高過載條件下彈載控制系統貯存壽命研究展望

穆希輝，牛躍聽，馬小兵

（1.總裝備部軍械技術研究所，石家莊 050000；2.北京航空航天大學，北京 100083）

炮射導彈具有發射過載高、長期貯存、一次使用的鮮明特點，它有發射藥筒，初速大、轉速大、發射過載高、炮口橫向自振頻率高。由于其發射過載高，它采取了大量減震措施使其具有很強的抗過載能力。其制導控制系統是其“大腦和中樞神經”，一般由激光接收機、電子裝置、陀螺坐標儀、舵機艙等組成。現階段，研制單位給出的彈載控制系統壽命期指標是一個具有統計意義的指標，是一個經驗預估值，尚缺乏自然環境貯存的長期監測數據、加速壽命試驗數據、使用數據等支撐，導致給出的預期壽命不夠準確。

長期貯存后，彈載控制系統（特別是超出給定質保期的彈載控制系統）的質量變化規律尚不明確，這導致以下亟需解決的問題：一方面，彈載控制系統雖然在設計時都采用了加固措施，但長期貯存后加固材料等性能退化，控制系統中的光電元器件也發生退變，能否承受發射時高達20 000g的過載，這是其戰時能否可靠使用的重大戰備問題，也是其有別于通用彈藥和導彈的一個新問題；另一方面，超出給定質保期的彈載控制系統平時能否安全貯存，其在質量監控、貯存勤務、作業搬運等方面需要采取哪些科學舉措，這都需要依據其壽命評估和質量變化規律研究的結果。

1 存在的問題

彈載控制系統在使用可靠性方面存在以下諸多問題。

1）部組件互因失效問題。相對于常規單體機電設備而言，彈載控制系統集成了自動駕駛儀、激光接收機、陀螺坐標儀、加速度計、舵機放大器等高精密設備，系統構成復雜，并且各功能部件之間相互交聯、相互影響，失效模式難于判斷。

2）彈載控制系統常規靜態測試獲取的參數指標與其可靠性的關聯程度尚不夠明確，這導致靜態測試顯示設備正常而高過載條件下卻發射失敗的現象時有發生（不出膛、脫靶等）。依據以往的故障分析理論又難以準確查找原因，只能“定性”為長期貯存過程中環境應力可能對高過載下控制系統的使用可靠性產生了影響。

3）彈載控制系統在高過載條件下的測試問題。在定性分析之后，需要抽取不同貯存年份的彈載控制系統進行高過載條件下的動態性能參數測試，以獲取科學的評估數據。高過載條件下的測試技術是面臨的一個關鍵技術瓶頸，這是因為：一方面，定型的彈載控制系統沒有預留高過載條件下動態測試接口，需要對其進行改裝；另一方面，高過載條件下的測試裝置要滿足抗高過載、微型化、高可靠性等諸多苛刻條件；再者，彈載控制系統處于高過載狀態的時間歷程很短，測試捕捉其多參數的電信號難度大。

4）變環境、異批次小子樣貯存壽命評估問題。獲取的高過載條件下彈載控制系統性能數據只是評估其貯存可靠性的數據來源之一，除此之外還有例行維護檢測數據、定型階段試驗數據、同類產品數據等。這些數據來源于不同的貯存環境、生產批次，而且彈載控制系統可靠性高，性能試驗可能出現零失效數據。如何在小樣本的前提下融合上述數據和加速壽命試驗數據來科學評估其貯存可靠性是項目研究面臨的難題。

鑒于以上諸多有待于解決的問題，現有的技術還不能夠科學評估彈載控制系統的貯存可靠性。

2 國外研究現狀與發展趨勢

由于炮射導彈是一種特殊的導彈，和導彈控制系統的共同之處是：結構上均由光、機、電部件組成，使其具有精確制導能力。不同之處是：炮射導彈控制系統需要經受住20 000g的高過載，其遠高于普通導彈發射過載。基于此，彈載控制系統中的部組件在設計上采取了減震技術、抗高過載組裝互連技術、封裝技術、工藝材料抗高過載技術等。因此，在高過載彈載控制系統貯存可靠性研究方面，它與導彈貯存可靠性研究既有聯系又有所差異。

2.1 導彈貯存可靠性研究現狀

美軍導彈司令部于20世紀60年代，開始組織實施導彈裝備貯存可靠性計劃（the Storage Reliability of Missile Materiel Program，SRMMP）和貯存可靠性研究計劃（the Storage Reliability Research Program，SRRP）[1—5]，這2項計劃的實施，使美軍對導彈電子裝置、機電裝置、氣動液壓部件、光學部件、火工品等的貯存可靠性有了全面的掌握，但是美軍也指出了現場貯存壽命評估方法的不足：采用元器件、材料的數據逐級向上評估整機、分系統、系統的貯存可靠性，精度不高；突發型失效產品的失效數據難以獲得，而退化型失效產品的性能退化緩慢，需要經歷漫長時間才能獲得滿足統計要求的數據量；導彈質量監測統計數據量龐大，人為造成的統計錯誤難免干擾貯存壽命評估的結果。

20世紀80年代，美國羅姆航空發展中心發表了多份貯存可靠性研究報告，其中，RADC-TR-85-91[6]建立了預測貯存周期對裝備可靠性影響的定量分析方法，并給出了元器件、材料的貯存失效率評估模型及相應的基礎數據。美軍監測手段先進，開展了“遠程監測計劃”[7]，依托微型傳感器、衛星等遠程監測導彈的溫度、濕度、振動、沖擊，一旦監測數據超出允許的數值，立即將失效數據上傳到數據中心報警。

20世紀90年代以后，由于現場貯存監測計劃經費開支大、時間跨度長、導彈更新換代快的原因，美軍開始采用加速試驗與現場貯存相結合的方法開展導彈貯存壽命研究。

俄羅斯在導彈貯存可靠性研究領域公開的信息較少。據報道，俄羅斯以C-300整彈為研究對象，通過6個月的加速試驗評估C-300導彈貯存壽命為10年。其采用的技術途徑是現場貯存壽命試驗和加速壽命試驗相結合的方法。圖1對導彈貯存可靠性評估發展進行了歸納[8]：

圖1 導彈貯存可靠性評估發展歷程Fig.1 Development process of reliability assessment of missile storage

2.2 高過載條件下控制系統的可靠性研究

2.2.1 抗高過載技術及測試裝置的研究

壽命數據是可靠性評估的基礎和前提，高過載條件下的測試數據是其中重要的組成部分。因此，高過載條件下的測試技術和測試裝置作為獲取壽命數據的重要手段，在可靠性研究中占有重要地位。

炮射導彈發射瞬間的載荷高達20 000g，其控制系統的機電設備承受很大的過載[9]。研制階段，針對彈載控制系統的復雜機電設備在設計、材料、工藝、試驗等不同領域開展了大量關于抗高過載技術的研究。如：中國科學技術大學國家同步輻射實驗室設計了由橡膠墊和碟簧組合的復合減振裝置，通過改善連接關系、對關鍵器件采取封裝固化等措施，從結構設計上提高了彈載設備的抗高過載能力[10]；西南交通大學研究了彈載數據存儲模塊在高過載沖擊條件下基于復合緩沖模塊的防護技術，對保護裝置的復合緩沖結構的緩沖機理從能量角度進行了探討和研究，得到了復合緩沖結構的緩沖效果[11]；國防科技大學對彈體姿態測量系統的抗高過載性能進行了Ansys軟件仿真、馬歇特試驗以及實彈飛行試驗，給出的抗高過載方案在降低高過載對彈體姿態測量系統的影響方面，可以發揮良好的作用[12]；北京理工大學以空氣炮和火藥模擬火炮為過載發生裝置，采用彈載數據采集存儲系統采集的數據對GPS接收機抗高過載進行了試驗研究[13]；中北大學、北京理工大學、南京理工大學在彈載數據采集存儲系統方面進行了深入研究，并將之應用到高過載彈藥的數據采集試驗

值得強調的是：上述研究多是在彈載控制系統定型階段進行的，其在測試手段、測試空間等方面有諸多便利條件（定型階段數據可以作為可靠性評估的先驗信息）。針對長期貯存后彈載控制系統在高過載條件下的測試，是面臨的一個關鍵技術瓶頸，需要研制特定的數據采集裝置，并需要對導彈進行改裝，導致該方面的研究工作、科技文獻很少。這是由于我國乃至世界其他國家彈藥研發部門和后期維護保障部門相對獨立所造成的。

2.2.2 可靠性研究

駐二○九所軍事代表室在某激光探測器研制過程中，對其在高過載沖擊時的失效進行了分析研究。經解剖及測試分析，發現失效探測器主要表現為:玻璃光窗出現微裂紋或破碎、電容和管芯支架脫落，其失效模式均為機械失效導致的電功能失效。激光探測器的失效導致炮射導彈基本喪失命中目標的能力[18—19]。

彈載控制系統從出廠到最終使用，往往經歷了在不同環境貯存數年的時間，其性能參數一般會在長期的貯存環境中發生退化，一旦承受高過載發射條件，失效現象時有發生。目前的現狀是：有達到耐過載指標要求的彈載控制系統，但是目前還不掌握其高過載條件下的失效機理，且沒有長期貯存后其性能狀態、可靠性評估的有效方法。

總之，目前針對“由普通機電設備構成的導彈控制系統”的可靠性評估問題，已經有了一套比較完整的評估方法。針對高過載條件下（發射瞬間過載達到20 000g）長期貯存后的彈載控制系統的可靠性研究，至今鮮有研究文獻報道，尚需進一步深入研究。

3 亟待解決的關鍵技術問題

3.1 高過載試驗中控制系統性能參數的動態測試技術

針對長期貯存后的彈載控制系統，實彈靶試的高過載試驗方法獲取的控制系統性能數據最為真實可信。需要研制“微型彈載多參數采集存儲裝置”（如圖2所示）。該裝置既要滿足緊湊設計條件下微型化的要求，又要承受高溫、高壓、強沖擊振動、高過載等惡劣環境。

圖2 微型彈載多參數采集存儲裝置結構Fig.2 Micro onboard multi-parameter acquisition structure of the storage device

它包含下列基本要素：根據抗高過載測試要求，選用或專門設計體積小、功耗低、性能穩定的傳感器組合（傳感器陣列）；存儲測試電路系統完成信號調理、采集、編碼、存儲以及向地面處理設備輸出測試結果；系統能源保障存儲裝置的能源供應；與計算機交換信息的接口電路；保證電路系統正常工作的抗高過載環境保護器；方便回收的位置指示器。

然后，對炮射導彈進行改裝：將“微型彈載多參數采集存儲裝置”替換戰斗部，使其獨立自動完成控制系統動態數據的采集和存儲記憶。高過載條件下的測試技術是面臨的一個關鍵技術瓶頸。

3.2 高可靠、長壽命控制系統的小子樣加速壽命試驗優化設計

由于炮射導彈發射過載高，其控制系統在設計、生產時就滿足高可靠、長壽命的要求。隨之而來的是壽命試驗時間長、無法獲得足夠失效數據，這與其高精度的可靠性評估要求之間存在很大的矛盾。

另一方面，由于控制系統的高可靠性，有可能得到無失效加速試驗數據，其通常不包含壽命分散的正確信息。因此，如何建立不同應力水平間壽命分布的關系，解決無失效加速壽命試驗數據處理的難題，對高可靠、長壽命、小子樣控制系統進行加速壽命試驗優化設計研究，這是可靠性領域亟待解決的一個關鍵科學問題[20]。

3.3 部組件互因失效條件下多性能參數退化問題

單元相互獨立是系統最常見的可靠性結構形式，但彈載控制系統具有多種失效模式以及多個性能退化參數，每種失效模式可能與1個或者多個性能參數相關，因而出現單元級產品性能退化失效模式相關的情況。由此，建立部組件互因失效情況下性能退化模型為難點問題。

3.4 針對性能退化失效和突發失效控制系統的可靠性建模

彈載控制系統退化失效與突發失效并存，針對其性能退化失效模式[21]，首先建立各退化失效模式下的部組件狀態余量方程，然后根據部組件的可靠性結構建立控制系統參數的多維相關系數平穩序列模型，并在模型參數相關性辨識的基礎上據此對控制系統的可靠性做出評估。突發故障在失效機理上與性能參數的退化失效存在較大差別，擬將該系統狀態余量方程中的廣義強度變量隨機化，用以解決系統隨機失效閥值的可靠性評估問題。基于退化數據序列的彈載控制系統可靠性建模與分析如圖3所示。

3.5 小子樣彈載控制系統多源信息融合可靠性評估技術

圖3 基于退化數據序列的彈載控制系統可靠性建模與分析Fig.3 Modeling and analysis of reliability of missile-borne control system based on the degradation data sequence

彈載控制系統價值高，可供試驗研究的樣本少。在考慮零失效試驗檢測數據（彈載控制系統可靠性高，控制系統性能測試中往往出現零失效現象）、不同環境下所得到的試驗數據（彈載控制系統儲存分布于我國各地）的基礎上，運用Bayes驗前分布理論中收縮估計的融合方法和權系數融合方法，合理地融合利用諸多驗前信息和加速退化壽命試驗數據，進而建立其多源信息融合儲存可靠性評定數學模型。這是涉及到彈載控制系統壽命評估準確性和可信度的關鍵問題。

4 展望

圍繞高過載條件下彈載控制系統貯存壽命評估方法的研究，旨在確定影響其控制系統貯存壽命的環境應力類型，以及應力水平的作用結果，準確定位影響控制系統貯存質量的薄弱環節，為提高彈載控制系統設計、生產水平與固有質量提供參考。掌握長期貯存彈載控制系統關鍵部組件的壽命規律，以及控制系統整體的質量變化規律，獲得其可靠壽命指標，為彈載控制系統延壽維修決策提供技術支撐。創建長期貯存彈載控制系統在經受高過載沖擊后的可靠性及儲存壽命評估理論體系，拓寬彈藥貯存壽命評估技術的研究范圍。

隨著時間的推移，我國將有價值數億元的炮射導彈陸續達到出廠指標壽命，其控制系統儲存質量變化規律、壽命評估問題日益突出，急需關注和解決。因此，科學評估其貯存可靠性不但具有巨大經濟效益，而且事關國家戰備。

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