魚雷測試性設計技術框架與關鍵技術

周坤燁, 蔣 濤, 張 寧

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魚雷測試性設計技術框架與關鍵技術

周坤燁, 蔣 濤, 張 寧

(海軍工程大學 兵器工程學院, 湖北 武漢, 430033)

隨著測試性在新型魚雷研制中逐漸受到重視, 針對裝備測試性工作通用要求無法有效指導魚雷開展測試性設計的問題, 提出了一種適用于魚雷的測試性設計方法。首先對比分析了航空裝備與魚雷武器存在的設計差異; 隨后根據魚雷的保障特點制定了測試性設計的技術框架和工作方法; 最后, 重點對指標分配、測試性建模以及BIT設計這3個關鍵技術進行分析優化, 解決了以往在產品研制階段缺乏規范、有效的標準指導魚雷測試性設計的問題。

魚雷; 測試性設計; 技術框架

引言

近年來, 隨著裝備“六性”設計與分析在研制中的地位和作用得到重視, 測試性設計工作也在新型魚雷的方案設計中開展[1], 現已在3種型號的魚雷上推廣應用。對魚雷提高可靠性、維修性, 減少維修保障資源和降低壽命周期費用具有重要意義。

為指導測試性工作的開展, 我國已經頒布了一系列的軍用及民用標準, 并成功應用于某些型號裝備的測試性設計中。例如直-11的直升機完好性與使用檢測系統(healthy and usage monitoring systems, HUMS)[2]和C-919的健康管理系統[3]等。然而, 目前魚雷的測試性工作主要依據GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》, 其主要規定了一般性的測試性工作項目和要求, 但缺乏具體的有針對性的標準, 無法對于雷彈裝備的測試性設計開展有效地指導。

國內關于雷彈裝備測試性設計的研究主要有: 唐銀銀等[4]設計的一種魚雷自導系統的測試性驗證平臺, 有助于提升魚雷的機內測試(built- in test, BIT)設計; 張釗旭等[5]基于多信號流的方法對魚雷進行了系統級的測試性建模和分析工作; 呂雋等[6]提出運用邊界掃描技術, 在不增加彈上額外零部件情況下, 實現良好的機內測試; 肖明清等[7]分析了導彈不開箱測試的關鍵技術, 為魚雷包裝箱的測試性設計提供良好借鑒。綜上所述, 由于魚雷武器的測試性研究尚處于起步階段, 對于如何具體開展測試性設計缺乏系統的論述。文中通過對比分析魚雷武器與航空裝備的測試性設計差異, 結合魚雷保障特點, 提出一種適用于魚雷的測試性設計方法, 解決了以往在產品研制階段缺乏規范、有效的標準指導魚雷開展測試性設計的問題。

1 魚雷武器與航空裝備的區別

航空電子設備測試性設計是測試性技術發展的起源, 也同時引領了測試性技術的發展方向。由于魚雷武器具有長期貯存, 一次發射的特點, 與航空裝備的設計理念存在差異, 因此在測試性的設計方法上也需要進行改進, 不能照搬航空裝備的工作方法。魚雷武器與航空裝備相比, 主要有以下幾點不同。

1) 工作方式: 飛機在退役前一般可執行上千次飛行任務, 飛行時間累計達數萬小時, 需要開展經常性的維修保養工作。利用機上的預測與健康管理(prognostic and health management, PHM)系統和地面診斷系統交互可以減少外場測試的工作量[8]; 魚雷在庫房長期處于貯存狀態, 主要運用自動測試設備(automatic test equipment, ATE)對各艙段實現定期檢查, 外場的診斷能力較強。此外, 魚雷(戰雷)發射命中目標后便摧毀, 無法回收繼續使用, 因此需要合理權衡ATE和BIT設計。

2) 測試方法: 航空裝備發生故障后將造成難以預計的災難性后果, 所以應該具備在線測試的診斷能力。在系統運行中能夠進行實時監測和快速診斷維修, 以便處理危急情況減少損失[9]; 魚雷主要在發射前完成各項測試任務, 發射后即使發現故障也無法及時采取有效措施彌補[10]。 所以魚雷的測試性設計應適用于離線狀態下進行測試。

3) 設計約束: 航空裝備體積較大, 設置機內測試設備(built-in test equipment, BITE)和測試點所引起的質量體積變化不會對產品整體設計造成太大影響。因此可以采用大量BIT和傳感器設備提高飛機的自檢能力; 魚雷的直徑大小由于受到魚雷發射管限制, 只能在有限的空間開展測試性設計。同時還要考慮到魚雷的作戰效能以及航行時重心的穩定, 因此BITE引起的附加質量、體積、功耗應在規定的范圍內[11]。

2 魚雷測試性設計技術框架

魚雷測試性設計技術框架如圖1所示。測試性設計實現的主要功能包括狀態監控、故障檢測、故障隔離、虛警抑制和故障預測等[12]。考慮到魚雷的工程現狀, 對故障預測和實時監控的診斷能力暫不考慮, 虛警率也難以控制, 魚雷測試性設計實現的主要功能目標是故障檢測和故障隔離。

測試性設計技術主要包括固有測試性設計、機內測試設計和外部測試設計。測試性設計的介入越早越好, 從產品的固有測試性設計開始就明確劃分產品結構和功能, 有利于測試性工作的開展。針對魚雷的使用保障特點, 合理地權衡魚雷機內測試和外部測試診斷方案, 能夠充分發揮魚雷的外場診斷能力。

測試性設計工程任務主要由測試性指標分配、測試性建模、測試性預計、故障模式、影響及危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)和診斷設計組成。具體將在后文說明。

3 魚雷裝備測試性設計工作方法

3.1 測試性設計總體要求

測試性設計總體要求主要有以下幾點: 1) 測試性設計和產品方案設計應同步進行; 2) 測試性設計過程中應充分考慮工程上的可行性、可靠性和安全性; 3) BITE引起的附加質量、體積、功耗、元器件數量應在規定范圍內; 4) 應進行維修級別分析, 并根據維修級別對系統進行可更換單元劃分, 以便于故障隔離; 5) 在各維修級別上, 對每個被測單元(unit under test, UUT)應確定如何使用BIT、ATE和通用電子測試設備來進行故障檢測和故障隔離。

3.2 測試性設計工作流程

通過研究航空裝備的測試性工程, 提出魚雷測試性設計工作流程, 如圖2所示。首先, 根據裝備的頂層規范文件以及相似產品的設計經驗, 制定魚雷的測試性設計準則。其次, 根據測試性設計準則中的指標要求按系統級、現場可更換單元(line replaceable unit, LRU)級、車間可更換單元(shop replaceable unit, SRU)級自上而下進行分配, 并制定各級別的初步診斷方案, 包括BIT初步設計、測試點選取、固有測試性設計等。隨后, 根據FMECA報告和初步診斷方案進行系統的測試性建模工作, 基于該模型可以開展測試性預計和改進工作。若預計結果滿足設計要求, 則進行下一步, 否則返回修改模型。最后, 對改進的診斷方案可按維修級別開展診斷策略設計, 為ATE和BIT的詳細設計奠定良好的基礎。

4 關鍵技術分析

4.1 測試性指標分配

魚雷按兩級維修體制可分為基層級、基地級。基層級測試任務主要包括日常維護、技術準備和維修測試, 以更換故障段或LRU的換件維修為主。基地級主要是對送修的魚雷、故障段以及LRU進行檢測, 將故障隔離到SRU或最小可置換件。

因此, 魚雷的測試模式主要有4種(見表1)。包裝箱內檢測主要運用BIT和便攜式檢測設備進行定期檢修。全雷聯調依靠BIT、全雷檢測臺和輔助設備進行全雷組裝后的調試。段檢測和組件檢測主要依靠外部測試設備進一步隔離故障。

表1 測試模式

由于組件檢測可利用系統間的預留接口, 其故障檢測率和故障隔離率可達較高水平, 故不必對其進行分配, 所以主要對全雷到LRU級的測試性指標進行分配。

以包裝箱內檢測為例, 假定測試性要求中對其關鍵故障檢測率為95%。采用加權分配法, 選取故障率、故障影響、平均故障修復時間(mean time to repair, MTTR)、診斷難易程度、診斷成本5個因素對全雷進行分配, 加權系數取值范圍為0~5。得到魚雷包裝箱內測試指標分配如表2所示。

表2 測試性指標分配

4.2 測試性建模

魚雷的測試模式包含包裝箱內測試、全雷聯調和段檢測等, 對于不同級別的測試任務, 其指標要求不盡相同, 需要根據各級任務的故障定位要求, 建立相應的測試性模型, 從而作為測試性預計和診斷策略設計的依據。此外, 由于裝備的方案設計主要按系統進行設計與優化, 因此應首先按系統開展測試性建模工作, 如圖3所示。

1) 首先利用測試性初步診斷方案和FMECA報告進行建模數據的準備工作, 主要包括FMECA擴展表、產品結構信息、信號端口數據和測試點信息。

2) 進行各分系統的測試性建模工作。基于模型可以分析得到各分系統的不可測故障、冗余測試和測試性指標預計值。

3) 根據測試性預計與分析結果判斷產品是否符合設計要求, 如滿足則進入下一步, 不滿足則返回進行測試方案的改進優化。

4) 最后集成各系統的模型, 構建全雷以及各艙段的測試性模型, 并同樣進行測試性預計與改進工作, 為診斷策略的構建奠定良好基礎。

4.3 BIT設計

BIT按照系統運行模式可以分為上電BIT、周期BIT和維修BIT。合理設計這3種BIT, 能夠快速、準確地獲得故障診斷信息。

1) 上電BIT主要運用于魚雷包裝箱內檢測以及艇上測試, 實現魚雷發射前系統的通電自檢。

2) 周期BIT是在系統運行的過程中不斷發送檢測信號對系統進行實時監控, 然而目前魚雷發射后即使發現故障也無法采取有效措施彌補。

3) 維修BIT則是通過雷上預留接口與ATE結合共同完成設備各個系統或艙段的檢測, 進一步隔離故障, 獲得的診斷信息比上電BIT更詳細。

綜上所述, 考慮到魚雷是一種離線測試的裝備, 若加入周期BIT必然增加系統復雜度并且存在虛警問題。除此以外, 在故障注入時也難以模擬水下真實環境, 無法開展周期BIT的測試性驗證評估工作。所以魚雷在BIT的設計時應當以上電BIT為主、維修BIT為輔。

5 結束語

文中從工程實際出發, 提出了一種適用于魚雷武器的測試性設計方法并就其關鍵技術進行了分析優化。該方法已經成功應用于魚雷產品測試性設計, 下一步重點將研究如何開展魚雷的測試性驗證與評價工作。

[1] 梁志君. 強化魚雷研制通用質量特性監督工作的對策和方法[J]. 環境技術, 2017, 35(2): 50-53.Liang Zhi-jun. Countermeasures and Methods for Strengthening General Quality Characteristics Supervision of Torpedoes Development[J]. Environmental Technology, 2017, 35(2): 50-53.

[2] 張冀, 李書, 賀天鵬, 等. 直升機RMS與測試性綜合評估模型研究[J]. 系統工程與電子技術, 2016, 38(2): 470-474.Zhang Ji, Li Shu, He Tian-peng, et al. Research on the Comprehensive Helicopter RMS and Evaluation Model of Testability[J]. Systems Engineering and Electronics, 2016, 38(2): 470-474.

[3] 馬小駿, 左洪福, 劉昕. 大型客機運行監控與健康管理系統設計[J]. 交通運輸工程學報, 2011, 11(6): 120-125.Ma Xiao-jun, Zuo Hong-fu, Liu Xin. System Design of Operation Monitoring and Health Management for Large Passenger Aircraft[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2011, 11(6): 120-125.

[4] 唐銀銀, 喬純捷, 歐陽環, 等. 魚雷自導系統BIT驗證平臺設計與實現[J]. 計算機測量與控制, 2013, 21(9): 2483-2485.Tang Yin-yin, Qiao Chun-Jie, Ou Yang-huan, et al. Design and Implementation of BIT Validation for Torpedo Homing System[J]. Computer Measurement & Control, 2013, 21(9): 2483-2485.

[5] 張釗旭, 王志杰, 李建辰, 等. 基于多信號模型的魚雷測試性建模方法[J]. 水下無人系統學報, 2017, 25(4): 339-343.Zhang Zhao-xu, Wang Zhi-jie, Li Jian-chen, et al. Modeling Method of Torpedo Testability Based on Multi-Signal Model[J]. Journal of Unmanned Undersea System, 2017, 25(4): 339-343.

[6] 呂雋, 劉維罡. 導彈武器測試性設計與BIT技術[J]. 戰術導彈技術, 2015(3): 46-50.Lü Jun, Liu Wei-gang. Testability Design and BIT Technology of Missile Weapons[J]. Tactical Missile Technology, 2015(3): 46-50.

[7] 肖明清, 盛晟, 劉沁. 機載導彈不開箱測試關鍵技術分析[J]. 空軍工程大學學報(自然科學版), 2011, 12(6): 54-59.Xiao Ming-qing, Sheng Sheng, Liu Qin. Research on the Airborne Missile Test with Case[J]. Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition), 2011, 12(6): 54-59.

[8] 王少萍. 大型飛機機載系統預測與健康管理關鍵技術[J]. 航空學報, 2014, 35(6): 1459-1472.

Wang Shao-ping. Prognostics and Health Management Key Technology of Aircraft Airborne System[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2014, 35(6): 1459- 1472.

[9] 景博, 徐光躍, 黃以鋒, 等. 軍用飛機PHM技術進展分析及問題研究[J]. 電子測量與儀器學報, 2017, 31(2): 161-169.Jing Bo, Xu Guang-yue, Huang Yi-feng, et al. Recent Advances Analysis and New Problems Research on PHM Technology of Military Aircraft[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2017, 31(2): 161-169.

[10] 王偉, 孫起, 許軍. 魚雷自導系統BIT設計與分析[J].魚雷技術, 2010, 18(1): 31-34.Wang Wei, Sun Qi, Xu Jun. Design and Analysis of Built-in Test for Torpedo Homing System[J]. Torpedo Technology, 2010, 18(1): 31-34.

[11] Zhou H, Li H, Qi G, et al. Design for Testability Analysis and Test Plan Optimization for Launch Vehicle[C]// Guidance, Navigation and Control Conference. Nanjing: IEEE, 2016: 487-491.

[12] 石君友. 測試性設計分析與驗證[M]. 北京: 國防工業出版社, 2011.

(責任編輯: 許 妍)

Technical Framework and Key Technologies of Torpedo Testability Design

ZHOU Kun-ye, JIANG Tao, ZHANG Ning

(College of Weapons Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Testability receives more attention in development of a new torpedo, however it is difficult to effectively guide the testability design of a torpedo according to the general requirements of equipment testability. In this paper, the differences of design between aerial equipment and torpedo weapon are compared. Then, according to the characteristics of torpedo support, the technical framework and working methods of the testability design are proposed. Moreover, the key technologies of specifications allocation, testability modeling and built-in test(BIT) design are analyzed and optimized. This study may offer a normative and effective standard for product development stage to guide the testability design of a torpedo.

torpedo; testability design; technical framework

周坤燁, 蔣濤, 張寧. 魚雷測試性設計技術框架與關鍵技術[J]. 水下無人系統學報, 2018, 26(3): 258-262.

TJ630.6; TN06

A

2096-3920(2018)03-0258-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.012

2018-03-06;

2018-03-30.

周坤燁(1994-), 男, 在讀碩士, 主要從事武器系統運用與保障工程方面的研究.