新技術對大口徑艦炮發射系統可靠性的影響分析

鄧建輝，張滿慧，魏軍輝

(1.海軍研究院，北京100071；2.西北機電工程研究所，陜西咸陽710019)

0 引言

隨著我國海軍戰略轉型以及敵大威力、高效能岸防武器裝備的使用，艦炮系統在應對抗強敵軍事干預、突發小規模海上摩擦和反恐支援等作戰任務中已經占據著越來越重要的地位[1]。在海軍裝備研究項目的支持下，我國大中口徑艦炮型號取得了極大的突破。但是在形成規模效應之后，大口徑艦炮系統卻也陷入了“大而不強”局面，暴露出了較多的可靠性問題。如故障頻發且無法追溯、性能波動且難以控制、整機可靠性衰退明顯、關鍵功能部件可靠性低、維修成本高昂等，這些問題使其作戰使用性能無法保障，嚴重影響到未來與敵岸防裝備和水面艦艇對抗中發揮出更大的作用。

為了保障艦炮系統的作戰使用效能，海軍對新型大口徑艦炮系統提出了“三化”和通用質量特性要求，突出可靠性要求[2]。面向可靠性、維修性和保障性指標的不斷提高，研制大口徑艦炮系統時不僅應當繼承傳統艦炮的可靠性設計技術，更重要的在于研究和應用新技術、新原理，以打破傳統艦炮系統的限定形式，期望新型艦炮的可靠性水平得以顯著提高。然而新技術或者新原理的應用在改變艦炮系統結構限定的同時，也會引入混合不確定性因素[3]影響其可靠性，如新型艦炮系統物理參數、物理模型的不確定性都有可能導致可靠性降低。因此一方面有必要進行新型大口徑艦炮的新技術和新原理研究，另一方面有必要再對其進行可靠性分析與評價研究，尋求改善新型艦炮系統可靠性水平的約束機制。

本文開展新技術應用對大口徑艦炮可靠性的影響研究。將新型大口徑艦炮發射系統作為研究對象，首先對它進行新技術應用的可行性分析。然后基于多態故障樹理論，構建新型發射系統可靠性的定性和定量分析模型，明確其可靠性水平。最后通過傳統和新型艦炮發射系統的可靠性對比評價，度量新技術應用的可靠性增長程度，為提高艦炮可靠性提供技術借鑒。

1 大口徑艦炮發射系統新技術的應用可行性

以大口徑艦炮發射系統為研究對象，從炮彈的視角自上而下地給出傳統艦炮發射系統的結構示意如圖1所示。

圖1 傳統大口徑艦炮發射系統的結構示意圖Fig.1 Structural diagram of general large-caliber naval gun launching system

1.1 全可燃藥筒裝藥技術

圖1 （a）給出傳統艦炮發射系統中炮彈與身管的結構示意圖。它的炮彈是定裝式結構，殼體是鋼性藥筒形式。針對鋼性藥筒的結構特點與射擊需求，發射系統中必須設有抽殼機構、不抽殼保險部件、退殼機構等復雜機械結構，炮尾后部需要固定有輸彈槽，為被抽藥筒導向。同時在射擊過程中，也需要使得抽殼運動和輸彈運動相互協調。

藥筒主要用于盛裝并密封發射裝藥、連接底火等，通過對發射藥裝藥技術進行改進，采用可燃容器裝填不同種類和重量的發射藥形成組合模塊裝藥，既能夠替代傳統的金屬藥筒，也能夠進一步提高彈丸初速、增大射程，已取得了階段性研究成果[4–5]。

將全可燃藥筒裝藥技術[5]應用于新型大口徑艦炮系統中，采用分裝式結構的炮彈，可以大幅簡化艦炮發射系統組成結構，省去傳統發射系統與鋼性藥筒相關的機械結構和運動協調控制，無需再添加冗余部件，其概念示意圖如圖2所示。

圖2 新型大口徑艦炮的全可燃藥筒和激光點火技術概念示意圖Fig.2 Simplified diagram of thecomplete combustible cartridgecase and the laser ignition system

1.2 激光點火技術

圖1 （b）給出傳統艦炮發射系統中炮彈擊發機構的示意簡圖。它安裝在閂體內，通過擊針撞擊底火的動能產生擊發能量，主要由擊針、擊針簧、擊針蓋、擊發傳動裝置組成。采用底火擊發時其擊發運動往往會引起底火不被擊發的現象，影響艦炮系統的作戰效能。

隨著點火系統和點火方式的不斷發展，激光具有輸出功率高、能量集中、能避免電磁干擾和易于控制等優點，展示出了成為理想點火源的潛能。通過激光與含能材料作用機理研究，研制模塊裝藥全可燃火帽、確定模塊裝藥點傳火結構，已經基本實現了激光點火技術[6–7]的工程化應用。

將激光點火技術應用于新型大口徑艦炮系統中，既適用于全可燃藥筒裝藥結構，也避免了傳統發射系統與擊發機構相關的機械結構協調控制。但是它也需添加激光裝置，主要包含激光器、傳輸光路、激光透鏡窗口等組件，其概念示意圖如圖2所示。

1.3 垂直裝填技術

圖1 （c）給出傳統艦炮發射系統中炮彈裝填部件的示意簡圖。它對應至炮彈由上揚彈機輸送至進膛的運動。針對炮彈進行運動分解，發射系統中必須設有輸彈機（輸彈機構）、供彈機（轉彈機構）和轉運機（擺彈機構）等復雜結構。裝填時炮彈經歷四次交接，上揚彈機至轉運機、轉運機至供彈機、供彈機至輸彈機、輸彈機至身管，裝填路徑長。在射擊過程中，裝填線路的3發炮彈使其退彈和彈種轉換流程都相對緩慢。

從炮彈運動的角度分析，裝填系統的核心即是揚、供、輸彈流程。通過對炮彈的裝填技術進行改進，采用揚、供、輸一體的輸彈機執行垂直定角裝填。當炮彈垂直進入輸彈筒后，輸彈筒向上運動到炮尾，再設有推彈機構將炮彈送入炮膛。既能夠代替裝填系統的獨立部件形式，也可兼容多彈種（尤其是超長制導彈）的裝填動作，已在AGS艦炮系統[8]中具體化應用。

將垂直裝填技術[9]應用于新型大口徑艦炮系統中，可以進一步簡化發射系統組成，省去獨立的擺彈機和供彈機部件，簡化輸彈機構。采用分裝式結構的炮彈，彈藥只作直線運動，不存在機構交接動作。裝填路徑短、裝填線路上有僅有一發待發彈藥，其概念示意圖如圖3所示。

圖3 新型大口徑艦炮的垂直裝填技術概念示意圖Fig.3 Simplified diagram of thevertical loader deviceof novel gun system

2 大口徑艦炮發射系統新技術的可靠性分析

2.1 基于多態故障樹的艦炮可靠性定性分析

從系統集的角度研究新型大口徑艦炮發射系統的組成結構，結合給出的新技術歸納為全可燃藥筒裝藥E1、激光點火系統E2、垂直裝填系統E3、炮閂等其他系統E4，不再對全部整裝設備的故障狀態細化處理至零件級。

根據艦炮作戰使用情形，當發射系統停射時，認定系統功能失效，對應著結構組件突然由正常狀態轉變為失效狀態，視為功能失效二狀態模式。當僅出現加大激光能量才能夠擊發、裝填過程出現輕微異響但不影響彈藥入膛和擊發等情形時，可以不立即停射維修，但認定運行狀況惡化，對應著結構組件由正常到失效前的退化過程，視為狀態惡化多狀態模式[10]。新型大口徑艦炮發射系統的故障模式歸納如表1所示，其中頂事件發射系統故障的編碼是T，功能失效模式編碼是F，狀態惡化模式編碼是D，構造出多態故障樹[10]如圖4所示。

表1 新型大口徑艦炮發射系統的故障模式Tab.1 Failure modeof novel naval gun launching system

圖4 新型大口徑艦炮發射系統的多態故障樹Fig.4 Multi-state fault tree of novel naval gun launching system

在多態故障樹中，采用上行法能夠對功能失效模式進行定性分析。可以看出：當且僅當11個故障部位均為正常狀態時，頂事件F才能夠正常，表明最小割集是{F301}～{F311}；當頂事件F正常而頂事件D處于退化（正常）狀態時，頂事件T也處于退化（正常）狀態但不失效。

2.2 基于三角模糊數的艦炮可靠性定量分析

由于缺失新型大口徑艦炮發射系統的歷史故障數據，新技術應用時故障樹底事件的發生概率具有模糊性，故而采用三角模糊數[11]描述故障發生概率，其數學模型為：

式中，m為模糊數均值；α,β為模糊數的左右分布參數；λ為置信水平。

通過對新型大口徑艦炮發射系統的故障樹底事件進行頻率模擬，設定各故障部位模糊參數及其處于不同狀態的概率估計值如表2所示。

表2 新型大口徑艦炮發射系統的底事件模糊數及概率估計值Tab.2 Fuzzy number and the end event importance estimation of novel gun launching system

1）當置信度λ=1時，底事件發生概率是確定值，頂事件F發生概率為根據模糊故障樹的函數表達式得出頂事件F的可靠度為：

2）當置信度λ=0時，底事件發生概率是模糊數，頂事件F發生概率是區間值。仍采用模糊故障樹模型得出頂事件F的可靠度區間為：

3）模糊均值參數是模擬30發故障與300發試射總數的概率參數，左右分布參數都是按照均值的20%給定。所得功能失效模式下的可靠度是在新型發射系統全壽命周期內（運行時間趨近于單位1也對應著300發試射總數）的無故障概率。

在多態故障門中，根據圖4給出的獨立底事件構造出頂事件D的最小路徑矩陣[10]為：

通過矩陣CD構 造矩陣再結合矩陣廣義運算法則[10]以及表2給出的模糊概率估計值得出頂事件D的可靠度為：

最后根據頂事件F和頂事件D的可靠度，得出發射系統的總體可靠度為：

通過上述分析可以得出，雖然假定新型艦炮發射系統中故障部件都具有較高的可靠度，但系統總體可靠度的最小值也會相應減小，狀態惡化多態模式是不可忽視的故障現象。

3 大口徑艦炮發射系統新技術的可靠性評估

3.1 艦炮可靠性的定性評估

借鑒機械產品可靠性設計準則[12–13]，直觀地得出傳統大口徑艦炮發射系統與新型艦炮發射系統的可靠性評估對比結果。

1）相較于繼承傳統艦炮系統的定裝式炮彈和鋼性藥筒結構，應用的全可燃藥筒裝藥技術和激光點火技術已是陸軍155 mm火炮的成熟技術。相較于沿用傳統獨立的轉運機、供彈機、輸彈機裝填系統，應用的垂直裝填技術已在AGS艦炮系統中實現。它們都具有完善的預研基礎，符合新技術采用準則，提高了新型艦炮發射系統的可靠性。

2）相較于繼承傳統艦炮系統的定裝式炮彈和鋼性藥筒結構，應用的全可燃藥筒裝藥技術能夠滿足艦炮射擊需求，可以省去不必要的抽殼機構、不抽殼保險部件、退殼機構、輸彈槽，避免抽殼運動和輸彈運動的協調控制；相較于沿用底火擊發裝置，應用的激光點火技術設置激光器、傳輸光路和激光透鏡窗口組件代替擊針、擊針簧、擊針蓋等復雜結構，可以省去擊發裝置能量儲存與釋放的協調控制；相較于沿用傳統揚供輸獨立的裝填系統，應用的垂直裝填技術僅需設置揚供輸一體的輸彈機和推彈機構，可以省去擺彈機和供彈機，避免彈藥在不同機構之間的交接動作。它們都符合簡化設計準則，減少了零部件的種類及數量，提高了新型艦炮發射系統的可靠性。

3.2 艦炮可靠性的定量評估

參照但不完全依據故障樹分析[14]方法，再從系統集的角度構造出傳統與新型艦炮發射系統的功能失效故障樹，如表3所示。其中，頂事件T為發射故障，底事件為X1彈藥故障，X2擊發裝置故障，X3裝填系統故障，X4炮閂等其他系統故障。

表3 大口徑艦炮發射系統的故障樹Tab.3 Fault tree of general large-caliber naval gun launching system

為了進行發射系統的可靠性對比評價，設置系統級可靠度都為0.95，符合HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數選擇及指標確定原則》。其中，傳統艦炮的彈藥故障主要考慮底火失效和鋼性藥筒故障，而新型艦炮僅需計及發火帽失效。擊發裝置故障主要考慮擊針失效、擊發保險失效和擊發運動卡滯，而新型艦炮僅需計及風險最大的激光透鏡窗口損壞。傳統裝填系統故障主要考慮炮彈運動路徑上四次機構交接動作失效，而新型艦炮僅需計及二次交接時直線運動卡滯。炮閂等其它系統故障在傳統和新型艦炮發射系統中形式相近，可靠度設置相同。

結合表3設定的系統級可靠度參數，得出頂事件T的發生概率分別為：

通過對比分析傳統和新型艦炮發射系統頂事件T的發生概率可以得出：應用新技術后的故障率能減小43.63%，可靠性水平的當量增長程度在1.3倍左右；相較于通過改善傳統艦炮發射系統組成部件可靠度的設計方式，研發應用新技術對于艦炮可靠性具有更好的提升效果、更小的耗費比以及更高的維修性保障性。

4 結語

1）通過全可燃藥筒裝藥技術、激光點火技術和垂直裝填技術的應用分析，明確了當新技術具有完善的預研基礎及工程實踐時，應用至新型大口徑艦炮發射系統合理可行。新技術的應用可以改變艦炮發射系統的組成結構、簡化部件設計，從而能夠大幅減少發射故障模式，提高大口徑艦炮的可靠性、維修性、保障性。

2）通過大口徑艦炮系統新技術的可靠性分析，構建出了艦炮發射系統停射時的多態模糊故障樹模型，可以作為判定艦炮系統故障原因以及衡量可靠度水平的依據。從系統集的角度進行了傳統與新型艦炮發射系統的可靠度評估，獲得的定量對比結果表明，新技術的應用能夠將艦炮系統故障率減小43.63%，能夠使得可靠度提高1.3倍左右。

3）新技術的應用是提高大口徑艦炮系統可靠性的有效途徑，相較于改進傳統艦炮系統組成部件的可靠度，它對艦炮可靠性具有更優的提升效果、更好的可實現性。