發射裝備服役壽命和可靠性融合驗證方法研究

王鳳金 楊璐 陳津虎 董軍超 李艷喆

（1北京航天發射技術研究所，北京，100076；2北京強度環境研究所，北京，100076）

0 引言

隨著實戰化要求的不斷提升，我國武器裝備在全壽命周期中將長時間處于復雜環境執行作戰任務，這就要求新型裝備具有復雜任務工況下長壽命和高可靠的能力[1,2]。本文以某地面發射裝備為研究對象，其要在全國復雜環境下服役使用，因此要長期承受值班使用過程中的惡劣氣候、力學環境應力，并要求長時間值班后仍然保持較高的任務可靠性。所以在研制過程中需要對發射裝備的使用壽命與可靠性進行驗證評估。

發射裝備的研制過程中，為了驗證設計、生產的質量以及驗證技術指標是否滿足使用壽命長、高可靠的要求，需要開展一系列的驗證試驗。其中使用壽命與可靠性指標的驗證方法，如采用傳統的外場平貯以及可靠性試驗[3]考核驗證已經難以滿足研制鑒定任務周期要求。因此，本文將對地面發射裝備開展復雜服役任務工況下的壽命、可靠性指標驗證和評估方法進行研究。

發射裝備是貯存、運輸、機動和發射過程的一體化裝置。其為導彈提供支撐和保護，能維持導彈和發射裝置所需的良好溫濕度環境，支撐完成導彈測試和發射，是武器系統的重要組成部分。發射裝備組成復雜，主要包括貯運發射筒、彈射動力裝置、安全裝置、調溫裝置、溫濕壓傳感器等單機或部組件。本文考慮驗證的是發射裝備服役中的使用壽命和可靠性指標，根據本裝備特點具體包括野外服役環境下能否戰備值班M年和戰備值班M年后的發射可靠度R。

本文中針對需要同時驗證壽命與可靠性指標的情況提出了壽命與可靠性融合驗證評估的方法。主要采用加速試驗和相似產品數據相結合的思路開展試驗與評估工作。通過該方法在較短的時間內完成了服役過程中的壽命和可靠性指標的驗證與評估，為地面發射裝備實戰化使用條件下的壽命驗證與可靠性評估提供了新思路、新方法。

1 壽命與可靠性融合驗證方法

壽命與可靠性融合驗證方法是將壽命指標與可靠性指標在同一個試驗中進行驗證的方法。主要是通過對加速壽命試驗與加速可靠性試驗進行融合設計，通過一個試驗過程同時驗證壽命與可靠性雙重指標，實現對產品壽命與可靠性的一體化驗證。這一方法在試驗子樣數量有限以及研制周期短的情況下可以通過試驗方式有效的對產品的壽命與可靠性進行驗證與評估。首先針對各組成部分的敏感應力和失效機理分別設計加速壽命試驗，對服役使用壽命進行驗證，最終獲得裝備的服役使用壽命。然后建立裝備可靠性模型，對各組成部分安排一定樣本的材料或部組件，同步開展加速試驗，等效加速至規定壽命年限后，進行性能試驗，根據性能測試結果綜合評估得到產品服役使用后的可靠性指標。下面就針對發射裝備服役使用壽命與可靠性融合驗證的方法進行詳細介紹。

2 發射裝備服役使用壽命與可靠性融合驗證試驗

2.1 發射裝備服役任務剖面及敏感應力分析

發射裝置服役任務剖面內經受的環境應力主要有溫度、濕度、振動、沖擊等。具體分析至各個組成部分時：1）筒體由復合材料構成，長期暴露于外界環境中，主要面臨溫度、濕度的影響，造成對筒體結構的破壞；2）安全裝置和彈射動力處于筒體內部，由于筒內有環控功能，維持溫濕度在穩定狀態，經分析安全裝置和彈射動力裝置主要承受溫度和運輸振動的綜合作用，溫度會造成電子器件和內部裝藥的老化，長期的運輸振動會造成內部焊點、連接結構、藥柱的疲勞損傷；3）調溫裝置和溫濕度傳感器等給筒內提供良好、穩定的溫濕度環境，存在長時間工作要求，因此，服役期內承受溫度、振動和工作應力，在溫度、振動、電和負載應力綜合作用下，長時間使用后會出現磨損、性能退化、焊點開裂的故障。

2.2 貯運發射筒的壽命與可靠性驗證評估

1）試驗對象

貯運發射筒加速壽命試驗設計了筒體試片級試驗和模擬筒體試驗。

2）試驗應力

根據敏感應力分析結果，對筒體試驗開展溫度、濕度恒定應力加速試驗，試驗根據QJ/Z164.1-86《高分子材料熱老化試驗方法-老化試驗導則》[4]進行實施，對材料進行老化后性能數據的處理和貯存壽命的統計外推評估。通過材料級試驗獲得加速模型和加速因子，進而設計模擬筒體加速壽命試驗，對規定的服役壽命進行驗證。

根據貯運發射筒復合材料試片的加速壽命試驗結果，按照高分子材料熱老化試驗方法數據處理規范中的計算方法，可以得到材料老化的動力學模型、老化速率與試驗應力的加速模型，進而得到不同使用溫度下的性能退化模型，利用加速模型對不同溫度下的退化速率進行擬合，獲取使用環境下的性能退化模型，得到筒體材料服役壽命置信下限計算公式：

式中，P—性能變化指標；τ—壽命；A—常數；α—時間指數，KS—與溫度有關的性能變化速率常速的上限值。

將筒體材料在各量級下試驗后的抗拉強度根據退化方程和加速方程進行外推，得到正常使用狀態下的壽命分布，假設性能參數所對應的壽命分布服從對數正態分布，其可靠性計算公式為

式中，R—可靠性；τ—壽命；σ—標準差；t—使用期。

3）驗證與評估結果

對筒體材料試片在各溫、濕度應力下的開展加速貯存試驗，如表1所示。

表1 筒體材料試片的試驗應力與試驗時間 Table 1 test stress and test time of cylinder material test piece

通過分析測試數據發現，筒體材料試片的拉伸強度性能呈波動下降趨勢。采用Arrhenius方程作為加速模型，可建立材料老化速率與老化溫度之間的關系，由此可通過擬合外推得到其它溫度條件下的材料老化速率，進一步根據公式（1），得到筒體材料服役壽命置信下限τ為18.9年，同時根據材料老化速率方程，得到70℃/RH70%條件下相對于25℃/RH70%條件下的加速因子為12.8。

將模擬筒體在70℃/RH70%RH試驗條件下進行加速試驗150天，等效25℃/RH70%下為5.26年。試驗后對模擬筒體進行并通過了地面靜力試驗，考核其完成任務的能力，得到貯運發射筒滿足服役使用壽命不低于5年的結論。

圖1 筒體材料試片拉伸強度變化曲線Fig. 1 The curve of tensile strength of tube material

針對拉伸強度數據，外推得到25℃下的性能退化速率Ks和時間指數α，將P、Ks、α、σ值代入公式（1）、（2）計算得到貯運發射筒服役使用5年后的可靠度為0.9876。 2彈射動力裝置的壽命與可靠性驗證評估

1）試驗對象

發射裝備的含能產品采用2套彈射動力裝置、若干主裝藥參加試驗。彈射動力裝置加速壽命試驗包括：主裝藥藥柱試驗和彈射動力裝置整機試驗。

2）試驗應力

在溫度、振動綜合應力下進行加速壽命試驗，試驗后將彈射動力裝置進行點火試車，驗證長期服役后的可用性。主裝藥同步進行試驗，試驗后進行力學性能和燃速測試，利用試驗后主裝藥的性能測試結果，評估彈射動力裝置服役后發射可靠度。

對典型服役過程的任務剖面進行分析，對低溫應力進行模擬考核，對值班剖面中的常溫與高溫進行加速，對于機動運輸過程中的溫度、振動進行加速，具體考慮了營區訓練、野外值班等工況，制定等效一次戰備值班周期的綜合應力加速壽命試驗剖面。

圖2 彈射動力裝置典型服役值班加速試驗剖面 Fig. 2 Typical on-duty acceleration test profile of ejection power plant

彈射動力裝置典型服役值班加速試驗剖面中高溫加速方法根據GJB736.8-90《火工品試驗方法 71℃試驗法》[5]進行，火工品在高溫下相對常溫下的加速因子Acc計算公式如下：

式（3）中，T1為高溫試驗溫度；T0為常溫溫度。

對隨機振動，MIL-STD-810G中的振動疲勞等價折算公式與GJB150A[6]中的振動疲勞等價折算公式的表達式是

式中，W和W'分別是加速前和加速后的振動功率譜密度，T和T'分別是加速前和加速后的振動時間，n為加速模型參數，可以參考GJB150.16A的參考值，也可根據材料特性和工程經驗綜合給出。

3）驗證與評估結果

按照圖2中彈射動力裝置典型服役值班加速試驗剖面開展試驗，彈射動力裝置和主裝藥完成了等效5年的加速試驗，試驗后2套彈射動力裝置進行了地面點火并均通過了試驗，得出滿足服役使用5年的結論。根據彈射動力裝置內主裝藥試驗后力學及燃速性能參數進行評估。根據統計規律，主裝藥性能參數服從正態分布。給定了置信度γ，則主裝藥的可靠性精確置信下限可用如下方法獲得

對加速試驗后等效服役5年的主裝藥進行了燃速、抗拉強度等性能測試。根據公式（5），根據GB/T4885的要求計算可靠性置信下限。評估方法采用的GB/T4885中雙邊可靠性置信下限計算方法。得到主裝藥以燃速為性能指標的可靠度評估結果為：RL=1（-PL+PU） =0.9867。

2.4 電子整機產品的壽命與可靠性驗證評估

1）試驗對象

試驗對象是發射裝備中安全裝置、調溫裝置與溫濕度傳感器為代表的電子整機產品。

2）試驗應力

對于調溫裝置、溫度傳感器等電子產品，其在導彈服役期間處于長期工作的狀態，對其進行加速試驗的同時，需按照其MTBF等指標要求進行通電工作，以驗證其使用壽命，同時結合產品壽命周期中經歷的各類環境進行試驗剖面制定，包括貯存、機動、值班等各種任務環節。加速使用壽命試驗主要考慮高溫加速、通電工作、運輸振動、低溫、濕熱等環境應力。

圖3 電氣產品等效一年的服役值班加速試驗剖面Fig. 3 The equivalent one-year on-duty accelerated test profile of electrical products

剖面中高溫加速部分按照電子產品加速試驗方法進行，電子產品的高溫加速因子主要根據其電子元器件的激活能、工作失效率等數據進行綜合計算[7,8]。根據Q/QJA 793-2022《導彈武器電子和機電整機加速貯存試驗方法》[9]，利用整機加速因子計算模型，結合產品組成元器件的失效率與加速因子數據，計算得出整機加速因子，設計加速壽命試驗，將產品加速至需要驗證的年份。

剖面中振動加速方法同公式（4），根據確定的加速使用壽命試驗剖面，將產品在此剖面下進行試驗，對產品分別進行等效5年和10年使用壽命進行驗證，電子產品在試驗期間定期對產品進行檢查，以監測產品的狀態變化。完成加速試驗后，對產品開展可靠性試驗，以進一步評估服役后的可靠性水平。

安全裝置、調溫裝置及溫濕度傳感器屬于電氣產品，在產品完成等效規定服役時間的加速壽命試驗后，繼續開展發射可靠性試驗。在發射準備階段產品主要處于溫度、濕度、電應力的環境下，因此采用溫度、濕度、電應力進行考核，產品可靠壽命服從指數分布，有效試驗時間包括溫度、濕度、電應力的綜合試驗時間，總的試驗時間根據發射可靠性指標與發射準備任務時間確定[10,11]。

式中，T0—參試產品的通電試驗總時間；t0—參試產品的發射準備任務時間；Rl(t0)—參試產品的發射可靠性指標；n—參試產品的數量；β—使用方風險。T0可以由可靠性試驗數據T1和相似產品長期服役后的發射可靠性數據T2綜合獲得，即

則產品的服役后發射可靠度單側置信下限RL為

其中r為故障個數。

3）驗證與評估結果

按照圖3中的試驗剖面對安全裝置、調溫裝置及溫濕度傳感器各2套產品開展綜合應力加速壽命試驗，根據溫度、振動綜合應力加速壽命試驗，驗證等效服役使用5年時間，加速試驗后產品通過了功能性能和環境適應性試驗，驗證其滿足服役使用5年的壽命結論。

將進行了等效5年的參試產品繼續開展發射可靠性試驗，同時，收集到相似產品長期服役后的使用數據。根據公式（7）、（8），在發射準備任務時間為15min，γ=0.8時役使用5年各產品的可靠性數據如表2，表3所示。

表2 安全裝置可靠性數據Table 2 Safety device reliability data

表3 調溫裝置和溫濕度傳感器服可靠性數據 Table 3 reliability data of temperature regulating device and temperature and humidity sensor clothing

2.5 發射裝備的壽命與可靠性驗證評估

本次壽命驗證方法采用薄弱環節法與相似產品法相結合的方法對發射裝備的壽命進行驗證。根據各部組件的驗證評估結果，該型發射裝備各薄弱環節的服役使用壽命均在5年以上，因此可以確定發射裝備服役使用壽命不低于5年。

根據服役期內的任務特點，建立產品可靠性模型，確定長期服役使用后，受各種應力作用導致性能下降進而影響發射任務的薄弱環節為發射筒筒體、彈射動力裝置、安全裝置和調溫裝置及溫濕度傳感器，因此建立可靠性框圖見圖4。

圖4 可靠性框圖 Fig. 4 Reliability block diagram

根據可靠性框圖，該型發射裝備可靠性模型為串聯模型，其中非成敗型的數據需要轉換成成敗型使用L-M法。若第i個可靠性單元的數據為成敗型數據，則統計其成功數和試驗數；若為非成敗型數據，應將其計算結果轉化為成敗型數據，再與L-M方法配合使用。轉化方法舉例如下：

將各個部組件的可靠性度帶入計算后可以得出，發射裝備的服役5年后發射可靠度為0.9742。

3 結論

本文以某地面發射裝備為研究對象，根據其實戰化要求下要長期承受復雜值班使用過程中的惡劣環境，并保持較高任務可靠性的新特點，開展了復雜服役任務工況下的壽命、可靠性指標驗證和評估方法研究。針對產品特點，以實驗室加速壽命試驗與可靠性試驗相融合的方法，設計了綜合應力加速壽命與可靠性驗證試驗。在較短的時間內完成了服役過程中的壽命和可靠性指標驗證，為后續地面發射裝備在全壽命周期實戰使用條件下的壽命驗證與可靠性評估提供了新思路和方法。