并力求與產品的設計、制造和使用過程聯系起來,研究過程中對先進測試檢測設備的依賴程度很高,研究難度很大。

3)加速貯存壽命試驗方法。加速貯存壽命試驗方法是指在不改變失效機理的前提下,通過加大應力的方式加快產品的失效,通過計算得出正常應力水平下貯存壽命的一種試驗方法。包括理論模型、加速環境(應力)模擬方法、檢測鑒定方法、試驗中的安全性、方法的驗證等內容,是提前評估彈上產品貯存壽命的必須試驗手段與技術途徑。

國內針對加速貯存試驗方法開展了大量的研究[11—13],基本掌握了非金屬材料、電子元器件的加速貯存試驗方法,尚未開展過平臺、伺服機構等典型機電產品和彈上計算機、配電器等典型電子產品整機級的加速貯存壽命試驗。固體發動機、彈頭等典型含能產品,由于具有燃燒和爆炸的潛在危險,試驗過程中的安全性特別值得關注,其加速貯存壽命試驗基本還是空白。整機級、全彈級加速貯存壽命試驗的理論、方法、技術還不成熟,很多關鍵技術還沒有取得突破。

4)貯存壽命評估方法。貯存壽命評估是導彈貯存延壽的決策依據,評估方法科學與否,直接影響并決定了評估結論的準確程度和可信程度,同時對試驗方案的設計也具有牽引和杠桿作用。用于指導導彈貯存期評估的是GJB 3105—97戰略導彈系統性能評定方法,經過10余年的使用表明,按照該標準來預測導彈的貯存壽命存在很多困難。例如對部分產品的貯存壽命評估結果與工程實際差距較大,該標準中的系統綜合方法還僅限于指數型數據的系統綜合,而工程實踐中還有諸如正態分布、威布爾分布等其它分布類型。同時,當前的貯存壽命評估方法主要是統計分析方法[14—17],還需要與失效模型和貯存壽命表征指標體系有機結合起來,有很大的改進空間,長期貯存對工作可靠性的影響有多大、如何分析計算等問題,也需要研究。

可見,加速貯存試驗方法基于失效模式與機理,并以貯存壽命表征參數體系作為觀測、判別對象,貯存壽命評估方法以失效模型和貯存壽命表征參數體系為基礎,根據貯存試驗獲取的數據評估產品的貯存壽命。對于同一產品而言,貯存壽命表征參數體系、失效模式與機理、貯存試驗方法和貯存壽命評估方法相互關聯、相互驗證,相互之間是閉環的邏輯關系,都是導彈貯存延壽研究的重要內容,也是貯存延壽研究的核心和關鍵。

5 結語

導彈貯存延壽工作持續時間長達數十年,在這期間出現的經濟波動、人員更替、管理轉變、技術進步等,都會影響這項工作的順利實施,為有效管理和經費持續投入增加了難度。導彈貯存延壽只有圍繞選定的技術途徑組織技術攻關,靠體制、制度進行保障,才能系統運行、長期投入研究,更加科學合理地回答導彈的貯存使用壽命問題。

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Basic Approaches and Key Techniques for Missile Storage Life Extension

ZHANG Shi-nian,HE Jing-dong,YAN Shi-yuan,ZHANG Guo-bin,YI Dang-xiang
(Division 203,109 of Beiqinglu Road,Town of Xibeiwang,Haidian District,Beijing 100094,China)

ObjectiveAnalysis was conducted concerning the basic approaches for missile storage life extension and key techniques awaiting breakthrough.MethodsA comprehensive survey was made into the characteristics and difficulties of storage life extension,the major practices of the US and Russia in the field,and the techniques disparity between China and US or Russia in the field.ResultsThe basic technical approaches to storage life extension were put forward,featuring an integration of accelerated storage test,natural storage test,failure analysis and performance upgrading.And the corresponding key techniques around the approaches,including storage life expressing parameters system,storage failure analysis techniques,accelerated storage life test techniques and storage life evaluation techniques were proposed.ConclusionTechnical advantage of storage life extension could be formatted by long-term technology research around the selected approaches.

missile;accelerated storage life test;failure analysis;storage life extension

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.008

TJ760.6;TJ410.89

:A

1672-9242(2014)04-0037-05

2014-05-30;

2014-06-30

Received:2014-05-30;Revised:2014-06-30

張仕念(1976—),助理研究員,主要研究方向為可靠性與延壽技術。

Biography:ZHANG Shi-nian(1976—),Assistant researcher,Research focus:reliability and life extension technology.