水中兵器貯存壽命評價方法研究★

劉小西 ， 蔡自剛 ， 朱澤 ， 郭勍

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.電子信息產品可靠性分析與測試技術國家地方聯合工程中心，廣東 廣州 510610；3.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣東 廣州 510610；4.空軍駐安順地區軍事代表室，貴州 安順 561100；5.海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，廣東 廣州 510610）

0 引言

水中兵器包括水雷、魚雷等水下彈藥裝備，其是防衛我國領海安全，打擊和威懾敵對艦船、潛艇等各種水中攻擊目標的國之利器。水中兵器是 “長期貯存，一次使用”的武器裝備，貯存期間受高溫、低溫、振動、潮濕和鹽霧等環境因素的影響，裝備會發生一系列的 “物理時效”變化，影響其貯存壽命。貯存壽命作為衡量裝備質量特性的重要指標，研究其評價方法對于制定水中兵器使用和保障策略，優化其全壽命周期費用都具有重要的意義。

1 研究現狀

國外的武器裝備的貯存壽命評價技術主要分為健康狀態監測和加速試驗兩類。美軍注重持續地跟蹤與監測產品的貯存性能，定期檢查、試驗以確定其是否仍然安全可靠；同時輔以加速貯存試驗，獲取裝備的貯存性能變化規律，并通過建立的數學模型外推導彈的壽命，能夠提前3～5年預報裝備的壽命。俄羅斯/烏克蘭的加速貯存試驗理論和方法比較成熟，已形成了一整套從材料/器件到整機/全彈的加速貯存試驗理論和方法，其在研制過程中重視壽命設計，采用加速貯存試驗暴露薄弱環節，開展設計改進后進行試驗驗證，能夠提前10～15年預報裝備的壽命[1]。

我國貯存壽命評價的工程試驗始于20世紀50年代末，通過選取典型的自然環境區域投放彈藥樣本開展自然貯存試驗，長期觀察監測彈藥的質量變化情況。近年來，我國加速貯存試驗技術也取得了一定的成果，在導彈的定延壽領域進行了領先應用[2-4]，在水中兵器領域目前仍通過相似產品法等方式對壽命進行評估，尚未形成貯存壽命試驗方法。本文研究了基于加速貯存試驗開展水中兵器貯存壽命評價的方法，加速貯存試驗是為了盡快地獲取某些關鍵件、元器件的貯存信息，在實驗室模擬現場貯存中一個或幾個環境因素，適當地提高應力水平等級而又不改變其失效機理，并且可提前獲取貯存信息而進行試驗[5-6]。目前，常用的水中兵器貯存標準和國內外加速試驗標準如表1所示。

表1 相關標準

2 技術途徑

水中兵器的貯存壽命評價技術途徑如圖1所示，主要分為以下幾個步驟：1）主要失效模式及失效機理研究；2）環境應力譜和敏感環境應力研究；3）加速貯存壽命試驗剖面研究；4）加速因子研究；5）加速試驗實施技術研究；6）正常應力水平下產品貯存壽命評估。

3 應用案例

某魚雷產品的貯存剖面如圖2所示，其貯存環境溫度為5～30℃，存放在充氮氣的密封雷箱內，包裝容器內的相對濕度不大于40%，并且不帶燃料、電池和火工品。該魚雷已使用一定的年限，需驗證其剩余貯存壽命能否達到5年。貯存期間每X月開展一次A級維護，每Y月開展一次B級維護。該魚雷的貯存壽命評價方法的步驟如下所述。

圖1 應力試驗前后某SOT-23封裝焊板與塑封料分層變化 （后視圖）

圖2 某水中兵器貯存剖面

3.1 失效模式和失效機理分析

根據魚雷的組成特點，將魚雷組件劃分為電子或機電組件，機械結構件，橡膠件和非金屬材料，火工品及燃料電池4個部分，分別開展壽命分析。

a）電子或機電組件

電子或機電組件是魚雷的主要組成部分，也是實現其功能性能的主要部分。對以往的貯存失效數據進行分析，根據故障率和組件的重要程度，確定一批關鍵的魚雷電子或機電組件 （自導裝置、引信裝置、綜合控制儀和線導電子組件等）來開展試驗室加速貯存試驗，等效加速貯存到5年后，進行壽命特征檢測以驗證是否符合壽命要求。

b）機械結構件

通過對歷史貯存數據分析，發現：機械結構件的問題主要包括齒輪、各個艙段的連接環箍、螺釘和殼體等部件的磨損，因此，根據壽命要求將齒輪、環箍和螺釘等耗損件更換為能滿足未來5年使用要求的新件；開展魚雷殼體耐壓試驗、氣密試驗和應力強度分析，驗證其強度是否能滿足未來5年的使用要求。

c）橡膠件和非金屬材料

密封圈和液壓油、燃料和滑油等長期接觸后會出現密封圈膨脹、變大，密封性能會降低；隔振圈、阻尼層和引信輻射器等長期貯存后會出現老化問題，性能會降低[7]；但這些都屬于壽命件，有規定的換件周期 （如5年），因此并不會制約水中兵器的貯存壽命。橡膠件和非金屬材料的換件周期的確定方法可參考GJB 92-1986《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導則》。

d）火工品及燃料電池

抽取樣藥或樣件，參考GJB 736.8-1991，在具有火工品試驗資質的試驗單位對其剩余壽命開展專項試驗驗證，并對加速貯存后的樣本通過水下爆炸試驗等方式來評價其貯存期滿后的爆炸威力等性能指標[8]。

3.2 敏感應力分析

根據GJB 2166-1994《魚雷貯存要求》和該魚雷貯存剖面，魚雷在密封充氮的包裝箱內不受濕度影響，結合產品貯存期間的失效模式和失效機理分析，確定影響其貯存壽命的主要環境應力為溫度，魚雷常溫貯存的溫度范圍為5～30℃，則取均值18℃為額定應力。為了確定開展加速試驗的產品應力水平，先開展產品的摸底試驗以摸清產品的高溫應力極限，即從產品的工作溫度范圍內開始逐步地提升試驗溫度 （如5℃/臺階），直到產品在某溫度應力臺階下出現故障或性能嚴重退化。通過試驗發現：該魚雷的高溫工作極限應力為95℃。因此，應留出一定的應力余量，確定85℃為加速應力水平，以確保產品在加速應力水平下的失效機理與常溫應力水平下的一致。

3.3 加速模型及加速因子確定

根據GB 2689.1-81、IEC 62506-2013和JESD 94A-2008等加速試驗標準，當選用溫度作為加速應力時，通常采用阿倫尼斯模型作為高溫加速貯存壽命模型，阿倫尼斯模型加速因子AF為[9]：

式（1）中：Ea——激活能，單位為eV；

k——波爾茲曼常數（8.617×10–5eV/K）；

T——反應溫度，單位為K。

阿倫尼斯模型適用于許多失效機理，但是，對于每個機理通常需采用不同的激活能。通常，產品的激活能通過開展加速試驗來確定，即選取3個以上的溫度應力水平分別開展貯存試驗，獲取產品的壽命時間，帶入公式 （1）得到激活能。由于水中兵器壽命指標過長，試驗樣本少，樣本成本高，開展加速試驗確定水中兵器激活能的方法并不可行。因此，本文提出了基于魚雷組成的層次關系和元器件清單來計算全彈加速因子的方法，加速因子確定流程如圖3所示。通過搜集魚雷所有的元器件清單，根據GJB/Z 108A-2006《電子設備非工作狀態可靠性預計手冊》，基于應力分析的方法確定各元器件在額定應力下的失效率。

圖2 關鍵組件貯存加速因子的確定流程

同時，根據所搜集到的各種元器件激活能Ea，利用阿倫尼斯模型和基于應力分析的方法評估出各種元器件加速應力相對于額定應力的加速因子，從而得到加速應力水平下各種元器件的失效率。通過全雷可靠性模型，可以計算得到額定應力下和加速應力下全雷的失效率數據，從而得到全雷的加速因子約為30。

3.4 試驗實施方案

貯存壽命評價要求為5年，根據加速因子為30可得，加速貯存試驗的時間為：5年*365 d/年/30≈61 d。試驗期間，每X′個月 （等效加速貯存X個月）開展一次A級維護，每Y′個月 （等效加速貯存Y個月）開展一次B級維護。抽取兩套魚雷開展加速貯存試驗，試驗后檢測合格，說明魚雷能滿足繼續貯存5年的壽命要求。

4 結束語

本文研究了水中兵器武器裝備的貯存壽命評價方法，包括水中兵器貯存及試驗標準、失效分析方法、環境應力譜、敏感環境應力分析方法、加速貯存壽命剖面制定方法、加速因子計算方法和加速試驗實施技術等[9-10]。同時，通過工程案例分析，具體地介紹了魚雷產品的貯存壽命評價過程。

本文提出的水中兵器貯存壽命評價方法，工程實踐性好，通過將水中兵器的部組件劃分為電子或機電組件，機械結構件，橡膠件和非金屬材料，火工品及燃料電池4個部分，根據其不同的壽命特征分別提出了貯存壽命評價方法，使評價結果更加符合工程實際且降低了壽命評價成本。同時，基于加速試驗技術的貯存壽命評價方法在很大程度上節約了試驗時間和研制經費；此外，針對水中兵器試驗樣本少、成本高的問題，創新性地提出了基于元器件信息計算全產品加速因子的方法。通過水中兵器領域壽命評價項目的實踐證明，該貯存壽命評價方法體系準確度高，工程實踐效果優良。