縮短透波罩測試時間的方法研究

/北京航天長征飛行器研究所

未來武器的發展趨勢是高精度、強突防、大威力,透波罩作為保護雷達、光學等目標敏感器的關鍵部件,通常位于再入飛行器的最前端,既保護導引頭免受嚴酷氣動環境影響,又必須保證不影響導引頭的電性能,可以說透波罩是未來武器發展的關鍵技術,其性能優劣直接影響型號的成敗。

北京航天長征飛行器研究所的透波罩測試系統是中國運載火箭技術研究院唯一的一套透波罩測試系統,承擔著全院武器型號的透波罩測試任務。研究所對60臺不同型號與批次的透波罩的測試時間進行進一步統計,發現測試時間最短為26.5小時,最長為34.4小時,平均時間為30.7小時,即4個工作日(8小時為一個工作日)可完成一個透波罩的測試。由于透波罩交付前必須100%進行驗收測試,目前的測試能力將嚴重影響型號任務的計劃進度。為此,針對型號科研生產管理中關鍵短線一一透波罩測試時間較長,有必要對項目管理的薄弱環節進行改進。

一、總體工作策劃

1.測試原理

透波罩的電性能測試采用方向圖比較法,即在相同條件下對加上透波罩前、后導引頭的電性能變化進行測試,如圖1所示。

透波罩測試流程如圖2所示。其中,空臺、復臺測試均為無罩狀態測試,當空臺和復臺測試的數據一致性在5%內時,可判定測試系統穩定,測試數據準確、有效。

2.測量系統分析

為了進行測量系統分析,由3人進行分別測量,記錄10個透波罩的測試時間,具體如表1所示。通過方差分析可知,由于所有參數均滿足測量系統可靠指標要求,故測量系統可靠穩定,重復性以及再現性也都符合要求。

3.過程穩定性分析

對歷史記錄中某型號透波罩的測試時間及10臺樣本透波罩的測試時間進行過程控制分析,進而分析測量系統過程穩定性。由I-MR控制圖可知,測試時間均在控制界限內,過程穩定且處于受控狀態。

4.過程能力分析

對各環節測試時間進行過程能力分析,進而分析測量系統過程能力。由過程能力分析得出,透波罩測試時間過程能力低,具有很大改善空間。

5.測試流程梳理

圖1 方向圖比較法

圖2 透波罩測試流程圖

表1 測量系統分析

為了獲取透波罩測試時間的各環節分配情況,從已獲得的60只透波罩測試時間數據中隨機抽取20組進行統計,各環節的平均測試時間排列如圖3所示。其中,帶罩測試、復臺測試、空臺測試、數據處理等環節構成測試時間的主要組成部分,總和占近85%的測試時間。

二、實施內容

1.測試流程優化

經過對透波罩測試流程的梳理,優化測試流程,如圖4所示。帶罩測試、復臺測試、空臺測試、數據處理等環節構成測試時間的主要組成部分,總和約占87.8%的測試時間。

2.影響因素鑒別

從人、機器、材料、方法、環境、測量6個方面入手,對影響透波罩測試時間的因素進行因果矩陣分析,進而對相關影響因素進行篩選評價,如表2所示。

圖3 各環節測試時間排列圖

圖4 測試流程優化

運用Pareto圖分析因果矩陣篩選結果,如圖5所示。通過因果矩陣Pareto圖發現,占87%測試時間的7個因素分別是采樣范圍、采樣方式、采樣間隔、 掃描角范圍、轉臺步進精度、工裝設計不合理、數據處理方式,并針對這7個因素進行具體分析。

三、具體方法

1.影響因素分析

采樣范圍分析。對不同采樣范圍的透波罩測試時間采用相關分析,隨著采樣范圍的增加,測試時間有明顯增加的趨勢,得到采樣范圍與測試時間高度相關,進一步計算可以得到采樣范圍與測試時間的擬合線圖。

圖5 因果矩陣Pareto圖分析

采樣方式分析。對不同采樣方式下的透波罩測試時間采用雙樣本T假設檢驗,發現不同采樣方式下的透波罩測試時間差異具有統計學明顯性,測試時間差異為9.52小時。

采樣間隔分析。對不同采樣間隔下透波罩的測試時間進行統計,并進行單因素方差分析。可以看出,采樣間隔對透波罩的測試時間有較大影響。

掃描角范圍分析。對不同掃描角范圍的透波罩測試時間采用相關分析,發現隨著掃描角范圍的增加,測試時間有明顯增加的趨勢,得到掃描角范圍與測試時間高度相關。

轉臺步進精度分析。對不同步進精度下透波罩的測試時間進行統計,并進行了雙方差F檢驗,得出步進精度對透波罩的測試時間有較大影響。

工裝設計不合理分析。對不同工裝、不同人員透波罩架設時間采用單因素方差分析,得出工裝的對準方式對透波罩測試時間無明顯影響。

數據處理方式分析。對不同處理方式下的透波罩測試時間采用配對各環節測試時間檢驗,得出數據處理方式對透波罩測試時間無明顯影響。

2.影響因素改善

無交互影響因素改善。傳統采樣方式為步進式采樣,這種方式可靠性高且容易控制,但是時間較長。結合國內外相關工程領域研究現狀,設計并實現了一種脈沖掃描式的測試方式。

在脈沖采樣方式、脈沖步進精度為1°的條件下進行透波罩測試試驗,得到如表3所示的數據,圖6將改善前后的數據繪制在一條折線上,更加直觀。可以看出,改善后效果明顯。

全因子設計。通過影響因素分析發現4個關鍵影響因素是:采樣范圍、采樣間隔、步進精度、掃描角范圍。考慮各因素及其交互作用,決定采用全因子試驗,并在中心點處進行3次試驗,一共進行19次試驗(即24+3),分別對每個因素設定高低2個水平。全因素試驗結果正態效應圖,如圖7所示。

表3 改善前后透波罩測試時間對比

圖6 改善前后透波罩測試時間

各因素主效應圖,如圖8所示。可以看出,采樣間隔、步進精度、掃描角范圍三者回歸線較陡,故主效應影響確實顯著;而采樣范圍回歸線較平,故主效應影響確實不顯著。

進一步優化,得出透波罩測試時間的曲面圖。針對響應曲面試驗設計結果,對透波罩測試時間進行望小(24小時)優化,主要關鍵因素參數優化如表4所示。

圖7 全因素試驗設計正態圖

圖8 各因素主效應圖

表4 關鍵因素參數優化

四、實踐效果

1.項目改進驗證

按照改進后的測試流程及關鍵因素,針對同一批次15臺透波罩重復進行測試,發現數據均在控制線內,系統過程穩定,改善效果良好。

2.完善項目制度

按照質量體系認證要求制定了相關的規范文件,進一步完善了透波罩測試流程,制定了相關的規范文件。在透波罩測試過程中,嚴格按照相關規程進行操作,確保短時高效完成透波罩電性能測試,縮短產品交付周期。

3.項目實施評估

從2017年完成的透波罩測試任務中,隨機抽取20只透波罩產品進行測試時間統計,評估效果如圖9所示。

圖9 20只透波罩測試時間效果圖

4.項目實施效果

圖10 歷年完成透波罩測試對比

通過項目管理實現了單臺透波罩測試時間從30.7小時縮短到12.01小時,解決了透波罩在研制過程中需要做大量中間階段測試以進行參數的綜合優化設計的難題,突破了頻繁、隨機對透波罩電參數做反復試驗的透波罩測試方法等關鍵技術,提升了透波罩測試效率和客戶滿意度,實現了透波罩測試效率提升59.6%。在保證型號研制計劃和進度的同時,確保批生產透波罩的按期交付,歷年完成透波罩測試對比實施效果如圖10所示。

透波罩測試是一門涵蓋天饋與微波、機械轉臺、自動控制、軟件開發、算法設計等多個專業的學科,此次項目管理活動不僅解決了透波罩測試效率低的難題,也提升了小組成員應用統計知識分析問題、解決問題的能力,增強了小組成員的項目管理意識、團結協作精神,為團隊今后解決工作中的更多難題樹立了信心。透波罩的測試原理是相同的,只是具體到各個型號由于指標要求不同,具體的測試流程和操作方法有所區別。因此,后續在其它型號透波罩的測試中將以此研究成果為基礎,以此方法為借鑒完善不同型號透波罩測試流程,并形成透波罩測試規程及標準。