基于分檔策略的裝備統一環境試驗條件設計方法

李炳蔚，牛智玲，黃夢宏，李雨青

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

在裝備研發過程中，為降低成本，提高可靠性，需要大量采用相對成熟、久經考驗的貨架產品，如通用遙測傳感器、通用導航接收機等。貨架產品為了適應不同型號、不同安裝位置的環境試驗條件，相同的產品往往要重復開展大量定制化的試驗項目，這對于產品的低成本研制、批量化備料、規模化生產、高效率驗收都非常不利。傳統的“包絡式”設計方法把所有型號的環境試驗條件進行最大化包絡，雖然可以實現環境試驗條件的統一，但不利于產品的低成本設計。為此，本文從裝備的實際出發，研究提出了基于分檔策略的裝備統一環境試驗條件設計方法。本文以航天裝備為例，開展了力、熱、自然環境試驗條件設計方法的研究，該方法對于其他類型裝備也具有一定的普適性。

工程中，裝備的環境的力、熱、自然等試驗條件主要是根據相關標準制定的[1-5]。大部分裝備環境試驗條件制定方法研究主要是集中在力學環境試驗條件方面，包括地面運輸和飛行環境，研究的主要方向是環境試驗條件預示和標準剪裁方法方面。馮福來[4]、鄒小玲[5]、王亮等[6-7]、章思騤[8]、張曾锠等[9]、郭強嶺等[10-11]、馬升等[12]、李春麗等[13]、劉凱[14]、寧薇薇等[15]研究了各類裝備振動環境預示、制定和分析的方法。商霖等[16]研究了基于實測地面試驗數據統計分析的導彈裝備公路運輸振動環境試驗條件的預示方法。王曉雷等[17]研究了基于實測飛行試驗數據的慣組飛行角振動環境測量與試驗條件設計方法。李春麗等[18]研究了基于地面脈動壓力風洞試驗數據的再入飛行器飛行噪聲、振動環境預示方法。董周戰等[19]、孫建勇等[20]、史明麗等[21]、宋敬利等[22]、龔學兵等[23]、張玉杰等[24]研究了裝備沖擊試驗條件的制定和分析方法。對于自然環境（鹽霧、霉菌、砂塵等）、平臺誘導環境（機載武器掛飛振動環境等）主要是參考相關標準[25-29]。黃夢宏等[30]基于任務剖面分析，根據實測地面運輸、飛行試驗的數據，研究了武器裝備統一力學環境試驗條件的可行性。結果表明，裝備運輸振動、運輸沖擊環境、飛行振動、飛行噪聲環境可以建立統一的環境試驗條件。在航天工程實踐中，對一個適裝不同型號的貨架產品提出統一環境試驗條件時，傳統做法是對不同型號的環境試驗條件進行包絡處理，使得產品可以適應不同型號項目的環境。

然而，目前對環境條件制定的研究主要是集中在通過環境分析或者參考相關標準制定特定的環境條件，其中對統一環境條件的研究主要是采用條件包絡的方法，還缺乏針對貨架產品的產品化統一環境試驗條件制定方法的系統研究，且難以指導和支撐裝備產品化、低成本的工程研制需求。為此，本文從裝備的實際出發，提出基于分檔策略的裝備統一環境試驗條件設計方法，通過采用“基本項”+“定制項”的方法對試驗項目進行統一化，采用“包絡式”+“精細式”+“分檔式”對試驗條件進行統一化。本文的方法從工程實際出發，提出了一種基于分檔策略的系統、多維度統一環境條件的制定方法，是對傳統“大包絡”設計方法的重要延拓和創新，規避了傳統方法帶來的高量級、高成本弊端，且經過了航天工程實踐的驗證，對于產品化研制、降低裝備成本具有重要意義，支撐現代戰爭“打得起才能打得贏”。

1 統一環境試驗條件制定方法概述

首先，對裝備環境試驗條件的統一化進行詳細的論證。全面梳理裝備環境適應性要求的試驗條件，結合不同平臺裝備的使用剖面，開展不同平臺裝備使用環境統一化可行性論證，研究統一環境試驗條件制定的策略。裝備需要開展的環境試驗項目可以分為平臺使用環境試驗和飛行環境試驗，每一類又可以細分為若干不同類型的試驗項目。對于不同型號，其環境試驗條件可能在試驗項目、試驗條件上有所不同，如圖1 所示。為了提高統一環境條件在型號應用中的便捷性、可操作性，且降低研制和批產成本，環境試驗條件統一化應遵循簡化和經濟性的原則，按照環境試驗項目和條件分檔2 個方面提出環境試驗條件分檔的總體策略。

2 環境試驗項目分檔方法

首先，對圖1 中產品涉及的不同型號各類環境試驗的項目進行分析，確定試驗項目的分檔策略，明確分檔環境試驗項目。由于航天工程中一些通用產品應用到不同平臺、不同軍兵種的型號眾多，面臨不同型號環境試驗條件項目差異較大，同一類環境試驗條件散布范圍較大的情況。為此，對試驗項目進行分檔，分為“基本項”和“定制項”，如圖2 所示。“基本項”是通用的環境試驗項目，也就是所有產品都要開展的試驗項目，“定制項”是需要視情剪裁的試驗項目。

圖2 環境試驗項目的分檔Fig.2 Grading of environmental test projects

根據裝備實際情況，經過論證后的統一環境試驗條件及其制定策略見表1。本文的研究結果可以作為其他武器裝備的參考，也可以根據實際情況具體問題具體分析。

3 環境試驗條件分檔方法

對于圖2 中每個具體的環境試驗項目，如果不同型號的試驗條件差異不大，盡可能合并為1 個統一的包絡環境試驗條件，也就是“包絡式”環境試驗條件，這樣會使得貨架產品在研制、備料和批產時只需要對標1 個環境試驗條件，可以極大地降低成本。對于不同型號環境試驗條件差異性較大的情況，考慮到不同量級的環境試驗（如振動、沖擊試驗）可能會極大影響產品的試驗方法、產品元器件原材料等級，進一步會極大地影響研制成本和批產價格，如果采用簡單的包絡式統一化環境試驗條件，那么會使得低檔位型號對應產品的成本大大增加。這種情況下，需要首先盡可能地根據飛行或者地面試驗實測數據進行統計分析，然后基于統計結果進行精細化的環境試驗條件設計，也就是“精細式”環境試驗條件。或者對多型號環境試驗條件進行分檔環境試驗條件的制定，把不同型號的環境試驗條件就近歸集到若干檔位。出于經濟性的考慮，一般環境試驗條件的檔位個數不超過3個，也就是“分檔式”環境試驗條件。

3.1 “包絡式”環境試驗條件制定方法

在工程上，往往已知各型號的環境試驗條件，那么最簡單的方式是對各型號的環境試驗條件進行簡單的包絡，得到統一環境試驗條件。包絡的方法是：

1）對試驗項目進行包絡。對于不同型號的試驗項目進行最大包絡，比如有的型號有鹽霧試驗，有的型號沒有鹽霧試驗，統一環境試驗條件需要按照有鹽霧試驗考慮。

2）對試驗條件進行包絡。對于不同型號的試驗條件進行最大包絡，比如有的型號高溫試驗按60 ℃，有的型號55 ℃，那么統一后試驗條件按照60 ℃。

假設有n個型號，其環境試驗條件為E1,E2,…,En，那么進行包絡后，統一環境試驗條件可以描述為：

對典型的幾種試驗條件包絡的方法如下：

1）隨機振動。一般環境試驗條件以功率譜密度的形式給出，應對功率譜密度曲線取最大包絡。

2）高頻沖擊。一般環境試驗條件以沖擊響應譜的形式給出，應對沖擊響應譜取最大包絡。

3）高、低溫試驗。保溫時間取最大值，高溫溫度取最高值，低溫溫度取最低值，溫度變化率取最大值。

4）濕熱試驗。溫度、濕度、持續時間取最大值。

5）霉菌試驗。溫度、濕度、試驗周期取最大值，試驗菌種取包絡。

6）鹽霧試驗。鹽溶液濃度、鹽霧沉降量、持續時間取最大值。

7）砂塵試驗。風速取最大值，吹塵、吹砂濃度取最大值。

其他類型試驗條件的包絡可以參考上述方法進行包絡，包絡的原則是使得統一環境可以包絡各型號的環境對產品的損傷、破壞或腐蝕效果。包絡的溫度–濕度–高度環境試驗條件如圖3 所示。

“包絡式”環境試驗條件的制定方法是工程上目前比較常用的一種方法，其優點是簡單易行、對現有型號環境試驗條件滿足性好、對批產比較友好，缺點是條件取最大包絡，可能會導致統一環境試驗條件的量級過高。“包絡式”環境試驗條件的制定方法比較適用于環境試驗條件本身比較接近，或者產品對相關環境不敏感，或者試驗條件的大包絡不顯著改變產品研制或試驗成本的情況。

3.2 “精細式”環境試驗條件制定方法

“包絡式”環境試驗條件制定方法雖然比較方便，但是多型號的包絡往往導致環境試驗條件項目多、量級高，對于產品的低成本設計和批量生產往往是不利的。為了規避這一弊端，提出“精細式”環境試驗條件制定方法，即通過梳理分析產品在不同型號地面及飛行試驗實測的環境數據，得到精細化的統一環境試驗條件。由于各型號環境試驗條件的提出往往是在方案設計階段，這一階段由于缺乏試驗實測數據，出于工程化的考慮，提出的條件往往帶有較大的余量，屬于強化的環境試驗條件。隨著裝備進入到鑒定定型階段、使用階段，環境實測數據子樣就更多了，且其量級往往遠小于當初制定的環境試驗條件。因此，在進行多型號條件統一時，可以基于各型號實測的環境數據，進行環境試驗條件的“統一化”和“再制定”，可以達到既滿足各型號環境試驗考核的要求，同時又避免量級過高的效果。

“精細式”環境試驗條件制定前，需要先收集不同型號實測的飛行試驗數據，根據子樣大小，采用不同的概率統計方法得到環境試驗條件[3]。

1）子樣數3≤N<7 時，采用正態單邊容差上限（NTL）的方法確定環境試驗條件。對于某個3 子樣的火工沖擊環境試驗條件的制定情況（99%概率，90%的置信度）如圖4 所示。

圖4 基于NTL 的“精細式”環境試驗條件Fig.4 Schematic diagram of "fine" environmental test conditions based on NTL

2）子樣數7≤N≤10 時，采用自由分布容差上限（DFL）或正態單邊容差上限（NTL）方法確定環境試驗條件。

3）數據子樣數N>10 時，采用經驗容差上限（ETL）或自由分布容差上限（DFL）、正態單邊容差上限（NTL）方法確定環境試驗條件。

“精細式”環境試驗條件是基于實測數據制定的，具備傳統“包絡式”方法的優點，同時規避了環境試驗條件過大的問題。然而，該方法應建立在數據子樣足夠多的基礎上，并且需要處理好統一環境試驗條件與各型號環境適應性要求之間的兼容關系，也需要處理好與未來新的型號環境適應性要求的兼容性。

3.3 “分檔式”環境試驗條件制定方法

針對“包絡式”、“精細式”環境試驗條件制定方法的缺點，提出了“分檔式”環境試驗條件制定方法。該方法主要是對不同型號的環境試驗項目和環境試驗條件進行分析梳理，就近歸集到若干檔位，按照量級、譜形等區分為若干個不同的檔位，通常不應超過3 檔。

通過論證，某航天裝備飛行環境試驗條件的分檔情況如圖5 所示。對于飛行環境試驗條件，根據不同的環境要素，結合飛行試驗數據，分析得到分檔環境試驗條件。某航天裝備飛行振動環境試驗條件的分檔情況如圖6 所示，根據不同型號環境試驗條件子樣的分布，進行就近歸集可以細分為3 檔統一環境試驗條件。相關產品在研發和批產過程中可以進行分組、分批，分別執行相關檔位的環境試驗。在工程中，也可以根據實際情況，對產品的設計進行對應分檔，對應于低檔位環境試驗條件，可以適當選取低等級的元器件、原材料，以降低成本。

圖5 飛行環境試驗條件的分檔策略Fig.5 Grading strategy of environmental test conditions of flight

圖6 飛行振動分檔環境試驗條件Fig.6 Schematic diagram of environmental test conditions of flight vibration

“分檔式”環境試驗條件制定方法特點是把環境試驗條件或者實測環境進行就近歸集，避免了多型號環境試驗條件散布較大時“一刀切”的做法，且兼顧了經濟性要求。

4 結語

本文提出基于分檔策略的裝備統一環境試驗條件設計方法，給出了裝備環境試驗條件的分檔策略和剪裁方法。經過航天裝備的實踐表明，本文提出的統一環境試驗條件設計方法是可行的，可以很好地兼顧產品化設計驗收和低成本之間的關系。對不同型號環境剖面和試驗項目進行分析，可以采用“基本項”+“定制項”的方法對試驗項目進行統一化。對不同型號具體環境試驗條件進行分析，可以采用“包絡式”+“精細式”+“分檔式”對試驗條件進行統一化。

本文提出的統一環境試驗條件的設計方法對于產品化研制、裝備降成本具有重要意義。后續還需要開展的研究工作如下：

1）開展基于疲勞/損傷等效的環境試驗條件等效方法的研究，支撐半正弦、隨機振動等不同類型試驗條件的統一化。

2）開展力、熱、自然環境效應研究，通過環境觀測數據、自然暴露性能退化試驗數據的積累，支撐綜合環境試驗條件的等效。