直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)的可靠性分析

摘 要：文章通過對光電產(chǎn)品可靠性概念和直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)的功能和組件的闡述，建立了武裝直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)的可靠性框圖和數(shù)學(xué)模型。當(dāng)前軍用光電產(chǎn)品可靠性的計(jì)算方法采用點(diǎn)估計(jì)法及基于指數(shù)分布的區(qū)間估計(jì)模型，容易產(chǎn)生較大的誤差。針對當(dāng)前算法存在評估結(jié)果不準(zhǔn)確的局限性，將基于威布爾分布的點(diǎn)估計(jì)法用于對晝夜觀瞄系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間（MTBF）的評估。為更加全面準(zhǔn)確地估計(jì)軍用光電產(chǎn)品可靠性提供了一種有效實(shí)用計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：平均故障間隔時(shí)間；光電產(chǎn)品；可靠性評估；計(jì)算方法

引言

武裝直升機(jī)由于具備機(jī)動性好、隱蔽性好、殺傷力大等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代高技術(shù)戰(zhàn)爭中發(fā)揮日益重要的作用。晝夜觀瞄系統(tǒng)集光、機(jī)、電為一體，裝有多個(gè)光電傳感器，信號交織十分復(fù)雜，結(jié)構(gòu)十分緊湊，是直升機(jī)制導(dǎo)及火控的關(guān)鍵系統(tǒng)，它的性能決定了系統(tǒng)對目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)的精度，直接關(guān)系到武裝直升機(jī)的攻擊性能。為了確保戰(zhàn)場上火控系統(tǒng)在整個(gè)使用壽命周期內(nèi)的穩(wěn)定性和可靠性，有必要對晝夜觀瞄系統(tǒng)的故障模式、可靠性提前進(jìn)行預(yù)估分析。

1 光電產(chǎn)品可靠性

可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障地完成規(guī)定功能的能力，是與產(chǎn)品性能指標(biāo)同樣重要的質(zhì)量特性之一，已經(jīng)被列為產(chǎn)品的重要質(zhì)量指標(biāo)加以考核和檢驗(yàn)[1]。產(chǎn)品的可靠性與時(shí)間是緊密相關(guān)的，同時(shí)作用于產(chǎn)品的各種條件載荷也會對可靠性產(chǎn)生影響，可以建立產(chǎn)品的可靠性宏觀數(shù)學(xué)模型：

（1）

式（1）中：R（t）表示產(chǎn)品的可靠程度；F（x）表示產(chǎn)品可靠程度的數(shù)學(xué)函數(shù)；Li（t）表示時(shí)間范圍內(nèi)作用于產(chǎn)品的條件載荷。

光電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和參數(shù)主要包括：平均故障間隔時(shí)間（Mean Time Between Failures，MTBF）、平均維修間隔時(shí)間（Mean Time Between Maintenance，MTBM）等。MTBF反映了產(chǎn)品相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，僅適用于可維修產(chǎn)品。產(chǎn)品在總的使用階段累計(jì)工作時(shí)間與故障次數(shù)的比值為MTBF。一個(gè)可維修產(chǎn)品在使用期中，發(fā)生了N0次故障，每次故障修復(fù)后，該產(chǎn)品繼續(xù)投入工作，其工作時(shí)間分別為t1，t2，.....tN

則其MTBF為：

平均維修間隔時(shí)間（MTBM）是與維修方針有關(guān)的一種可靠性參數(shù)。產(chǎn)品壽命單位總數(shù)與該產(chǎn)品計(jì)劃維修和非計(jì)劃維修事件總數(shù)之比為MTBM。

2 武裝直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型

直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)的主要功能是對目標(biāo)進(jìn)行探測、識別、定位，以獲取目標(biāo)的位置速度以及姿態(tài)信息，并將獲取的目標(biāo)信息傳遞給火控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的空中慣性穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)對地面空中敵方目標(biāo)的精確打擊。直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)按照功能構(gòu)成可以分為：探測傳感單元、伺服隨動單元、控制單元和圖像顯示與操控單元，按照系統(tǒng)物理構(gòu)成可以分為：光電轉(zhuǎn)塔、電子箱和顯控臺[2]。結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)合軍用光電系統(tǒng)可靠性關(guān)注重點(diǎn)，構(gòu)建直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)基本可靠性框圖如圖2所示。

直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)可靠性框圖為串聯(lián)模型，可以確定穩(wěn)瞄系統(tǒng)的基本可靠性數(shù)學(xué)模型為：

系統(tǒng)可靠度： （3）

式（3）中：n為組成系統(tǒng)的單元數(shù)，Ri為第i個(gè)單元的可靠性；

系統(tǒng)故障率？姿s為各單元故障率之和：（4）

系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間MTBF為： （5）

3 直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)平均間隔時(shí)間

光電產(chǎn)品的故障都是由基本的的機(jī)械、電熱、化學(xué)等應(yīng)力作用導(dǎo)致的，系統(tǒng)的每個(gè)單元下又存在多個(gè)不同失效機(jī)理引起的失效點(diǎn)。直升機(jī)平臺自身振動、環(huán)境濕度溫度等因素會影響晝夜觀瞄系統(tǒng)可靠性，這些因素會造成系統(tǒng)電氣元件失效、伺服機(jī)構(gòu)精度下降、光電探測器件性能下降、光軸失穩(wěn)或者光學(xué)成像質(zhì)量下降等失效模式。

目前相關(guān)的國軍標(biāo)對光電產(chǎn)品的平均故障間隔時(shí)間（MTBF）的評估采用2006年中國人民解放軍總裝備部發(fā)行的GJB/Z 299C和GJB/C 108A[3]。這些評估采用點(diǎn)估計(jì)法及基于指數(shù)分布的區(qū)間估計(jì)模型，而實(shí)際上，航空光電產(chǎn)品定型試飛后要經(jīng)過一系列的改良設(shè)計(jì)，可靠性呈增長趨勢。另外產(chǎn)品的各個(gè)組成單元故障原因、機(jī)理各不相同。MTBF不一定完全符合基于指數(shù)分布的評估模型，采用此模型可能會產(chǎn)生較大的誤差。文獻(xiàn)4，5指出采用威布爾分布來描述光電產(chǎn)品的故障率比指數(shù)分布好。

當(dāng)故障間隔時(shí)間服從威布爾分布時(shí)，其概率密度函數(shù)為

（6）

概率函數(shù)為（7）

則威布爾分布可靠度函數(shù)為（8）

損傷函數(shù)為（9）

β是決定威布爾分布的主要參數(shù)，β的不同取值很好的描述了分布曲線的形狀。當(dāng)0<β<1時(shí)，概率密度函數(shù)f（t）為減函數(shù)；當(dāng)β=1