水中兵器貯存壽命評(píng)價(jià)方法研究★

劉小西 ， 蔡自剛 ， 朱澤 ， 郭勍

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610；2.電子信息產(chǎn)品可靠性分析與測試技術(shù)國家地方聯(lián)合工程中心，廣東 廣州 510610；3.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510610；4.空軍駐安順地區(qū)軍事代表室，貴州 安順 561100；5.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣東 廣州 510610）

0 引言

水中兵器包括水雷、魚雷等水下彈藥裝備，其是防衛(wèi)我國領(lǐng)海安全，打擊和威懾?cái)硨?duì)艦船、潛艇等各種水中攻擊目標(biāo)的國之利器。水中兵器是 “長期貯存，一次使用”的武器裝備，貯存期間受高溫、低溫、振動(dòng)、潮濕和鹽霧等環(huán)境因素的影響，裝備會(huì)發(fā)生一系列的 “物理時(shí)效”變化，影響其貯存壽命。貯存壽命作為衡量裝備質(zhì)量特性的重要指標(biāo)，研究其評(píng)價(jià)方法對(duì)于制定水中兵器使用和保障策略，優(yōu)化其全壽命周期費(fèi)用都具有重要的意義。

1 研究現(xiàn)狀

國外的武器裝備的貯存壽命評(píng)價(jià)技術(shù)主要分為健康狀態(tài)監(jiān)測和加速試驗(yàn)兩類。美軍注重持續(xù)地跟蹤與監(jiān)測產(chǎn)品的貯存性能，定期檢查、試驗(yàn)以確定其是否仍然安全可靠；同時(shí)輔以加速貯存試驗(yàn)，獲取裝備的貯存性能變化規(guī)律，并通過建立的數(shù)學(xué)模型外推導(dǎo)彈的壽命，能夠提前3～5年預(yù)報(bào)裝備的壽命。俄羅斯/烏克蘭的加速貯存試驗(yàn)理論和方法比較成熟，已形成了一整套從材料/器件到整機(jī)/全彈的加速貯存試驗(yàn)理論和方法，其在研制過程中重視壽命設(shè)計(jì)，采用加速貯存試驗(yàn)暴露薄弱環(huán)節(jié)，開展設(shè)計(jì)改進(jìn)后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，能夠提前10～15年預(yù)報(bào)裝備的壽命[1]。

我國貯存壽命評(píng)價(jià)的工程試驗(yàn)始于20世紀(jì)50年代末，通過選取典型的自然環(huán)境區(qū)域投放彈藥樣本開展自然貯存試驗(yàn)，長期觀察監(jiān)測彈藥的質(zhì)量變化情況。近年來，我國加速貯存試驗(yàn)技術(shù)也取得了一定的成果，在導(dǎo)彈的定延壽領(lǐng)域進(jìn)行了領(lǐng)先應(yīng)用[2-4]，在水中兵器領(lǐng)域目前仍通過相似產(chǎn)品法等方式對(duì)壽命進(jìn)行評(píng)估，尚未形成貯存壽命試驗(yàn)方法。本文研究了基于加速貯存試驗(yàn)開展水中兵器貯存壽命評(píng)價(jià)的方法，加速貯存試驗(yàn)是為了盡快地獲取某些關(guān)鍵件、元器件的貯存信息，在實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場貯存中一個(gè)或幾個(gè)環(huán)境因素，適當(dāng)?shù)靥岣邞?yīng)力水平等級(jí)而又不改變其失效機(jī)理，并且可提前獲取貯存信息而進(jìn)行試驗(yàn)[5-6]。目前，常用的水中兵器貯存標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外加速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2 技術(shù)途徑

水中兵器的貯存壽命評(píng)價(jià)技術(shù)途徑如圖1所示，主要分為以下幾個(gè)步驟：1）主要失效模式及失效機(jī)理研究；2）環(huán)境應(yīng)力譜和敏感環(huán)境應(yīng)力研究；3）加速貯存壽命試驗(yàn)剖面研究；4）加速因子研究；5）加速試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)研究；6）正常應(yīng)力水平下產(chǎn)品貯存壽命評(píng)估。

3 應(yīng)用案例

某魚雷產(chǎn)品的貯存剖面如圖2所示，其貯存環(huán)境溫度為5～30℃，存放在充氮?dú)獾拿芊饫紫鋬?nèi)，包裝容器內(nèi)的相對(duì)濕度不大于40%，并且不帶燃料、電池和火工品。該魚雷已使用一定的年限，需驗(yàn)證其剩余貯存壽命能否達(dá)到5年。貯存期間每X月開展一次A級(jí)維護(hù)，每Y月開展一次B級(jí)維護(hù)。該魚雷的貯存壽命評(píng)價(jià)方法的步驟如下所述。

圖1 應(yīng)力試驗(yàn)前后某SOT-23封裝焊板與塑封料分層變化 （后視圖）

圖2 某水中兵器貯存剖面

3.1 失效模式和失效機(jī)理分析

根據(jù)魚雷的組成特點(diǎn)，將魚雷組件劃分為電子或機(jī)電組件，機(jī)械結(jié)構(gòu)件，橡膠件和非金屬材料，火工品及燃料電池4個(gè)部分，分別開展壽命分析。

a）電子或機(jī)電組件

電子或機(jī)電組件是魚雷的主要組成部分，也是實(shí)現(xiàn)其功能性能的主要部分。對(duì)以往的貯存失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)故障率和組件的重要程度，確定一批關(guān)鍵的魚雷電子或機(jī)電組件 （自導(dǎo)裝置、引信裝置、綜合控制儀和線導(dǎo)電子組件等）來開展試驗(yàn)室加速貯存試驗(yàn)，等效加速貯存到5年后，進(jìn)行壽命特征檢測以驗(yàn)證是否符合壽命要求。

b）機(jī)械結(jié)構(gòu)件

通過對(duì)歷史貯存數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)件的問題主要包括齒輪、各個(gè)艙段的連接環(huán)箍、螺釘和殼體等部件的磨損，因此，根據(jù)壽命要求將齒輪、環(huán)箍和螺釘?shù)群膿p件更換為能滿足未來5年使用要求的新件；開展魚雷殼體耐壓試驗(yàn)、氣密試驗(yàn)和應(yīng)力強(qiáng)度分析，驗(yàn)證其強(qiáng)度是否能滿足未來5年的使用要求。

c）橡膠件和非金屬材料

密封圈和液壓油、燃料和滑油等長期接觸后會(huì)出現(xiàn)密封圈膨脹、變大，密封性能會(huì)降低；隔振圈、阻尼層和引信輻射器等長期貯存后會(huì)出現(xiàn)老化問題，性能會(huì)降低[7]；但這些都屬于壽命件，有規(guī)定的換件周期 （如5年），因此并不會(huì)制約水中兵器的貯存壽命。橡膠件和非金屬材料的換件周期的確定方法可參考GJB 92-1986《熱空氣老化法測定硫化橡膠貯存性能導(dǎo)則》。

d）火工品及燃料電池

抽取樣藥或樣件，參考GJB 736.8-1991，在具有火工品試驗(yàn)資質(zhì)的試驗(yàn)單位對(duì)其剩余壽命開展專項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)加速貯存后的樣本通過水下爆炸試驗(yàn)等方式來評(píng)價(jià)其貯存期滿后的爆炸威力等性能指標(biāo)[8]。

3.2 敏感應(yīng)力分析

根據(jù)GJB 2166-1994《魚雷貯存要求》和該魚雷貯存剖面，魚雷在密封充氮的包裝箱內(nèi)不受濕度影響，結(jié)合產(chǎn)品貯存期間的失效模式和失效機(jī)理分析，確定影響其貯存壽命的主要環(huán)境應(yīng)力為溫度，魚雷常溫貯存的溫度范圍為5～30℃，則取均值18℃為額定應(yīng)力。為了確定開展加速試驗(yàn)的產(chǎn)品應(yīng)力水平，先開展產(chǎn)品的摸底試驗(yàn)以摸清產(chǎn)品的高溫應(yīng)力極限，即從產(chǎn)品的工作溫度范圍內(nèi)開始逐步地提升試驗(yàn)溫度 （如5℃/臺(tái)階），直到產(chǎn)品在某溫度應(yīng)力臺(tái)階下出現(xiàn)故障或性能嚴(yán)重退化。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：該魚雷的高溫工作極限應(yīng)力為95℃。因此，應(yīng)留出一定的應(yīng)力余量，確定85℃為加速應(yīng)力水平，以確保產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理與常溫應(yīng)力水平下的一致。

3.3 加速模型及加速因子確定

根據(jù)GB 2689.1-81、IEC 62506-2013和JESD 94A-2008等加速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)選用溫度作為加速應(yīng)力時(shí)，通常采用阿倫尼斯模型作為高溫加速貯存壽命模型，阿倫尼斯模型加速因子AF為[9]：

式（1）中：Ea——激活能，單位為eV；

k——波爾茲曼常數(shù)（8.617×10–5eV/K）；

T——反應(yīng)溫度，單位為K。

阿倫尼斯模型適用于許多失效機(jī)理，但是，對(duì)于每個(gè)機(jī)理通常需采用不同的激活能。通常，產(chǎn)品的激活能通過開展加速試驗(yàn)來確定，即選取3個(gè)以上的溫度應(yīng)力水平分別開展貯存試驗(yàn)，獲取產(chǎn)品的壽命時(shí)間，帶入公式 （1）得到激活能。由于水中兵器壽命指標(biāo)過長，試驗(yàn)樣本少，樣本成本高，開展加速試驗(yàn)確定水中兵器激活能的方法并不可行。因此，本文提出了基于魚雷組成的層次關(guān)系和元器件清單來計(jì)算全彈加速因子的方法，加速因子確定流程如圖3所示。通過搜集魚雷所有的元器件清單，根據(jù)GJB/Z 108A-2006《電子設(shè)備非工作狀態(tài)可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，基于應(yīng)力分析的方法確定各元器件在額定應(yīng)力下的失效率。

圖2 關(guān)鍵組件貯存加速因子的確定流程

同時(shí)，根據(jù)所搜集到的各種元器件激活能Ea，利用阿倫尼斯模型和基于應(yīng)力分析的方法評(píng)估出各種元器件加速應(yīng)力相對(duì)于額定應(yīng)力的加速因子，從而得到加速應(yīng)力水平下各種元器件的失效率。通過全雷可靠性模型，可以計(jì)算得到額定應(yīng)力下和加速應(yīng)力下全雷的失效率數(shù)據(jù)，從而得到全雷的加速因子約為30。

3.4 試驗(yàn)實(shí)施方案

貯存壽命評(píng)價(jià)要求為5年，根據(jù)加速因子為30可得，加速貯存試驗(yàn)的時(shí)間為：5年*365 d/年/30≈61 d。試驗(yàn)期間，每X′個(gè)月 （等效加速貯存X個(gè)月）開展一次A級(jí)維護(hù)，每Y′個(gè)月 （等效加速貯存Y個(gè)月）開展一次B級(jí)維護(hù)。抽取兩套魚雷開展加速貯存試驗(yàn)，試驗(yàn)后檢測合格，說明魚雷能滿足繼續(xù)貯存5年的壽命要求。

4 結(jié)束語

本文研究了水中兵器武器裝備的貯存壽命評(píng)價(jià)方法，包括水中兵器貯存及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、失效分析方法、環(huán)境應(yīng)力譜、敏感環(huán)境應(yīng)力分析方法、加速貯存壽命剖面制定方法、加速因子計(jì)算方法和加速試驗(yàn)實(shí)施技術(shù)等[9-10]。同時(shí)，通過工程案例分析，具體地介紹了魚雷產(chǎn)品的貯存壽命評(píng)價(jià)過程。

本文提出的水中兵器貯存壽命評(píng)價(jià)方法，工程實(shí)踐性好，通過將水中兵器的部組件劃分為電子或機(jī)電組件，機(jī)械結(jié)構(gòu)件，橡膠件和非金屬材料，火工品及燃料電池4個(gè)部分，根據(jù)其不同的壽命特征分別提出了貯存壽命評(píng)價(jià)方法，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合工程實(shí)際且降低了壽命評(píng)價(jià)成本。同時(shí)，基于加速試驗(yàn)技術(shù)的貯存壽命評(píng)價(jià)方法在很大程度上節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間和研制經(jīng)費(fèi)；此外，針對(duì)水中兵器試驗(yàn)樣本少、成本高的問題，創(chuàng)新性地提出了基于元器件信息計(jì)算全產(chǎn)品加速因子的方法。通過水中兵器領(lǐng)域壽命評(píng)價(jià)項(xiàng)目的實(shí)踐證明，該貯存壽命評(píng)價(jià)方法體系準(zhǔn)確度高，工程實(shí)踐效果優(yōu)良。