魚水雷延壽策略與試驗技術探討

郭勍，何光進

（海軍裝備部駐廣州地區軍事代表局，廣州 510320）

魚水雷等水中兵器作為“平時長期貯存、戰時一次使用”的重要武器裝備，其服役期限直接關系到部隊戰斗力保持和裝備全壽命周期成本。特別是超期服役階段，可靠性問題頻發，對裝備貯存和使用安全帶來諸多隱患。若到壽后直接報廢，則會造成資源浪費，增加裝備更新替換壓力。為此，開展水中兵器延壽策略研究，借助相關試驗技術，準確評估其壽命，盡可能延長裝備使用期限，對保持部隊戰斗力，節省國防建設成本具有重要的軍事意義和經濟價值[1-7]。文中通過闡述水中兵器延壽研究現狀，在分析裝備壽命影響因素的基礎上，重點就結合加速試驗開展評估的技術途徑進行探討，提出流程規劃和實施方法，以期對水中兵器乃至其他裝備延壽技術發展提供借鑒參考。

1 水中兵器延壽研究現狀

我國武器裝備的壽命評估研究工作起步較晚，直到20世紀70年代，大多數裝備也僅有“質量保證期”的規定。20世紀80年代，國內開始提出“保險期”概念，“保險期”是指“把裝備出廠之日作為計時起點，在規定的保管、維護和使用條件下，與一個較高的可靠性指標相對應的壽命時間”。20世紀90年代，“貯存壽命”或“貯存期”的概念才逐漸成熟。近年來，國內相關機構開展了火工品和火炸藥的相容性及貯存研究[8-12]，制式炮彈[13]、航空彈藥貯存壽命研究[14-15]，導彈延壽研究及元器件專項貯存延壽共性技術研究等工作[16-25]，獲得了大量元器件、材料級貯存壽命數據，形成了一些壽命與可靠性評估方法、模型，積累了一定的理論成果和工程經驗[26-35]。

對于水中兵器行業，裝備壽命考核通常是結合相似產品壽命比對，利用相關貯存試驗和理論分析數據進行綜合評估，缺乏專門的試驗考核驗證手段，裝備延壽技術儲備薄弱，設計方法、手段缺乏。主要表現在：缺少材料和元器件等基礎壽命數據，特別是實際裝載期間高溫、高濕、高鹽霧環境下的壽命數據尤為缺乏；缺少可靠性設計分析手段，如裝載可靠性、貯存可靠性等指標幾乎全依靠理論分析得出，僅小部分經過試驗驗證，難以掌握裝備真實性能水平；缺少系統壽命評估模型，由于加速模型的加速因子具有一定誤差，需考慮加速壽命、基于貯存信息的壽命評估結果以及零部件級的壽命評估數據來綜合評價產品壽命，而目前尚缺乏相應的評估模型和方法；缺少貯存加速壽命試驗技術，裝備加速壽命模型與其任務使命和壽命周期內所經歷的環境特性密切相關，而目前未能根據其結構特征、經歷的關鍵環境條件、存在的主要失效模式提出加速壽命評價模型；尚未建立延壽技術體系，目前水中兵器壽命評價和延壽技術未形成標準化體系，有待借鑒航空領域裝備貯存延壽經驗，結合自身行業特點，進一步研究形成技術規范。

2 水中兵器壽命影響因素

水中兵器壽命剖面從交付服役開始到戰斗發射或退役報廢終止。以魚雷為例，根據不同使用方式下的任務過程分析，其壽命周期內經歷的主要事件如圖1所示。

圖1 魚雷壽命剖面 Fig.1 Torpedo life profile

根據上述魚雷壽命剖面，其在運輸、貯存、裝載、實航等壽命期內，可能遇到或產生的自然環境和誘發環境應力，具體見表1。

表1 魚雷在壽命剖面內經歷的環境應力分析 Tab.1 List of environmental stress analysis of torpedo life profile

通常魚水雷等水中兵器是“長期貯存、一次使用”的產品，故影響水中兵器壽命的主要環境因素是其貯存期間經歷的溫度、濕度、霉菌、鹽霧等。由于魚水雷等水中兵器裝備通常以充干燥氮氣的包裝箱貯存，箱內濕度、霉菌、鹽霧對壽命影響較小，故溫度成為影響壽命的主要環境因素，具體分為高溫、低溫和交變溫度3種條件模式。

1）高溫主要體現在對產品組成材料的影響，其失效機理為：隨著溫度增加，電子、原子和分子運動速度加快，激發了熱力效應、電磁效應等，促使產品提前失效。具體包括：加速非金屬材料老化、氧化、黏度下降，造成密封失效；造成電連接器絕緣或導電性破壞，導致連接器失效；隨著溫度升高，電纜/導線絕緣體變軟，抗剪強度降低，被擠壓后可能發生塑性變形，直至導體外露而造成短路；電器開關觸點和接地之間的絕緣電阻隨溫度升高而降低，且高溫條件下觸點和開關機構的腐蝕速度加快，以及引起舵機繞組絕緣失效。此外，高溫還可能促進其他環境因素對產品產生不利影響，如提高濕氣的浸透速度，增大鹽霧所造成腐蝕的速度等。

2）低溫也主要體現為對產品組成材料的影響，其失效機理為：在低溫條件下，電子、原子和分子運動速度減小，導致材料脆化，強度降低，產生龜裂和硬化等，促使產品提前失效。具體包括：微電路因熱膨脹系數差異形成的應力激化材料裂紋、孔隙，導致機械斷裂、接頭斷開；暴露于低溫下的電器開關材料收縮，出現裂紋，導致濕氣或其他外界污染物進入開關，造成短路、電壓擊穿或電暈；電連接器金屬和非金屬材料以不同速率變脆和收縮，致使密封帶開綻；低溫條件下導線或電纜受到劇烈彎曲或沖擊，引發絕緣體破裂；長時間低溫促使油脂類材料黏度增加和狀態固化，潤滑性能下降。此外，低溫也可能促進其他環境因素對產品產生不利影響，如造成濕氣汽凝、霜凍和結冰，低溫和低氣壓組合進一步加速密封處漏氣等。

3）交變溫度下材料出現不同程度的膨脹或收縮，在產品結構內部引起復雜應力，特別是溫度循環引起周期性機械應力和不同材料熱膨脹不匹配引起熱循環內應力，均容易導致產品性能下降及器件疲勞失效。具體表現為：玻璃容器和光學儀器碎裂，運動部件卡緊或松弛，密封件漏氣漏液，電路失效，繼電器電位計接插件接觸不良老化；微電路因熱膨脹系數差異形成的應力激化材料裂紋、孔隙等。

3 水中兵器延壽策略與試驗技術

水中兵器延壽策略主要包括：在研制階段合理確定裝備的貯存壽命，實現服役期內較高的戰備完好率；在貯存壽命末期對裝備使用狀態進行再評估，并通過維修、換件等手段延長裝備的服役年限，充分發揮裝備的使用效益。為此，模擬真實貯存環境條件，施加相關應力進行試驗驗證，準確提出裝備壽命指標數據和延壽評估結論，是成功實現裝備延壽目標的重要基礎性工作。由于在實驗室內開展額定應力下的水中兵器壽命試驗，周期和成本在工程中均難以接受，而加速試驗以其時間短、效率高等特點，為水中兵器壽命快速評估提供了一種易實施、可實現的技術解決途徑。

加速試驗是在進行合理工程及統計假設的基礎上，利用與物理失效規律相關的統計模型對加速條件下獲得的數據進行轉換，得到正常應力水平下裝備壽命特征的試驗方法。水中兵器貯存壽命加速試驗設計工作主要包括試驗剖面應力種類、加速試驗應力和試驗應力水平等3個方面，在保證產品的主要故障模式和故障機理不發生改變的情況下，應選取盡可能高的加速應力，以縮短試驗時間，提高評估費效比。仍以魚雷為例，典型加速試驗設計流程如圖2所示。

具體設計方法如下。

1）確定應力類型。根據魚雷貯存壽命影響因素分析，選擇溫度作為加速貯存壽命的應力類型。

2）確定加速模型。將溫度作為敏感環境應力，選取阿倫尼斯模型，采用金字塔式的加速試驗建模技術，充分利用元器件級、材料級的激活能Ea信息，采用基于應力分析與阿倫尼斯模型相結合的方法自下而上構建元器件/材料級-部件級-全雷級溫度加速因子轉化模型，最終確定魚雷整機裝備溫度加速模型。首先，梳理組成全雷的所有元器件清單，采用基于應力分析的方法，確定各元器件在額定應力條件下的失效率。其次，根據收集到的各個元器件的激活能，利用阿倫尼斯模型和基于應力分析的方法評估出各元器件加速應力相對于額定應力的加速因子AF，用正常應力下的失效率與各自的加速因子相乘，得出各元器件在加速應力下的失效率。各類器件的激活能可以根據GB/T 34986—2017《產品加速試驗方法》、IEC61709、IEC62380等標準及元器件試驗值和相關文獻獲取。最后，通過貯存可靠性建模的方式，分別計算出全雷在額定應力和加速應力下的失效率，兩者之比作為全雷溫度加速因子AF。

3）確定應力量值。根據魚雷貯存敏感環境應力分析結果，結合魚雷的實際貯存環境條件、魚雷包裝和產品密封性等特點，確定魚雷貯存的主要環境應力為溫度應力。考慮到倉庫內實際溫度變化不大(20±3) ℃，故貯存加速試驗采用恒溫應力作為加速試驗應力。根據阿倫尼斯模型，貯存溫度試驗應力越高，加速因子越大，時間越短，但試驗應力過高會改變產品的失效機理。故應在綜合考慮魚雷的設計特點、電路板和元器件、原材料和輔料的耐環境應力范圍等3個主要因素的基礎上，基于可靠性強化試驗結果和工程經驗，確定全雷的溫度加速試驗應力。

4）確定加速試驗時間。根據魚雷貯存壽命的評價目標和加速因子，確定貯存加速壽命試驗時間。

明確試驗應力、加速因子、試驗時間后，按圖3所示的試驗流程開展貯存加速壽命試驗。

圖3 貯存加速壽命試驗流程 Fig.3 Flow chart of storage accelerated life test

按照試驗設計流程，并確定相關要素后，制定試驗方案，明確被試品、操作實施、測試測量、試驗暫停、中斷、恢復和終止等若干要求。試驗過程中，凡因零部件、元器件、材料件出現明顯的氧化、腐蝕、老化等耗損性特征，造成被試品故障，應判定為貯存失效。只有由于貯存環境引起產品出現耗損性故障，且該故障修理復雜，甚至無法修復時，才作為試驗產品貯存壽命終止的判據。試驗結束后，應綜合記錄數據、失效判定，以及試驗完成或終止情況，提出試驗結論和改進意見，為裝備定壽指標確認和延壽措施制定提供依據支撐。

為積極推動上述試驗流程方法的工程實踐運用，近年來國內有關單位結合某型到壽水中兵器裝備延 壽項目進行了試點驗證。通過對加速試驗及分析評估發現的6個方面產品薄弱環節進行綜合改進提升，該型裝備貯存壽命獲得了大幅增長，以較短的時間和較低的成本有效延長了服役期限。

4 結語

文中以魚水雷延壽為背景，在分析裝備壽命影響因素的基礎上，開展了魚水雷延壽策略研究。重點就結合加速試驗開展評估的技術途徑進行了探討，提出了流程規劃和實施方法，并結合某型到壽魚雷裝備延壽項目進行了試點驗證。該研究對水中兵器乃至其他裝備延壽技術發展提供了借鑒參考，具有良好的工程推廣價值。