制导弹药控制系统的可靠性预计

高萌 林义 吕向群 邓振伟

摘要：本文给出了一种制导弹药控制系统的可靠性预计的方法。通过对制导弹药控制系统中电子部件、机械部件和光学器件的可靠性预计，得到储存15a的制导弹药控制系统仍满足使用要求。该方法比较符合工程实际，对制导弹药可靠性研究具有重要意义。

Abstract： A method of the reliability prediction of guided system is proposed in this paper. Considering the prediction results for aIl optic-mechanical-electronic components， the reliability of guided system that was stored for 15 years was 0.85. The method is inline with the engineering practice. It has a certain value for the reliability of guided munitions research.

关键词：制导弹药;控制系统;失效率;可靠性预计

Key words： guided munitions;control system;failure rate;reliability prediction

中图分类号：TJ450.6                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）11-0182-03

0  引言

制导弹药控制系统主要由电子部件、精密机械件和光学件等组成，制导弹药区别于通用弹药之处主要是控制系统。经过多年研究，对于通用弹药的可靠性已经有了很好的掌握[1]。因此，要掌握制导弹药的可靠性，关键是算出控制系统的可靠性。可靠性预计，是指建立可靠性结构模型，综合产品的元器件的可靠性数据，得到产系统的可靠性。

制导弹药控制系统具有电子系统、机械系统、光学系统等。因而其可靠性具有复杂性与特殊性，需要综合机械、电子、光学等各个方而，需要分综合析其中的机电部件和光学器件的可靠性，以及各种应力产生的影响。本文对控制系统进行可靠性预计，可从电、机、光三个方面进行分析，为制导弹药可靠性的预计及寿命评估提供一种方法。

1  可靠模型的建立

某制导弹药由控制舱和弹舱构成。相对于传统炮弹，制导弹药控制系统结构复杂、技术密集度高。控制舱内装有弹上控制系统，由鼻锥部、自动导引头、自动驾驶仪等组成。鼻锥部主要由待发程控装置、风帽、电爆管和鼻锥装药组成。它用于保護导引头的光学部件，并适时抛掉，露出光学元件。自动驾驶仪主要由整流罩、位标器和电子舱组成，它用于弹道末段捕获目标并自动导向目标。自动驾驶仪由驱动装置、惯性陀螺、电源装置等组成。它用于控制弹丸按一定的导引规律飞行。通过制导弹药控制系统的功能分析和组件单元的划分，建立了其可靠性框图模型，如图1所示。

2  可靠性参数

可靠性参数是指度量产品可靠性的特征量，主要包括可靠度、失效率和可靠寿命等。

2.1 可靠度

可靠度是指控制系统在规定条件和规定时间内，保持各项预定功能不变的概率，用R（t）表示。其数学公式如下：

中位寿命是指可靠度R=50%的可靠寿命，通常用t0.5表示。当到中位寿命t0.5时，一半产品会发生失效，也就是可靠度R和累积失效概率均为0.5。

特征寿命是可靠寿命的一种特例，即可靠度R=e-1的可靠寿命称为特征寿命。

3  控制系统可靠性预计

制导弹药控制系统中的电子元器件失效率与时间的关系，如图2所示。故障率曲线图反映电子元器件整个寿命期失效率的情况，通常称为称为“浴盆曲线”。失效率随时间变化可分为三个阶段：第一阶段为早期失效期，即递减型。控制系统早期，其失效率较高而下降很快，主要原因在于设计、生产、贮存等过程造成的，以及受调试、加电、启动等人为因素所等人为因素的影响。当上述因素造成的失效发生后，工作也逐渐正常，失效率开始变得稳定，即失效率曲线在t0时刻变平。在t0时刻前称为早期失效期。应该主动想法避免早期失效的发生，即尽量缩短t0的时间。第二段成为偶然失效期，失效率曲线为恒定型，即从t0到t1间的失效率近似为常数。失效主要是由于误操作、意外的天灾以及一些尚不清楚的偶然因素所造成的。这一阶段失效原因大多为偶然因素，因此，也叫偶然失效期。偶然失效期是控制系统的有效工作阶段，这段时间称为其有效寿命。第三段是耗损失效期，失效率是递增型的。在t1以后失效率上升较快，这是因为产品（设备）上的某些零件已经老化，寿命衰竭。因而失效率上升。针对耗损失效的原因.应该注意检查，监控，预测耗损开始的时问，提前维修，使失效率仍不上升，以延长有效寿命。

3.1 电子可靠性预计

电子、电器设备可靠性预计有如下恃点：

①电子、电器设备的寿命多数服从指数分布。即失效率是常数，所以，通常可采用公式作为预计设备或系统的可靠性指标。

②电子、电器设备是由电阻、电容、电子管、二极管和芯片等标准化的电子元器件组成的。对于这些标准元器件，已经掌握了其失效规律，建立了相关的可靠性标准和手册。国产电子元器件顶计可参照GJB《电子设备可靠性预计手册》，进口电子元器件预计可参照美国军用标准《电了设备可靠性预计》。

通常采用元器件应力分析法对电子产品进行可靠性预计[2]。元器件应力分析法是指电子元器件故障率服从指数分布，通过统计同一类型元器件的数量，再乘上这些元器件的工作失效率，最后求和计算出产品的故障率。对于产品中的非串联部分，得到其可靠性要先计算出这部分等效串联的失效率，再与其他串联部分元器件的失效率相加。获得元器件的基本类型、元器件的数量、元器件的质量等级是进行元器件应力分析的前提。利用这种方法预计产品故障率的一般表达式为：

3.2 机械结构可靠性预计

机械系统现有的可靠性计算模型主要有串联、并联及混联等。对于大多数机械系统，其中任意组成零件的失效，均会导致系统失效的发生。因此，最常见的机械系统模型主要是串联模型。机械类产品不同于电子类产品，它的特点如下：

①机械部件相比电子部件，其通用性差，标准化程度也不高;

②机械部件的失效率通一般是变化的，其耗损、疲劳应力往往是造成其故障的主要原因。

由于机械部件的这些特点，对于相似的机械部件，它们的失效率是不集中。采用已有统计数据预测其可靠性，结果通常精度不高。正是由于机械系统本身的复杂性、非标准性、数据的分散性等特征，使得机械系统可靠性建模工作有一定困难，可信度不大。现有的许多模型都是在原来模型的基础上所做的改善和细化，都存在原模型不可避免的缺点。参照国內现行的有关技术标准，对机械可靠性的定量要求，一般采用活动部位的平均无故障工作次数这一指标量值。

本文通过相似产品类比论证法进行机械结构可靠性预计。用相似设备法获得的经验来进行可靠性预计，是将被评估的新产品与以往类似产品进行比较。将旧设备（产品）暴露出来的缺点作为新产品改进的重点。由于系统的可靠性与其内部存在的缺陷密切相关，从旧产品上可以获得产品的失效率与其内部缺陷之间的关系系数。修正系数通过采用专家评分得到，综合权衡后得出一个是效率修正因子D。该因子主要是指部件的材料结构、工艺技术水平和工作环境等。已知原型号产品的MTTF=4.8×106h，通过专家评分得出下式中的修正系数：

因此，制导弹药控制系统机械结构的？姿新=？姿原·D=6.48×10-7h，平均无故障工作次数预计值T=1/？姿新=1.54×106h。

3.3 光学系统可靠性预计

国内对光学系统可靠性的研究还比较少[4]。光学系统的失效模式，主要包括：霉菌、生雾、膜层脱落和应力破裂。从实践的角度来看，常规的光机电一体化产品的故障，绝大多数往往不是由于光学系统的失效所引起。在控制系统探测装置中，对成像质量无特殊要求，因此，对比某激光测距系统试验数据[5]，初步预计光学系统的失效率为5（10-6h）。

4  结论

本文通过综合电子、机械和光学系统可靠性预计来对制导弹药控制系统可靠性进行了预计。经过预计，储存15a的制导弹药，控制系统可靠度还可以达到0.85，还能满足使用要求。该方法比较符合工程实际需要，操作性强，为制导弹药整体可靠性水平预计提供了依据。

参考文献：

[1]钟伟君.一种制导弹药电子部件可靠性预计方法[J].装备环境工程，2014，11（2）：103-105.

[2]宋保维.系统可靠性设计与分析[M].西安：西北工业大学出版社，2008.

[3]GJB/Z 299C-2006，电子设备可靠性预计手册[S].

[4]李培基.光机电一体化产品的可靠性预计[J].电子产品可靠性与环境试验，2005，10（1）：61-62.

[5]吴晗平.某型激光测距系统可靠性预计[J].应用数学，2005，26（4）：30-32.