噴氣式飛機機載吊艙內設備的可靠性試驗剖面制定研究

鄒祁峰，沈崢嶸（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610；3. 廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣州 510610）

噴氣式飛機機載吊艙內設備的可靠性試驗剖面制定研究

鄒祁峰1，2，3，沈崢嶸1，2，3
（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 510610；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 510610；3. 廣東省電子信息產品可靠性與環境工程技術研究開發中心，廣州 510610）

闡述了利用相關國軍標制定噴氣式飛機吊艙內設備可靠性試驗剖面的方法，給出了詳細的試驗剖面制定的過程和案例；并對制定試驗剖面的過程中遇到的問題進行了研究，對試驗剖面中振動應力條件的確定提出了一些新的思路。

噴氣式飛機；吊艙；可靠性試驗；試驗剖面

引言

隨著機載吊艙設備的使用越來越多，為了保證其作戰效能，應當進行可靠性試驗，而應用綜合環境應力的可靠性試驗方法，是一種對機載吊艙內設備的可靠性進行有效的考核方式。如何根據吊艙的使用中經歷的主要環境應力，如溫、濕度應力、振動應力和電應力來確定合理的綜合環境試驗條件，是開展可靠性試驗的一項關鍵性的工作內容。

根據GJB 899A的要求，為了盡量真實的模擬設備在使用中遇到的實際環境條件，應優先采用實測應力和估計應力。在無法得到上述應力的情況下，可參照有關標準提供的參考應力。吊艙是一種典型的機載外掛設備，目前開展實測的工作很少。因此制定吊艙內設備的綜合環境試驗條件主要使用GJB 899A中附錄B3.6“空中發射武器和組合式外掛及其設備”提供的公式、方法。以下完整闡述了依據吊艙典型任務剖面使用GJB 899A制定吊艙內設備可靠性試驗剖面的過程和方法。

1　試驗剖面的構成和設計原則

吊艙屬于機載外掛設備，按照GJB 899A《可靠性鑒定和驗收試驗》的規定，考慮到載機飛行中遇到的空中溫度環境隨季節和地區的不同，導致差異很大，可分為三種情況：標準氣候環境、極冷環境和極熱環境。因此在制定其可靠性試驗剖面時，應考慮到三種氣候溫度條件，制定出模擬三種溫度條件的溫度試驗剖面。掛機飛行中產生的振動環境與載機飛行速度，在載機上吊掛位置等有關。所以，此三種溫度剖面的振動試驗剖面均一致。吊艙可靠性試驗剖面的構成和次序見表1。

整個試驗剖面循環由六部分組成，模擬從冷天到標準天到熱天的綜合環境，再從熱到標準天回到冷天的綜合環境。試驗剖面循環中的每個部分（無論是模擬冷天、標準天還是熱天部分），均使用由溫度應力、振動應力、濕度應力、電應力以及這些應力的隨時間變化來模擬實際使用的環境。溫度應力、振動應力、濕度應力量值根據吊艙任務剖面確定。電應力按照標準要求和吊艙工作循環確定。依據GJB 899A和相關文件規定的要求和方法，根據吊艙執行典型任務剖面的詳細參數、各種任務的比例及吊艙內設備本身的特性、工作要求、使用中所處的位置等信息，制定可靠性試驗剖面。

2　任務剖面示例

任務剖面是完成規定任務時間內所經歷的全部重要事件和狀態的一種時序描述。一種設備可用于執行單一任務，也可以用于執行多項任務，因此任務剖面也可以有多個。任務剖面主要有任務剖面特性參數圖和任務剖面特性參數表。文中以執行多項任務的示例進行詳細敘述制定試驗剖面的方法。表2、表3為典型多任務剖面參數示例，表中的數據是為了體現計算過程虛設定的數值。

3　各任務剖面轉換為環境剖面

3.1溫度應力

3.1.1地面階段的溫度

該階段模擬吊艙與載機一起在地面停留，并可能遇到三種類型的溫度：即標準天、熱天和冷天的溫度。標準天地面溫度可從GB 1920中查出，為15 ℃。假設產品在設計時選定的冒極端溫度的風險率為10 %，則冷天和熱天地面溫度可從HB 5652.1查出，熱天地面溫度為45 ℃，冷天地面溫度為-54 ℃。

3.1.2空中階段的溫度

該階段的溫度主要與載機所在空中飛行高度上的大氣溫度，飛行速度，設備的外掛位置，安裝所在艙段的冷卻方式（空調冷卻或沖壓空氣冷卻）和設備自身的冷卻方式（環境空氣冷卻和輔助冷卻空氣冷卻）等因素有關?？砂凑蛰d機所在高度的大氣溫度及飛行速度參照公式（1）計算得到恢復溫度（Tr）。

式中：T0—所在高度的大氣絕對溫度（K）；

M—載機飛行馬赫數。

由于載機可能在標準天大氣中飛行，也可能在熱天大氣和冷天大氣中飛行，因此試驗中應模擬這三種大氣的溫度條件。冷、熱天T0可以根據所在高度取風險10 %從HB 5652.1中查出。標準天T0可以根據所在高度從GB 1920查出。

表 1 吊艙可靠性試驗剖面構成和次序（一個完整循環）

表2　任務1剖面數據（任務比例占60 %）

表3　任務2剖面數據（任務比例占40 %）

根據吊艙各典型任務剖面中提供的速度、高度數據，計算出空中階段執行單一任務時的溫度，其中高度速度為變化階段時以某任務段結束時的瞬態溫度計算得到。冷天、標準天、熱天試驗剖面具體溫度數值見表4、表5。

3.2濕度應力

標準天地面（D，L）階段和熱天地面（G，I）階段，露點溫度維持在不小于31 ℃?？紤]實際情況，濕度應力僅在熱天地面階段施加?？罩袙祜w階段，不注入濕氣，不控制濕度，試驗箱的空氣不應烘干。

3.3振動應力

根據GJB 899A的試驗方法，振動應力應考慮載機飛行過程中的動壓，外掛的種類及其在載機上的裝掛方式等。該吊艙的主要振動應力為寬帶隨機振動，描述寬帶隨機振動應力采用振動譜形和振動量值。

3.3.1隨機振動譜

依據GJB 899A及該吊艙的任務剖面數據分析，選定安裝在外掛上的設備的振動譜形如圖1所示。

振動譜型中各參數按照GJB 150.16A的表C.5噴氣式飛機外掛的振動環境進行制定，計算系數為A1=1，A2=1，B1=1，B2=2，C1=1，C2=1，D1=1，D2=4，E1=1，E2=1；

f1=20 Hz

f2/f3= W1/ W0

其中，W1=5×10-3×K×A1×B1×C1×D1× E1；

W0=H×(q/ρ)2×K×A2×B2×C2×D2×E2；

q為最大飛行動壓；

計算得到最大動壓為q=15.4 kN/m2；

ρ為重量密度，ρ=1 000 kg/ m3；

H為常量5.59；

得f2=101 Hz

根據外掛平均蒙皮厚度為3 mm，圓形截面半徑為200 mm，計算得到兩個待定拐點頻率如下：

f3=2.54×105（t/R2）=191 Hz （0.040≤（t/R2）≤0.787）

f4= f3+1 000 Hz =1 191 Hz

f0=2 000 Hz

3.3.2隨機振動量值計算

表4　任務1剖面恢復溫度數據（任務比例占60 %）

表5　任務2剖面恢復溫度數據（任務比例占40 %）

圖1　隨機振動譜

為確定設備的隨機振動量值，首先應根據圖1的譜形求出總均方根值為1時的基本功率譜密度值W0B和W1B，然后按照吊艙外掛的種類及其安裝方式確定其位置因子（F位），最后依據動壓和位置因子計算得到振動量值調節因子（grms總）2，并用振動量值調節因子（grms總）2乘以基本功率譜密度值，則可得到最終試驗時功率譜密度值W0T和W1T。

1）設備W0B和W1B的計算方法見公式（2）：

2）求取振動量值調節因子（grms總）2的方法見公式（3）：

式中：q—動壓，Pa。若q≤11970Pa，M≤0.45時，則取grms＝1.3g。

F位查GJB 899A表3.6-4得到。

3）動壓值可根據任務剖面中提供的高度和馬赫數根據經驗公式（4）計算得到。

當0≤H≤11000米時，動壓q為：

4）試驗的功率譜密度值WOT和W1T的計算方法見公式（5）：

將吊艙上設備振動譜形拐點頻率代入公式（2），計算得到W0B為0.02（m/s2)2/Hz，W1B為0.0106(m/s2)2/Hz。

該吊艙是組合式外掛安裝方式，其振動應力計算選取位置因子為0.88，按照上述方法繼續計算W0T、W1T，結果見表6、表7。

根據GJB 899A規定，為保證振動連續性，將低于0.1(m/s2)2/Hz的均加大到0.1(m/s2)2/Hz。由于任務中起飛、著落時間較短，工程上計算時以某任務段結束時的瞬態振動計算得到，因此單個任務試驗剖面中的連續振動量級WOC、加權振動量級WINT、最大振動量級WMAX、最小振動量級WMIN均一致，故試驗中r任務1、任務2階段計算得到的振動應力分別為0.13(m/s2)2/Hz和0.64(m/s2)2/ Hz。

3.4電應力

電應力按照GJB 899A及相關要求施加。試驗第一循環輸入上限電壓，第二循環輸入標稱電壓，第三循環輸入下限電壓，試驗期間以此連續重復循環。設備在冷天、熱天地面階段應通、斷電各2次，以考核其在極端環境條件下的起動能力。

4　合成試驗剖面

表6　任務1剖面振動數據（占60 %）

表7　任務2剖面振動數據（占40 %）

溫度、振動應力：將兩個任務合成到1個試驗剖面中。試驗剖面只取該階段的溫度和振動應力，詳見表8。

溫變率：變化階段的溫度變化率為兩相鄰穩定溫度之差除過渡段的持續時間。起飛爬升階段按任務剖面解算的溫變率為試驗剖面的溫變率取最大值；下滑著陸階段最大溫變率均小于-5 ℃/min，試驗時按-5 ℃/min處理。

5　繪制試驗剖面圖

根據該吊艙的成品技術協議規定，將低溫貯存、工作溫度，高溫貯存、工作溫度分別修改為-55℃，70℃，按“合成試驗剖面”的要求，繪制可靠性試驗剖面如圖2所示。

6　制定試驗剖面存在的問題與處理方式

1）GJB 899A中規定，不管對于什么類型的噴氣式飛機和以什么速度起飛，其起飛振動量值均為0.2(m/s2)2/ Hz。為更真實的模擬產品在實際使用中的振動條件，本試驗剖面中起飛階段振動譜型與應力量值采用以任務剖面計算得到的結果。

表8　試驗剖面應力（溫度、振動應力）

圖2　可靠性試驗剖面

2）按GJB 899A提供的方法、公式計算出來的振動應力，其整艙和艙內設備的振動譜存在較大差異,艙內設備的高頻段頻率范圍比整艙的大得多。從而造成計算得出艙內設備的功率譜密度要小于整艙的功率譜密度。尤其是整艙低頻段的試驗功率譜密度較大,在長時間的可靠性試驗中對整艙的結構和性能影響較大。噴氣式飛機整艙的掛飛振動主要是由作用在整艙外表面的氣動擾流產生的寬帶隨機振動,整艙振動通過結構傳遞到艙內設備,兩者的振動譜不應相差太大。為了更真實地模擬產品的使用環境，可參照MIL-STD-810G中多激勵振動試驗的方法進行振動實測調查，得到更為真實的、有效的試驗應力條件。

7　結束語

本文較完整敘述利用國軍標提供的方法、公式制定噴氣式飛機吊艙內設備可靠性試驗剖面過程，并結合數據計算給出了詳細的案例，對試驗剖面編制過程中遇到的問題進行了研究，使得可靠性試驗剖面更加能真實地模擬使用環境。盡管按照相關標準實施的可靠性試驗方法，與產品實際使用環境存在差異，但仍可以較為真實地模擬使用環境，暴露產品的薄弱環節，評估可靠性，降低使用、保障費用。

［1］ GJB 150A-2009，軍用裝備實驗室環境試驗方法［S］.

［2］ GJB 899A-2009，可靠性鑒定和驗收試驗［S］.

［3］ GB 1920-1980 ，標準大氣（30公里以下部分）［S］.

［4］ GB 6999-1986，環境試驗用相對濕度查算表［S］.

［5］ HB 5652.1-1981，氣候極值·大氣溫度極值［S］.

Research on Formulation of Reliability Test Profilefor Jet Pod Devices

ZOU qi-feng1，2，3，SHEN zheng-rong1，2，3
（1. CEPREI， Guangzhou 510610；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology， Guangzhou 510610；3. Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology， Guangzhou 510610）

This paper analyzes the methodology of the reliability test profile for jet pod devices by using relevant military standard. It gives detailed process and case of the formulation of the test profile， and points out the problems encountered with the test profile formulation. Finally， it puts forward some new ideas about the formulation of vibration conditions in a reliability test profile.

jet pod devices； reliability test； profile

TB114.3

A

1004-7204（2016）04-0024-06

鄒祁峰（1989-），男，湖南衡陽人，工業和信息化部電子第五研究所可靠性與環境工程研究中心助理工程師，主要從事可靠性試驗技術的應用研究工作。