飛行器環境適應性設計方法研究與實踐

高貴福，王剛，孫建亮，任杰安，王圣剛，周春燕，趙保平

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飛行器環境適應性設計方法研究與實踐

高貴福，王剛，孫建亮，任杰安，王圣剛，周春燕，趙保平

（北京機電工程研究所，北京 100074）

目的針對飛行器環境適應性設計不足的現狀提出對策。方法分析飛行器環境適應性設計的特點和當前存在的不足，以某電氣設備為對象開展應用研究。結果提出環境適應性設計工作內容、工作流程、設計原則和技術手段等方面的對策。環境適應性設計應采用環境仿真和驗證試驗相結合的手段，并逐步形成環境適應性設計準則。結論飛行器環境適應性設計應采用系統工程的思路，覆蓋產品層級、環境因素和研制階段。技術手段方面應大力推進環境仿真研究和應用，建立產品環境適應性設計規范。

飛行器；環境適應性設計；誘發環境

飛行器各項技戰術指標越來越高，飛行環境也越來越惡劣，面臨的誘發環境問題更為突出。另一方面，隨著飛行器使用地理范圍的擴大，自然環境越來越廣泛，環境適應性指標的要求不斷提高。環境適應性是飛行器功能、性能指標以及其他通用質量特性實現的基礎，關系到飛行器在全壽命周期內生存和完成任務的能力。在設計階段，設計人員針對環境指標的實現開展了研究和設計工作，但是一般系統性不強、不夠規范化，在飛行試驗以及裝備使用中仍然暴露出不少與環境有關的問題。若由于設計不足在系統級地面環境試驗才暴露重大環境適應性問題，往往造成設計反復、損失巨大。飛行器產品層級多、環境因素多、設計手段有限等因素給型號系統地開展環境適應性設計帶來了很大難度。

1 飛行器環境適應性設計概述

1.1 環境適應性設計特點分析

裝備（產品）的環境工程是將各種科學技術和工程實踐用于減緩各種環境對裝備（或產品）效能或提高裝備耐環境能力的一門工程學科，包括工程管理、環境分析、環境適應性設計和環境適應性試驗與評價[1—2]。在GJB 9001B—2009《質量管理體系要求》被列為產品“六性”之一，環境適應性有以下特點。

1）基礎性。環境適應性是產品功能、性質以及其他質量特性實現的基礎。飛行器武器只有具備良好的環境適應性，才能正常發揮其作戰效能。在飛行試驗以及使用環境中遇到的部分可靠性問題，實際上屬于環境適應性問題。

2）層級性。飛行器研制中產品層級可分為系統級、組件/設備級、元器件級等，每一層級產品都存在環境適應性問題，而且環境互相影響。多層級之間的影響關系可以用圖1所示的模型來描述。

3）耦合性。各層級產品的環境存在復雜的耦合關系。按照系統理論觀點，系統是指互相關聯的、互相制約、互相作用的一些部分組織成的具有某種特定功能的綜合體。系統都是處于一定的環境中，沒有孤立存在的系統。

如圖1所示的模型，描述了研究對象系統A的環境與上級系統（或外界環境）、其他同級系統的關系。從系統A環境適應性設計角度，需關注以下四個方面問題：研究對象A應承受上級系統（或外界環境）的環境影響；研究對象A能承受自身誘發的環境影響；研究對象A對其他同級系統產生影響且不使其破壞；研究對象A對上級系統產生影響且不使其破壞。

4）多學科性。飛行器裝備/產品在生命周期內遇到環境因素眾多，環境適應性設計涉及的學科領域很廣。例如飛機、航天器壽命周期內面臨的環境因素包括振動、溫度、濕度、加速度、沙塵、霉菌、鹽霧等十幾種之多。振動環境分析和設計中用到信號處理、結構動力學、流體力學領域知識；濕度、沙塵、濕度等環境因素則屬于氣候學范疇；熱環境方面則重點需要流體、熱物理方面的專業基礎。因此環境適應性設計工作，尤其對于系統級產品的環境適應性設計，通常依靠多專業協同工作來完成。

1.2 環境適應性設計不足現狀分析

當前階段，飛行器型號研制中環境適應性設計存在不足，主要體現在以下幾個方面。

1）型號工作中暴露出的環境適應性設計質量問題突出。有一項統計表明，把某類飛行器地面環境中暴露出質量問題按照問題原因分為“設計、工藝、元器件、軟件、操作、管理、其他”等幾類，其中“設計”類問題占比在20%以上，連續5年持續占據首位。環境適應性設計問題較突出，這與前些年我國型號研制重點放在功能和性能指標的實現方面，對環境適應性重視程度不足有關。

2）環境工程體系中缺少環境適應性設計類規范。2001年，我國首次頒布了裝備環境工程頂層標準GJB 4239《裝備環境工程通用要求》，但是在這之后，底層標準編制沒有持續開展。普遍缺少針對性強的產品環境適應性設計準則，部分產品的環境適應性設計準則包含在“可靠性設計準則”中。目前國內有少部分單位開始研究和編制環境設計準則或規范。某項針對航天產品環境工程使用標準使用狀況的統計顯示，環境試驗類占統計標準總量的54%，環境工程管理標準占34%，環境分析標準占12%，環境適應性設計以及環境適應性評價的標準則為空白。

3）環境仿真技術面臨應用瓶頸。環境仿真技術（也稱為“虛擬環境試驗”、“環境數字仿真”）是基于數字仿真技術，對裝備在實際環境中產生的環境效應及裝備性能影響進行分析、評估和預測技術。作為新型的以計算機信息數字處理技術為基礎的設計手段，環境仿真有著巨大優勢，有成本低、效率高、狀態全、不依賴實物等優點，但是目前環境仿真技術度成熟不高，工程應用不廣，沒有充分發揮其作為環境適應性設計手段的作用。

4）不同層級、不同專業協同設計不足。對于航天產品這樣復雜系統的環境適應性設計，是在多層級（系統級、設備級和元器件級等）、多專業等不同維度上協同實現的，需要多方人員動態、迭代式的設計，直至設計閉環、驗證閉環。目前環境適應性設計工作往往相對孤立的開展，甚至存在與型號工作相脫節的現象。多專業協同的環境適應性設計，需要多方面基礎作為支撐，例如合理的環境適應性設計流程、必要的技術手段和專業配置等，這方面目前存在不同程度欠缺。

2 飛行器環境適應性設計對策研究

2.1 環境適應性設計內容

開展環境適應性工作，首先應明確工作內容，避免設計疏漏。根據系統工程理論“霍爾三維結構”分析方法[3]，三維空間的點表示環境適應性設計工作內容，如圖2所示。

對每個維度內涵解釋如下。

1）時間維度。型號研制中的方案階段、工程研制階段、定型階段等每個研制階段都要開展工作，各階段工作重點和方法不同，通過不斷迭代最終實現環境指標。

2）系統組成維度。系統級、設備/組件級、元器件級每層級都要開展環境適應性工作。系統級的環境指標在設計中要分解到每個層級。各層級之間環境指標相互影響和制約，通過“系統-子系統-底層系統-子系統-系統”的多輪迭代，最終實現系統級指標。

3）環境因素維度。針對裝備（產品）壽命周期內遇到所有環境因素，包括自然因素和誘發的環境因素，都要開展設計工作。若耦合的環境因素會加劇單因素環境的破壞效應，則需要針對多因素耦合環境開展設計，如熱振動、熱噪聲、聲振環境。

2.2 環境適應性設計流程

環境適應性設計工作必須融合在產品設計中，對于某一產品的環境適應性設計工作，通用工作流程如圖3所示。

對完整設計過程的說明如下所述。

1）界定任務范圍：確定研究對象，某設備。

2）任務分析：任務是根據功能、性能、結構以及“七性”輸入要求，完成設備方案設計。在環境適應性方面設計輸入、輸出見圖3。

3）系統功能分析：從功能/性能要求出發，分析、設計產品內部的功能模塊，確定子系統功能、特性和指標，此階段可以得到“自身誘發環境”、“自身環境對上級系統或其他同級子系統”的環境影響情況。

4）系統綜合：針對功能/性能、結構以及“七性”要求進行綜合分析和設計，得到系統綜合后的設計要求。

5）系統權衡優化：采取標準規范、設計準則、相似型號研制經驗、仿真計算和驗證試驗等技術手段，進行多方案產品設計，并優選方案。

6）系統決策：方案評估，確定方案。

7）系統實施：提交產品方案至上級系統，進入后續研制。

比較容易忽略之處是圖3中的設計輸入①和設計輸出②。對于系統級產品而言，就是裝備與平臺之間的相互影響，例如艦船及艦船上裝備的電磁環境；對于設備而言，就是設備間的誘發環境影響，如設備發熱、振動或者物質揮發對附近設備的影響。設計者既要考慮自身受到的影響及設計對策，同時更重要的是要提出自身對外界的影響，用于其他設備或系統級環境適應性設計的輸入，型號經驗表明，這方面容易疏漏。

2.3 環境適應性設計原則

每個層級的產品在開展環境適應性工作時，應遵循下面的原則。

1）層級覆蓋。環境適應設計工作在系統級、設備/組件級、元器件級層級都要開展。若某一層級的工作開展不充分，不僅影響產品自身，而且會影響到系統級或其他子系統。越是底層的產品，越應該進行充分的分析，加以重視[4]。

2）環境因素剪裁原則。覆蓋性：環境因素包括產品全壽命周期的自然環境因素和任務剖面的誘發環境，典型的壽命剖面和任務剖面見圖4。對于設備級產品，特別注意環境因素應該覆蓋圖3“環境分析”中的四方面內容。避免過設計：環境適應性設計的環境因素須滿足剖面中存在該環境、系統功能對環境敏感、環境因素量值達到足以影響系統功能的一定量值等三個必要條件[5]。

3）階段覆蓋。環境適應性設計應覆蓋產品方案、工程研制、定型各階段。方案階段重點梳理環境剖面、環境因素和量值，重點研究系統級的環境適應性設計方案。工程研制階段，針對系統級、子系統開展設計，迭代完善系統級設計，形成閉合的、完整的詳細方案。定型階段則應根據研制試驗中暴露出的問題完善設計。

4）關注系統間耦合。關注系統與子系統、子系統之間對環境因素間的耦合和傳遞關系，避免設計疏漏。如設備工作發熱源、發動機振動、熱防護結構相變揮發、電磁輻射、安裝結構對振動的放大效應等。另外，應該注重系統級環境適應性設計實現整體最優，若設備級產品設計代價太大或難以實現，則可在上級系統采取措施，如設備熱環境問題可在艙段級采取冷卻措施。

5）工藝影響。工藝因素會帶來環境適應性問題。如結構安裝配合差異造成振動特性變化、熱防護層加工誤差影響防護效果。設計中要梳理可能的工藝影響，并給出解決措施，必要時可通過篩選方式保證設計有效。

6）規避原則[5]。設計中要考慮經濟性和可實現性，設計成本過高則應考慮采用規避策略。例如對于戰場環境、高電磁武器、特別惡劣天氣可采取規避措施。

2.4 環境適應性設計手段

環境適應設計的技術手段及其特點見表1，應該將三類技術手段組合使用。目前型號研制普遍使用手段見表2。

表1 環境適應性設計技術手段比較

表2 不同環境因素適應性設計應用

環境仿真技術在方案階段，可以進行環境預示。研制階段，在產品數字模擬的基礎上，根據環境指標和進行仿真分析，響應預測和環境影響評估，進行多方案比較，也可進行環境試驗的輔助設計和試驗效果預測。振動、溫度仿真應注重產品模型庫和產品特性數據的積累。環境仿真具有成本低、效率高、不依賴實物等優點，便于早期設計應用，應作為后續研究和發展的重點[6—7]。

環境適應性設計準則編制方面，我國在航空航天領域經歷幾十年的型號研制工作，已經從仿制過渡到自主創新階段，已經基本具備了編制相關規范和標準的基礎。如圖5所示，給出了飛行器環境工程規范體系建議。

3 環境適應性設計應用案例

某飛行器電氣設備處于封閉的艙內，自身工作熱量大，面臨的振動環境惡劣，自身為電磁輻射源。該設備處于工程研制初樣階段，已經具有首輪樣機。采用環境仿真和驗證試驗相結合的方式，針對振動、溫度和電磁環境開展設計。提出結構、減震、電磁屏幕等多項設計改進建議；同時明確其熱環境方面、電磁方面對外界的影響，提出其下一級產品（板級）的振動環境條件。研究該電子產品的環境適應性設計準則，編制環境適應性設計規范，為后續產品的環境適應性設計提供技術支撐。其工作流程見圖6，環境仿真和試驗驗證結果見圖7。

a 模態試驗現場（殼體） b 模態分析（殼體一階） c 殼體模態分析（殼體二階）

d 隨機振動試驗（殼體） e 模態分析(殼體+模塊一階) f 模態分析(殼體+模塊二階)

g 模態試驗現場（殼體+模塊） h 隨機振動試驗仿真 i 隨機振動試驗動響曲線

j 驗現場（殼體+模塊） k 振動試驗結果與計算結果比較 l 設備溫度變化

4 結語

加強環境適應設計是提高飛行器環境適應性水平的根本之道，文中從系統工程角度提出了飛行器環境適應性設計的整體思路，從工作內容、工作流程、設計原則和技術手段等方面的提出了對策，并給出型號應用案例。環境適應性設計的開展宜采用環境仿真和驗證試驗相結合的方式，并逐步建立起產品的環境適應性設計規范（或準則）。環境適應性設計工作開展的系統性強，環境工程管理、環境分析、環境適應性設計、環境試驗與評價四方面聯系緊密、互為支撐。環境適應性設計水平的提升很大程度有賴于環境工程工作的全面推進。

[1] GJB 4239—2001, 裝備環境工程通用要求[S].

[2] MIL-STD- 810F, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[3] 趙少奎, 楊永太. 工程系統工程導論[M]. 北京: 國防工業出版社, 2000.

[4] 趙保平, 孫建亮, 龐勇. 航天產品環境適應性問題研究[J]. 裝備環境工程, 2011, 8(2): 51—57.

[5] 趙保平, 張韜, 孫建亮, 等. 航天復雜產品研發中的環境適應性設計[J]. 強度與環境, 2013, 40(5): 1—9.

[6] 朱蕾, 王連杰, 許明, 等. 裝備環境適應性仿真技術的發展思路探討[J]. 裝備環境工程, 2007, 4(3):91—97.

[7] 吳勛, 周巍. 導彈武器系統開展環境適應性研究的思考[J]. 裝備環境工程, 2005, 2(2): 81—85.

Research and Practice of Environmental Worthiness Design of Flying Object

GAO Gui-fu, WANG Gang, SUN Jian-liang, REN Jie-an, WANG Sheng-gang, ZHOU Chun-yan, ZHAO Bao-ping

(Beijing Mechanical-electronic Engineering Institute, Beijing 100074, China)

Objective To propose countermeasures for insufficient environmental worthiness design of flying object. Methods Certain electrical equipment was researched based on features and current shortages in environmental worthiness design of flying object. Results Countermeasures on work contents, procedures, principles and means of environmental worthiness design were given, and the work was performed by means of environmental simulation integrated with environmental test. And the design criterions were carried out gradually. Conclusion Environmental worthiness design of flying object must be performed in the thought of system engineering, and it must be involved in different product levels, environmental factors and development phases. With regard to technical means, great efforts must be made on environmental simulation study and application. And the design standards for environmental worthiness design should be made.

flying object; environmental worthiness design; induced environmental

10.7643/ issn.1672-9242.2017.06.011

TJ07；TG147

A

1672-9242(2017)06-0049-06

2017-04-22；

2017-05-27

高貴福（1979—）,男，河北唐山人，高級工程師，主要研究方向為產品環境工程。