導彈裝備貯存壽命加速試驗技術(shù)體系探討

張生鵬，李宏民，趙朋飛

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

導彈裝備具有“長期貯存，一次使用”的特點，在導彈產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)，絕大部分的時間是處于貯存或不工作狀態(tài)。目前各型號研制中，都將導彈貯存若干年后的可靠度作為導彈的一項重要指標。對于如何開展導彈貯存壽命指標的考核與驗證，目前還缺乏有效的標準和規(guī)范作為依據(jù)。如果通過長期的自然貯存來驗證導彈的貯存期，對于軍方要求武器型號在定型時能給出貯存期結(jié)論顯然是不現(xiàn)實的。因此，開展導彈加速貯存試驗技術(shù)研究是適應當前型號研制周期短、經(jīng)費少、可靠性要求高的形勢需要。

導彈裝備的研制是一個系統(tǒng)工程，要全面實現(xiàn)并滿足貯存可靠性指標要求，需要在研制過程中及早制定試驗計劃，分階段、針對不同級別和層次的產(chǎn)品系統(tǒng)地開展貯存壽命加速試驗驗證工作。目前在GJB 450A《裝備可靠性工作通用要求》[1]及GJB 4239《裝備環(huán)境工程管理》[2]中，已經(jīng)建立了比較完善的可靠性試驗及環(huán)境試驗技術(shù)體系。對于壽命試驗，還缺乏相應的標準體系框架。文中針對導彈產(chǎn)品的特點，結(jié)合國內(nèi)外貯存壽命加速試驗技術(shù)研究現(xiàn)狀[3-4]，探討開展導彈裝備貯存壽命加速試驗技術(shù)研究的維度、試驗時機及總體技術(shù)途徑，提出在其全壽命周期應開展貯存壽命加速試驗的工作項目，為快速驗證及評估新研裝備的貯存壽命，以及評定現(xiàn)役裝備的剩余壽命提供依據(jù)。

1 導彈裝備貯存壽命加速試驗技術(shù)要點

1.1 技術(shù)特征

目前，國內(nèi)掀起了導彈加速貯存試驗與評估技術(shù)研究熱潮，但技術(shù)難度大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面[4]。

1）結(jié)構(gòu)復雜，可能失效的環(huán)節(jié)多。導彈裝備結(jié)構(gòu)復雜，是由不同種類原材料、元器件、多層產(chǎn)品構(gòu)成的復雜體系。體系中不管是材料器件的問題、工藝的問題、設計的問題，還是使用的問題等，最終都會在貯存使用過程中暴露出來。

2）環(huán)境剖面復雜。導彈裝備在貯存壽命內(nèi)經(jīng)歷的環(huán)境剖面包括工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)，且交替出現(xiàn)。在長期貯存過程中，受到溫度、濕度等因素的影響，隨著貯存年限的增加，會發(fā)生材料老化、腐蝕，元器件、含能材料、磁性結(jié)構(gòu)的性能衰退等物理或化學變化。在“地面使用”過程中受振動、沖擊、電應力等因素的影響會產(chǎn)生疲勞、磨損、過應力等物理損傷。

3）失效原因、過程復雜。盡管貯存延壽主要研究非工作狀態(tài)下的壽命問題，但在導彈的貯存剖面內(nèi)，由于長期貯存和“地面使用”交替出現(xiàn)，導致難以辨別導彈產(chǎn)品發(fā)生失效的原因和過程，增加了研究的難度。

4）失效模式多，失效判據(jù)制定難。導彈裝備的失效模式很多，部分失效模式之間還具有相關(guān)性，單一失效模式的失效數(shù)據(jù)又很少，這些都給制定科學有效的失效判據(jù)帶來了困難。目前國內(nèi)普遍缺少用于表征貯存壽命的性能參數(shù)指標體系及其判據(jù)，成為制約貯存延壽工作的瓶頸問題。

5）老化過程監(jiān)測檢測難。貯存壽命加速試驗主要研究產(chǎn)品的老化問題，最直接、最有效的方法是對老化過程進行監(jiān)測。由于老化速度非常緩慢，監(jiān)測的時間很長，對檢測設備的靈敏度和可靠性要求高，特別是對傳感器的要求很高。

因此，貯存壽命加速試驗不僅僅是壽命問題，還包含了對導彈研制的再認識。貯存延壽技術(shù)涉及損傷力學、失效化學、失效物理、材料學、航空航天技術(shù)、環(huán)境工程、統(tǒng)計學、失效分析學等眾多學科領域，專業(yè)面廣，對國家的工業(yè)基礎依賴很強，是一項基礎性、長遠性、全局性的研究課題。

1.2 技術(shù)研究維度

針對導彈裝備貯存壽命研究的這些特點，文中提出從應力類型、產(chǎn)品類別及產(chǎn)品層次三個維度開展貯存壽命加速試驗技術(shù)的研究，如圖1所示。

1.2.1 產(chǎn)品層次

從產(chǎn)品層次劃分，導彈從上至下可分為系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、整機級和元器件材料級[5]，如圖2所示。針對不同層次的產(chǎn)品，貯存壽命加速試驗的目的和方法不同。

1.2.2 產(chǎn)品類別

按照產(chǎn)品類別，將導彈產(chǎn)品分為電子產(chǎn)品、機電產(chǎn)品、光電產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)件、彈性元件、含能產(chǎn)品（火工品，發(fā)動機）等，如圖3所示。不同類別產(chǎn)品的壽命特征參數(shù)及其檢測方法不同：對于結(jié)構(gòu)件、光學產(chǎn)品、電路板等，主要采用無損檢測的方法；對于電子產(chǎn)品（包括軟件），需要采用電參數(shù)測試及數(shù)學統(tǒng)計分析相結(jié)合的方法進行評價；對于機電產(chǎn)品，需要進行電參數(shù)測試及負載測試；對于含能產(chǎn)品，則需要通過點火等方式進行測試。

1.2.3 應力類型

根據(jù)導彈裝備實際貯存任務剖面、包裝狀態(tài)下的敏感環(huán)境應力選取相應的加速模型，如圖4所示。

1.3 試驗時機

根據(jù)研制各階段的貯存試驗任務及可能提供的試驗產(chǎn)品情況，在研制過程中及早制定試驗計劃，分階段、針對不同級別和層次的產(chǎn)品系統(tǒng)地開展貯存壽命加速試驗驗證工作。一般按以下方法選取。

1）方案階段及初樣階段：可選取采用的新材料、新元器件/零部件以及影響導彈貯存壽命的薄弱部件作為試品。薄弱環(huán)節(jié)的貯存壽命加速試驗結(jié)果是開展彈上設備和分系統(tǒng)加速試驗的基礎和前提。

2）試樣階段：選取關(guān)鍵的彈上設備作為試品。

3）定型階段：選取關(guān)鍵的彈上設備、分系統(tǒng)/全彈作為試品。

此外，在裝備交付使用階段，也可開展不同級別和層次產(chǎn)品的貯存壽命加速試驗，用于評定產(chǎn)品的剩余壽命。

1.4 技術(shù)途徑

為了驗證和評價導彈裝備的貯存壽命指標是否滿足研制總要求或任務書的要求，以導彈裝備的產(chǎn)品層次為主線，建立從薄弱部件、整機到分系統(tǒng)/全彈的整體的加速壽命試驗總體技術(shù)方案，如圖5所示。

該方案中，導彈貯存壽命加速試驗輸入的數(shù)據(jù)包括：導彈全壽命周期貯存環(huán)境條件數(shù)據(jù)；貯存失效數(shù)據(jù)，包括靶場靶試數(shù)據(jù)、貯存定期檢測數(shù)據(jù)，自然貯存失效數(shù)據(jù)及貯存可靠性分析數(shù)據(jù)。

開展薄弱部件加速貯存試驗的目的是確定各環(huán)節(jié)的壽命分布模型及加速模型，其結(jié)果是開展彈上設備、分系統(tǒng)/全彈加速試驗的基礎和前提。彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品可采用恒定應力或者步進/步退應力加速試驗方案[6-7]。

對于彈上設備等整機級產(chǎn)品只開展驗證性試驗，其目的是根據(jù)底層材料、器件、部組件的壽命信息和加速試驗結(jié)果，建立整機產(chǎn)品貯存壽命模型，求取整機加速因子，通過加速試驗剖面在較短的時間考核驗證產(chǎn)品的貯存壽命。整機級產(chǎn)品采用貯存壽命加速驗證試驗與貯存后可用性驗證試驗相結(jié)合的試驗方案[8-9]。

分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗也是驗證性試驗，因為依靠常規(guī)不同類型的加速試驗方法，試驗件數(shù)量滿足不了要求，成本太高。分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗需要依托構(gòu)成導彈的底層材料、器件、部組件、整機的壽命信息和加速試驗成果，自上而下、綜合集成、形成加速試驗驗證方法。分系統(tǒng)/全彈采用貯存壽命加速驗證試驗與貯存后飛行靶試相結(jié)合的試驗方案[4]。

2 導彈裝備貯存壽命加速試驗工作項目探討

2.1 貯存環(huán)境數(shù)據(jù)歸納

通過分析導彈貯存任務剖面，進行貯存環(huán)境條件分析，確定產(chǎn)品失效或退化敏感應力。

導彈全壽命周期貯存環(huán)境條件數(shù)據(jù)，需要與實際貯存環(huán)境或研制總要求/任務書對應。

貯存環(huán)境載荷譜是進行導彈貯存可靠性（壽命）設計、分析的基礎和輸入，同時，實際貯存狀態(tài)的環(huán)境載荷譜也是進行導彈貯存可靠性和貯存壽命試驗驗證和評估的依據(jù)，提供了加速貯存試驗的基準。

2.2 貯存失效信息分析

收集導彈裝備貯存失效模式及失效機理數(shù)據(jù)，為確定貯存壽命薄弱環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

1）調(diào)研分析收集的戰(zhàn)備值班、演習靶場、靶試等外場數(shù)據(jù)，調(diào)研在演習、靶試時導彈裝備上工作不正常、性能退化及失效的組件。

2）調(diào)研分析導彈裝備的定期檢測數(shù)據(jù)，從中分析出導彈裝備性能參數(shù)的退化趨勢。有明顯單調(diào)退化趨勢的產(chǎn)品通?？梢源_定為導彈裝備的貯存薄弱元器件及組件。

3）重點關(guān)注采用新材料、新器件、新工藝的產(chǎn)品。在材料與器件壽命分析的基礎上，找出導彈裝備與筒（箱）彈的貯存可靠性薄弱元器件及組件。

4）通過可靠性預計，估計導彈故障率較高的環(huán)節(jié)和產(chǎn)品。通過FMEA以及P-FMEA確定導彈設計上的薄弱元器件及組件以及這些薄弱元器件及組件的敏感應力。

2.3 薄弱部件加速試驗

彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品貯存壽命加速試驗的目的是確定其壽命分布模型和加速模型類型及其參數(shù)，其結(jié)果是開展彈上設備、分系統(tǒng)/全彈加速試驗的基礎和前提。

1）彈上薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)品，包括材料件、元器件及部組件可采用恒定應力或者步進/步退應力加速試驗方案。

2）薄弱元器件及組件貯存失效模式分析應考慮導致貯存失效的各種影響因素，包括產(chǎn)品的物理及力學性能、貯存環(huán)境條件、環(huán)境防護措施及安裝方式等，通過失效機理分析確定導致薄弱元器件及組件失效的物理化學過程及失效敏感應力，為加速模型的選擇提供依據(jù)。

2.4 整機加速試驗

整機加速試驗的目的是根據(jù)底層材料、器件、部組件的壽命信息和加速試驗結(jié)果，建立產(chǎn)品在實驗室加速試驗狀態(tài)下的失效與自然貯存失效的等效關(guān)系，通過加速試驗在較短的時間驗證和評價產(chǎn)品的貯存壽命是否滿足規(guī)定的指標要求。

1）整機加速貯存試驗是驗證性試驗。整機采用貯存壽命加速驗證試驗與貯存后可用性驗證相結(jié)合的試驗方案。

2）固體火箭發(fā)動機，戰(zhàn)斗部及火工品等采用GJB 1307A—2004《航天火工裝置通用規(guī)范》[10]推薦的加速老化試驗與貯存后環(huán)境及性能試驗相結(jié)合的試驗方案。

3）整機加速通過加速因子進行時間折算，根據(jù)整機加速因子、實際貯存環(huán)境，設計貯存壽命加速試驗剖面，并開展試驗驗證。因此根據(jù)材料、器件級的加速試驗數(shù)據(jù)求取整機加速因子是關(guān)鍵。

2.5 分系統(tǒng)/全彈加速試驗與評估

以產(chǎn)品貯存薄弱環(huán)節(jié)與壽命短板分析為基礎，實際貯存環(huán)境載荷譜與載荷譜編制為基準，底層產(chǎn)品（材料、元器件、部組件等）和整機（電子類、機電類、光電類和結(jié)構(gòu)類）加速試驗信息為支撐，采用金字塔式建模方式，建立貯存條件下分系統(tǒng)/全彈的貯存壽命模型，開展貯存期加速試驗驗證與評估。

1）分系統(tǒng)/全彈加速貯存試驗是集成性試驗。需要依托構(gòu)成導彈的底層材料、器件、部組件、整機的壽命信息和加速試驗成果，自上而下、綜合集成、形成加速試驗驗證方法。分系統(tǒng)/全彈采用貯存壽命加速試驗驗證與貯存后飛行靶試相結(jié)合的試驗方案。

2）利用各整機/分系統(tǒng)的壽命試驗數(shù)據(jù)以及導彈薄弱環(huán)節(jié)分析結(jié)果，結(jié)合導彈飛行試驗信息和地面試驗信息，綜合部隊的使用維護信息和飛行試驗數(shù)據(jù)，評估導彈分系統(tǒng)/全彈的貯存可靠度。

3 展望

受限于主客觀因素的影響，目前導彈裝備貯存壽命加速試驗技術(shù)體系尚不完善，還沒有形成相應的標準和規(guī)范。隨著導彈貯存壽命加速試驗技術(shù)及壽命評估方法研究的不斷深入，將不斷加深對導彈貯存壽命指標的認識及對導彈貯存試驗的理解。后續(xù)將對體系框架中涉及的相關(guān)技術(shù)問題仍需進一步深入研究。

1）從原材料、元器件向整機、分系統(tǒng)/全彈級加速試驗方向發(fā)展。研究表明，僅做低層級產(chǎn)品的加速貯存試驗并不能反映高層級產(chǎn)品的真實失效情況，很多在高層級產(chǎn)品上暴露出來的失效現(xiàn)象，不能夠通過由其所包含的低層級產(chǎn)品的加速貯存試驗反映出來。究其原因是開展整機、分系統(tǒng)/全彈級產(chǎn)品的加速壽命試驗，產(chǎn)品的邊界條件更為真實，更能反映產(chǎn)品的真實壽命歷程。因此，加速貯存試驗的產(chǎn)品層次越高，得出的結(jié)論越可信。提升加速試驗的應用對象級別是裝備貯存可靠性領域亟待解決的問題。

2）從單應力加速向多應力耦合加速試驗方向發(fā)展。導彈裝備在全壽命周期內(nèi)經(jīng)歷的階段及面臨的環(huán)境因素多樣，既有自然環(huán)境，又有誘發(fā)環(huán)境，以及通電工作應力及復雜工況耦合應力。因此，產(chǎn)品的失效往往存在多個失效模式和多個失效機理，從單應力加速向多應力加速方向發(fā)展是提高試驗驗證準確性的關(guān)鍵。開展多應力條件試驗能夠再現(xiàn)產(chǎn)品實際經(jīng)受的、同時發(fā)生的應力，能夠產(chǎn)生綜合的應力效應，因而能夠更有效地進行裝備的壽命預測及全壽命周期環(huán)境適應性的考核驗證。

3）向“環(huán)境適應性評價-壽命預測-可靠性驗證考核”一體化試驗方向發(fā)展。環(huán)境試驗、可靠性試驗及壽命試驗幾乎同樣貫穿于產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、定型的各個階段。雖然這些試驗隨著階段的不同其目的和針對性都有所不同，但無疑這些試驗都是在實驗室受控的環(huán)境條件下進行的，所用的環(huán)境因素、應力類型和試驗設備都基本類似，并且加速壽命試驗在一定程度上可以覆蓋環(huán)境適應性的試驗條件，又能夠得出量化的可靠性指標。因此開展“環(huán)境適應性評價-壽命預測-可靠性驗證考核”一體化的試驗方法研究，可以推動試驗模式的轉(zhuǎn)變，在一定條件下進行試驗項目的綜合、協(xié)調(diào)、避免重復試驗。

[1] GJB 450A—2004, 裝備可靠性通用工作要求[S].

[2] GJB 4239—2001, 裝備環(huán)境工程通用要求[S].

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[10] GJB 1307A—2004, 航天火工裝置通用規(guī)范[S].