彈箭星用電爆閥可靠性驗證及評估

黃清偉，袁洪濱，李 海

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

電爆閥廣泛用于各類導彈、火箭和衛(wèi)星中，用以實現(xiàn)控制工作介質的通斷。電爆閥的可靠性對于飛行的成敗及航天員的安全性至關重要，因而合理確定可靠性驗證試驗方法，對在定型階段和批生產(chǎn)階段電爆閥的研制具有十分重要的意義。

電爆閥為一次動作閥門，屬于成敗型。目前，國內沒有統(tǒng)一的標準來評估電爆閥可靠性。如果采用傳統(tǒng)的成敗型方法對電爆閥的可靠性進行評估，制定可靠性驗證方案，需進行大量的抽樣電爆試驗，花費大量研制時間和巨額的研制經(jīng)費。由于沒有考慮到電爆閥的作動特點，所以評估結果比較保守，而且反映不出電爆閥的性能指標。航天系統(tǒng)內主要以少量的拉偏電爆管裝藥量來定性考核，無法定量給出可靠性指標，同時也不能真實反映電爆管輸出爆壓變化。法國、美國及俄羅斯等國采用了一種所需試驗次數(shù)極少的可靠性評定方法，即：加嚴試驗考核方法[1-2]。2002年邵德生提出了基于裕度思想的火工裝置的可靠性設計方法，以及減少試驗樣本的強化試驗驗證可靠性方法[3]。上述評估方法未考慮電爆閥的產(chǎn)品特點，具有一定的局限性。

本文從電爆閥的力學特點出發(fā)，提出了一種評估電爆閥可靠性和試驗驗證的新思路，所提出的方法同樣適用于成敗型產(chǎn)品的可靠性評定。

1 電爆閥結構原理

典型的電爆閥工作原理如圖1所示，通常由電爆管、閥體、活塞-切刀組件、接管嘴-襯套組件以及密封圈組成。工作時電爆管通電，產(chǎn)生高溫高壓燃氣，推動活塞-切刀組件運動，切斷接管嘴，并楔緊在閥體錐面上。

圖1 電爆閥工作原理示意圖Fig.1 Working principle of pyrovalve

2 可靠性模型

電爆閥的可靠性是指電爆閥在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下完成規(guī)定任務的能力。電爆閥可靠性可分為點火可靠性、火藥爆炸產(chǎn)生爆壓可靠性和機構可靠性3部分，三者之間是串聯(lián)關系，如圖2所示。

圖2 電爆閥可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of pyrovalve

目前，點火一般采用高可靠電爆管，在置信水平為0.95時，可靠性可達到0.999 9，同時，對于機械作動結構來說，過程質量控制使其可靠性能已經(jīng)比較穩(wěn)定，用傳統(tǒng)的計數(shù)和計量方法檢驗，即可滿足可靠性要求?；谝陨显?，假定：點火可靠度R1與機構動作可靠度R3均為1，這樣電爆閥的可靠度RL即為火藥產(chǎn)生爆壓可靠性R2。

由以上假設，得到電爆閥可靠性等于火藥爆炸產(chǎn)生的壓力大于所需最小壓力同時小于所需最大壓力時的概率，即

火藥爆炸產(chǎn)生的壓力決定于火藥爆炸產(chǎn)生的燃氣壓力p。由于環(huán)境溫度、壓強、藥粒厚度及均勻性等存在一定散差，這些獨立隨機因素的影響造成了火藥爆炸時產(chǎn)生的壓力值并非某一確定值，而是呈正態(tài)統(tǒng)計分布特性[4]。這種分布特性也造成了電爆閥在某種情況下可能會出現(xiàn)超壓的不可靠情況。同樣所需的壓力也是受不同的獨立的隨機誤差影響，由中心極限定理可知其近似服從正態(tài)分布。因此，電爆閥兩個參數(shù)服從正態(tài)分布，其可靠性評估模型如圖3所示。

圖3（a）為電爆管爆炸產(chǎn)生壓力在電爆閥所需的壓力范圍內，此時電爆閥正常動作，其可靠性為1。圖3（b）中陰影是電爆管爆炸產(chǎn)生的壓力與電爆閥所需的壓力有重疊部分,此時電爆閥有可能失效,陰影部分即為失效區(qū)。

由于在實際試驗中電爆閥可靠動作所需壓力可以通過設計、加工及裝配等方式很好地控制，使其方差接近于0，此時電爆閥可靠動作所需壓力可視為常值，其可靠性模型簡化為如圖4所示，可靠性為：

圖3 電爆閥可靠性模型Fig.3 Reliability model of pyrovalve

圖4 簡化的可靠性模型Fig.4 Simplified reliability model

3 可靠性驗證及評估原理

將產(chǎn)品放到惡劣的環(huán)境下，通過增大或者減小電爆閥內爆壓，以降低其可靠性，用經(jīng)典方法推斷在額定環(huán)境下產(chǎn)品的可靠度。根據(jù)目前使用經(jīng)驗，電爆管裝藥量改變量與其輸出爆壓無法定量描述，因此采用改變電爆容腔容積模擬電爆管爆壓改變。

為了利用pB的統(tǒng)計量評估電爆閥的可靠性，假設有如下對應關系：

式中：ρ1和ρ2分別為標準正態(tài)分布的上側概率和下側概率。

一般取 k1=k2，結合式（3）～式（8）可以設計出極限容腔，然后按照極限容腔加工產(chǎn)品，并根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境進行試驗。試驗后按照實際試驗產(chǎn)品極限容腔、試驗臺數(shù)、試驗成功臺數(shù)進行可靠性評估。

4 可靠性驗證及評估示例

4.1 已知條件

一種火箭用電爆閥的可靠性要求及設計參數(shù)如下：

1）用戶要求：置信度r=0.85時，RL≥0.99；

2）電爆管驗收參數(shù)：▽B=30 cm3，p1min=7 MPa，p1max=14 MPa；

4.2 可靠性驗證

1）根據(jù) r=0.85，RL=0.99,查閱 GB/T4086.1或者QJ1384，得到n與k1，k2有如下對應關系：

n=2 5 7 9 12 20

k1=k2=16.6 5.05 4.35 4.01 3.72 3.38

取n=9，則k1=k2=4.01。

4）按照表1生產(chǎn)了大小極限容腔產(chǎn)品各9臺，根據(jù)使用要求進行了力學環(huán)境試驗、熱環(huán)境試驗、電爆試驗、電爆前后漏率檢查和爆破壓力等，產(chǎn)品結構和性能均滿足使用要求。

表1 極限容腔試驗Tab.1 Test of limit volume

4.3 可靠性評估

3）根據(jù) k1，k2，r，n=15，反查 GB/T4086.1或者 QJ1384 得到 ρ1=0.000 086，ρ2=0.000 01；

4）將p，p2帶入式（6），得到RL=0.999 904，滿足用戶“置信度r=0.85時，RL≥0.99”的要求。

本方法與成敗型二項分布所需試驗次數(shù)對比見表2。

表2 本方法與成敗型二項分布所需試驗數(shù)量對比Tab.2 Quantity of test samples needed by this method and pass-fail method binomial distribution

由表2可知，在驗證置信度r=0.85，可靠性RL=0.999 9時，利用成敗型二項分布所需無失效樣本數(shù)量為18 970臺，利用本文提出方法所需無失效樣本數(shù)量為30臺，因此本文提出的方法具有極大的優(yōu)越性。

5 結論

本文提出的電爆閥可靠性驗證及評估方法，是通過改變電爆容腔的安全裕度試驗方法，已經(jīng)成功用于彈箭星用多種電爆閥的可靠性驗證及評估。該方法可以用極少的試驗次數(shù)驗證極高的可靠性，尤其是當可靠性要求高時，優(yōu)越性更加顯著。該方法不但可以用于電爆閥，還可推廣到成敗型產(chǎn)品的可靠性驗證及評估，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。

[1]BEURTEY X.Reliability prediction on Ariane 5 pyrotechnicaldevicesusing the hardened testmethod[C]//Proceedingsof Probabilistic Safety Assessmentand Manag-ement.Crete Greece：Springer London Ltd,1997：1687-1695.

[2][蘇]卓洛托夫,季托夫.空間運載器的可靠性保證[M].潘紹珍,譯.北京：宇航出版社,1996.

[3]邵德生.關于火工裝置的可靠性設計與驗證問題[J].質量與可靠性,2002,(增刊2)：34-36.

[4]胡昌壽.航天可靠性設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,1999.