聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)“六性”初步設(shè)計(jì)

張麗品 羅博

（第七一五研究所，杭州，310023）

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)是反潛巡邏飛機(jī)的核心搜潛裝備，主要用于：對敵潛艇進(jìn)行探測、定位、跟蹤和識別；對海洋環(huán)境噪聲和海水溫度深度進(jìn)行測量和處理；對主動聲吶等設(shè)備發(fā)射的聲脈沖信號進(jìn)行水聲偵察，對U/V波段通信信號和雷達(dá)信號進(jìn)行電子偵察。

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)是由多個設(shè)備組成的復(fù)雜系統(tǒng)，為保證系統(tǒng)滿足“六性”的指標(biāo)要求，降低裝備研制的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，需在方案階段將“六性”指標(biāo)要求落實(shí)到系統(tǒng)各組成設(shè)備的設(shè)計(jì)中[1-2]。本文以聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)成品協(xié)議書為基礎(chǔ)，結(jié)合“六性”工程理論方法，對系統(tǒng)開展“六性”初步設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝備功能、性能與“六性”的同步設(shè)計(jì)，從而提高裝備的完好性和任務(wù)成功性。

1 系統(tǒng)組成

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)由聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)和聲吶浮標(biāo)組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)包括聲吶信號處理機(jī)、聲吶顯控處理機(jī)、顯示器、通用鍵盤、摸球、浮標(biāo)接收解調(diào)模塊、浮標(biāo)遙控模塊和聲吶浮標(biāo)參考分系統(tǒng)；聲吶浮標(biāo)為一次性投放使用產(chǎn)品，沒有平均故障時間要求，不需要開展可靠性分配、可靠性建模與預(yù)計(jì)；無需維修，不開展維修性設(shè)計(jì)；在貯存期內(nèi)無需測試，不開展測試性分配、測試性預(yù)計(jì)和嵌入式診斷設(shè)計(jì)。

2 可靠性設(shè)計(jì)

2.1 可靠性分配

可靠性分配方法包括等值分配法、評分分配法、比例組合法等。綜合考慮聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的使用環(huán)境、各功能模塊復(fù)雜程度和技術(shù)發(fā)展水平等因素，在方案階段宜采用評分分配法對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分配[3]。

圖1 聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)組成框圖

2.2 基本可靠性建模與預(yù)計(jì)

聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的基本可靠性模型為串聯(lián)模型，如圖2所示?？煽啃灶A(yù)計(jì)方法包括相似產(chǎn)品法、元器件計(jì)數(shù)法和元器件應(yīng)力分析法，在方案階段沒有具體的元器件選用信息的情況下，宜采用相似產(chǎn)品法對各個外場可更換單元/模塊（Line Replaceable Unit/Line Replaceable Module，LRU/LRM）的平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure,MTBF）進(jìn)行可靠性初步預(yù)計(jì)。根據(jù)各個LRU/LRM的可靠性預(yù)計(jì)值和聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的基本可靠性模型，通過式（1）計(jì)算可得系統(tǒng)MTBF的預(yù)計(jì)值。

圖2 聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)基本可靠性模型

式中，L為系統(tǒng)中包含 LRU/LRM 的種類數(shù)目，ni為第i個 LRU/LRM 的數(shù)量，MTBFi為第i個LRU/LRM的MTBF的預(yù)計(jì)值。

2.3 故障模式、影響及危害性分析

故障模式、影響及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA）包括功能FMECA、硬件FMECA和過程FMECA等。在不同的研制階段，應(yīng)與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)同步進(jìn)行不同程度、不同層次的 FMECA，并貫徹“誰設(shè)計(jì)，誰分析”的原則。

在方案階段開展聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的功能FMECA，初始約定層次為搜潛系統(tǒng)，最低約定層次為 LRU/LRM。經(jīng)分析，聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的故障模式共123個，聲吶浮標(biāo)的故障模式共34個。針對FMECA發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，采取了提高元器件質(zhì)量等級、降額設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、加強(qiáng)環(huán)境應(yīng)力篩選等措施。

2.4 可靠性設(shè)計(jì)措施

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)研制過程遵循主機(jī)所下發(fā)的可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采取了簡化設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)、降額設(shè)計(jì)、容差設(shè)計(jì)、防瞬態(tài)過應(yīng)力設(shè)計(jì)、軟件可靠性設(shè)計(jì)等措施。例如，聲吶信號處理機(jī)熱設(shè)計(jì)包括導(dǎo)熱材料選取、導(dǎo)熱板設(shè)計(jì)和導(dǎo)熱板與導(dǎo)軌熱接觸設(shè)計(jì)等。

3 維修性設(shè)計(jì)

3.1 維修性分配

維修性分配方法包括等值分配法、按故障率分配法、綜合加權(quán)分配法、相似產(chǎn)品分配法等。方案階段的維修性分配為初步分配值，在有相似產(chǎn)品維修性數(shù)據(jù)的情況下，宜選取相似產(chǎn)品分配法對聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)進(jìn)行維修性分配[4]。

3.2 維修性預(yù)計(jì)

維修性預(yù)計(jì)方法包括概率模型法、功能層次法、時間累計(jì)法、抽樣評分法等，考慮到工程應(yīng)用的簡易性和實(shí)用性，在方案階段宜采用早期時間累計(jì)法進(jìn)行聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的維修性預(yù)計(jì)，維修性預(yù)計(jì)模型如圖3所示。

圖3 維修性預(yù)計(jì)模型

對聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的修復(fù)時間元素進(jìn)行分析，收集基本維修作業(yè)平均時間，根據(jù)下式計(jì)算可得系統(tǒng)平均修復(fù)時間（Mean Time To Repair，MTTR）的預(yù)計(jì)值。

式中，L為系統(tǒng)中包含LRU/LRM的種類數(shù)目，Qi為第i個LRU/LRM的數(shù)量，λi為第i個LRU/LRM的故障率，為修復(fù)系統(tǒng)第i個LRU/LRM單元所需時間。

3.3 維修性設(shè)計(jì)措施

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)研制過程遵循主機(jī)所下發(fā)的維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采取了可達(dá)性設(shè)計(jì)、可操作性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)測試設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、防差錯設(shè)計(jì)等措施。

4 測試性設(shè)計(jì)

4.1 測試性分配

測試性分配方法包括等值分配法、按故障率分配法、綜合加權(quán)分配法等。綜合考慮聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的組成、各組成單元的故障率及機(jī)內(nèi)測試（Built-In Test，BIT）的可行性，故障檢測率（Fault Detection Rate，F(xiàn)DR）、故障隔離率（Fault Isolation Rate，F(xiàn)IR）宜采用綜合加權(quán)分配法；而虛警率（False Alarm Rate，F(xiàn)AR）指標(biāo)的分配涉及不確定因素較多，宜采用等值分配法進(jìn)行初步分配[5]。

4.2 測試性建模與預(yù)計(jì)

在方案階段，與研制工作同步進(jìn)行聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的測試性建模工作。通過 TesLab Designer軟件建立系統(tǒng)的多信號流圖模型，基于該模型進(jìn)行測試性設(shè)計(jì)分析，可以找出產(chǎn)品測試性設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，并評估產(chǎn)品的故障檢測率和故障隔離率，為測試性設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

首先，系統(tǒng)各組成單元根據(jù)測試性指標(biāo)分配結(jié)果進(jìn)行測試性初步設(shè)計(jì)；然后結(jié)合LRU/LRM級的FMECA數(shù)據(jù)，建立初步的測試性模型，得到系統(tǒng)故障檢測率和故障隔離率的預(yù)計(jì)值；最后在系統(tǒng)/子系統(tǒng)級進(jìn)行測試資源和信息的統(tǒng)一規(guī)劃權(quán)衡。

4.3 測試性設(shè)計(jì)措施

聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)采取的測試性設(shè)計(jì)措施包括嵌入式診斷設(shè)計(jì)、外部測試設(shè)計(jì)和防虛警設(shè)計(jì)。

4.3.1 嵌入式診斷設(shè)計(jì)

嵌入式診斷設(shè)計(jì)包括加電BIT、周期BIT和維護(hù)BIT。加電BIT在系統(tǒng)接通電源后自動啟動，聲吶顯控處理機(jī)、聲吶信號處理機(jī)等電路模塊按規(guī)定的測試內(nèi)容進(jìn)行自檢，檢測結(jié)束后由聲吶顯控處理機(jī)接收各個電路模塊的檢測結(jié)果并進(jìn)行故障綜合診斷，最終形成故障代碼送至系統(tǒng)顯示器顯示。周期BIT是在系統(tǒng)正常工作過程中，由聲吶顯控處理機(jī)、聲吶信號處理機(jī)等電路模塊按約定時長進(jìn)行周期性自檢，檢測結(jié)果同樣匯總至聲吶顯控處理機(jī)進(jìn)行故障綜合診斷。維護(hù) BIT是對加電 BIT和周期BIT測試內(nèi)容的補(bǔ)充，在系統(tǒng)工作結(jié)束后由維修保障人員通過按鈕或菜單命令啟動、檢查和確認(rèn)飛行中出現(xiàn)的故障情況，并進(jìn)一步隔離故障。

以聲吶信號處理機(jī)為例，其BIT檢測項(xiàng)目包括陣列信號處理模塊的CPU心跳測試和DSP心跳測試，接口模塊的DDR讀寫測試、FLASH讀寫測試和電以太網(wǎng)通信測試，主控模塊的電以太網(wǎng)和光纖以太網(wǎng)的通信測試等。

4.3.2 外部測試設(shè)計(jì)

外部測試設(shè)計(jì)是針對BIT無法檢測或隔離而需外加測試條件方可檢測或隔離的故障模式。各被測單元(Unit Under Test，UUT）設(shè)計(jì)有檢測接口，利用檢測儀表或型號同步研制的檢測設(shè)備可快速定位故障，有效縮短排故時間。

4.3.3 防虛警設(shè)計(jì)

虛警是指當(dāng)BIT或其它監(jiān)控電路指示被測項(xiàng)目有故障，而實(shí)際上該項(xiàng)目不存在故障的狀態(tài)。針對進(jìn)行BIT設(shè)計(jì)的設(shè)備中易引起虛警的故障模式，采取延時、濾波/表決、多次測試等防虛警設(shè)計(jì)方法。

5 安全性設(shè)計(jì)

5.1 初步危險(xiǎn)分析

在方案階段進(jìn)行聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的初步危險(xiǎn)分析可知，聲吶浮標(biāo)在運(yùn)輸和使用過程中可能存在以下兩種危險(xiǎn)故障狀態(tài)：

（1）聲吶浮標(biāo)鋰電池組在電路異常情況下發(fā)生爆噴、起火

聲吶浮標(biāo)的上、下電子艙中均有鋰電池組，共同完成浮標(biāo)的參數(shù)設(shè)置、充氣、釋放、射頻信號發(fā)射等操作。當(dāng)鋰電池組被擠壓、擊穿或者出現(xiàn)內(nèi)部短路時，可能發(fā)生爆噴、起火，對周圍人員或設(shè)備造成較嚴(yán)重的危害。

（2）聲吶浮標(biāo)電子艙殼體內(nèi)部壓強(qiáng)過大

為了保證聲吶浮標(biāo)在水面、水下等濕度較大的環(huán)境中能夠正常工作，對其電子艙殼體進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)。當(dāng)殼體中的鋰電池組發(fā)生爆噴時，會導(dǎo)致殼體內(nèi)部壓強(qiáng)過大，可能對周圍人員或設(shè)備的安全造成損害。

5.2 安全性設(shè)計(jì)措施

通過初步危險(xiǎn)分析，確定系統(tǒng)的危險(xiǎn)故障狀態(tài)作為產(chǎn)品安全性設(shè)計(jì)要求和目標(biāo)。聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)措施主要包括：（1）電源、功放等具有過壓、過流保護(hù)功能，提高設(shè)備的用電安全性；（2）聲吶浮標(biāo)電池組具有充電保護(hù)、短路保護(hù)、過流保護(hù)、高溫保護(hù)、強(qiáng)制放電保護(hù)功能，防止電池在電路異常情況下發(fā)生爆噴、起火；（3）聲吶浮標(biāo)電子艙殼體配備有泄壓閥或通氣機(jī)構(gòu)，當(dāng)電池組內(nèi)部壓力超過220 kPa時，會自動泄放氣體；（4）聲吶浮標(biāo)電子艙殼體設(shè)計(jì)有壓力開關(guān)，浮標(biāo)入水后壓力開關(guān)導(dǎo)通，完成浮標(biāo)上電，提高浮標(biāo)入水前的使用安全性。

6 保障性設(shè)計(jì)

6.1 保障性初步分析

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的修理級別與反潛巡邏飛機(jī)一致，分為基層級和基地級。基層級維修的主要工作內(nèi)容包括：提供飛行探潛任務(wù)所需的常規(guī)保障；常見故障排除、LRU/LRM 更換、零部件的簡單修復(fù)及腐蝕防護(hù)等?；丶壘S修在載機(jī)大修廠或研制單位開展，主要包括：聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)的定檢；內(nèi)場可更換單元（Shop Replaceable Unit，SRU）的更換、零部件修理；為基層級維修提供必要的技術(shù)支持。

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)由電子設(shè)備組成，無預(yù)防性維修項(xiàng)目。聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的修復(fù)性維修項(xiàng)目可根據(jù)故障模式、影響及危害性分析結(jié)果進(jìn)行確定，形成修復(fù)性維修工作匯總表，包括LRU/LRM名稱、故障模式、檢測工作、維修工作、維修頻率和保障設(shè)備等項(xiàng)。

6.2 保障資源規(guī)劃

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的保障資源規(guī)劃內(nèi)容主要包括場站設(shè)備設(shè)施、保障設(shè)備、隨機(jī)工具、備件、人力與人員、用戶技術(shù)資料、培訓(xùn)與培訓(xùn)教材、包裝、裝卸、貯存和運(yùn)輸保障。以保障設(shè)備為例，系統(tǒng)需同步研制聲吶浮標(biāo)信號模擬器、浮標(biāo)參數(shù)遙控設(shè)置設(shè)備和水下目標(biāo)聲磁信息分析系統(tǒng)等三種保障設(shè)備。

7 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

7.1 環(huán)境要求分析

聲吶浮標(biāo)處理系統(tǒng)和未投放的聲吶浮標(biāo)安裝于反潛巡邏飛機(jī)機(jī)身設(shè)備區(qū)，屬于該型飛機(jī)的I類區(qū)域（氣密區(qū)）。該區(qū)域的環(huán)境特性為：通常不直接暴露在海洋大氣中，但偶爾受少量濕氣、鹽霧的作用。聲吶浮標(biāo)投放后，直接暴露在惡劣海洋環(huán)境中，遭受高濕熱、高鹽霧腐蝕環(huán)境的直接作用。

聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求按作用機(jī)理、防護(hù)措施可分為氣候類環(huán)境、機(jī)械類環(huán)境、腐蝕防護(hù)類環(huán)境要求三類，分別采取有針對性的設(shè)計(jì)措施使系統(tǒng)具有足夠的耐受環(huán)境應(yīng)力裕度。

7.2 氣候類環(huán)境

針對低溫、高溫、濕熱等氣候類環(huán)境適應(yīng)性要求，聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)采取了以下設(shè)計(jì)措施：

（1）熱設(shè)計(jì)。聲吶信號處理機(jī)內(nèi)的陣列信號處理模塊、數(shù)據(jù)分發(fā)模塊大量采用高速DSP芯片和大容量存儲芯片，系統(tǒng)運(yùn)行時可能在局部產(chǎn)生高熱。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時采用風(fēng)冷、導(dǎo)熱條等設(shè)計(jì)措施，并運(yùn)用ANSYS軟件建立處理機(jī)的熱仿真模型，如圖4所示，采取措施后處理機(jī)的最高溫度為52.9℃，滿足器件高溫工作的溫度要求。

圖4 聲吶信號處理機(jī)熱仿真模型

（2）防水密封設(shè)計(jì)。聲吶浮標(biāo)設(shè)計(jì)有投放筒和密封袋，可以防止浮標(biāo)在貯存過程中受潮；浮標(biāo)電子艙結(jié)構(gòu)采用O型圈密封設(shè)計(jì)，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行O型圈選型，并在工藝上加強(qiáng)密封貼合面加工精度的控制，防止浮標(biāo)電子艙在水面、水下等濕度較大的環(huán)境中工作時受潮。

（3）低氣壓環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)在電路設(shè)計(jì)與裝配過程中的工藝控制可避免產(chǎn)生尖端結(jié)構(gòu)與殘留毛刺，從而避免低氣壓環(huán)境下尖端放電的問題；聲吶浮標(biāo)電子艙的密封圈使用不易揮發(fā)的高真空硅脂進(jìn)行潤滑，避免因壓力降低導(dǎo)致潤滑脂加速揮發(fā)，造成密封圈表面磨蝕加劇。

7.3 機(jī)械類環(huán)境

針對加速度、振動、沖擊等機(jī)械類環(huán)境適應(yīng)性要求，聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)采取了以下設(shè)計(jì)措施：（1）機(jī)箱與安裝托架之間通過定位銷和鎖緊裝置固定，確保受到外部振動沖擊時不掉落、無接觸不良等情況；（2）設(shè)計(jì)具有減震措施的浮標(biāo)專用包裝箱，可以降低運(yùn)輸途中振動、沖擊對浮標(biāo)的影響；（3）內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用緊密層疊式設(shè)計(jì)，消除內(nèi)部零部件在沖擊過程中產(chǎn)生的過大位移，降低沖擊損傷。

7.4 腐蝕防護(hù)類環(huán)境

針對霉菌、鹽霧等腐蝕類環(huán)境適應(yīng)性要求，聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)采取了以下設(shè)計(jì)措施：

（1）材料選擇。系統(tǒng)機(jī)箱/模塊外殼和浮標(biāo)結(jié)構(gòu)件均采用耐腐蝕合金材料，并對表面作氧化處理，提高抗腐蝕、抗霉菌、抗老化能力。

（2）結(jié)構(gòu)防護(hù)。系統(tǒng)機(jī)箱/模塊外殼和浮標(biāo)結(jié)構(gòu)件盡量減少孔、槽等凹凸不平的設(shè)計(jì)，并在可能積水和留存濕氣的空間開設(shè)排水和排氣孔。

（3）表面涂覆工藝。在系統(tǒng)的內(nèi)部印制板和焊點(diǎn)作三防處理。三防工藝經(jīng)過成熟產(chǎn)品驗(yàn)證，可有效對抗霉菌、鹽霧環(huán)境的侵蝕。

8 結(jié)論

在方案階段開展聲吶浮標(biāo)搜潛系統(tǒng)“六性”初步設(shè)計(jì)，全面策劃了“六性”設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，確定了系統(tǒng)各組成設(shè)備開展“六性”工作的依據(jù)。本文開展的可靠性預(yù)計(jì)、測試性預(yù)計(jì)和維修性預(yù)計(jì)工作，以及采取的相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施，為樣機(jī)階段進(jìn)行系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。