新技术对大口径舰炮发射系统可靠性的影响分析

邓建辉，张满慧，魏军辉

(1.海军研究院，北京100071；2.西北机电工程研究所，陕西咸阳710019)

0 引言

随着我国海军战略转型以及敌大威力、高效能岸防武器装备的使用，舰炮系统在应对抗强敌军事干预、突发小规模海上摩擦和反恐支援等作战任务中已经占据着越来越重要的地位[1]。在海军装备研究项目的支持下，我国大中口径舰炮型号取得了极大的突破。但是在形成规模效应之后，大口径舰炮系统却也陷入了“大而不强”局面，暴露出了较多的可靠性问题。如故障频发且无法追溯、性能波动且难以控制、整机可靠性衰退明显、关键功能部件可靠性低、维修成本高昂等，这些问题使其作战使用性能无法保障，严重影响到未来与敌岸防装备和水面舰艇对抗中发挥出更大的作用。

为了保障舰炮系统的作战使用效能，海军对新型大口径舰炮系统提出了“三化”和通用质量特性要求，突出可靠性要求[2]。面向可靠性、维修性和保障性指标的不断提高，研制大口径舰炮系统时不仅应当继承传统舰炮的可靠性设计技术，更重要的在于研究和应用新技术、新原理，以打破传统舰炮系统的限定形式，期望新型舰炮的可靠性水平得以显著提高。然而新技术或者新原理的应用在改变舰炮系统结构限定的同时，也会引入混合不确定性因素[3]影响其可靠性，如新型舰炮系统物理参数、物理模型的不确定性都有可能导致可靠性降低。因此一方面有必要进行新型大口径舰炮的新技术和新原理研究，另一方面有必要再对其进行可靠性分析与评价研究，寻求改善新型舰炮系统可靠性水平的约束机制。

本文开展新技术应用对大口径舰炮可靠性的影响研究。将新型大口径舰炮发射系统作为研究对象，首先对它进行新技术应用的可行性分析。然后基于多态故障树理论，构建新型发射系统可靠性的定性和定量分析模型，明确其可靠性水平。最后通过传统和新型舰炮发射系统的可靠性对比评价，度量新技术应用的可靠性增长程度，为提高舰炮可靠性提供技术借鉴。

1 大口径舰炮发射系统新技术的应用可行性

以大口径舰炮发射系统为研究对象，从炮弹的视角自上而下地给出传统舰炮发射系统的结构示意如图1所示。

图1 传统大口径舰炮发射系统的结构示意图Fig.1 Structural diagram of general large-caliber naval gun launching system

1.1 全可燃药筒装药技术

图1 （a）给出传统舰炮发射系统中炮弹与身管的结构示意图。它的炮弹是定装式结构，壳体是钢性药筒形式。针对钢性药筒的结构特点与射击需求，发射系统中必须设有抽壳机构、不抽壳保险部件、退壳机构等复杂机械结构，炮尾后部需要固定有输弹槽，为被抽药筒导向。同时在射击过程中，也需要使得抽壳运动和输弹运动相互协调。

药筒主要用于盛装并密封发射装药、连接底火等，通过对发射药装药技术进行改进，采用可燃容器装填不同种类和重量的发射药形成组合模块装药，既能够替代传统的金属药筒，也能够进一步提高弹丸初速、增大射程，已取得了阶段性研究成果[4–5]。

将全可燃药筒装药技术[5]应用于新型大口径舰炮系统中，采用分装式结构的炮弹，可以大幅简化舰炮发射系统组成结构，省去传统发射系统与钢性药筒相关的机械结构和运动协调控制，无需再添加冗余部件，其概念示意图如图2所示。

图2 新型大口径舰炮的全可燃药筒和激光点火技术概念示意图Fig.2 Simplified diagram of thecomplete combustible cartridgecase and the laser ignition system

1.2 激光点火技术

图1 （b）给出传统舰炮发射系统中炮弹击发机构的示意简图。它安装在闩体内，通过击针撞击底火的动能产生击发能量，主要由击针、击针簧、击针盖、击发传动装置组成。采用底火击发时其击发运动往往会引起底火不被击发的现象，影响舰炮系统的作战效能。

随着点火系统和点火方式的不断发展，激光具有输出功率高、能量集中、能避免电磁干扰和易于控制等优点，展示出了成为理想点火源的潜能。通过激光与含能材料作用机理研究，研制模块装药全可燃火帽、确定模块装药点传火结构，已经基本实现了激光点火技术[6–7]的工程化应用。

将激光点火技术应用于新型大口径舰炮系统中，既适用于全可燃药筒装药结构，也避免了传统发射系统与击发机构相关的机械结构协调控制。但是它也需添加激光装置，主要包含激光器、传输光路、激光透镜窗口等组件，其概念示意图如图2所示。

1.3 垂直装填技术

图1 （c）给出传统舰炮发射系统中炮弹装填部件的示意简图。它对应至炮弹由上扬弹机输送至进膛的运动。针对炮弹进行运动分解，发射系统中必须设有输弹机（输弹机构）、供弹机（转弹机构）和转运机（摆弹机构）等复杂结构。装填时炮弹经历四次交接，上扬弹机至转运机、转运机至供弹机、供弹机至输弹机、输弹机至身管，装填路径长。在射击过程中，装填线路的3发炮弹使其退弹和弹种转换流程都相对缓慢。

从炮弹运动的角度分析，装填系统的核心即是扬、供、输弹流程。通过对炮弹的装填技术进行改进，采用扬、供、输一体的输弹机执行垂直定角装填。当炮弹垂直进入输弹筒后，输弹筒向上运动到炮尾，再设有推弹机构将炮弹送入炮膛。既能够代替装填系统的独立部件形式，也可兼容多弹种（尤其是超长制导弹）的装填动作，已在AGS舰炮系统[8]中具体化应用。

将垂直装填技术[9]应用于新型大口径舰炮系统中，可以进一步简化发射系统组成，省去独立的摆弹机和供弹机部件，简化输弹机构。采用分装式结构的炮弹，弹药只作直线运动，不存在机构交接动作。装填路径短、装填线路上有仅有一发待发弹药，其概念示意图如图3所示。

图3 新型大口径舰炮的垂直装填技术概念示意图Fig.3 Simplified diagram of thevertical loader deviceof novel gun system

2 大口径舰炮发射系统新技术的可靠性分析

2.1 基于多态故障树的舰炮可靠性定性分析

从系统集的角度研究新型大口径舰炮发射系统的组成结构，结合给出的新技术归纳为全可燃药筒装药E1、激光点火系统E2、垂直装填系统E3、炮闩等其他系统E4，不再对全部整装设备的故障状态细化处理至零件级。

根据舰炮作战使用情形，当发射系统停射时，认定系统功能失效，对应着结构组件突然由正常状态转变为失效状态，视为功能失效二状态模式。当仅出现加大激光能量才能够击发、装填过程出现轻微异响但不影响弹药入膛和击发等情形时，可以不立即停射维修，但认定运行状况恶化，对应着结构组件由正常到失效前的退化过程，视为状态恶化多状态模式[10]。新型大口径舰炮发射系统的故障模式归纳如表1所示，其中顶事件发射系统故障的编码是T，功能失效模式编码是F，状态恶化模式编码是D，构造出多态故障树[10]如图4所示。

表1 新型大口径舰炮发射系统的故障模式Tab.1 Failure modeof novel naval gun launching system

图4 新型大口径舰炮发射系统的多态故障树Fig.4 Multi-state fault tree of novel naval gun launching system

在多态故障树中，采用上行法能够对功能失效模式进行定性分析。可以看出：当且仅当11个故障部位均为正常状态时，顶事件F才能够正常，表明最小割集是{F301}～{F311}；当顶事件F正常而顶事件D处于退化（正常）状态时，顶事件T也处于退化（正常）状态但不失效。

2.2 基于三角模糊数的舰炮可靠性定量分析

由于缺失新型大口径舰炮发射系统的历史故障数据，新技术应用时故障树底事件的发生概率具有模糊性，故而采用三角模糊数[11]描述故障发生概率，其数学模型为：

式中，m为模糊数均值；α,β为模糊数的左右分布参数；λ为置信水平。

通过对新型大口径舰炮发射系统的故障树底事件进行频率模拟，设定各故障部位模糊参数及其处于不同状态的概率估计值如表2所示。

表2 新型大口径舰炮发射系统的底事件模糊数及概率估计值Tab.2 Fuzzy number and the end event importance estimation of novel gun launching system

1）当置信度λ=1时，底事件发生概率是确定值，顶事件F发生概率为根据模糊故障树的函数表达式得出顶事件F的可靠度为：

2）当置信度λ=0时，底事件发生概率是模糊数，顶事件F发生概率是区间值。仍采用模糊故障树模型得出顶事件F的可靠度区间为：

3）模糊均值参数是模拟30发故障与300发试射总数的概率参数，左右分布参数都是按照均值的20%给定。所得功能失效模式下的可靠度是在新型发射系统全寿命周期内（运行时间趋近于单位1也对应着300发试射总数）的无故障概率。

在多态故障门中，根据图4给出的独立底事件构造出顶事件D的最小路径矩阵[10]为：

通过矩阵CD构 造矩阵再结合矩阵广义运算法则[10]以及表2给出的模糊概率估计值得出顶事件D的可靠度为：

最后根据顶事件F和顶事件D的可靠度，得出发射系统的总体可靠度为：

通过上述分析可以得出，虽然假定新型舰炮发射系统中故障部件都具有较高的可靠度，但系统总体可靠度的最小值也会相应减小，状态恶化多态模式是不可忽视的故障现象。

3 大口径舰炮发射系统新技术的可靠性评估

3.1 舰炮可靠性的定性评估

借鉴机械产品可靠性设计准则[12–13]，直观地得出传统大口径舰炮发射系统与新型舰炮发射系统的可靠性评估对比结果。

1）相较于继承传统舰炮系统的定装式炮弹和钢性药筒结构，应用的全可燃药筒装药技术和激光点火技术已是陆军155 mm火炮的成熟技术。相较于沿用传统独立的转运机、供弹机、输弹机装填系统，应用的垂直装填技术已在AGS舰炮系统中实现。它们都具有完善的预研基础，符合新技术采用准则，提高了新型舰炮发射系统的可靠性。

2）相较于继承传统舰炮系统的定装式炮弹和钢性药筒结构，应用的全可燃药筒装药技术能够满足舰炮射击需求，可以省去不必要的抽壳机构、不抽壳保险部件、退壳机构、输弹槽，避免抽壳运动和输弹运动的协调控制；相较于沿用底火击发装置，应用的激光点火技术设置激光器、传输光路和激光透镜窗口组件代替击针、击针簧、击针盖等复杂结构，可以省去击发装置能量储存与释放的协调控制；相较于沿用传统扬供输独立的装填系统，应用的垂直装填技术仅需设置扬供输一体的输弹机和推弹机构，可以省去摆弹机和供弹机，避免弹药在不同机构之间的交接动作。它们都符合简化设计准则，减少了零部件的种类及数量，提高了新型舰炮发射系统的可靠性。

3.2 舰炮可靠性的定量评估

参照但不完全依据故障树分析[14]方法，再从系统集的角度构造出传统与新型舰炮发射系统的功能失效故障树，如表3所示。其中，顶事件T为发射故障，底事件为X1弹药故障，X2击发装置故障，X3装填系统故障，X4炮闩等其他系统故障。

表3 大口径舰炮发射系统的故障树Tab.3 Fault tree of general large-caliber naval gun launching system

为了进行发射系统的可靠性对比评价，设置系统级可靠度都为0.95，符合HJB53《海军舰船装备可靠性维修性参数选择及指标确定原则》。其中，传统舰炮的弹药故障主要考虑底火失效和钢性药筒故障，而新型舰炮仅需计及发火帽失效。击发装置故障主要考虑击针失效、击发保险失效和击发运动卡滞，而新型舰炮仅需计及风险最大的激光透镜窗口损坏。传统装填系统故障主要考虑炮弹运动路径上四次机构交接动作失效，而新型舰炮仅需计及二次交接时直线运动卡滞。炮闩等其它系统故障在传统和新型舰炮发射系统中形式相近，可靠度设置相同。

结合表3设定的系统级可靠度参数，得出顶事件T的发生概率分别为：

通过对比分析传统和新型舰炮发射系统顶事件T的发生概率可以得出：应用新技术后的故障率能减小43.63%，可靠性水平的当量增长程度在1.3倍左右；相较于通过改善传统舰炮发射系统组成部件可靠度的设计方式，研发应用新技术对于舰炮可靠性具有更好的提升效果、更小的耗费比以及更高的维修性保障性。

4 结语

1）通过全可燃药筒装药技术、激光点火技术和垂直装填技术的应用分析，明确了当新技术具有完善的预研基础及工程实践时，应用至新型大口径舰炮发射系统合理可行。新技术的应用可以改变舰炮发射系统的组成结构、简化部件设计，从而能够大幅减少发射故障模式，提高大口径舰炮的可靠性、维修性、保障性。

2）通过大口径舰炮系统新技术的可靠性分析，构建出了舰炮发射系统停射时的多态模糊故障树模型，可以作为判定舰炮系统故障原因以及衡量可靠度水平的依据。从系统集的角度进行了传统与新型舰炮发射系统的可靠度评估，获得的定量对比结果表明，新技术的应用能够将舰炮系统故障率减小43.63%，能够使得可靠度提高1.3倍左右。

3）新技术的应用是提高大口径舰炮系统可靠性的有效途径，相较于改进传统舰炮系统组成部件的可靠度，它对舰炮可靠性具有更优的提升效果、更好的可实现性。