多平臺魚雷實航可靠性試驗剖面設計方法

郭 勍, 龐 多, 劉小西, 李榮融

多平臺魚雷實航可靠性試驗剖面設計方法

郭 勍1, 龐 多2, 劉小西3*, 李榮融2

(1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局, 廣東 廣州, 510610; 2.中國船舶集團有限公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077; 3.工業(yè)和信息化部 電子第五研究所, 廣東 廣州, 510610)

針對復雜作戰(zhàn)環(huán)境下多平臺魚雷的可靠性驗證和評估難點, 文中提出了一種多平臺使用魚雷的實航可靠性試驗剖面設計方法。該方法從魚雷使用任務要求出發(fā), 系統(tǒng)梳理出管裝發(fā)射、空投發(fā)射以及助飛發(fā)射等3種平臺發(fā)射魚雷的實航全過程任務剖面, 綜合分析了魚雷各實航任務剖面的工作環(huán)境應力和誘發(fā)環(huán)境應力類型; 進一步提出了魚雷實航可靠性試驗的環(huán)境應力分析流程, 該流程結合魚雷歷史故障分析, 確定了實航可靠性驗證中需考慮的綜合環(huán)境應力條件, 并提出了將環(huán)境載荷譜轉換為魚雷實航可靠性試驗剖面的方法。文中所提方法可有效指導魚雷實航可靠性實驗驗證工作, 以降低湖海試驗風險, 同時為制定多平臺使用的魚雷可靠性試驗剖面和方案提供參考。

多平臺魚雷; 實航試驗; 可靠性; 剖面設計

0 引言

隨著科學技術和當前軍事作戰(zhàn)需求的快速發(fā)展, 新型魚雷裝備的使用場景呈現(xiàn)深度大、航速高、航程遠、隱身特性和智能化等趨勢[1], 同時, 隨著裝備系統(tǒng)的復雜化以及裝備部署平臺的多樣化(例如多平臺魚雷的發(fā)射方式通常包括艦船上發(fā)射管發(fā)射、反潛飛機空中投放發(fā)射, 以及火箭等運載器空中協(xié)助飛行發(fā)射等), 使復雜作戰(zhàn)環(huán)境下的魚雷多任務可靠性驗證和評估成為當前研究難點。

可靠性試驗通過模擬魚雷使用過程中的實際環(huán)境應力, 開展實驗室試驗以評估其可靠性水平, 通過暴露魚雷薄弱環(huán)節(jié), 降低外場試驗風險[2]。實航可靠性剖面設計則是通過開展實航任務剖面中的典型環(huán)境條件、工作模式及其時序等考核需求分析, 經(jīng)由工程設計轉化為實驗室可實施的試驗剖面[3]。

目前, 航空航天領域的武器裝備以及海軍艦船電子裝備均參考GJB 899A-2009《可靠性鑒定和驗收試驗》[4]中提供的試驗剖面設計方法, 結合產(chǎn)品特點編制相關試驗剖面。魚雷行業(yè)則進一步參考GJBZ 20391-1997《魚雷可靠性鑒定與驗收試驗方法》[5]明確行業(yè)需求。李星等[6]基于該標準提出了某管裝發(fā)射魚雷的可靠性剖面制定方法。任景梅等[7]研究了空投魚雷的環(huán)境剖面。孫公道等[8]提出了火箭助飛魚雷的飛行可靠性評定方法, 但是上述研究都只針對單一平臺使用魚雷的環(huán)境條件和可靠性驗證方法進行了研究, 缺乏對多平臺魚雷的可靠性試驗剖面綜合設計方法的研究。

文中針對多平臺魚雷, 從其使用任務要求出發(fā), 系統(tǒng)梳理出管裝發(fā)射、空投發(fā)射以及助飛發(fā)射等3種平臺的魚雷實航任務剖面[6-8], 分析各階段工作的誘發(fā)環(huán)境載荷和工作環(huán)境載荷, 通過環(huán)境應力實測和分析等手段確定出魚雷在執(zhí)行各任務剖面時遇到的環(huán)境載荷[9], 轉化為實驗室可實施的綜合環(huán)境應力, 即魚雷實航可靠性試驗剖面, 可有效指導多平臺魚雷及雷內組件在實驗室內開展實航可靠性驗證。

1 典型工作任務剖面

1.1 管裝發(fā)射典型工作任務剖面

通常魚雷通過艦船管裝發(fā)射時, 其工作任務剖面是對魚雷進入不可逆發(fā)射程序, 到魚雷從發(fā)射管發(fā)射、入水并在水中實航, 直至完成任務或終止航行這段時間內所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境隨時間變化歷程的描述[10](見圖1)。

圖1 魚雷管裝發(fā)射典型任務剖面

其工作過程和經(jīng)歷中的主要環(huán)境應力為[6,11]:

1) 艦船發(fā)射階段, 主要經(jīng)歷短暫的艦船及發(fā)射環(huán)境, 環(huán)境因素包括艦載振動、濕度、溫度、鹽霧和發(fā)射沖擊等;

2) 水下實航階段, 主要經(jīng)歷水下航行環(huán)境, 環(huán)境因素包括實航振動、濕度、溫度、鹽霧、海水腐蝕、海生物腐蝕、海水壓力、海流和海況等。

1.2 空投發(fā)射典型工作任務剖面

通常魚雷通過直升機或者反潛飛機空投發(fā)射時, 其工作任務剖面是從載機執(zhí)行魚雷空投發(fā)射程序這一不可逆轉的動作進程開始, 經(jīng)過魚雷脫離發(fā)射裝置、空中傘降、雷傘分離、入水及水下航行, 直至完成任務或終止航行這段時間內所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境隨時間的變化歷程的描述(見圖2)[7]。

其工作過程和經(jīng)歷中的主要環(huán)境應力為[7,11]:

1) 載機發(fā)射階段, 主要經(jīng)歷短暫的載機平臺及發(fā)射環(huán)境, 環(huán)境因素包括掛飛振動、溫度變化、濕度、溫度、低氣壓和發(fā)射沖擊等;

2) 空中飛行階段, 主要經(jīng)歷空中飛行環(huán)境, 環(huán)境因素包括自由飛振動、濕度、溫度變化、溫度和低氣壓等;

圖2 魚雷空投發(fā)射時典型任務剖面

3) 水下實航階段, 主要經(jīng)歷水下航行環(huán)境, 環(huán)境因素包括入水沖擊、實航振動、濕度、溫度、鹽霧、海水腐蝕、海生物腐蝕、海水壓力、海流和海況等。

1.3 助飛發(fā)射典型工作任務剖面

通常魚雷作為助飛魚雷戰(zhàn)斗載荷使用時, 其工作任務剖面是指魚雷發(fā)射出箱、隨運載體空中飛行、與運載體分離、空中傘降、雷傘分離、入水及水下航行, 直至完成任務或終止航行這段時間內所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境隨時間變化歷程的描述(見圖3)。

圖3 魚雷助飛發(fā)射典型工作任務剖面

其工作過程和經(jīng)歷中的主要環(huán)境應力為[8,11]:

1) 艦船發(fā)射階段, 主要經(jīng)歷短暫的艦船及發(fā)射環(huán)境, 環(huán)境因素包括艦載振動、濕度、溫度、鹽霧和發(fā)射沖擊等;

2) 空中飛行階段, 主要經(jīng)歷空中飛行環(huán)境, 環(huán)境因素包括自由飛振動、濕度、溫度變化、溫度、低氣壓和分離沖擊等;

3) 水下實航階段, 主要經(jīng)歷水下航行環(huán)境,環(huán)境因素包括入水沖擊、實航振動、濕度、溫度、鹽霧、海水腐蝕、海生物腐蝕、海水壓力、海流和海況等。

2 可靠性試驗剖面設計方法

根據(jù)上述多平臺魚雷的工作任務剖面和經(jīng)歷的主要環(huán)境應力, 對這些環(huán)境應力的影響效應進行分析, 并確定出影響魚雷工作任務可靠性的主要環(huán)境應力, 在此基礎上依據(jù)相關標準[11-13]研究了一種魚雷工作可靠性試驗剖面設計方法, 以指導多平臺魚雷的工作任務可靠性試驗剖面制定。

2.1 環(huán)境應力分析

魚雷在實航工作過程中, 受到振動、濕度、溫度、沖擊等環(huán)境應力的影響, 會發(fā)生一系列的“物理時效”變化, 造成魚雷組件的功能和性能失效, 進而降低其可靠度[13]。圖4給出了通過環(huán)境應力分析, 確定環(huán)境載荷譜的方法流程, 為制定可靠性試驗剖面提供依據(jù)。

根據(jù)統(tǒng)計, 圖5給出了魚雷實航過程中主要失效原因, 主要包括參數(shù)漂移、絕緣失效和電路故障等, 其中大部分故障由溫度、濕度、振動應力及其綜合應力導致[14], 結合魚雷的實航工作過程和經(jīng)歷的主要環(huán)境應力, 以及魚雷產(chǎn)品的密封特點等, 得出影響魚雷實航工作可靠度的最主要敏感環(huán)境應力是溫度和振動, 結合實際使用情況, 還應考慮濕度應力、電應力及沖擊應力,且各類沖擊應力單套產(chǎn)品在任務剖面中僅經(jīng)歷1次。

2.2 試驗剖面設計方法

魚雷在執(zhí)行實航任務期間遇到的環(huán)境包括發(fā)射平臺環(huán)境、發(fā)射后的空中飛行環(huán)境(僅空投發(fā)射和助飛發(fā)射時)以及水下實航環(huán)境, 外界環(huán)境條件主要為濕度、溫度和振動等。其中溫度根據(jù)工作海域和季節(jié)的不同可劃分為標準溫度環(huán)境、極冷環(huán)境和極熱環(huán)境3種, 故需模擬冷天、標準天、熱天3種氣候條件下魚雷執(zhí)行工作任務時的綜合環(huán)境條件[4-5](見圖6)。

圖4 魚雷實航可靠性試驗環(huán)境應力分析流程

圖5 魚雷實航故障原因分析

實航可靠性試驗中主要利用振動、濕度、溫度和電應力的時序描述來模擬魚雷執(zhí)行工作任務的綜合環(huán)境[14-15], 通常優(yōu)先使用實測應力(特別是振動), 也可使用估計應力。在上述應力未知的情況下, 可參考有關標準提供的參考應力或GJB/Z 20391推薦的條件確定[4-5]。電應力按照相關標準和產(chǎn)品技術狀態(tài)要求確定。

圖6 魚雷實航可靠性試驗綜合環(huán)境條件示意圖(1個循環(huán))

2.3 綜合環(huán)境應力條件確定

1) 溫度應力

根據(jù)工作任務剖面, 每次模擬魚雷執(zhí)行工作任務時, 均需要模擬魚雷在發(fā)射平臺、空中和水下等各階段工作時的溫度應力。冷天、熱天和標準天的溫度應力應按產(chǎn)品設計任務書或GJB 899A、GJB/Z 20391確定。

冷浸和熱浸環(huán)境用于模擬產(chǎn)品經(jīng)歷長時間戶外極限溫度環(huán)境運輸或擱置后, 轉入工作溫度環(huán)境執(zhí)行任務的情況。由于魚雷實航任務前會經(jīng)歷長時間裝載和掛飛, 通常在裝載可靠性和掛飛可靠性考核中綜合考慮冷熱浸需求。參考GJB 899A規(guī)定的自由飛可靠性剖面制定方法, 實航任務可靠性剖面不增加冷浸和熱浸溫度臺階。

2) 濕度應力

通常魚雷采用密封設計, 內部填充干燥氮氣, 內部組件經(jīng)歷的濕度極低, 因此, 雷內組件開展可靠性試驗時應進行低濕度控制。

魚雷水下實航時, 殼體已通過水密性試驗驗證, 濕度不影響殼體功能性能。因此, 全雷開展可靠性試驗時不控濕, 經(jīng)歷試驗場所的實驗室濕度環(huán)境。

3) 振動和沖擊應力

根據(jù)工作任務剖面, 每次模擬魚雷執(zhí)行工作任務時, 均需要模擬魚雷在發(fā)射平臺、空中和水下等各階段所經(jīng)歷的振動應力和沖擊應力。振動、沖擊應力可根據(jù)實測數(shù)據(jù)、相關標準要求或同類產(chǎn)品振動條件來制定。同時考慮到魚雷各艙段的應力環(huán)境條件不同, 應盡量制定不同艙段組件的振動應力條件[6]。沖擊應力由于單套產(chǎn)品在任務剖面中僅經(jīng)歷1次, 僅需在合適的時機針對每套被試品施加1次沖擊模擬其損傷效應。

4) 電應力

魚雷在執(zhí)行實航工作任務時, 其任務剖面的各階段均有相應的通電要求。每次模擬魚雷執(zhí)行工作任務時, 電應力的施加應當根據(jù)魚雷及其內部各組件的工作流程制定, 各組件通電時間和時序應與實航時序保持一致。依據(jù)GJB 899A, 可靠性試驗中電應力標稱值占1/2, 上限值和下限值各占1/4。

3 試驗剖面設計

根據(jù)上述試驗剖面設計方法, 針對各平臺典型環(huán)境應力, 基于最大包絡法原則, 開展多平臺使用魚雷的可靠性綜合試驗剖面設計。魚雷通過不同平臺發(fā)射使用時, 執(zhí)行1次工作任務需經(jīng)歷的綜合環(huán)境應力條件見表1。

表1 不同平臺使用時綜合環(huán)境應力條件

以某型號魚雷為例說明具體試驗剖面設計過程。通過對比管裝、空投和助飛發(fā)射3種工作任務剖面和經(jīng)受的綜合環(huán)境應力(見表1)發(fā)現(xiàn),采用助飛發(fā)射比采用管裝發(fā)射和空投發(fā)射時魚雷承受的環(huán)境更為復雜和惡劣, 經(jīng)歷的工作階段最多, 故可以模擬助飛發(fā)射時魚雷承受的綜合環(huán)境條件來設計可靠性試驗剖面[12], 具體如下。

1) 循環(huán)時間。每次循環(huán)試驗時間定為24 h, 模擬冷天、標準天和熱天3種氣候類型。

2) 氣候類型。每種氣候類型下, 產(chǎn)品達到溫度穩(wěn)定后, 模擬魚雷執(zhí)行工作任務。為加快試驗效率和節(jié)省試驗時間, 每種氣候類型模擬多次工作任務, 依據(jù)GJB/Z 20391, 冷/熱天氣候類型下模擬魚雷執(zhí)行工作任務次數(shù)各占總任務次數(shù)的1/4, 標準天氣候下模擬魚雷執(zhí)行工作任務次數(shù)占總任務次數(shù)的1/2。根據(jù)產(chǎn)品溫度穩(wěn)定時間, 1次實航任務時間以及任務占比確定每個循環(huán)模擬任務的次數(shù)。

3) 溫度應力。根據(jù)產(chǎn)品設計任務書和相關標

準, 分別確定冷天、標準天和熱天氣候的平臺發(fā)射階段溫度應力(冷1、標1、熱1), 空中飛行階段溫度應力(冷2、標2、熱2)以及水下航行階段溫度應力(冷3、標3、熱3), 通常魚雷在空中飛行階段經(jīng)歷的時間較短, 魚雷內部溫度變化較小, 因此可以把空中飛行階段的溫度設置為發(fā)射階段的平臺溫度。

4) 溫變率。參考試驗設備能力, 每次模擬任務時, 從平臺溫度轉變?yōu)樗袦囟鹊臏刈兟试O置為15℃/min; 其他溫變速率為模擬冷天、熱天和標準天氣候類型轉變, 溫變率設置為5℃/min。也可根據(jù)實際情況, 設定合適的溫變率。

5) 射前準備時間。考慮到實際使用時, 魚雷發(fā)射前可能已經(jīng)在平臺上進行了較長時間的準備和待機過程, 雖不屬于魚雷的工作任務剖面, 但為了再現(xiàn)魚雷執(zhí)行任務的完整過程, 必要時可增加射前準備過程的模擬。具體時間根據(jù)產(chǎn)品設計任務書確定。

6) 濕度應力。雷內組件開展可靠性試驗時,試驗箱進行低濕度控制, 控制相對濕度≤30%。全雷試驗不控濕。

7) 振動應力。根據(jù)實測數(shù)據(jù)或相關標準確定魚雷在發(fā)射階段、空中飛行階段、水下實航階段的振動譜型和量值, 每階段振動施加時間根據(jù)任務剖面定為1、2和3, 振動施加順序為: 平臺發(fā)射、空中飛行、水下實航。

8) 沖擊應力。試驗過程中應模擬魚雷執(zhí)行工作過程中承受的平臺發(fā)射、雷箭分離以及入水等過程的沖擊應力, 考慮試驗實施的可行性, 可在進行試驗前施加或按實際工作過程與振動應力一同施加。

9) 電應力。按實際工作過程施加電應力, 各組件通電時間和時序應與實際實航保持一致。第1循環(huán)的電應力為上限值, 第2循環(huán)的電應力為標稱值, 第3循環(huán)的電應力為下限值, 第4循環(huán)的電應力為標稱值。4個試驗循環(huán)的電應力的變化構成一個完整的循環(huán)。

綜上, 制定魚雷實航工作可靠性試驗剖面如圖7所示。

圖7 魚雷實航工作可靠性試驗剖面

4 結束語

文中針對多平臺魚雷, 從其使用任務要求出發(fā), 系統(tǒng)梳理出管裝發(fā)射、空投發(fā)射以及助飛發(fā)射等3種平臺下魚雷工作全過程和任務剖面, 分析了各階段的工作環(huán)境應力, 并對這些環(huán)境應力的影響效應進行分析, 確定出影響魚雷工作任務可靠性的主要環(huán)境應力, 在此基礎上依據(jù)相關標準研究了一種適用于多平臺魚雷工作可靠性試驗剖面設計方法及過程, 可有效指導在實驗室內驗證多平臺魚雷及雷內組件實航可靠性。為暴露和改進魚雷實航可靠性缺陷、降低湖海試驗風險提供了工程實踐性較強的手段。文中提出的可靠性試驗剖面設計方法也可為其他各種平臺使用魚雷可靠性試驗方案的制定提供參考。后續(xù)研究中可進一步探討裝載可靠性等任務時間長、試驗樣本小的指標的試驗剖面設計方法。

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Profile Design Method of Reliability Test for Multi-Platform Launching Torpedo in Sea Trial

GUO Qing1, PANG Duo2, LIU Xiao-xi3, LI Rong-rong2

(1.Naval Military Representative Office in Guangzhou, Guangzhou 510610, China; 2.The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an, 710077, China; 3.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610, China)

Aiming at the challenges of reliability verification and evaluation of the multi-platform launching torpedo in complex operation environments, a sea trial reliability profile design method was proposed.Based on the mission requirements of the torpedoes, the mission profile of an entire sea trial process for three types of torpedoes, namely tube-launched, airdrop-launched, and rocket-assisted-launched torpedoes, was systematically studied.The types of working environmental and induced environmental stresses in the sea trial mission profile were also analyzed.This study further presents the environmental stress analysis process of the torpedo sea trial reliability test.Combined with a torpedo historical fault analysis, this process determines the comprehensive environmental stress conditions to be considered in the sea trial reliability verification and presents a method of converting the environmental load spectrum into a torpedo sea trial reliability test profile.The proposed method is useful for verifying the sea trial reliability of torpedoes, reducing the risk in lake and sea trials, and provides a reference for making a reliability test scheme of multi-platform launching torpedoes.

multi-platform launching torpedo; sea trial; reliability; profile design

郭勍, 龐多, 劉小西, 等.多平臺魚雷實航可靠性試驗剖面設計方法[J].水下無人系統(tǒng)學報, 2022, 30(1): 128-134.

TJ630.6; TB114.3

A

2096-3920(2022)02-0128-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.017

2021-08-10;

2021-09-09.

裝發(fā)預先研究項目資助(41402040203).

劉小西(1990-), 女, 碩士, 工程師, 研究方向為環(huán)境與可靠性.

(責任編輯: 吳 攀)