缩短透波罩测试时间的方法研究

/北京航天长征飞行器研究所

未来武器的发展趋势是高精度、强突防、大威力,透波罩作为保护雷达、光学等目标敏感器的关键部件,通常位于再入飞行器的最前端,既保护导引头免受严酷气动环境影响,又必须保证不影响导引头的电性能,可以说透波罩是未来武器发展的关键技术,其性能优劣直接影响型号的成败。

北京航天长征飞行器研究所的透波罩测试系统是中国运载火箭技术研究院唯一的一套透波罩测试系统,承担着全院武器型号的透波罩测试任务。研究所对60台不同型号与批次的透波罩的测试时间进行进一步统计,发现测试时间最短为26.5小时,最长为34.4小时,平均时间为30.7小时,即4个工作日(8小时为一个工作日)可完成一个透波罩的测试。由于透波罩交付前必须100%进行验收测试,目前的测试能力将严重影响型号任务的计划进度。为此,针对型号科研生产管理中关键短线一一透波罩测试时间较长,有必要对项目管理的薄弱环节进行改进。

一、总体工作策划

1.测试原理

透波罩的电性能测试采用方向图比较法,即在相同条件下对加上透波罩前、后导引头的电性能变化进行测试,如图1所示。

透波罩测试流程如图2所示。其中,空台、复台测试均为无罩状态测试,当空台和复台测试的数据一致性在5%内时,可判定测试系统稳定,测试数据准确、有效。

2.测量系统分析

为了进行测量系统分析,由3人进行分别测量,记录10个透波罩的测试时间,具体如表1所示。通过方差分析可知,由于所有参数均满足测量系统可靠指标要求,故测量系统可靠稳定,重复性以及再现性也都符合要求。

3.过程稳定性分析

对历史记录中某型号透波罩的测试时间及10台样本透波罩的测试时间进行过程控制分析,进而分析测量系统过程稳定性。由I-MR控制图可知,测试时间均在控制界限内,过程稳定且处于受控状态。

4.过程能力分析

对各环节测试时间进行过程能力分析,进而分析测量系统过程能力。由过程能力分析得出,透波罩测试时间过程能力低,具有很大改善空间。

5.测试流程梳理

图1 方向图比较法

图2 透波罩测试流程图

表1 测量系统分析

为了获取透波罩测试时间的各环节分配情况,从已获得的60只透波罩测试时间数据中随机抽取20组进行统计,各环节的平均测试时间排列如图3所示。其中,带罩测试、复台测试、空台测试、数据处理等环节构成测试时间的主要组成部分,总和占近85%的测试时间。

二、实施内容

1.测试流程优化

经过对透波罩测试流程的梳理,优化测试流程,如图4所示。带罩测试、复台测试、空台测试、数据处理等环节构成测试时间的主要组成部分,总和约占87.8%的测试时间。

2.影响因素鉴别

从人、机器、材料、方法、环境、测量6个方面入手,对影响透波罩测试时间的因素进行因果矩阵分析,进而对相关影响因素进行筛选评价,如表2所示。

图3 各环节测试时间排列图

图4 测试流程优化

运用Pareto图分析因果矩阵筛选结果,如图5所示。通过因果矩阵Pareto图发现,占87%测试时间的7个因素分别是采样范围、采样方式、采样间隔、 扫描角范围、转台步进精度、工装设计不合理、数据处理方式,并针对这7个因素进行具体分析。

三、具体方法

1.影响因素分析

采样范围分析。对不同采样范围的透波罩测试时间采用相关分析,随着采样范围的增加,测试时间有明显增加的趋势,得到采样范围与测试时间高度相关,进一步计算可以得到采样范围与测试时间的拟合线图。

图5 因果矩阵Pareto图分析

采样方式分析。对不同采样方式下的透波罩测试时间采用双样本T假设检验,发现不同采样方式下的透波罩测试时间差异具有统计学明显性,测试时间差异为9.52小时。

采样间隔分析。对不同采样间隔下透波罩的测试时间进行统计,并进行单因素方差分析。可以看出,采样间隔对透波罩的测试时间有较大影响。

扫描角范围分析。对不同扫描角范围的透波罩测试时间采用相关分析,发现随着扫描角范围的增加,测试时间有明显增加的趋势,得到扫描角范围与测试时间高度相关。

转台步进精度分析。对不同步进精度下透波罩的测试时间进行统计,并进行了双方差F检验,得出步进精度对透波罩的测试时间有较大影响。

工装设计不合理分析。对不同工装、不同人员透波罩架设时间采用单因素方差分析,得出工装的对准方式对透波罩测试时间无明显影响。

数据处理方式分析。对不同处理方式下的透波罩测试时间采用配对各环节测试时间检验,得出数据处理方式对透波罩测试时间无明显影响。

2.影响因素改善

无交互影响因素改善。传统采样方式为步进式采样,这种方式可靠性高且容易控制,但是时间较长。结合国内外相关工程领域研究现状,设计并实现了一种脉冲扫描式的测试方式。

在脉冲采样方式、脉冲步进精度为1°的条件下进行透波罩测试试验,得到如表3所示的数据,图6将改善前后的数据绘制在一条折线上,更加直观。可以看出,改善后效果明显。

全因子设计。通过影响因素分析发现4个关键影响因素是:采样范围、采样间隔、步进精度、扫描角范围。考虑各因素及其交互作用,决定采用全因子试验,并在中心点处进行3次试验,一共进行19次试验(即24+3),分别对每个因素设定高低2个水平。全因素试验结果正态效应图,如图7所示。

表3 改善前后透波罩测试时间对比

图6 改善前后透波罩测试时间

各因素主效应图,如图8所示。可以看出,采样间隔、步进精度、扫描角范围三者回归线较陡,故主效应影响确实显著;而采样范围回归线较平,故主效应影响确实不显著。

进一步优化,得出透波罩测试时间的曲面图。针对响应曲面试验设计结果,对透波罩测试时间进行望小(24小时)优化,主要关键因素参数优化如表4所示。

图7 全因素试验设计正态图

图8 各因素主效应图

表4 关键因素参数优化

四、实践效果

1.项目改进验证

按照改进后的测试流程及关键因素,针对同一批次15台透波罩重复进行测试,发现数据均在控制线内,系统过程稳定,改善效果良好。

2.完善项目制度

按照质量体系认证要求制定了相关的规范文件,进一步完善了透波罩测试流程,制定了相关的规范文件。在透波罩测试过程中,严格按照相关规程进行操作,确保短时高效完成透波罩电性能测试,缩短产品交付周期。

3.项目实施评估

从2017年完成的透波罩测试任务中,随机抽取20只透波罩产品进行测试时间统计,评估效果如图9所示。

图9 20只透波罩测试时间效果图

4.项目实施效果

图10 历年完成透波罩测试对比

通过项目管理实现了单台透波罩测试时间从30.7小时缩短到12.01小时,解决了透波罩在研制过程中需要做大量中间阶段测试以进行参数的综合优化设计的难题,突破了频繁、随机对透波罩电参数做反复试验的透波罩测试方法等关键技术,提升了透波罩测试效率和客户满意度,实现了透波罩测试效率提升59.6%。在保证型号研制计划和进度的同时,确保批生产透波罩的按期交付,历年完成透波罩测试对比实施效果如图10所示。

透波罩测试是一门涵盖天馈与微波、机械转台、自动控制、软件开发、算法设计等多个专业的学科,此次项目管理活动不仅解决了透波罩测试效率低的难题,也提升了小组成员应用统计知识分析问题、解决问题的能力,增强了小组成员的项目管理意识、团结协作精神,为团队今后解决工作中的更多难题树立了信心。透波罩的测试原理是相同的,只是具体到各个型号由于指标要求不同,具体的测试流程和操作方法有所区别。因此,后续在其它型号透波罩的测试中将以此研究成果为基础,以此方法为借鉴完善不同型号透波罩测试流程,并形成透波罩测试规程及标准。