戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈貯存延壽工程實踐關(guān)鍵問題研究

陳凱諾 張福光 杜光傳 尹延濤

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.91331部隊 葫蘆島 125100）

1 引言

導(dǎo)彈貯存延壽工程是指以延長導(dǎo)彈服役期（貯存壽命）為目標，在規(guī)定的保障條件下，由軍方為主導(dǎo)、承制方為主體，通過軍民融合開展的有組織的導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)活動和技術(shù)過程。導(dǎo)彈貯存延壽工程對于最大限度地發(fā)揮已有導(dǎo)彈裝備效能、保持導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性、節(jié)省國防經(jīng)費具有重大軍事意義和經(jīng)濟效益。因此，世界各國都并十分重視導(dǎo)彈的貯存延壽技術(shù)和方法研究［1～2］。

我國已經(jīng)為多型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開展過貯存延壽工作，但是在我國多年戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈貯存延壽工程實踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題，諸如技術(shù)勘驗之前都是根據(jù)以往的延壽實踐經(jīng)驗來進行樣彈選取，并沒有統(tǒng)一的準則；試驗過程中試驗項目的選取與剪裁、試驗項目的先后順序沒有統(tǒng)一的標準，加速貯存試驗的應(yīng)力類型簡單，延壽措施落實的組織協(xié)調(diào)過程中存在資源分配不合理，任務(wù)之間擁堵等問題。這些問題一直困擾著我國各型號的導(dǎo)彈貯存延壽工作，同時也制約著我國導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)的發(fā)展，如果不得以解決，會嚴重影響貯存延壽結(jié)論的可信性，因此本文把貯存延壽工程中小子樣抽樣、加速試驗、環(huán)境試驗的相關(guān)理論和工程實踐研究現(xiàn)狀加以總結(jié)概述。

2 導(dǎo)彈貯存延壽工程實踐中小子樣抽樣問題研究現(xiàn)狀

部隊裝備機構(gòu)批準導(dǎo)彈貯存延壽試驗方案后，需要開展導(dǎo)彈延壽子樣的選取工作。延壽樣彈及備件抽樣過程需要考慮以下四個要素：

1）子樣的數(shù)量

2）子樣的地域環(huán)境來源分布

3）子樣的任務(wù)剖面

4）子樣的環(huán)境剖面

2.1 子樣選取理論研究現(xiàn)狀

試驗樣本如果較充足，就能保證較高的可靠性評估精度。但是由于導(dǎo)彈其經(jīng)濟成本高，而且受到人力、物力、財力、試驗時間以及戰(zhàn)備完好率等方面的限制，并不可以盡可能多地抽取樣彈。這就說明導(dǎo)彈子樣選取是一個小子樣條件下的抽樣問題。文獻［3～7］中研究了服從特定分布的可靠性試驗的最小樣本容量。文獻［8］中先是針對“倒掛”數(shù)據(jù)進行了預(yù)處理，再根據(jù)不同的分布類型確定了各自的最小樣本量，同時認為給出的最小樣本量是理論值，實際工程實踐中還要綜合考慮可靠性評估精度、試驗時間、試驗所需要的人力、物力、財力等要素。

小樣本問題在科學文獻中被廣泛研究。這個問題的主要目的是在缺乏數(shù)據(jù)的情況下獲得最大限度的信息。在文獻［9］中，作者提出了在小樣本量情況下確定經(jīng)驗概率密度函數(shù)和經(jīng)驗累積分布函數(shù)的技術(shù)。針對隨機變量范圍的先驗信息，對每一階統(tǒng)計量進行概率密度函數(shù)的估計。文獻［10］中用Weibull分布作為小樣本失效分布。根據(jù)回歸分析估計了該分布的參數(shù)，結(jié)合先驗信息和蒙特卡羅模擬結(jié)果，計算了參數(shù)的概率分布，并用貝葉斯定理進行了修正。文獻［11］認為另一種分析小樣本數(shù)據(jù)的方法是數(shù)據(jù)擴展，考慮了分段隨機抽樣法用于評估極小試樣加速退化試驗的失效時間分布。文獻［12］考慮了基于Sison-Glaz 的同時置信區(qū)間的小樣本數(shù)據(jù)的概率-可能性轉(zhuǎn)換方法。文獻［13］利用最大熵原理來擬合小樣本下的概率分布，避免了最小二乘逼近法固有的缺點。文獻［14］考慮了基于經(jīng)典方法、q-q 圖構(gòu)造和分段線性逼近的小樣本風電機組運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理方法。文獻［15］指出小樣本統(tǒng)計數(shù)據(jù)的概率分布擬合方法包括三個步驟：1）異常點檢測與校正；2）轉(zhuǎn)換基計算；3）基函數(shù)優(yōu)化。針對非對稱分布逼近的可能性，采用分段線性基函數(shù)。在基函數(shù)優(yōu)化的過程中，計算了偏差平方和與切換點橫坐標的關(guān)系。根據(jù)最小二乘法，用二次逼近的方法得到了該依賴關(guān)系的數(shù)學公式。切換點橫坐標的最優(yōu)值與所得到的拋物線的最小值重合。

根據(jù)服役地域、任務(wù)剖面、環(huán)境剖面等指標選取的樣彈，需要驗證抽取樣彈的壽命分布是否可以代表整體分布情況。選取樣彈之前需要對導(dǎo)彈進行現(xiàn)場技術(shù)勘驗工作，包含狀態(tài)檢查和鑒定兩方面內(nèi)容，是在分析導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)及工作機理基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)彈壽命薄弱環(huán)節(jié)及影響因素，制定技術(shù)勘驗大綱；按照技術(shù)勘驗大綱，采用分解、外觀查看、測量與測試等手段，對導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)進行全面檢查，并對導(dǎo)彈總體可靠性進行初步評估。根據(jù)現(xiàn)場技術(shù)勘驗結(jié)果選取的樣彈參與深度分解、加速試驗或者靶試驗證飛行試驗等，所以說抽樣問題是開展導(dǎo)彈貯存延壽工程的基礎(chǔ)工作，也是關(guān)鍵的問題。

2.2 子樣選取工程實踐現(xiàn)狀

按照工程實施大綱，一是選取導(dǎo)彈子樣（有時子樣數(shù)量為導(dǎo)彈數(shù)量的10%，有時是全部抽取），在導(dǎo)彈技術(shù)陣地開展現(xiàn)場技術(shù)勘驗，獲取自然貯存試驗數(shù)據(jù)，并利用自然貯存試驗數(shù)據(jù)預(yù)測導(dǎo)彈貯存壽命，評估并確認導(dǎo)彈是否具有貯存延壽的潛力，初步驗證導(dǎo)彈貯存延壽工程目標；二是選取并分解部分導(dǎo)彈子樣（一般3 枚～5 枚），并將分解后的彈上分系統(tǒng)/整機運送至各相關(guān)承制方（廠）進行加速退化試驗和貯存壽命評估。

工程上普遍選取延壽子樣的原則如下：選取履歷完整、清楚的導(dǎo)彈作為延壽子樣、延壽子樣應(yīng)具有服役地域代表性、選取執(zhí)行過戰(zhàn)備值班任務(wù)的導(dǎo)彈、優(yōu)先選取累積戰(zhàn)備時間長的導(dǎo)彈。

3 導(dǎo)彈貯存延壽工程加速試驗研究現(xiàn)狀

導(dǎo)彈貯存延壽工程的關(guān)鍵是通過試驗評估得出導(dǎo)彈的剩余壽命，其中加速壽命試驗是快速評估并得出導(dǎo)彈剩余壽命的一種有效途徑。

3.1 加速試驗理論研究現(xiàn)狀

國外對加速試驗的研究較早，已經(jīng)有了比較成熟的理論，也獲得了諸多研究成果［16］。加速檢測已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了幾十年。從恒定應(yīng)力載荷下的加速壽命試驗開始，人們對加速退化試驗和時變應(yīng)力載荷更感興趣。由于加速測試對產(chǎn)品可靠性評估和保修政策設(shè)計至關(guān)重要，因此制定有效的測試計劃非常重要，該計劃包括并解決重要問題，如應(yīng)力分布、樣本分配、試驗持續(xù)時間、試驗頻率和試驗預(yù)算約束的設(shè)計。近年來，對加速試驗方案的優(yōu)化設(shè)計進行了廣泛的研究，考慮相互作用的多重應(yīng)力已成為此類試驗設(shè)計的一大挑戰(zhàn)［17］。

在加速試驗中，產(chǎn)品的樣品在比正常應(yīng)力條件更苛刻的條件下進行測試，以誘導(dǎo)在現(xiàn)場觀察到的相同的失效模式。然后，利用有關(guān)失效過程、失效原因和壽命概率分布的知識，評估產(chǎn)品在正常工作條件下的可靠性，并在必要時表明進一步提高產(chǎn)品可靠性的設(shè)計更改。在此過程中，需要根據(jù)加速試驗數(shù)據(jù)進行外推，以評估產(chǎn)品在正常工作條件下的可靠性。一般來說，需要確定壽命-應(yīng)力關(guān)系來進行外推。

在過去的幾十年里，研究人員一直致力于設(shè)計有效的加速試驗方法。他們從簡單的恒定應(yīng)力加載加速壽命試驗開始，發(fā)展到更復(fù)雜的試驗方法，包括可變應(yīng)力加載和退化試驗。目前有大量的研究集中在加速試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)分析和可靠性評估的各種應(yīng)用。例如，Meeker 和Escobar［18］介紹了加速試驗和分析方法的基本概況。在另一項工作中，Meeker［19］等強調(diào)了高可靠性產(chǎn)品的加速退化試驗優(yōu)于加速壽命試驗，并概述了加速退化試驗建模和分析方法。Escobar和Meeker［20］綜述了加速試驗?zāi)Ｐ停ú煌募铀俜椒ā⒔y(tǒng)計模型、應(yīng)力-壽命關(guān)系、退化路徑和多個應(yīng)力變量，并給出了一些使用加速模型的基本指南。Ye 和Xie［21］簡要介紹了加速退化模型的分類和試驗方案。Nelson［22］和El?sayed［23］用不同的例子介紹了加速試驗的數(shù)據(jù)分析和試驗規(guī)劃方法。

3.2 加速試驗工程實踐現(xiàn)狀

當前貯存延壽工程實踐加速退化試驗的主體單位是相關(guān)彈上分系統(tǒng)/整機等高層級產(chǎn)品的承制方；試驗對象是部組件/元器件/材料等彈上低層級產(chǎn)品；試驗?zāi)康氖窃诩铀賾?yīng)力下高效獲取彈上低層級產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)；在完成了加速退化試驗后，按照導(dǎo)彈貯存延壽工程總目標和實施大綱，由導(dǎo)彈設(shè)計總體部組織開展彈上分系統(tǒng)/整機等高層級產(chǎn)品加速貯存試驗，驗證彈上分系統(tǒng)延壽后的貯存性能。因此，導(dǎo)彈加速貯存試驗（AST）是導(dǎo)彈設(shè)計總體部為了獲取彈上高層級產(chǎn)品在加速應(yīng)力下等效若干年（N 年）的自然貯存的過程而開展的加速試驗。加速貯存試驗（AST）主體單位是導(dǎo)彈設(shè)計總體部；試驗對象是彈上分系統(tǒng)/整機；試驗?zāi)康氖嵌虝r間加速等效彈上高層級產(chǎn)品的自然貯存過程；試驗方法采用單應(yīng)力或多應(yīng)力加速試驗方法；試驗總時間采用定時截尾，時間基本確定，一般用N 個循環(huán)的時間；試驗應(yīng)力是溫度/濕度/振動/沖擊等；試驗應(yīng)力等級為非恒定單級加速應(yīng)力；試驗樣本是小樣本，考慮到后續(xù)的“性能驗證試驗”，一般是3個～5個［16］。

在完成了加速退化試驗后，按照導(dǎo)彈貯存延壽工程總目標和實施大綱，由導(dǎo)彈設(shè)計總體部組織開展彈上分系統(tǒng)/整機等高層級產(chǎn)品加速貯存試驗，驗證彈上分系統(tǒng)延壽后的貯存性能。因此，導(dǎo)彈加速貯存試驗（AST）是導(dǎo)彈設(shè)計總體部為了獲取彈上高層級產(chǎn)品在加速應(yīng)力下等效若干年（N 年）的自然貯存的過程而開展的加速試驗。

在工程中進行加速試驗方案設(shè)計時，加速應(yīng)力水平一般是等間距選取的，所有試驗樣本被平均分配到各個應(yīng)力水平。通過對加速試驗的工程實踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)基于平均理論的加速試驗方案的效率和統(tǒng)計分析結(jié)果并未達到最佳效果。

4 導(dǎo)彈貯存延壽工程環(huán)境試驗研究現(xiàn)狀

4.1 環(huán)境試驗理論研究現(xiàn)狀

我國現(xiàn)有的有關(guān)環(huán)境適應(yīng)性標準絕大部分是環(huán)境試驗方法標準，環(huán)境條件標準主要是自然環(huán)境條件標準［24］。但是現(xiàn)有的標準與法規(guī)并沒有明確給出如何科學地選擇環(huán)境試驗項目、試驗程序、試驗持續(xù)時間、試驗應(yīng)力組合方式、試驗項目順序安排方法等。

文獻［25］認為，環(huán)境試驗設(shè)計一般包括試驗項目、試驗條件、試驗方法和程序、試驗順序四個方面。環(huán)境試驗之前需要預(yù)估所要經(jīng)歷的環(huán)境，在試驗項目的確定過程中盡量都要考慮進去。GJB150A 中為裝備環(huán)境試驗規(guī)定了20 多個試驗項目［26］，基本能夠涵蓋裝備預(yù)期會經(jīng)歷的使用環(huán)境。但是如何科學選擇這些試驗項目，試驗條件如何確定，是需要進行科學論證的。環(huán)境試驗通常不止一個試驗項目，這就涉及到試驗項目的順序安排問題，這些項目安排的先后順序?qū)τ谠囼灲Y(jié)果，試驗所需試驗件數(shù)量和試驗成本有很大影響。根據(jù)設(shè)備特點和各種試驗階段的試驗?zāi)康模瑏泶_定設(shè)備特有的試驗順序，通常可以按以下四類情況來確定試驗順序：1）按試驗?zāi)康拇_定試驗順序；2）按所遇環(huán)境因素的先后；3）按對設(shè)備生產(chǎn)最大的影響來確定；4）根據(jù)試驗的經(jīng)費和時間來確定。除了上述應(yīng)遵循的原則以外，在合理安排試驗順序時，我們還應(yīng)注意試驗項目間的相互影響［29］。

文獻［27］歸納總結(jié)了空空導(dǎo)彈的環(huán)境試驗順序，但是這個結(jié)論并不適合其他類型的導(dǎo)彈。由此可見，當前對于試驗項目的選擇和順序優(yōu)化的研究主要是定性描述為主，缺少科學方法分析過程。

4.2 環(huán)境試驗工程實踐現(xiàn)狀

當前導(dǎo)彈貯存延壽工程中環(huán)境試驗項目的選擇原則遵從GJB150A，一般應(yīng)包括高溫試驗、低溫試驗、振動試驗、沖擊試驗、傾斜和搖擺試驗等，一般為單應(yīng)力序貫試驗。

文獻［28］指出我國現(xiàn)階段的環(huán)境試驗標準體系并不完備、環(huán)境試驗應(yīng)力較單一、試驗結(jié)論置信度不高等問題。常用環(huán)境試驗主要為單因素環(huán)境試驗，綜合環(huán)境試驗也并不能完全涵蓋裝備預(yù)期會經(jīng)歷的使用環(huán)境［29］。環(huán)境試驗綜合化水平低等問題會導(dǎo)致試驗結(jié)論可信度降低［30］。

綜上，當前貯存延壽工程中，環(huán)境適應(yīng)性驗證試驗試驗項目的選擇以及試驗項目實施順序還沒有經(jīng)過科學論證得到一個公認的結(jié)論，這就需要在已有研究基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)工作時序和邏輯關(guān)系梳理出整個試驗工作的流程圖，再運用運籌學和系統(tǒng)工程管理等方法對試驗工作流程圖中的各環(huán)節(jié)進行分析、預(yù)測、決策；明確約束條件及總目標，充分利用資源來優(yōu)化方案［31］。

5 結(jié)語

我國已經(jīng)為多型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開展過貯存延壽工作，積累了一些經(jīng)驗，但是依然存在一些關(guān)鍵問題亟待解決。現(xiàn)場技術(shù)勘驗工作之前都是根據(jù)以往實踐經(jīng)驗對導(dǎo)彈和備件進行抽樣選取，子樣選取沒有統(tǒng)一、系統(tǒng)的準則。工業(yè)部門公認的子樣選取原則是盡可能涵蓋所有批次、包含不同貯存地點、值班時間長、履歷復(fù)雜的導(dǎo)彈，都是較為定性模糊的描述，對于抽取的樣彈數(shù)目、針對每一枚樣彈開展的工作至今還缺少系統(tǒng)、科學的論證，這樣會造成子樣的閑置和浪費。而且當前導(dǎo)彈延壽試驗至今沒有形成一套完備的標準體系，當前貯存延壽工程實踐中，導(dǎo)彈裝備由于其維修工作的復(fù)雜性、維修問題的多樣性、維修任務(wù)的緊迫性，這就使得延壽修理與我們平時的計劃修理、故障修理等修理方式有很大不同，體現(xiàn)在總目標的不同、以及如何組織協(xié)調(diào)這些工作、如何調(diào)運分配修理資源等。通過合理地安排維修任務(wù)和維修工序，可以使得延壽措施落實工作有序高效地進行。

以上這些問題一直困擾著我國各型號的導(dǎo)彈貯存延壽工作，同時也制約著我國導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)的發(fā)展，如果不得以解決，會嚴重影響貯存延壽結(jié)論的可信性。因此，這些關(guān)鍵問題是導(dǎo)彈貯存延壽工程研究的趨勢。