基于全壽命周期的攔截彈貯存壽命評估方法

馬浩文,熊勇,吳孿淳

(1.中國人民解放軍91439 部隊,遼寧 大連,116041;2.江南工業(yè)集團有限公司,湖南 長沙,410013)

0 引言

攔截彈一般可裝備于各型適裝的水面艦艇,對來襲的反艦魚雷實施攔截。貯存壽命指標同樣是彈藥產(chǎn)品在研制過程中由軍方下達的重要戰(zhàn)術技術指標之一,目前攔截彈的貯存壽命要求是10年。攔截彈作為新型智能化深彈之一,其戰(zhàn)術價值和經(jīng)濟價值,相比較傳統(tǒng)深彈有了顯著提高,且承擔我方適裝船艇水下安全的重要使命,對攔截彈的貯存壽命進行評估,能更好地保證其在使用過程的安全性、可靠性和戰(zhàn)術效能。由于在現(xiàn)有條件下,存在安全、時間和空間等一系列實際問題,無法對攔截彈貯存壽命進行自然環(huán)境真實考核。為驗證攔截彈的貯存壽命,文中通過攔截彈壽命設計分析,結合攔截彈多次試驗的產(chǎn)品準備和試驗情況,對影響其貯存壽命的主要組件和材料進行分析,確定貯存壽命核心組件或單元,通過對影響貯存壽命的主要組件及材料分別開展壽命評估分析和壽命試驗,通過采信相關試驗、其他相似產(chǎn)品或已有資料等數(shù)據(jù)和結論,開展電子部件壽命評估,綜合評定攔截彈貯存壽命[1]。

1 攔截彈貯存壽命剖面

1.1 壽命剖面

攔截彈的壽命剖面從其交付開始到發(fā)射或報廢終止。通過對攔截彈不同使用方式下的使用過程進行分析,其壽命剖面內的主要事件如圖1所示。

圖1 攔截彈壽命剖面Fig.1 Life profile of an intercept missile

1.2 貯存剖面

攔截彈貯存剖面是指攔截彈自交付開始,在密封包裝狀態(tài)下存放于艦彈藥艙或岸基倉庫內所經(jīng)歷的全部事件和環(huán)境的時序描述。攔截彈貯存剖面如圖2 所示。

圖2 攔截彈貯存剖面Fig.2 Storage profile of an intercept missile

1.3 貯存環(huán)境剖面

攔截彈貯存環(huán)境剖面是指攔截彈自交付開始,在密封包裝狀態(tài)下存放于艦彈藥艙或岸基倉庫內,以及周轉過程中環(huán)境情況的描述。攔截彈貯存環(huán)境剖面如圖3 所示。

圖3 攔截彈貯存環(huán)境剖面Fig.3 Storage environment profile of an intercept missile

2 壽命模型

根據(jù)結構劃分,攔截彈由5 個部件和全彈總體相關零部件組成,建立如圖4 所示壽命模型。

圖4 攔截彈壽命模型Fig.4 Life model of an intercept missile

3 綜合評估方法

通過攔截彈壽命設計分析,同時結合攔截彈多次試驗的產(chǎn)品技術準備和試驗情況,對影響攔截彈貯存壽命的主要組件和材料進行分析,確定貯存壽命核心組件或單元,詳細情況如表1 所示。通過對影響貯存壽命的各主要組件及材料分別開展壽命評估分析和加速老化[2]等貯存壽命試驗,同時采信相關試驗、其他相似產(chǎn)品或已有資料等數(shù)據(jù)和結論,對攔截彈壽命進行綜合評估[3-4]。

表1 影響攔截彈貯存壽命的主要組件及材料組成Table 1 Main components and material composition affecting shelf life of the intercept missile

4 壽命設計

分別從總體設計、熱設計、“三防”(防潮濕、防鹽霧和防霉菌)設計、抗沖擊振動設計和電磁兼容性設計等方面提高產(chǎn)品貯存壽命。

4.1 總體設計

4.1.1 結構件設計

攔截彈選用的結構件材質為金屬材料以及塑料等非金屬材料,材料均要能滿足貯存期大于10年的要求。

4.1.2 火工品設計

攔截彈火工品包含炸藥、傳爆藥、發(fā)射藥、點火具、熱電池以及氣囊組件等。裝有炸藥和傳爆藥的戰(zhàn)斗部艙、裝有發(fā)射藥和電點火具的發(fā)動機艙,以及其他獨立的小火工品如熱電池和氣囊組件等,上述艙段或自身均采用密封結構設計,選型的藥劑均采用廣泛運用于軍工產(chǎn)品的標準藥劑,長貯安定性驗證良好,藥劑與零部件之間、藥劑相互之間的相容性良好且無化學反應。

4.1.3 電子部件設計

1) 元器件選型

攔截彈元器件設計時盡量采用標準件、通用件或借用件;對原材料和元器件的選用立足國內,選用有標準的產(chǎn)品,同時其非工作失效率滿足貯存壽命要求,大部分器件符合國軍標,出廠檢測合格率100%。

2) 元器件二次篩選

攔截彈的所有元器件采購完成后,交由具有資質的第三方檢測機構進行二次篩選,剔除早期失效產(chǎn)品,以有效提高系統(tǒng)的整體可靠性。

3) 環(huán)境試驗

電路板整機制備調試完成后,進行高溫、低溫、溫度沖擊等環(huán)境試驗,剔除檢驗不合格產(chǎn)品,減少在貯存期內由于溫度變化引起的產(chǎn)品失效,提高系統(tǒng)的可靠性。

4) 電路板“三防”設計

電路板經(jīng)過環(huán)境試驗,對檢測合格的產(chǎn)品進行噴“三防”漆處理,使得電路在貯存期具有優(yōu)越的絕緣、防潮、防漏電、防震、防塵、防腐蝕和防老化等性能,保護電路板免受環(huán)境的侵蝕,從而延長使用壽命,確保使用的安全性和可靠性。

5) 連接器制造工藝

攔截彈使用的連接器均符合國軍標的制造與驗收標準,通過插針、插孔的金屬片材優(yōu)選,表面電鍍,精密加工與塑料成型等關鍵制造工藝,在保證連接器良好的導電率基礎上,增強防腐蝕性能,提高連接器全壽命周期內的可靠性。

6) 電路板總體灌封

經(jīng)過“三防”處理,對檢測合格的產(chǎn)品,利用發(fā)泡劑將電路板整體包裹成具有一定形狀的部件,整體發(fā)泡成型后可使電路板的防振、防沖擊、防水、防腐蝕、防塵以及防老化能力進一步提高,電路可靠性進一步加強。

4.2 熱設計

熱設計主要是指采取適當措施降低產(chǎn)品及其零部件所處的環(huán)境溫度,或提高產(chǎn)品及其零部件的溫度適應能力,特別是元器件周圍的環(huán)境溫度,以降低元器件失效率,提高設備可靠性。針對發(fā)動機工作溫度可達2500℃的情況,對發(fā)動機殼體與燃氣接觸的所有內表面、發(fā)動機連接部位均采取隔熱措施,涂裝隔熱涂層;對換能器及電路板進行熱防護設計,并進行低溫極限試驗、高溫極限試驗、溫度沖擊試驗和溫度突變試驗等,以保障可靠工作。

4.3 “三防”設計

全彈采取密封措施,使彈體內腔封閉,防止彈體內部元器件受潮等;通過在彈體表面涂裝軍用油漆,零件表面采用鍍層、陽極氧化等表面處理方式,提高其抗鹽霧、防腐蝕能力,提高貯存可靠性。

4.4 抗沖擊和防振設計

攔截彈設計時依據(jù)相關國軍標進行抗沖擊和防振設計,防止零部件、敏感元器件或整機在運輸、跌落和飛行等過程中或高過載情況下出現(xiàn)共振或失效情況,以保證產(chǎn)品可靠工作。

4.5 電磁兼容設計

電磁兼容性是指攔截彈的各部件在其設計要求范圍內正常工作時,其他部件的工作性能不得降低或出現(xiàn)故障。主要通過濾波、屏蔽、接地、線路及布線設計、干擾和敏感性控制,以及電源系統(tǒng)選取等方式來完成電磁兼容性設計。

5 試驗驗證和壽命評估分析情況

5.1 試驗驗證情況

1) 環(huán)境適應性試驗情況

對攔截彈進行一系列部件及總體環(huán)境試驗,環(huán)境試驗結果表明,攔截彈在各種極端環(huán)境條件下均能達到戰(zhàn)技指標和使用要求,對環(huán)境的變化不敏感,能夠保證在勤務使用中的安全性以及在特殊環(huán)境條件下的飛行性能、安全性和可靠性[5]。

2) 電磁兼容試驗情況

對攔截彈進行了電磁兼容試驗,結果表明,攔截彈對國軍標要求的電磁輻射和實際環(huán)境下的電磁輻射均不敏感[5]。

5.2 金屬材料壽命情況

攔截彈上選用的金屬結構件材料均從合格原材料供方處采購,經(jīng)過出廠檢驗和進廠原材料驗收后進行制造加工,質量品質可控。這類金屬材料抗老化性能強,貯存壽命均在20 年以上。

5.3 非金屬材料壽命情況

攔截彈上使用的非金屬材料主要為各類密封圈和塑料件。

1) 橡膠材料

攔截彈上使用的密封圈、保護套等橡膠材料在國家橡膠密封制品質量監(jiān)督檢驗中心進行老化、性能試驗等共多項試驗,結果表明,各項指標均達到國家標準的要求,貯存壽命可達15 年。

2) 塑料材料

攔截彈中使用尼龍和聚苯乙烯泡沫等非金屬材料,這些材料已廣泛應用于軍工行業(yè),在相似的彈藥裝備中使用這類材料達30 年以上,表明該類塑料件貯存壽命均能達到貯存要求。

5.4 火工品壽命情況

攔截彈上發(fā)射藥、電點火具、熱電池、氣囊組件等火工品均按照相關國軍標進行了熱加速老化試驗或長貯試驗等,試驗結果表明上述火工品的貯存壽命均滿足要求[6-8]。

5.5 電子部件壽命分析

依據(jù)相關國軍標進行攔截彈電子設備和系統(tǒng)的非工作狀態(tài)可靠性預計。由于元器件非工作可靠性詳細預計法適用于產(chǎn)品已具有詳細的元器件清單階段,所以使用該方法進行攔截彈電子部件的非工作狀態(tài)可靠性和貯存期預計。

根據(jù)攔截彈的實際情況,其電子設備非工作狀態(tài)可靠性預計的一般程序如下:

1) 將攔截彈劃分成N1～N7 共7 個可靠性預計單元;

2) 采用非工作狀態(tài)可靠性詳細預計法,計算各預計單元內元器件的非工作失效率,按非工作失效率模型計算各個種類元器件的非工作失效率;

3) 將7 個預計單元內各種類元器件的工作失效率相加,由此得出預計單元內的失效率;

4) 按攔截彈的可靠性模型[9-10],逐級預計設備、系統(tǒng)的非工作狀態(tài)可靠性。

各單元的非工作失效率見表2。

表2 單元非工作失效率匯總Table 2 Summary of unit non-working failure rate

按設備可靠性模型,總的非工作狀態(tài)失效率為所有預計單元的非工作狀態(tài)失效率之和,即λs=0.08331。

根據(jù)攔截彈研制總要求的可靠性指標,下達給電子部件經(jīng)過貯存期后允許的可靠度值RS=0.992,則電子部件的貯存期為

經(jīng)計算攔截彈電子部件貯存壽命為11 年,能夠滿足相關要求。

5.6 采信情況

攔截彈的各種金屬件、非金屬件、炸藥和傳爆藥等均在行業(yè)內使用廣泛,因此該部分壽命數(shù)據(jù)可采信類似產(chǎn)品相關壽命數(shù)據(jù)。

5.7 攔截彈組部件壽命情況

通過攔截彈壽命設計分析、采信類似產(chǎn)品貯存壽命數(shù)據(jù)、新研組部件的加速老化貯存壽命試驗、電子部件壽命綜合評估。攔截彈各組部件壽命情況匯總表見表3。

表3 攔截彈組部件貯存壽命情況匯總Table 3 Shelf life of each component of suspended intercept missile

6 結束語

針對人力、物力和安全性考量,無法對攔截彈貯存壽命進行自然環(huán)境真實考核的問題。文中分別從攔截彈的壽命設計、試驗情況、金屬材料貯存壽命、非金屬材料貯存壽命、火工品貯存壽命和電子部件貯存壽命等方面分析,通過采信類似產(chǎn)品相關壽命數(shù)據(jù)、攔截彈組部件的相關壽命分析以及長貯試驗等,同時結合攔截彈試驗的產(chǎn)品技術準備和試驗情況,綜合評估攔截彈貯存壽命。