導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)方法 *

劉艷，劉藝，陳江攀，張為雯，孫立敏，王冬

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

導(dǎo)彈具有長期貯存、一次使用特點(diǎn)，在發(fā)射飛行前通常要經(jīng)歷長期的貯存、值班等過程。因此，導(dǎo)彈在經(jīng)受長期自然環(huán)境的影響后，還需在惡劣的發(fā)射飛行環(huán)境中保證安全、可靠地執(zhí)行任務(wù)。

在以往型號(hào)研制過程中，導(dǎo)彈雖然按照GJB 150A—2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》開展了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)，對發(fā)射飛行過程中的短時(shí)誘發(fā)環(huán)境以及主要自然環(huán)境因素極值的適應(yīng)能力開展了較全面的驗(yàn)證。但在導(dǎo)彈研制階段，貯存或值班過程中溫度、濕熱、鹽霧、太陽輻射等引發(fā)的長期緩變效應(yīng)尚缺乏系統(tǒng)的驗(yàn)證與評價(jià)。若引發(fā)的問題在交付部隊(duì)使用后暴露出來，可能導(dǎo)致任務(wù)失敗或?qū)椗涡苑祻S維修。同時(shí)，由于自然環(huán)境效應(yīng)的緩變性，導(dǎo)致導(dǎo)彈的自然環(huán)境適應(yīng)性在短期內(nèi)無法全面評價(jià)。

因此，需要進(jìn)一步關(guān)注自然環(huán)境影響的緩變效應(yīng)，采用合理的綜合評價(jià)方法，在研制階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性問題，采取改進(jìn)措施，盡可能避免將自然環(huán)境適應(yīng)性問題帶到服役階段。

1 自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)流程

導(dǎo)彈環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)的目的就是評估在各種環(huán)境作用下是否能實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能和性能，以及是否受到了破壞。其中自然環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)工作內(nèi)容是評估導(dǎo)彈的材料、工藝、結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部設(shè)備等對貯存、值班過程自然環(huán)境中各種環(huán)境因素及其綜合的長期緩變效應(yīng)的抵抗能力。

導(dǎo)彈裝備自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)方法的思路是采用多種類型自然環(huán)境試驗(yàn)以及自然環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行驗(yàn)證和評價(jià)[1]。通過充分利用各種信息，包括各級各類產(chǎn)品自然環(huán)境試驗(yàn)信息與各種加速試驗(yàn)信息，以及材料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，最終達(dá)到提高評價(jià)的時(shí)效性、全面性與客觀性的目的。

導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)流程如圖1所示。評價(jià)流程從型號(hào)研制初期環(huán)境剖面分析與驗(yàn)證方案確定，到自然環(huán)境試驗(yàn)實(shí)施，以及開展自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析，需貫穿于型號(hào)研制階段。該評價(jià)方法可用于指導(dǎo)研制單位開展導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)查找和自評價(jià)。同時(shí)，通過該流程獲取的評價(jià)結(jié)果以及相關(guān)試驗(yàn)信息，也可作為導(dǎo)彈鑒定時(shí)自然環(huán)境適應(yīng)性評定的依據(jù)。

圖1 導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)流程Fig.1 Evaluation process of missile’s natural environment adaptability

2 自然環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

導(dǎo)彈產(chǎn)品自然環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：材料環(huán)境適應(yīng)性信息、典型區(qū)域環(huán)境數(shù)據(jù)、相似型號(hào)研制階段自然環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)、相似型號(hào)服役使用階段所產(chǎn)生的信息。

3 導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)

導(dǎo)彈主要由彈內(nèi)部的設(shè)備和導(dǎo)彈艙體結(jié)構(gòu)組成，地(艦)空導(dǎo)彈還有貯運(yùn)發(fā)射筒(箱)對導(dǎo)彈形成防護(hù)。在開展自然環(huán)境適應(yīng)性評價(jià)時(shí)，一般可以將彈上產(chǎn)品分為2部分：一部分是可能暴露在外部經(jīng)受各種戶外自然環(huán)境因素影響的導(dǎo)彈外部材料、結(jié)構(gòu)件;另一部分是彈內(nèi)部設(shè)備，不管是發(fā)射前一直處于筒(箱)內(nèi)的導(dǎo)彈，還是使用時(shí)處于裸彈狀態(tài)的導(dǎo)彈，由于其內(nèi)部設(shè)備可受到密封艙體或筒(箱)的保護(hù)，影響彈上設(shè)備的主要自然環(huán)境因素主要為長期貯存過程中的緩變溫度環(huán)境。因此對導(dǎo)彈的自然環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證可分為戶外自然環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證和庫房貯存環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證兩部分內(nèi)容[2-4]。

3.1 戶外自然環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證

3.1.1 自然環(huán)境試驗(yàn)(大氣暴露試驗(yàn))

自然環(huán)境試驗(yàn)(大氣暴露試驗(yàn))是將試驗(yàn)樣品長期暴露于實(shí)際的自然大氣環(huán)境中，確定自然環(huán)境各種因素綜合作用對其影響的試驗(yàn)。在確定具體試驗(yàn)方案時(shí)，應(yīng)根據(jù)導(dǎo)彈可能部署的典型氣候區(qū)域選取相應(yīng)的試驗(yàn)場站開展試驗(yàn)，針對具體彈上材料、器件開展試驗(yàn)時(shí)，還需根據(jù)材料、器件的敏感環(huán)境因素進(jìn)一步明確試驗(yàn)地點(diǎn)。

圖2 材料試件自然環(huán)境試驗(yàn)Fig.2 Photos of natural environment test of material specimen

自然環(huán)境試驗(yàn)最為真實(shí)，但自然環(huán)境試驗(yàn)的時(shí)間相對較長，因此在裝備研制過程中應(yīng)盡早地利用自然環(huán)境試驗(yàn)積累的數(shù)據(jù)，安排開展自然環(huán)境試驗(yàn)。

3.1.2 自然環(huán)境加速模擬試驗(yàn)

自然環(huán)境試驗(yàn)具有真實(shí)、可靠的優(yōu)點(diǎn)，其試驗(yàn)結(jié)果能夠比較真實(shí)地反映材料及其構(gòu)件、產(chǎn)品在自然環(huán)境中的性能老化，在篩選、考核、評價(jià)裝備、材料及工藝的環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮了十分重要且不可替代的作用。但由于自然環(huán)境試驗(yàn)存在試驗(yàn)周期較長，往往難以滿足材料研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、應(yīng)用和評價(jià)工作的要求，因此需要采用加速模擬的方式，盡快獲取試驗(yàn)結(jié)果，從而快速暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)/缺陷、快速篩選工藝或采取防護(hù)技術(shù)等。

(1) 實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬裝備的實(shí)際可能要經(jīng)歷的自然環(huán)境條件，主要是利用加速模型及環(huán)境效應(yīng)當(dāng)量折算等方法，在實(shí)驗(yàn)室采用循環(huán)組合環(huán)境模擬實(shí)現(xiàn)對材料、防護(hù)工藝等環(huán)境適應(yīng)性的快速評價(jià)[5-6]。某型號(hào)導(dǎo)彈外部材料的實(shí)驗(yàn)室加速模擬試驗(yàn)剖面示例見圖3，通過提升環(huán)境應(yīng)力量值，并利用一系列當(dāng)量折算方法，最后用3個(gè)循環(huán)(總實(shí)施時(shí)間約3個(gè)月)的實(shí)驗(yàn)室加速模擬試驗(yàn)，對3年的累計(jì)戶外自然環(huán)境暴露進(jìn)行了模擬。由于實(shí)際環(huán)境中影響產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性和可靠性的因素復(fù)雜，模擬環(huán)境與真實(shí)使用環(huán)境有時(shí)并不一致，所以需要與其他技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，比如與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，調(diào)整加速模型參數(shù)，以提高實(shí)驗(yàn)室評價(jià)結(jié)果的可信性。實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)可快速暴露產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)/缺陷，適用于材料、工藝的篩選，以及材料、工藝自然環(huán)境適應(yīng)性的快速評價(jià)。

圖3 某型導(dǎo)彈材料實(shí)驗(yàn)室加速模擬剖面Fig.3 Laboratory acceleration simulation section of a missile material

(2) 自然環(huán)境加速試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境試驗(yàn)雖具有試驗(yàn)周期短、重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)，但可能存在與實(shí)際失效模式和規(guī)律不完全吻合，不能反映真實(shí)環(huán)境中的失效規(guī)律的缺點(diǎn)。自然環(huán)境加速試驗(yàn)方法是在自然環(huán)境條件下，通過適當(dāng)強(qiáng)化某些環(huán)境因子，加速裝備或材料性能劣化的試驗(yàn)方法。它綜合了自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，具有真實(shí)、可靠和試驗(yàn)周期短的特點(diǎn)。

目前，在大氣環(huán)境試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，國內(nèi)外大力開展了自然環(huán)境加速試驗(yàn)技術(shù)研究，研發(fā)了各類自然環(huán)境加速試驗(yàn)設(shè)備及方法[4-7]。目前國內(nèi)主要的幾種自然環(huán)境加速試驗(yàn)見表1。

表1 自然環(huán)境加速試驗(yàn)類型及適用對象Table 1 Types and applicable objects of acceleration test in natural environment

以其中的黑箱暴露試驗(yàn)為例[8]，在黑箱作用下增加了太陽熱量吸收，使熱量聚集在試樣表面。從圖4中的變化曲線來看，黑箱夏季在太陽輻射作用下，內(nèi)部溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣環(huán)境溫度，最高為戶外大氣溫度的2.1倍，達(dá)到67.8 ℃左右。

圖4 萬寧夏季黑箱與戶外大氣24 h環(huán)境溫度變化曲線Fig.4 24 h ambient temperature change curve between black box and outdoor atmosphere in summer of Wanning

通過硅橡膠B547黑箱加速和自然暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比情況(圖5)，可以看出材料相關(guān)性能變化隨時(shí)間都呈現(xiàn)出波動(dòng)變化特點(diǎn)，總體趨勢基本一致，以對應(yīng)峰值出現(xiàn)的時(shí)間點(diǎn)來看，加速倍率在2倍左右。因此，累積一定數(shù)據(jù)后，通過對比自然環(huán)境加速試驗(yàn)與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果，確定了2種試驗(yàn)趨勢一致性，試件性能的可加速性和自然環(huán)境加速試驗(yàn)的加速倍率后，可以通過自然環(huán)境加速試驗(yàn)在相對短的時(shí)間內(nèi)對實(shí)際自然環(huán)境下相應(yīng)周期的環(huán)境適應(yīng)情況進(jìn)行預(yù)估。

圖5 硅橡膠B547拉伸強(qiáng)度保留率兩種試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of two kinds of test results of tensile strength retention of silicone rubber B547

3.2 庫房貯存環(huán)境效應(yīng)驗(yàn)證

3.2.1 庫房貯存環(huán)境試驗(yàn)

庫房貯存試驗(yàn)是針對導(dǎo)彈在壽命周期內(nèi)長期庫房貯存環(huán)境開展的實(shí)際庫房貯存模擬試驗(yàn)，用于模擬導(dǎo)彈或彈上產(chǎn)品交付部隊(duì)后在各類典型區(qū)域環(huán)境中長期貯存過程，暴露其在貯存環(huán)境條件下的缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，獲取導(dǎo)彈貯存環(huán)境效應(yīng)及失效機(jī)理。

在型號(hào)研制初期，一般針對貯存薄弱環(huán)節(jié)開展庫房貯存環(huán)境試驗(yàn)。貯存薄弱環(huán)節(jié)是指經(jīng)過長期貯存可能發(fā)生性能退化的設(shè)備、組合或組件。對于導(dǎo)彈內(nèi)部的彈上設(shè)備，在實(shí)施庫房貯存環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，若不隨整彈開展試驗(yàn)，需要對產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)，盡可能模擬實(shí)際貯存狀態(tài)，以避免出現(xiàn)與實(shí)際使用不符的失效模式。

在型號(hào)技術(shù)狀態(tài)基本確定，且針對研制階段暴露出的各種環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)采取了改進(jìn)措施后，可以考慮開展整彈庫房貯存環(huán)境試驗(yàn)，對導(dǎo)彈庫房貯存環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行全面驗(yàn)證與評價(jià)。

3.2.2 庫房貯存環(huán)境加速試驗(yàn)

彈上設(shè)備或所屬組合、組件的庫房貯存環(huán)境加速試驗(yàn)，一般針對庫房貯存環(huán)境中的主要環(huán)境因素，即溫度應(yīng)力，采用溫度應(yīng)力下的加速退化試驗(yàn)。加速退化試驗(yàn)是在失效機(jī)理不變的基礎(chǔ)上，通過尋找產(chǎn)品性能參數(shù)與應(yīng)力之間的關(guān)系，利用產(chǎn)品在高應(yīng)力水平下的性能退化數(shù)據(jù)外推正常應(yīng)力水平下的退化情況。通過庫房貯存環(huán)境加速試驗(yàn)，可以快速評估彈上設(shè)備是否滿足長期庫房貯存環(huán)境適應(yīng)性要求，同時(shí)也可通過試驗(yàn)，快速暴露出設(shè)備可能存在的問題。

基于加速退化試驗(yàn)的庫房環(huán)境，加速試驗(yàn)方法一般包括3部分內(nèi)容：①加速試驗(yàn)前的失效模式和失效機(jī)理分析，開展摸底試驗(yàn)，驗(yàn)證性能參數(shù)的可加速性以及確定失效機(jī)理不變的加速應(yīng)力邊界；優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)；②實(shí)施加速試驗(yàn)，獲取加速退化數(shù)據(jù)；③加速退化數(shù)據(jù)的分析建模及統(tǒng)計(jì)推斷，同時(shí)可通過與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果對比對模型進(jìn)行相應(yīng)修正。

4 導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析

4.1 導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析要點(diǎn)

導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性分析可以分為2部分。①結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，依據(jù)自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對設(shè)計(jì)措施的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行定性核查，可在方案或設(shè)計(jì)階段開展自然環(huán)境適應(yīng)性初步評價(jià)時(shí)采用。②根據(jù)導(dǎo)彈各級產(chǎn)品各類自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)實(shí)施結(jié)果，并參考相似產(chǎn)品各類試驗(yàn)與使用情況，通過自然環(huán)境綜合分析表的形式，對自然環(huán)境適應(yīng)性問題進(jìn)行匯總分析與影響分析，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性的綜合分析與評價(jià)[12]。

開展自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析的工作要點(diǎn)有：

(1) 依據(jù)自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)措施的實(shí)現(xiàn)情況進(jìn)行核查；

(2) 收集導(dǎo)彈各類自然環(huán)境試驗(yàn)的結(jié)果和相應(yīng)故障信息，分析排除與環(huán)境無關(guān)的故障，檢查環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)措施，或采取的環(huán)境防護(hù)等措施的有效性。

(3) 收集相似型號(hào)研制試驗(yàn)或?qū)嶋H使用過程的自然環(huán)境適應(yīng)性信息；

(4) 填寫自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析表，對導(dǎo)彈各層級產(chǎn)品以及相似產(chǎn)品出現(xiàn)的問題進(jìn)行梳理與匯總，并分析各層次產(chǎn)品自然環(huán)境適應(yīng)性問題對導(dǎo)彈系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，同時(shí)通過迭代分析，判斷自然環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)或防護(hù)措施是否滿足要求。

4.2 導(dǎo)彈系統(tǒng)級自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析

在導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性綜合評價(jià)工作中，為了對各層次產(chǎn)品各類信息進(jìn)行匯總分析，引入故障模式影響及危害性分析和風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的思想。從產(chǎn)品維度展開分析，對各級產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果或基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面梳理，重點(diǎn)將所有暴露的問題匯總到自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析表中(示例見表2)，逐一分析明確每層級產(chǎn)品存在的問題對導(dǎo)彈系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響。通過分析影響的嚴(yán)重程度和發(fā)生的可能性，確定環(huán)境適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)(見表3)，最終形成導(dǎo)彈系統(tǒng)自然環(huán)境綜合分析結(jié)果。

表2 導(dǎo)彈系統(tǒng)級自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析表(示例)Table 2 Comprehensive evaluation table of missile system and adaptability to natural environment (format of the sample)

表3 環(huán)境適應(yīng)性風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指數(shù)Table 3 Environmental adaptability risk assessment index

其中，針對風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)1～9的條目為不滿足要求條目，需采取措施將風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)降低至可接受范圍；風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為10～17的條目應(yīng)對其采取措施的有效性和驗(yàn)證情況進(jìn)行審查確認(rèn)；風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)在18～20為不需審查即可接受。

在型號(hào)定型前，應(yīng)通過采取設(shè)計(jì)改進(jìn)措施、防護(hù)措施或使用補(bǔ)償措施(如年/月/日維護(hù)、定檢、標(biāo)校)等，將所有的風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受水平。最終，導(dǎo)彈系統(tǒng)級自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析表以及對應(yīng)的支撐材料(試驗(yàn)報(bào)告、相似型號(hào)數(shù)據(jù)等)，應(yīng)通過行業(yè)專家、可靠性與環(huán)境工程專業(yè)專家進(jìn)行審查確認(rèn)。

5 結(jié)束語

本文提供了一套針對導(dǎo)彈長期自然環(huán)境效應(yīng)的綜合評價(jià)方法，給出從驗(yàn)證方案制定到綜合分析評價(jià)的實(shí)施流程，同時(shí)明確了導(dǎo)彈不同類型產(chǎn)品適用的自然環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證方法?；诠收夏Ｊ接绊懛治龅乃悸罚岢隼酶黝愒囼?yàn)結(jié)果、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)開展導(dǎo)彈系統(tǒng)級自然環(huán)境適應(yīng)性綜合分析的方法，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈各級產(chǎn)品自然環(huán)境適應(yīng)性問題的系統(tǒng)梳理，通過對最終影響的風(fēng)險(xiǎn)分析與排序，可以支撐戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性分析與設(shè)計(jì)措施制定與落實(shí)，并為導(dǎo)彈自然環(huán)境適應(yīng)性自評價(jià)與鑒定評價(jià)提供支撐。