彈箭星用電爆閥可靠性驗證及評估

黃清偉，袁洪濱，李 海

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

電爆閥廣泛用于各類導彈、火箭和衛星中，用以實現控制工作介質的通斷。電爆閥的可靠性對于飛行的成敗及航天員的安全性至關重要，因而合理確定可靠性驗證試驗方法，對在定型階段和批生產階段電爆閥的研制具有十分重要的意義。

電爆閥為一次動作閥門，屬于成敗型。目前，國內沒有統一的標準來評估電爆閥可靠性。如果采用傳統的成敗型方法對電爆閥的可靠性進行評估，制定可靠性驗證方案，需進行大量的抽樣電爆試驗，花費大量研制時間和巨額的研制經費。由于沒有考慮到電爆閥的作動特點，所以評估結果比較保守，而且反映不出電爆閥的性能指標。航天系統內主要以少量的拉偏電爆管裝藥量來定性考核，無法定量給出可靠性指標，同時也不能真實反映電爆管輸出爆壓變化。法國、美國及俄羅斯等國采用了一種所需試驗次數極少的可靠性評定方法，即：加嚴試驗考核方法[1-2]。2002年邵德生提出了基于裕度思想的火工裝置的可靠性設計方法，以及減少試驗樣本的強化試驗驗證可靠性方法[3]。上述評估方法未考慮電爆閥的產品特點，具有一定的局限性。

本文從電爆閥的力學特點出發，提出了一種評估電爆閥可靠性和試驗驗證的新思路，所提出的方法同樣適用于成敗型產品的可靠性評定。

1 電爆閥結構原理

典型的電爆閥工作原理如圖1所示，通常由電爆管、閥體、活塞-切刀組件、接管嘴-襯套組件以及密封圈組成。工作時電爆管通電，產生高溫高壓燃氣，推動活塞-切刀組件運動，切斷接管嘴，并楔緊在閥體錐面上。

圖1 電爆閥工作原理示意圖Fig.1 Working principle of pyrovalve

2 可靠性模型

電爆閥的可靠性是指電爆閥在規定的時間和規定的條件下完成規定任務的能力。電爆閥可靠性可分為點火可靠性、火藥爆炸產生爆壓可靠性和機構可靠性3部分，三者之間是串聯關系，如圖2所示。

圖2 電爆閥可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of pyrovalve

目前，點火一般采用高可靠電爆管，在置信水平為0.95時，可靠性可達到0.999 9，同時，對于機械作動結構來說，過程質量控制使其可靠性能已經比較穩定，用傳統的計數和計量方法檢驗，即可滿足可靠性要求。基于以上原因，假定：點火可靠度R1與機構動作可靠度R3均為1，這樣電爆閥的可靠度RL即為火藥產生爆壓可靠性R2。

由以上假設，得到電爆閥可靠性等于火藥爆炸產生的壓力大于所需最小壓力同時小于所需最大壓力時的概率，即

火藥爆炸產生的壓力決定于火藥爆炸產生的燃氣壓力p。由于環境溫度、壓強、藥粒厚度及均勻性等存在一定散差，這些獨立隨機因素的影響造成了火藥爆炸時產生的壓力值并非某一確定值，而是呈正態統計分布特性[4]。這種分布特性也造成了電爆閥在某種情況下可能會出現超壓的不可靠情況。同樣所需的壓力也是受不同的獨立的隨機誤差影響，由中心極限定理可知其近似服從正態分布。因此，電爆閥兩個參數服從正態分布，其可靠性評估模型如圖3所示。

圖3（a）為電爆管爆炸產生壓力在電爆閥所需的壓力范圍內，此時電爆閥正常動作，其可靠性為1。圖3（b）中陰影是電爆管爆炸產生的壓力與電爆閥所需的壓力有重疊部分,此時電爆閥有可能失效,陰影部分即為失效區。

由于在實際試驗中電爆閥可靠動作所需壓力可以通過設計、加工及裝配等方式很好地控制，使其方差接近于0，此時電爆閥可靠動作所需壓力可視為常值，其可靠性模型簡化為如圖4所示，可靠性為：

圖3 電爆閥可靠性模型Fig.3 Reliability model of pyrovalve

圖4 簡化的可靠性模型Fig.4 Simplified reliability model

3 可靠性驗證及評估原理

將產品放到惡劣的環境下，通過增大或者減小電爆閥內爆壓，以降低其可靠性，用經典方法推斷在額定環境下產品的可靠度。根據目前使用經驗，電爆管裝藥量改變量與其輸出爆壓無法定量描述，因此采用改變電爆容腔容積模擬電爆管爆壓改變。

為了利用pB的統計量評估電爆閥的可靠性，假設有如下對應關系：

式中：ρ1和ρ2分別為標準正態分布的上側概率和下側概率。

一般取 k1=k2，結合式（3）～式（8）可以設計出極限容腔，然后按照極限容腔加工產品，并根據產品使用環境進行試驗。試驗后按照實際試驗產品極限容腔、試驗臺數、試驗成功臺數進行可靠性評估。

4 可靠性驗證及評估示例

4.1 已知條件

一種火箭用電爆閥的可靠性要求及設計參數如下：

1）用戶要求：置信度r=0.85時，RL≥0.99；

2）電爆管驗收參數：▽B=30 cm3，p1min=7 MPa，p1max=14 MPa；

4.2 可靠性驗證

1）根據 r=0.85，RL=0.99,查閱 GB/T4086.1或者QJ1384，得到n與k1，k2有如下對應關系：

n=2 5 7 9 12 20

k1=k2=16.6 5.05 4.35 4.01 3.72 3.38

取n=9，則k1=k2=4.01。

4）按照表1生產了大小極限容腔產品各9臺，根據使用要求進行了力學環境試驗、熱環境試驗、電爆試驗、電爆前后漏率檢查和爆破壓力等，產品結構和性能均滿足使用要求。

表1 極限容腔試驗Tab.1 Test of limit volume

4.3 可靠性評估

3）根據 k1，k2，r，n=15，反查 GB/T4086.1或者 QJ1384 得到 ρ1=0.000 086，ρ2=0.000 01；

4）將p，p2帶入式（6），得到RL=0.999 904，滿足用戶“置信度r=0.85時，RL≥0.99”的要求。

本方法與成敗型二項分布所需試驗次數對比見表2。

表2 本方法與成敗型二項分布所需試驗數量對比Tab.2 Quantity of test samples needed by this method and pass-fail method binomial distribution

由表2可知，在驗證置信度r=0.85，可靠性RL=0.999 9時，利用成敗型二項分布所需無失效樣本數量為18 970臺，利用本文提出方法所需無失效樣本數量為30臺，因此本文提出的方法具有極大的優越性。

5 結論

本文提出的電爆閥可靠性驗證及評估方法，是通過改變電爆容腔的安全裕度試驗方法，已經成功用于彈箭星用多種電爆閥的可靠性驗證及評估。該方法可以用極少的試驗次數驗證極高的可靠性，尤其是當可靠性要求高時，優越性更加顯著。該方法不但可以用于電爆閥，還可推廣到成敗型產品的可靠性驗證及評估，產生巨大的經濟效益。

[1]BEURTEY X.Reliability prediction on Ariane 5 pyrotechnicaldevicesusing the hardened testmethod[C]//Proceedingsof Probabilistic Safety Assessmentand Manag-ement.Crete Greece：Springer London Ltd,1997：1687-1695.

[2][蘇]卓洛托夫,季托夫.空間運載器的可靠性保證[M].潘紹珍,譯.北京：宇航出版社,1996.

[3]邵德生.關于火工裝置的可靠性設計與驗證問題[J].質量與可靠性,2002,(增刊2)：34-36.

[4]胡昌壽.航天可靠性設計手冊[M].北京：機械工業出版社,1999.