空空導(dǎo)彈PHM系統(tǒng)總體設(shè)計研究

摘 要：在分析空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，參照視情維修開放體系結(jié)構(gòu)OSA-CBM，提出了空空導(dǎo)彈PHM框架模型，據(jù)此展開現(xiàn)役空空導(dǎo)彈應(yīng)用PHM技術(shù)的實(shí)例研究：分析了貯存壽命期影響導(dǎo)彈性能的因素，確定采集參數(shù)，根據(jù)成本、尺寸、傳輸方式等提出傳感器選型要求，建立導(dǎo)彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)；利用電氣屬性測試中采集的參數(shù)，參考取值范圍設(shè)置原理，建立評分標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)權(quán)重值計算出導(dǎo)彈健康指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：空空導(dǎo)彈；PHM框架模型；包裝箱；電氣屬性

中圖分類號：TJ760.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）05-0055-05

0 引 言

空空導(dǎo)彈作為現(xiàn)代空戰(zhàn)的主要武器，在奪取制空權(quán)中發(fā)揮著重要作用。隨著精確制導(dǎo)技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)的迅速發(fā)展，空空導(dǎo)彈的性能越來越優(yōu)良，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，成本也越來越高，因此，研究空空導(dǎo)彈裝備的PHM運(yùn)用顯得很有必要。空空導(dǎo)彈的PHM運(yùn)用主要是為了提高戰(zhàn)備完好率，優(yōu)化保障模式，增強(qiáng)保障效率。PHM由兩部分組成[1]：故障預(yù)測，即對裝備進(jìn)行故障診斷、狀態(tài)評估，發(fā)現(xiàn)潛在故障，預(yù)計剩余壽命和剩余工作時間；健康管理，即根據(jù)故障診斷/預(yù)測信息制定維修決策，優(yōu)化資源配置。如何將PHM在飛機(jī)和發(fā)動機(jī)方面的研究成果借鑒性地運(yùn)用到空空導(dǎo)彈中，是研究的重點(diǎn)所在。

1 系統(tǒng)總體框架組成 1.1 空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)組成

空空導(dǎo)彈主要由導(dǎo)引系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、引戰(zhàn)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和彈體系統(tǒng)六部分組成：導(dǎo)引系統(tǒng)，接收和處理敵機(jī)、機(jī)上火控系統(tǒng)發(fā)送過來的信號，鎖定并跟近敵機(jī)，控制導(dǎo)彈按照既定軌跡飛行；飛控系統(tǒng)，對空空導(dǎo)彈的飛行起到控制和穩(wěn)定作用，通過控制導(dǎo)彈的俯仰角度、偏航角度和滾轉(zhuǎn)角度，使導(dǎo)彈在飛行彈道上穩(wěn)定飛行，并且具有較好的阻尼特性、響應(yīng)特性以及合適的飛行過載；引戰(zhàn)系統(tǒng)，即引信、戰(zhàn)斗部和安保機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，當(dāng)導(dǎo)彈按照預(yù)定的軌跡飛向目標(biāo)時，導(dǎo)彈的安保機(jī)構(gòu)和引信按照裝定的程序工作，在距離目標(biāo)適當(dāng)距離時，引爆戰(zhàn)斗部，毀傷目標(biāo)；推進(jìn)系統(tǒng)，一般指空空導(dǎo)彈內(nèi)部的固體火箭發(fā)動機(jī)，為導(dǎo)彈機(jī)動飛行提供推力，達(dá)到相應(yīng)的飛行馬赫數(shù)和攻擊距離；能源系統(tǒng)，指空空導(dǎo)彈上的電源、氣源和液壓源，電源為導(dǎo)彈發(fā)射、接收和處理信號提供電能，氣源主要用于制冷以提高制導(dǎo)精度，液壓源為彈上液壓裝置提供動力；彈體系統(tǒng)由彈身、彈翼、舵面等組成，空空導(dǎo)彈的各個艙段組合在一起，構(gòu)成一體形成彈身。

1.2 空空導(dǎo)彈PHM框架模型

根據(jù)OSA-CBM（視情維修開放體系）結(jié)構(gòu)[2]和空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)建如圖1所示的PHM結(jié)構(gòu)模型。OSA-CBM由七個模塊組成：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、健康評估模塊、預(yù)測模塊、分析決策模塊和接口模塊。所謂開放式結(jié)構(gòu)，是指七個功能模塊之間沒有嚴(yán)格的區(qū)分，即存在交集部分，有的模塊是可以缺少的，其中數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊和接口模塊是必不可少的，而其他的三個模塊可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。

在導(dǎo)彈的六個系統(tǒng)部位安裝傳感器節(jié)點(diǎn)，采集各個系統(tǒng)的信號，運(yùn)用一系列算法進(jìn)行特征提取、數(shù)據(jù)融合和轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)綘顟B(tài)監(jiān)測模塊進(jìn)行識別與狀態(tài)評估。健康評估模塊根據(jù)歷史數(shù)據(jù)或者相應(yīng)的性能指標(biāo)判斷各個部位的狀態(tài)，如果正常，可以根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢，進(jìn)行剩余壽命預(yù)測；如果出現(xiàn)異常，進(jìn)行故障隔離與精確定位。分析決策模塊根據(jù)預(yù)測單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，提出維修決策：如果導(dǎo)彈處于庫存或者戰(zhàn)備狀態(tài)，技術(shù)人員就可以直接采取維修活動；如果導(dǎo)彈在掛飛狀態(tài)，飛行員可以根據(jù)顯示提醒，不打出該彈，在保證載機(jī)安全的情況下帶彈著陸，進(jìn)行維修。飛機(jī)在為飛行員做出導(dǎo)彈狀態(tài)提醒的同時，向地面發(fā)送導(dǎo)彈故障信息，塔臺進(jìn)行態(tài)勢評估，以幫助飛行員進(jìn)行決策。在對導(dǎo)彈進(jìn)行狀態(tài)評估與維修決策制定的過程中，任務(wù)管理模塊對過程中的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行控制與協(xié)調(diào)，動態(tài)數(shù)據(jù)存儲模塊則根據(jù)具體任務(wù)對存儲空間進(jìn)行動態(tài)分配。

空空導(dǎo)彈PHM結(jié)構(gòu)是一種理想條件下的模型[3]，其實(shí)施需要在導(dǎo)彈的設(shè)計、生產(chǎn)過程中就植入PHM技術(shù)。然而，目前現(xiàn)役的大批量空空導(dǎo)彈早已成型，無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改裝。要想預(yù)測空空導(dǎo)彈的故障，實(shí)現(xiàn)健康管理，可以建立監(jiān)測空空導(dǎo)彈所處環(huán)境參數(shù)的傳感器系統(tǒng)，也可以利用電氣屬性測試進(jìn)行健康評估。

2 包裝箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

空空導(dǎo)彈一般放在包裝箱內(nèi)，抽真空或者充氮包裝，包裝箱內(nèi)部的環(huán)境也就是導(dǎo)彈所處的環(huán)境。雖然每個庫房都有相應(yīng)的溫濕度監(jiān)測儀器，但是那只是整個大庫房某些局部點(diǎn)的平均溫濕度。由于庫房較大，導(dǎo)彈或者包裝箱較多，溫濕度監(jiān)測參數(shù)對于單枚導(dǎo)彈狀態(tài)來說并不具有代表性，不能表征空空導(dǎo)彈關(guān)鍵部位的溫濕度。另外，導(dǎo)彈庫房的設(shè)備只進(jìn)行溫濕度監(jiān)測，無法監(jiān)測導(dǎo)彈包裝箱所受到振動信息、加速度，也無法知道導(dǎo)彈的包裝箱或者導(dǎo)彈彈袋是否漏氣，導(dǎo)彈承受的沖擊、跌落等信息也無法獲取。為了保證導(dǎo)彈所處狀態(tài)可控，保證導(dǎo)彈處于一個良好的環(huán)境狀態(tài)之中，對導(dǎo)彈進(jìn)行健康管理，提高導(dǎo)彈戰(zhàn)備率，有必要建立空空導(dǎo)彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 監(jiān)測參數(shù)

建立空空導(dǎo)彈所處包裝箱的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，對導(dǎo)彈所處環(huán)境的一系列參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，其中有溫度、濕度、振動、大氣壓力、加速度、電磁等。

（1）溫度。包裝箱內(nèi)的溫度要保持在30℃度以內(nèi)，20℃較佳，溫度過高、過低或者劇烈變化都會對導(dǎo)彈產(chǎn)生影響：溫度過高，會加速導(dǎo)彈內(nèi)部金屬部件的腐蝕和橡膠件、塑料件、防護(hù)漆層的老化變質(zhì)，也會使戰(zhàn)斗部裝藥變質(zhì)，性能變壞；溫度過低，會使導(dǎo)彈內(nèi)部的橡膠件發(fā)脆而強(qiáng)度下降，塑料件發(fā)硬而斷裂，防護(hù)漆層變脆脫落等；溫度劇烈變化會使導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部裝藥表面結(jié)露受潮，使導(dǎo)彈內(nèi)部無線電引信中的晶體管損壞。

（2）濕度。導(dǎo)彈所處環(huán)境的濕度也要處于一定的范圍，一般不超過70%，40%較佳：如果濕度過小，導(dǎo)彈內(nèi)部的皮革件就會變脆斷裂，火藥中的水分蒸發(fā)使得燃速增大；如果濕度過大，會使導(dǎo)彈金屬部件銹蝕，包裝箱、紙布、皮革等受潮霉?fàn)€腐朽，導(dǎo)彈內(nèi)部的橡膠件塑性和強(qiáng)度下降，還會使導(dǎo)彈裝藥變質(zhì)、性能變壞，火帽中的擊發(fā)藥作用不可靠，嚴(yán)重時瞎火。

（3）振動。包裝箱受到的振動主要采用振動傳感器進(jìn)行監(jiān)測，利用拾震器記錄導(dǎo)彈所受到的振動沖擊，比如可以捕捉庫房內(nèi)外人員或保障裝備活動等產(chǎn)生的較大震動信號。經(jīng)常性的振動會使導(dǎo)彈內(nèi)部陀螺、導(dǎo)引頭和緊固件發(fā)生松動現(xiàn)象，也不利于導(dǎo)彈裝藥性能的穩(wěn)定。

（4）大氣壓力。為了防止導(dǎo)彈部件不被空氣氧化，導(dǎo)彈加裝彈衣抽真空或者充氮?dú)膺M(jìn)行包裝，當(dāng)壓力發(fā)生明顯變化時，可以通過對包裝箱內(nèi)部壓力的檢測及時發(fā)現(xiàn)：抽真空包裝時，當(dāng)出現(xiàn)氣密性問題時，包裝箱內(nèi)部由于有空氣的進(jìn)入，使壓力增大；充氮?dú)獍b時，當(dāng)出現(xiàn)氣密性問題時，包裝箱內(nèi)部的壓力會降低。包裝箱內(nèi)部抽真空或者充氮?dú)獾牧硪粋€目的是為了防止菌類的繁衍生長。

（5）加速度。包裝箱內(nèi)部配置加速度傳感器可以用來監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所處狀態(tài)的平衡情況，對于防跌落尤為重要。對傳感器進(jìn)行模式[4]設(shè)置，以節(jié)約電源：一般情況下，導(dǎo)彈包裝箱的加速度為零，節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)運(yùn)行在低功耗模式，一旦有加速度產(chǎn)生，傳感器立刻進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)，并判定采集的數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)大于事先設(shè)定的閾值，表明導(dǎo)彈處在不平衡狀態(tài)，有可能出現(xiàn)跌落、傾斜或者滑落情況，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)隨即進(jìn)入工作狀態(tài)，并發(fā)出報警信號，通知庫房人員處理。

（6）電磁。空空導(dǎo)彈一般采用固體火箭發(fā)動機(jī)作為推力裝置，其點(diǎn)火系統(tǒng)異常敏感，一旦發(fā)生故障，要么點(diǎn)火系統(tǒng)失效，導(dǎo)彈無法正常點(diǎn)火，要么異常發(fā)火，造成嚴(yán)重人員傷亡[5]。影響點(diǎn)火系統(tǒng)的監(jiān)測因素除了上述的溫度、沖擊之外，電磁環(huán)境對點(diǎn)火系統(tǒng)影響最大。點(diǎn)火系統(tǒng)一般采用電啟動發(fā)生，電磁環(huán)境主要影響點(diǎn)火系統(tǒng)的電路，造成電路誤啟動，從而將點(diǎn)火能量輸送給點(diǎn)火裝置引起誤點(diǎn)火或感應(yīng)足夠的能量引起誤點(diǎn)火。

2.2 傳感器選型要求

PHM運(yùn)用中，應(yīng)該根據(jù)測量參數(shù)范圍、傳感器成本、傳感器尺寸和重量等進(jìn)行選擇。由于傳感器的運(yùn)用受到電源、傳輸方式、板上存儲器等影響，應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇是使用內(nèi)置電源還是外置電源，采用有線傳輸方式還是無線傳輸方式。包裝箱內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的布置應(yīng)盡量不影響包裝箱的結(jié)構(gòu)與組裝方式，既減少對包裝箱的損壞，同時又能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)。傳感器的選型應(yīng)該根據(jù)實(shí)際，選擇體積較小、功耗較低的MEMS傳感器[6-7]。由于采用低功耗傳感器，傳感器可以在工作模式、空閑模式和休眠模式之間進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換，電源消耗較少，在很長一段時間內(nèi)都不需要更換電池。如果傳感器是數(shù)字輸出型，根據(jù)采集的參數(shù)，直接進(jìn)行判斷，只有超過一定的取值范圍才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)模型

導(dǎo)彈包裝箱狀態(tài)監(jiān)控傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通用平臺的硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)包括傳感器模塊、微處理器模塊、庫房數(shù)據(jù)處理中心和相應(yīng)的呼叫響應(yīng)設(shè)備。該節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Πb箱內(nèi)部的溫度、濕度、振動等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對于在設(shè)定范圍內(nèi)的數(shù)值停留在傳感器一級進(jìn)行處理；對于超出設(shè)定范圍的數(shù)值經(jīng)過無線/有線信號發(fā)送到微處理器，經(jīng)微處理器內(nèi)部的專家系統(tǒng)或推理算法對多個傳感器數(shù)據(jù)綜合分析之后，將該包裝箱數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果發(fā)送到庫房數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控中心。如果多個包裝箱都存在普遍的溫濕度問題，可以通過中央空調(diào)調(diào)節(jié)庫房溫濕度，從而改善各個包裝箱內(nèi)部溫濕度。當(dāng)然，如果存在突發(fā)的強(qiáng)烈振動或者個別包裝箱過熱過濕情況，微處理器將直接利用自身報警裝置報警，呼叫技術(shù)人員立即處理，同時也將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。

狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)微處理器內(nèi)置的顯示模塊實(shí)時顯示各個無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況。如果發(fā)現(xiàn)某個無線傳感器節(jié)點(diǎn)失效，微處理器的顯示模塊就顯示失效節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號，庫房工作人員可及時更換或檢修失效節(jié)點(diǎn)，保證庫房包裝箱檢測區(qū)域不存在檢測死角。當(dāng)庫房包裝箱內(nèi)有異常情況發(fā)生時，微處理器又可以作為報警器使用，內(nèi)置的報警裝置可及時報警異常情況。報警裝置的報警上限可以自行設(shè)定，可以在不同的氣候地域視具體情況設(shè)定不同的安全界限。導(dǎo)彈包裝箱內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。對于使用金屬包裝箱的導(dǎo)彈，內(nèi)部傳感器節(jié)點(diǎn)不能使用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，應(yīng)該采用有線傳輸方式。

3 基于電氣屬性參數(shù)的健康評估

就目前來看，實(shí)時采集空空導(dǎo)彈在貯存環(huán)境中的狀態(tài)參數(shù)，可以量化導(dǎo)彈受到的振動、沖擊和承受的溫濕度變化，但是這對于故障診斷、狀態(tài)評估還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。要實(shí)現(xiàn)對空空導(dǎo)彈健康狀態(tài)的管理，合理制定維修決策，還需要采集來自導(dǎo)彈內(nèi)部重要部件的數(shù)據(jù)參數(shù)。

3.1 檢測設(shè)備的測試參數(shù)

空空導(dǎo)彈測試設(shè)備用來對導(dǎo)彈進(jìn)行性能測試，測試結(jié)果作為判斷導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)的依據(jù)。空空導(dǎo)彈分為紅外型和雷達(dá)型，不同類別的導(dǎo)彈測試時獲得的參數(shù)不相同[8]。

紅外型空空導(dǎo)彈測試的主要性能參數(shù)有：①導(dǎo)引系統(tǒng)主要測試音響信號、陀螺頻率、陀螺慣性頻率、跟蹤角速度和跟蹤范圍；②飛控系統(tǒng)主要測試歸零力矩、安全延遲、零位力矩、控制艙斜率；③能源系統(tǒng)主要測試渦輪頻率、電壓、消耗電流、電源頻率；④引戰(zhàn)系統(tǒng)主要測試觸發(fā)引信電路、近炸引信參數(shù)、自炸時間、點(diǎn)火電路、點(diǎn)火電阻。不同型號的紅外型空空導(dǎo)彈還有各種不同的要求，如超前偏置能力、電氣延遲、氣動延遲、極限環(huán)頻率、通道一致性、雙通道干擾跟蹤和控制信號的對稱性、近炸引信氣動能力和靈敏度等。雷達(dá)型空空導(dǎo)彈測試的主要性能參數(shù)有：①導(dǎo)引系統(tǒng)主要測試角度搜索范圍、搜索頻率和周期、接收系統(tǒng)靈敏度和截獲周期、角度跟蹤范圍及速率、速度跟蹤范圍及速率、定向斜率；②飛控系統(tǒng)主要測試預(yù)偏力矩、預(yù)偏時間、零位力矩、目標(biāo)指示；③能源系統(tǒng)主要測試電池供電電壓和電流、渦輪頻率；④引戰(zhàn)系統(tǒng)主要測試觸發(fā)引信電路、引爆信號、自炸時間、點(diǎn)火電路，點(diǎn)火電阻。不同的雷達(dá)型空空導(dǎo)彈還有不同的性能參數(shù)，如角度預(yù)定精度、速度預(yù)定精度、測角精度、測速精度、發(fā)射機(jī)功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)、工作頻率、天線罩瞄準(zhǔn)誤差斜率等。3.2 建立健康評估模型測試設(shè)備運(yùn)行既定程序?qū)湛諏?dǎo)彈進(jìn)行逐項測試，將測試參數(shù)與預(yù)先設(shè)定的取值范圍進(jìn)行比較，測試值在設(shè)定范圍之內(nèi)，則給出“合格”的結(jié)論，否則標(biāo)為“不合格”。由于設(shè)定的取值范圍比較寬，符合這個參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的空空導(dǎo)彈都輸出一個“合格”結(jié)果，雖然都是合格，但是導(dǎo)彈的質(zhì)量優(yōu)良程度不得而知，相比以往測試結(jié)果，導(dǎo)彈技術(shù)性能有無下降不得而知。如果能夠?qū)y試合格的空空導(dǎo)彈進(jìn)行健康評估，獲得優(yōu)良性能指標(biāo)，就可以對導(dǎo)彈進(jìn)行排序分類，據(jù)此制定維修決策，加強(qiáng)對導(dǎo)彈裝備的管理。

根據(jù)測試原理和空空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)，可以建立健康評估的層次分析模型或者貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，現(xiàn)以層次分析模型為例介紹。對于有一定取值范圍的屬性參數(shù)，可以根據(jù)測試原理和參數(shù)設(shè)定模型建立打分標(biāo)準(zhǔn)：選擇一個數(shù)值范圍健康指標(biāo)設(shè)置為100，參數(shù)上限與下限指標(biāo)為60，根據(jù)參數(shù)分布情況（線性分布、指數(shù)分布、二次分布等）對具體的測試值進(jìn)行打分。對于定上限或者定下限的參數(shù)，處于理想范圍的取值設(shè)置為100，選取臨界值為合格打分60，其他取值參照取值模型設(shè)置。在一個子系統(tǒng)中，比如導(dǎo)引系統(tǒng)，根據(jù)音響信號、陀螺頻率、陀螺慣性頻率、跟蹤角速度和跟蹤范圍所占的不同權(quán)重，計算出導(dǎo)引系統(tǒng)的健康分值。以此類推，計算出其他各個系統(tǒng)的健康分值，通過六大系統(tǒng)的健康分值與各自占有的權(quán)重，得出空空導(dǎo)彈健康分值。兩次層次中的權(quán)重取值根據(jù)專家評分確定。空空導(dǎo)彈健康評估模型如圖4所示。

根據(jù)評估分值可以對合格導(dǎo)彈進(jìn)行健康指標(biāo)排序，打靶試驗或者戰(zhàn)備值班時優(yōu)先選擇指標(biāo)高的導(dǎo)彈。對于健康指標(biāo)很低的導(dǎo)彈，可以根據(jù)子系統(tǒng)得分確定影響健康狀況的測試參數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行故障大致定位，制定維修決策進(jìn)行排故。

4 結(jié) 束 語

參照空空導(dǎo)彈PHM結(jié)構(gòu)模型，提出的兩個在現(xiàn)役導(dǎo)彈中應(yīng)用PHM技術(shù)的模型具有一定的借鑒意義，也為實(shí)現(xiàn)健康管理提供了參考。健康評估模型是在具有一定取值范圍的電氣屬性參數(shù)基礎(chǔ)上建立的，對于沒有取值范圍的電氣參數(shù)還需要進(jìn)一步詳盡分析，以完善評估模型。

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