直升機晝夜觀瞄系統的可靠性分析

摘 要：文章通過對光電產品可靠性概念和直升機晝夜觀瞄系統的功能和組件的闡述，建立了武裝直升機晝夜觀瞄系統的可靠性框圖和數學模型。當前軍用光電產品可靠性的計算方法采用點估計法及基于指數分布的區間估計模型，容易產生較大的誤差。針對當前算法存在評估結果不準確的局限性，將基于威布爾分布的點估計法用于對晝夜觀瞄系統平均故障間隔時間（MTBF）的評估。為更加全面準確地估計軍用光電產品可靠性提供了一種有效實用計算方法。

關鍵詞：平均故障間隔時間；光電產品；可靠性評估；計算方法

引言

武裝直升機由于具備機動性好、隱蔽性好、殺傷力大等優點，在現代高技術戰爭中發揮日益重要的作用。晝夜觀瞄系統集光、機、電為一體，裝有多個光電傳感器，信號交織十分復雜，結構十分緊湊，是直升機制導及火控的關鍵系統，它的性能決定了系統對目標跟蹤瞄準的精度，直接關系到武裝直升機的攻擊性能。為了確保戰場上火控系統在整個使用壽命周期內的穩定性和可靠性，有必要對晝夜觀瞄系統的故障模式、可靠性提前進行預估分析。

1 光電產品可靠性

可靠性是產品在規定的條件下和規定的時間內無故障地完成規定功能的能力，是與產品性能指標同樣重要的質量特性之一，已經被列為產品的重要質量指標加以考核和檢驗[1]。產品的可靠性與時間是緊密相關的，同時作用于產品的各種條件載荷也會對可靠性產生影響，可以建立產品的可靠性宏觀數學模型：

（1）

式（1）中：R（t）表示產品的可靠程度；F（x）表示產品可靠程度的數學函數；Li（t）表示時間范圍內作用于產品的條件載荷。

光電系統可靠性指標和參數主要包括：平均故障間隔時間（Mean Time Between Failures，MTBF）、平均維修間隔時間（Mean Time Between Maintenance，MTBM）等。MTBF反映了產品相鄰兩次故障之間的平均工作時間，僅適用于可維修產品。產品在總的使用階段累計工作時間與故障次數的比值為MTBF。一個可維修產品在使用期中，發生了N0次故障，每次故障修復后，該產品繼續投入工作，其工作時間分別為t1，t2，.....tN

則其MTBF為：

平均維修間隔時間（MTBM）是與維修方針有關的一種可靠性參數。產品壽命單位總數與該產品計劃維修和非計劃維修事件總數之比為MTBM。

2 武裝直升機晝夜觀瞄系統可靠性數學模型

直升機晝夜觀瞄系統的主要功能是對目標進行探測、識別、定位，以獲取目標的位置速度以及姿態信息，并將獲取的目標信息傳遞給火控系統，實現瞄準線的空中慣性穩定，最終實現對地面空中敵方目標的精確打擊。直升機晝夜觀瞄系統按照功能構成可以分為：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，按照系統物理構成可以分為：光電轉塔、電子箱和顯控臺[2]。結構如圖1所示。

結合軍用光電系統可靠性關注重點，構建直升機晝夜觀瞄系統基本可靠性框圖如圖2所示。

直升機晝夜觀瞄系統可靠性框圖為串聯模型，可以確定穩瞄系統的基本可靠性數學模型為：

系統可靠度： （3）

式（3）中：n為組成系統的單元數，Ri為第i個單元的可靠性；

系統故障率？姿s為各單元故障率之和：（4）

系統平均故障間隔時間MTBF為： （5）

3 直升機晝夜觀瞄系統平均間隔時間

光電產品的故障都是由基本的的機械、電熱、化學等應力作用導致的，系統的每個單元下又存在多個不同失效機理引起的失效點。直升機平臺自身振動、環境濕度溫度等因素會影響晝夜觀瞄系統可靠性，這些因素會造成系統電氣元件失效、伺服機構精度下降、光電探測器件性能下降、光軸失穩或者光學成像質量下降等失效模式。

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

當故障間隔時間服從威布爾分布時，其概率密度函數為

（6）

概率函數為（7）

則威布爾分布可靠度函數為（8）

損傷函數為（9）

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