航天導彈裝備自然環境試驗方法探討

趙朋飛，張生鵬，翟疆，李宏民

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航天導彈裝備自然環境試驗方法探討

趙朋飛，張生鵬，翟疆，李宏民

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

航天導彈型號裝備在研制階段，一般需要有針對性地開展典型或極端自然環境的投放試驗，以驗證和評價導彈武器系統對服役期可能經受自然環境條件的適應性。針對導彈型號自然環境試驗的實施過程，從試驗準備、試驗實施、試驗結束、試驗總結、試驗數據收集等方面對試驗關鍵環節進行技術或管理方法探討，以進一步規范和指導型號自然環境試驗工作的開展，提高試驗效率和試驗效果。

導彈裝備；自然環境試驗；定期檢測；失效分析

根據GJB 4239—2001《裝備環境工作通用要求》工作項目407[1]，自然環境試驗定義為將裝備（產品）長期暴露于自然環境中，確定自然環境對其影響的試驗，也稱為自然環境暴露試驗或自然環境投放試驗。自然環境試驗的特點是環境條件的真實性、環境因子影響的綜合性、試驗數據的溯源性、試驗結果的可靠性。環境適應性是型號產品通用質量特性“七性”保證工作要求之一，并且在質量特性中處于基礎和關鍵環節。通過科學有效地開展自然環境試驗，可以減少型號由于環境適應性問題而造成的反復維修，縮短研制周期和降低生產成本，對于全面提升導彈武器裝備環境適應能力，及確保其在壽命期內滿足全天候、多地域的使用要求，具有十分重要的意義。

目前，大氣環境實驗室模擬試驗項目及試驗水平已經發展較為完備，但是仍然無法完全代替自然環境試驗，因為實際存放條件下的多因素耦合作用、瞬時變化及時間效應等特點，在實驗室無法達到精確及真實的模擬。因此，必須持續不斷地開展裝備產品的自然環境試驗，驗證產品環境防護措施的不足及有效性，積累產品環境適應性數據，獲取試品的存放自然環境效應及退化失效機理。文中是在當前型號環境適應性保證系列要求的基礎上，對型號試驗樣品的準確選取、定期檢測、失效分析、組織管理等方面提出規范性要求，試圖解決目前存在的試品選取盲目、重復投放、質量控制不足、檢測數據不規范及管理分散、失效分析切入力度不夠、改進措施缺乏針對性、試驗數據利用程度低等問題，不斷提高型號自然環境試驗工作的規范程度、質量及效費比。

1 自然環境試驗目的和流程

航天導彈裝備一般在型號研制的初樣階段盡早統籌安排自然環境試驗工作，試驗樣品通過試驗一般應達到以下目的：暴露產品在設計、選材及工藝等方面缺陷和薄弱環節，驗證其環境適應性；積累環境適應性數據，為產品環境適應性設計提供依據；獲取產品的自然環境退化效應及失效機理，提高改進措施的針對性；驗證產品環境防護措施的有效性。型號自然環境試驗一般包括試驗前準備、投放試驗、定期檢測、測試結果判定、故障處理、試驗撤場、失效分析、試驗結果綜合評價和試驗總結等工作內容，試驗流程如圖1所示。

圖1 航天導彈裝備自然環境試驗工作流程

2 試驗前準備

2.1 組織分工

為了保證試驗質量及試驗工作的順利開展，一般由型號主管部門在試驗前組織成立試驗工作小組，全面負責自然環境試驗過程中的各項技術及管理事項。其中由試驗提出單位任組長，試驗承擔單位任副組長，各試品研制單位及自然環境試驗站作為成員參加，具體任務分工可參考如下。

1）試驗提出單位負責制定試驗方案、試驗大綱等文件，負責組織試品選取及評審、試驗總結及試驗資料歸檔等工作。

2）試驗承擔單位負責組織試品投放、定期檢測、撤場甄別、失效分析及試驗數據收集整理等工作，并對試驗各環節進行質量監督。

3）試品研制單位負責制定試品試驗實施細則、試品檢測報告等文件，提供試品、試品包裝、合格證明及有關試驗保障設備，并完成試品定期檢測及測試數據分析。

4）試驗站負責提供試品存放地點及貨架等，完成環境數據的定期采集和記錄，以及試品外觀檢查和定期維護測試、密封包裝檢查和更換等工作。

2.2 試驗文件編制

試驗開展之前，需要依據試驗輸入材料及產品特點等信息，編制試驗方案、試驗大綱、試驗實施細則等文件，通過審查后用于指導試驗各環節工作的具體實施。

1）確定試驗方案。試驗方案作為試驗開展的總要求及后續工作輸入，制定依據一般包括：產品研制總要求或研制任務書中有關貯存地點、環境適應性要求等條款；產品的結構和特點；產品預期使用過程和環境；已有的環境適應性信息。試驗方案的內容應包括：試驗目的、試驗依據、試驗類型、試驗方法、試驗產品的級別、種類與數量、試驗判據等，必要時可依據試驗方案編制試驗計劃。

2）編制試驗大綱。試驗大綱作為試驗實施的具體指導性文件，制定依據一般包括：環境工程有關國軍標、行業標準和企業標準等；試驗方案；產品技術文件中的環境適應性及檢查測試要求。試驗大綱的內容應包括：試驗性質、試驗目的、試驗項目及方法、試驗對象及其技術狀態、試驗條件、試驗設備、試驗程序、試驗數據收集及處理、試驗報告等。根據型號需要和研制實際，也可由試驗承擔單位負責編制試驗大綱。

3）制定試驗實施細則。試驗實施細則是由試品承制單位依據試驗大綱規定，針對每件或每類試品的特點制定的具體試驗實施方法，一般包括受試產品說明、試驗方法及程序、測試設備及儀器、檢測項目及方法、故障判據及故障處理、測試結果記錄及處理要求、試驗結果評定等內容。

2.3 試驗樣品選取

由于試驗樣品選取的多少直接關系到自然環境試驗的組織規模及經費開支等狀況，需要根據導彈武器系統壽命期環境剖面，分析可能遇到的自然環境對產品的影響，并依據試驗方案及試驗目的開展試品選取及分析，合理確定試品的種類和數量。目前，參試樣品一般由產品承制單位自行確定，這種方法存在明顯不足：缺乏有效、統一的選取規范和質量把控，在選取時往往存在較大的隨意性和保守性，導致部分種類產品過度投放和重復投放，偏離了型號武器系統的研制實際和環境適應性要求。因此，建議試驗前從選取原則、選取類型、選取數量等方面對試品的選取要求進行規范。

2.3.1 選取原則

試品在選取時可參考如下原則進行。

1）三新原則。應優先考慮新材料、新器件和新工藝等相關產品的試驗安排。

2）薄弱環節原則。應重點考慮對自然環境因素敏感及環境適應性薄弱的關鍵產品安排試驗。

3）環境覆蓋原則。應充分考慮產品的耐環境能力、安裝部位、暴露情況及壽命期可能遇到的環境條件。

4）繼承/相似性原則。應充分考慮各型號產品之間的繼承性及設計、工藝措施的相似性，避免不必要的重復投放和過量投放。

5）效益最大化原則。應在型號主管部門統一安排下，由試驗提出單位組織各成員單位共同制定出優化、組合、高效的試驗方案，以利用有限經費獲取最大的經濟及社會效益。

2.3.2 選取類型

根據導彈武器系統組成及產品特點，一般可將參試樣品分為以下三類。

1）I類：按照同一材料和工藝專門制作的試片、緊固件、結構件，可以為平板、管狀或其它形狀；

2）II類：元器件、部件和組件等產品。

3）III類：設備、整機及導彈。

2.3.3 選取數量

試品的選取數量可參考以下要求進行確定。

1）試品數量應滿足試驗目的、檢測要求（如破壞性檢測、對比檢測）及取回分析要求，并考慮經費和系統積累數據（延續試驗）的需要。

2）具有破壞性檢測項目的試品，總數量至少為各次檢測數量之和。

3）需要進行對比試驗或檢測參照的試品，參比試品數量一般不少于3件。

4）對于I類試品數量，一般至少3件，各向異性材料應在縱向和橫向分別取樣，大型結構件一般為1～2件；對于II類試品數量，根據產品尺寸、價值、制作難易程度或試驗性質確定，一般至少3件；對于III類試品數量，一般至少1件。具體可依據產品類別參考GB/T 14165—2008、QJ 2338A—2002等有關國標和行業標準[2-3]。

2.4 試品要求

參試樣品在確定以后，需要完成投產、出廠驗收、包裝和運輸等過程，一般性要求如下。

1）試品應按照產品技術要求或有關標準進行合格性檢驗和必要的預處理，確保試品的符合性。

2）試品應進行統一標識，可采用銘牌、標牌或條形碼等方式，主要內容包括試品類型、投試日期、投試狀態、投試單位等。標識應固定在不會對試驗造成影響的部位，并確保在試驗過程中清晰可辨。對于正、反面狀態相同的試品，應注明暴露面。

3）試品研制單位應按GJB 2001—1994等國軍標或行業標準的有關規定[4]，明確試品從廠所到試驗現場的包裝和運輸要求。

3 試驗實施

3.1 試品投放

試品準備好以后，由試驗承擔單位負責將試品運送到試驗現場，并組織試品承制單位前往試驗現場完成試品的投放、必要維護和試驗前測試等工作。試驗承擔單位及試品研制單位應共同對到達試驗站的試品進行開箱清點及狀態確認，并統一與試驗站完成試驗前交接。試品試驗狀態選擇應根據實際使用要求和試驗目的確定，一般包括裸露/包裝狀態、氣密狀態、單獨/組合狀態、自由/承載狀態等。試品存放一般采用支撐物或暴露架對試品進行擺放或懸掛，導彈及彈上設備一般以筒（箱）彈狀態或專用包裝箱形式存放。

3.2 定期檢測

試品投放試驗期間，需要對試品進行定期檢查和測試，以便及時跟蹤和監測試品外觀及性能的變化趨勢。開展試驗測試時一般應遵循以下要求：測試設備及儀器一般由試品研制單位自備，并在計量檢定合格有效期內；測試人員一般為試品研制單位人員，并經過培訓、考核和持證上崗；應盡量縮短測試時間，檢測后應將被試品或系統復原；若現場測試條件不滿足時，可將試品攜回研制單位進行測試，測試結束后應立即返回試驗現場并恢復試驗狀態，期間不允許對試品進行預防性維修或調整；被測參數應在允許誤差范圍內，測試不合格的參數應至少重復測試三次；及時填寫各項檢測記錄，完成試品檢測報告。

3.2.1 環境因素測量

試品存放環境數據可根據分析周期要求由試驗站提供，數據收集格式見表1，通常包括如下特征信息。

1）大氣環境因素：大氣溫度、相對濕度、太陽輻射、日照時數、氣壓、風向風速、降水、天氣現象等。

2）大氣腐蝕因素：海鹽離子、二氧化硫、氨、硫化氫、氯化氫、二氧化氮、臭氧、雨水組分、降塵等。

3.2.2 試品檢測

試品在試驗期間應進行定期檢測，檢測項目一般包括外觀檢查和性能檢測，具體檢測內容及適用試品類型見表2。試品檢測周期可參照表3確定，一般按照以下要求進行設置：根據試品技術狀態、密封狀況、存放時間、存放環境等因素確定檢測周期，以達到監測試品外觀及性能變化趨勢的目的；通常每3個月或6個月進行一次外觀檢查及每年進行一次性能測試，具體應根據產品規范（技術條件）的有關規定進行。在試驗前、試驗中及試驗結束時，由試驗承擔單位組織試品研制單位分別進行初始檢測、中間定期檢測及最終檢測，并將檢測結果記錄在試驗數據庫中。應加強試驗早期的觀察和檢測，發現異常數據應立即復查并采取補救措施。

表1 環境數據收集格式

表2 自然環境試驗試品檢測項目

表3 試品檢測周期

3.3 測試結果判定

試驗測試數據主要包括外觀檢查和功能/性能檢測兩類。在外觀方面，對試品變形、脫漆、銹蝕、長霉、變色、老化、變質、裂紋、分層、剝落、脫焊、泄漏、松動、卡滯、損壞等外觀缺陷進行分析和評價，歸納形成的直接原因及防護措施的薄弱環節。對于工藝涂層可參考有關GB/T 1766—2008、GB/T 6461—2002等國標或行業標準[5-6]進行等級評價；在功能/性能方面，充分利用外觀分析結果及影響，按照試品功能及性能要求進行工作試驗或測試，對比產品技術文件進行性能分析和評價。通常包括以下檢測內容：對金屬結構件及其材料試品，進行力學性能分析；對非金屬件的抗壓、抗拉、延伸率、硬度、耐燒蝕、耐沖刷強度及無損探傷（如發動機）情況進行分析；對電子設備及元器件，機械設備及零部件，泵、閥等液壓組件的性能參數進行分析；對一次性使用產品，按照功能要求進行工作試驗，進行試驗結果分析；火工品發火性能分析；密封性能分析；理化性能分析；對有包裝要求的試品，進行包裝措施的效果分析。

3.4 故障處理

試品出現故障時，應及時分析故障模式及原因，確定故障機理，根據故障判據和試驗目的判斷試驗是否結束，并采取相應的處理措施。一方面，試驗以驗證產品的環境適應性為目的，出現下列情況之一，該試品試驗結束：經檢測確認試品喪失規定的功能；試品外觀出現缺陷；試品出現性能指標超差。另一方面，試驗以暴露缺陷及薄弱環節為目的，按照下列方式處理：經檢測確認試品喪失規定的功能，該試品試驗結束；試品外觀出現輕微缺陷，不影響試品性能時（不進行維修），繼續試驗；試品出現性能指標超差，且對功能沒有影響或影響可以忽略時，經分析確認若有必要，可繼續試驗。

由試品故障造成試驗結束的，應在采取故障處理及糾正措施后，補投新試品或重投改進后的試品；由選材、設計、工藝、自然環境等因素導致的試品故障，應計入自然環境試驗故障；由裝卸、運輸包裝、檢查測試等操作不符合技術規程而造成的試品故障，不計入自然環境試驗故障。

4 試驗結束

4.1 試品撤場

試驗結束后，應對試品檢測數據進行整理和對比，分析試品外觀及性能指標的變化趨勢。結合存放環境條件及效應分析，評估試品在存放或使用中可能存在的隱患。若需獲得試品外觀及性能退化或失效的深層次原因及機理，應進一步開展失效分析試驗。

4.2 失效分析

應對試驗中發生故障及試驗結束判定存在隱患的試品開展失效分析，確定其失效模式、失效原因和失效機理，提出產品設計、選材、工藝及使用維護等方面的改進措施。試品在存放現場出現故障后，在取回實驗室開展失效分析前一般按以下要求進行預處理：調查和取證試品現場失效信息，試品移動前拍照，記錄失效環境參數；條件允許時現場完成對試品的非破壞性分析和測試；試品轉移時應做好適當的密封保護和減振措施，避免引入二次損傷；綜合分析失效現象、失效環境及測試結果等信息，初步推理和歸納試品失效模式。

在進行失效分析試驗前，試驗承擔單位應首先根據試品失效信息制定合理的試驗分析方案，并依據試品類型及特點選擇相應的失效分析方法，具體可參考GJB 3233—1998、HB 7739—2004等國軍標或行業標準[7-8]。其次，應通報試品研制單位，試驗須在雙方共同確認分析方案后進行。同時，試品承制單位應提供試品的設計要求及性能參數，必要時配合進行相關測試和分析。

失效分析試驗結束后，試驗承擔單位應編寫和出具失效分析報告，并履行簽署、審批手續。然后及時將失效分析報告提交至試品承制單位，試品承制單位應對失效分析結論和建議進行處理，并將處理結果上報主管部門進行監督落實。失效分析報告一般包括以下內容：任務的來源；失效背景描述，包括失效件基本信息（名稱、型號、技術狀態、基本功能等）及失效信息（失效時間、失效地點、失效環境等）等；失效分析方案及分析內容；失效分析過程，可采用照相、攝像及錄音等方式記錄分析現象和過程，試驗過程中的各項檢驗測試均應有相應的分析報告；綜合分析；失效分析結論，確定的失效部位及失效模式，明確的失效原因及失效機理；改進措施及建議；試驗結果分析與評價，對收集的各類試驗數據進行綜合分析和處理，深入開展失效/故障機理分析，并對產品自然環境適應性進行評價。

4.3 試驗數據收集及傳遞

試驗過程中會產生大量有用的基礎信息及檢測數據，包括環境數據、試品基本信息及材料/工藝特性、試驗要求、定期檢測數據、失效分析結果及報告、結論及改進建議等信息（見表4）。這些試驗數據應由試驗承擔單位負責收集、整理和分析，并納入型號專用的自然環境試驗數據庫中進行統一管理。試驗承擔單位定期向試驗提出單位及各產品研制單位進行數據的傳遞與共享，為型號產品進行環境適應性評價及選材、選型、改進設計等提供參考和使用建議。同時，在后續型號確定投放試品種類和清單時，可以利用現有環境適應性數據進行調研和查新，在一定程度上可避免試品的盲目選取和過度投放。

表4 試品檢測數據收集格式

4.4 試驗結果綜合評價

目前，裝備環境適應性評價方法主要分為兩類。

1）定性分析。評價判據為在自然環境條件下，武器裝備能夠完成規定的功能、性能且不被破壞。一般采用工程評定方法，評價結果劃分分為適應和不適應。

2）定量分析。采用模糊數學的方法，選取主要環境因素及環境指標對導彈武器裝備進行環境適應性綜合評價。

環境因素多且作用機理復雜，不易操作且定量評價困難。建議采用定性分析和半定量法，即結合環境應力強度、性能測試等測試數據對裝備的環境適應水平進行半定量說明。此外，相關研究人員發展了較多環境適應性評價的具體實踐方法，如直接評價法、相似產品法、相關性評價法、試驗評價法（包括現場、實驗室加速、部隊使用、仿真）、長期監測法等，并利用型號裝備產品開展了工程應用及案例分析[9-11]。

試驗結束后，試驗工作組應按照型號總體環境適應性要求，對收集的各類試驗數據采用適當數學方法進行綜合分析和處理，結合使用環境類型及產品特征，深入開展環境退化效應及失效（故障）機理分析，選擇合適的評價方法對裝備產品自然環境適應性作出評價。

5 試驗總結

試驗工作組在自然環境試驗結束后，應及時對整個試驗過程及試驗結果進行分析和總結，將試驗流程中產生的各類文件及報告匯總形成試驗總結報告，主要包括以下內容。

1）試驗依據。列出試驗的依據性文件，包括試驗大綱（細則）、技術條件以及相關的標準規范。

2）試驗概述。對試驗時間、地點、參試單位和人員、試驗完成情況等進行概要描述。

3）參試設備技術狀態。說明參試設備和試品的技術狀態及在研制過程中所屬階段或批次，試驗中所用儀器設備的型號規格及其有效性。

4）試驗過程及試驗數據。描述試驗步驟、試驗現象，匯總、歸納和整理試驗的各項結果，以數據、曲線和各種圖表的形式清晰表達，對試品試驗數據和環境數據進行分析。

5）試驗故障及處理方法。對試驗中出現的故障或異常現象進行故障原因和機理分析，并說明采取的解決措施。

6）試驗結果分析。分析和評價試驗結果是否滿足產品技術文件或試驗大綱的要求。

7）試驗結論。根據試驗大綱的相關要求，對產品環境適應性作出評價，并對產品的選材、設計、生產和工藝提出改進措施，對產品維護措施和環境防護提出改進意見。

6 結語

文中梳理了航天導彈裝備開展自然環境試驗的工作流程，重點圍繞參試樣品這條主線，從試品的選取、測試及分析等方面分析和闡述了試驗相關的一些管理方法和工程經驗。為進一步規范和指導型號裝備自然環境試驗的順利實施，對關注自然環境試驗的工程技術和管理人員提供一些參考和幫助。

[1] GJB 4239—2001, 裝備環境工程通用要求[S].

[2] GB/T 14165—2008, 金屬和合金大氣腐蝕試驗現場試驗的一般要求[S].

[3] QJ 2338A—2002, 固體火箭發動機貯存試驗方法[S].

[4] GJB 2001—1994, 火工品包裝?運輸?貯存安全要求[S].

[5] GB/T 1766—2008, 色漆和清漆涂層老化的評級方法[S].

[6] GB/T 6461—2002, 金屬覆蓋層腐蝕試驗后的電鍍試樣的評級[S].

[7] GJB 3233—1998, 半導體集成電路失效分析程序和方法[S].

[8] HB 7739—2004, 航空金屬制件失效分析程序與要求[S].

[9] 汪學華. 自然環境試驗技術 [M]. 北京: 航空工業出版社, 2003.

[10] 宣衛芳. 裝備與自然環境試驗 [M]. 北京: 航空工業出版社, 2011.

[11] 楊軍鋒, 孫敏. 空空導彈溫度-高度環境適應性模擬試驗方法研究[J]. 環境技術, 2015, 33(5): 43-48.

Testing Methods for Space Missile Materiel in Natural-environment

ZHAO Peng-fei, ZHANG Sheng-peng, ZHAI Jiang, LI Hong-min

(Aerospace Science & Industry Corp Defense Technology R&T Center, Beijing 100854, China)

Generally, typical or extreme natural-environment drop tests have to be performed specially for space missile materiel in the development stage, in order to validate and evaluate the adaptability level of missile systems which endure the natural-environmental stress probably in service. This paper focused on the process of natural-environment tests of missile model, and discussed techniques and management methods on main procedures, e.g. preparation, performance, completion, summery and data collection of test to further normalize and guide natural-environment test and improve testing efficiency and effect.

missile materiel; natural-environment test; periodic examination; failure analysis

10.7643/ issn.1672-9242.2017.11.008

TJ760.6

A

1672-9242(2017)11-0037-07

2017-06-30；

2017-07-31

趙朋飛（1985—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為裝備環境與可靠性技術、材料及結構環境-力學耦合失效研究等。