基于PHM的小型戰術導彈視情維護技術*

徐宏偉,周玉清,薛小樂

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

基于PHM的小型戰術導彈視情維護技術*

徐宏偉,周玉清,薛小樂

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

如何在復雜多變的環境下,保持小型戰術導彈良好的性能,是其面臨的重要課題。針對這一情形,論文提出一種基于環境應力、時間應力和PHM相結合的小型戰術導彈視情維護技術,深入討論和分析了視情維護系統的工作原理、技術路線以及關鍵技術,實現了傳統的周期性測試維護到視情維護的轉變,提高了小型戰術導彈的維護技術水平。

小型戰術導彈;PHM;周期性測試維護;視情維護

0 引言

小型戰術導彈武器系統是多種新技術的綜合應用,涉及到機械、電子、計算機、自動控制、信息處理等領域,組成復雜,系統性強,一個關鍵器件或部件發生故障會導致整個武器系統不能工作[1];并且,導彈作為武器裝備在使用壽命剖面中所經歷的過程主要有運輸、貯存、裝卸、戰斗值班等[2]。任何環節都有可能導致導彈性能退化,因此,如何在復雜多變的環境下,保持導彈良好的性能,是小型戰術導彈面臨的重要課題。

1 小型戰術導彈周期性測試

目前對于小型戰術導彈狀態評估方法,主要采用周期性測試技術[3]。國外高度重視小型戰術導彈的測試技術研究,美國通過HELLFIRE Missile Compact Test Set (HMCTS)對HELLFIRE智能彈藥進行周期性功能測試,每發智能彈藥測試126個參數,到1994年,共有20 000發智能彈藥得到測試,共發現40多種軟硬件問題[4];為加強Longbow Hellfire智能彈藥的貯存狀態跟蹤和非破壞性驗收,美國軍方紅寶石試驗場成立了長弓海爾法的測試與驗收中心,該中心采用開環和閉環測試兩種方式,提供一個非破壞的手段來判斷庫存智能彈藥各個部件是否處于良好的工作狀態或性能是否退化[5]。英國采用Services Weapon Test Set(SWTS),在不同的功能模塊的幫助下,可分別實現硫磺石空地導彈發射裝置和導彈的測試等。此外,不同任務的剖面的溫度、濕度、沖擊、振動、電磁等環境對智能彈藥的性能影響也很大。如:沙漠風暴后,美國軍方花費2 000萬美元來評估從戰場上撤回的7 000發TOW 2A智能彈藥的狀態;在伊拉克反恐戰爭中,由于熱、濕度、沙塵、運輸等方面的原因,有10%智能彈藥不能得以正常應用。元器件篩選和地面測試盡管暴露一些問題等,但由于應用批次的偶然性和突發故障的易發性,都可能造成小型戰術導彈性能的退化。

小型戰術導彈的測試一般由導彈檢測儀來完成[6]。導彈檢測儀主要由目標模擬器和導彈檢測儀組成,其中目標模擬器用來模擬導彈的目標,檢驗導引頭的跟蹤特性和捕獲特性;導彈檢測儀與導彈發射接口安全連接,用來給導彈供電、參數裝定、數據采集、存儲和分析,以實現對導彈的狀態進行判斷。結合目標模擬器和導引頭的輸出值,可以判斷導引頭的狀態;結合舵機的輸入指令和反饋指令可以判斷舵機的狀態;根據初始裝定參數、導引頭輸出值、慣性導航裝置的輸出值、舵機的輸入值,并利用導彈控制模型反算,可判斷彈載計算機性能的好壞等。

但是,小型戰術導彈周期性測試存在以下幾個問題:

1)小型戰術導彈的周期性測試對可靠性的影響。由于導彈的長期貯存原因,導彈的可靠性退化曲線一般不是傳統的浴盆曲線,更可能是指數曲線。理論上,周期性測試是可能降低導彈的可靠性的[7]。若周期性測試后,進行維修,可靠性將提高,但總的可靠性還是在遞減,周期性測試維修的可靠性退化曲線如圖1(a)所示。

2)小型戰術導彈原位測試問題(見圖1(b))。當前,對小型戰術導彈進行測試大部分須將導彈從彈藥庫轉移至測試場地。轉場及測試過程存在如下問題:轉場的過程約束了導彈后勤保障的快速和機動;需要較多的人工干預;存在容易對導彈造成損害的不安全因素。

3)小型導彈的測試周期選擇問題。如圖1(c)所示,目前的導彈測試周期,選擇半年、一年、兩年、五年等等,其依據主要靠試驗數據評估,會不會過測試和欠測試,如何才能做到合理科學的規劃,確保導彈處于良好的狀態。

4)小型戰術導彈的抽樣檢驗問題。如圖1(d)所示,目前,要求每一發導彈都要進行測試,假如導彈同一批庫存較多,測試周期為半年,這樣將對軍方測試帶來很大的負擔,能否結合先進理論與技術,進行抽樣檢測,這樣將大大降低人力和物力。

圖1 周期性測試帶來的問題

2 小型戰術導彈視情維護技術

2.1 PHM技術

PHM即預測與健康狀態管理(prognostics and health management, PHM),利用傳統的故障特征檢測技術,并綜合先進的軟件建模,來獲得低虛警率的故障檢測和隔離結果,進而提高復雜系統的任務可靠性和安全性。PHM技術是綜合測試技術的最重要發展方向。進行導彈PHM技術研究的數據主要來源于周期性測試數據和環境監測數據。而環境監測法廣泛用于國外的小型戰術導彈的PHM中,有研究認為:溫度、濕度、沖擊、振動、電磁、壓強、沙塵等環境應力變化將會對武器的系統造成很大的影響,因此美國陸軍航空和導彈司令部推出一種基于環境應力監測的RRAPDS(remote readiness asset prognostics/diagnostics system)[8]。如圖2所示,該系統通過綜合應用先進的PHM技術以及微機電、無線通信、微數據處理器和電源微功耗技術,以實現對導彈、彈藥以及發射平臺的貯存、運輸以及使用過程中的狀態進行評估,從而確定或預測即將投入戰斗的這些武器系統狀態是否完好。整個系統由狀態監測器、數據接收器、數據傳輸網絡以及數據驗證中心組成。每發導彈安裝1塊狀態監測器,每個監測器包括溫度、濕度、沖擊、振動、電磁、壓強等微機電傳感器,在超過設定閾值的環境應力的作用下或數據接收器的激勵下,系統進行采集、初步處理和存儲,并在上級的指令下,進行數據無線傳輸。數據接收器接收到狀態監測器的數據后,一方面可進行數據處理,判斷導彈的狀態;另一方面,可通過有線或無線的數據網絡向更高一級傳輸。此外,環境應力對導彈的影響有專門的驗證中心,如上文所提的長弓海爾法仿真與驗收中心等。

圖2 RRAPDS工作原理

采用RRAPDS采用的技術,可對導彈狀態長期監控,不需要設定測試周期;導彈不需要開箱測試;對所有導彈都進行環境監測,所以不需要抽樣測試,并且價格低廉,易實現信息化組網;經過相關設置,可通過RRAPDS實現小型戰術導彈任務狀態和環境應力變化進行全生命周期記錄,從而為導彈的改進提供數據支撐。

2.2 小型戰術導彈視情維護關鍵技術

RRAPDS融合著當前最先進的物聯網與PHM技術,代表著小型戰術導彈維護技術的發展方向。因此,在吸取RRAPDS相關技術的基礎上,展開復雜多變環境下的小型戰術導彈視情維護技術的研究(見圖3),該系統綜合應用環境測試系統+無線傳感網絡+PHM相關技術,實現傳統的導彈周期性測試維護到視情維護的轉變,將有效地提高小型戰術導彈的維護技術水平。

圖3 小型戰術導彈視情維護系統原理示意圖

其中,環境測試系統用法如下:

1)可安裝在發射箱外壁上,并于箱內相通,用于監測、分析導彈在存儲、運輸以及發射時的環境參數,數據網關可通過無線適時監測各個導彈的溫度、濕度、氣壓、沖擊、振動、磁場等環境參數;

2)可安裝在小型戰術導彈上,用于任何任務剖面環境參數的監測,并基于數據以及歷史經驗和先進的PHM技術,能夠實現導彈性能狀態的評估;

3)可配合導彈檢測儀,進行功能性測試。由于該視情維護系統是建立在一個假設之上的,即導彈性能的退化主要來源于外界環境應力的變化。實際上,有的導彈的故障也有一定突發性,并且諸如慣導、導引頭等精密傳感器,其性能有可能隨著時間退化,顯然對導彈的功能性測試也是必要的。因此,可提出一種基于環測和功能性測試相結合的導彈狀態評估技術。工作原理如下:在每發導彈上安裝環測裝置,通過無線傳感器網絡獲取環境應力值和時間應力值,若環境應力值或時間應力值超過設定閾值時,則對導彈進行測試。相對于傳統的導彈測試,基于環測和功能性測試相結合的導彈狀態評估方法有如下優點:消除了傳統盲目的周期性測試,能夠做到導彈視情測試。

4)用于小型戰術導彈倉儲信息化管理,即可在環測系統上開辟一塊區域,用于導彈的不同任務剖面以及飛行試驗前的生命階段的重要信息記錄,由于采用無線傳感網絡,可實現戰術導彈的智能化管理。

由于小型戰術導彈視情維護技術主要是建立在先進的PHM技術和大量的歷史經驗知識基礎之上的,考慮到當前的PHM技術發展水平,也采用兩步走研究策略:

第一步:基于環境應力(ESMD)和時間應力(TSMD)的小型戰術導彈視情維護技術的工作原理如下:通過環境應力和時間應力進行監測,一旦應力超過設定閾值(經驗值),則采用導彈檢測儀進行測試評估。這種方法可以消除采用導彈檢測儀定期測試帶來的問題。

第二步:開展基于環境應力(ESMD)的小型戰術導彈視情維護技術研究。通過理論研究和試驗驗證(仿真驗證、武器飛行、老化試驗等)的方法,建立環境應力與小型戰術導彈系統性能的映射模型。

兩者的關鍵技術如下:

①原位測試技術:原位測試技術主要包括導彈可測試性設計技術以及關鍵部件如導引頭、舵機、慣導等的不開箱測試技術。

②嵌入式測試技術:盡管彈上電氣連接是整個導彈的神經網絡,但為了提高檢測深度而過多地增加機外測試線纜,不但會加大其彈上與作戰性能無關的“盲腸”效應,而且增加導彈飛行負荷,降低了全彈的可靠性。因此,可以開展彈上嵌入式測試技術,即利用彈上專用嵌入式采集模塊獲取導彈狀態信息,利用無線網絡、專用接口等技術進行數據傳輸。采用彈上嵌入式測試方式,可有效減少彈上與地面測試線纜連接,拓展測試深度。此外,彈上嵌入式模塊還可以作為PHM單元,對彈上部件和導彈進行故障診斷和預測。

③基于導彈性能數據的PHM技術。

④基于環境應力的小型戰術導彈PHM技術:低功耗低成本環境參數采集技術,高可靠、高安全、高性能無線傳感網絡技術以及環境應力與小型戰術武器系統性能的映射模型的構建。

⑤產品生命周期管理技術。

3 總結

綜上所述,視情維護技術是減少小型戰術導彈維護成本,延長壽命的重要途徑,滿足軍方“打則能用,用則能成”的急切需求。

[1] 朱覓. 空空導彈綜合保障之我見 [C]∥中國航空學會可靠性工程專業委員會第十屆學術年會, 2006: 412-416.

[2] 田莉萍. 基于DSP+FPGA的機載空地導彈武器系統綜合檢測裝置 [D]. 南京: 南京理工大學, 2013: 1-58.

[3] 羅明洋, 馬力生, 李巖. 便攜式導彈檢測過程中的安全控制問題研究 [C]∥第一屆全國技術過程的故障診斷與安全性學術會議, 1999: 185-190.

[4] 西安現代控制技術研究所信息中心情報組. 導彈研發手段與測試設備譯文集[G]. 西安現代控制技術研究所, 2010: 1-175.

[5] Ray Jerry A, Larson Gerald A, Terry John E, et al. Successful hardware-in-the-loop support of the Longbow/HELLFIRE modular missile system [C]∥ Proceedings of SPIE VOL. 4027(2000): 82-90.

[6] 劉鵬程, 杜毅民. 導彈總體測試工程化的幾個問題 [J]. 航空兵器, 2006(4): 50-53.

[7] 張金春, 劉超. 定期檢測對導彈武器系統貯存可靠性的影響分析 [J]. 戰術導彈技術, 2008(1): 44-48.

[8] Burghard B J, Silvers K L, Skorpik J R. Active sensor tags for global visibility of asset readiness [C]∥ Proceedings of SPIE Vol. 5778(2005): 914-915.

Condition-based Maintenance Technology of Small Tactical Missile Using PHM

XU Hongwei,ZHOU Yuqing,XUE Xiaole

(No.203 Resarch Institure of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

It is the very important issue that how to keep performance for a small tactical missile. According to current situation, a kind of PHM technology on small tactical missile was proposed using environmental stress, time stress and data information in this text, and the principles, methods and key technologies of condition-based system were profoundly analyzed and discussed. The research results promote transformation from traditional test-based periodic maintenance to condition-based maintenance, and enhance development level of maintenance technologies.

small tactical missile; PHM; test-based periodic maintenance; condition-based maintenance

2014-11-05

徐宏偉(1967-),男,陜西渭南人,研究員,研究方向:武器系統電氣設計及綜合測試技術。

TP302

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