导弹自然环境适应性综合评价方法 *

刘艳，刘艺，陈江攀，张为雯，孙立敏，王冬

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

导弹具有长期贮存、一次使用特点，在发射飞行前通常要经历长期的贮存、值班等过程。因此，导弹在经受长期自然环境的影响后，还需在恶劣的发射飞行环境中保证安全、可靠地执行任务。

在以往型号研制过程中，导弹虽然按照GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》开展了各项实验室环境试验，对发射飞行过程中的短时诱发环境以及主要自然环境因素极值的适应能力开展了较全面的验证。但在导弹研制阶段，贮存或值班过程中温度、湿热、盐雾、太阳辐射等引发的长期缓变效应尚缺乏系统的验证与评价。若引发的问题在交付部队使用后暴露出来，可能导致任务失败或导弹批次性返厂维修。同时，由于自然环境效应的缓变性，导致导弹的自然环境适应性在短期内无法全面评价。

因此，需要进一步关注自然环境影响的缓变效应，采用合理的综合评价方法，在研制阶段及时发现导弹自然环境适应性问题，采取改进措施，尽可能避免将自然环境适应性问题带到服役阶段。

1 自然环境适应性综合评价流程

导弹环境适应性评价的目的就是评估在各种环境作用下是否能实现其预定功能和性能，以及是否受到了破坏。其中自然环境适应性评价工作内容是评估导弹的材料、工艺、结构以及内部设备等对贮存、值班过程自然环境中各种环境因素及其综合的长期缓变效应的抵抗能力。

导弹装备自然环境适应性综合评价方法的思路是采用多种类型自然环境试验以及自然环境适应性基础数据相结合的方式进行验证和评价[1]。通过充分利用各种信息，包括各级各类产品自然环境试验信息与各种加速试验信息，以及材料基础数据、相似产品数据等，最终达到提高评价的时效性、全面性与客观性的目的。

导弹自然环境适应性综合评价流程如图1所示。评价流程从型号研制初期环境剖面分析与验证方案确定，到自然环境试验实施，以及开展自然环境适应性综合分析，需贯穿于型号研制阶段。该评价方法可用于指导研制单位开展导弹自然环境适应性薄弱环节查找和自评价。同时，通过该流程获取的评价结果以及相关试验信息，也可作为导弹鉴定时自然环境适应性评定的依据。

图1 导弹自然环境适应性综合评价流程Fig.1 Evaluation process of missile’s natural environment adaptability

2 自然环境适应性评价基础数据来源

导弹产品自然环境适应性评价所需的基础数据主要包括：材料环境适应性信息、典型区域环境数据、相似型号研制阶段自然环境试验数据和实验室环境试验数据、相似型号服役使用阶段所产生的信息。

3 导弹自然环境适应性试验

导弹主要由弹内部的设备和导弹舱体结构组成，地(舰)空导弹还有贮运发射筒(箱)对导弹形成防护。在开展自然环境适应性评价时，一般可以将弹上产品分为2部分：一部分是可能暴露在外部经受各种户外自然环境因素影响的导弹外部材料、结构件;另一部分是弹内部设备，不管是发射前一直处于筒(箱)内的导弹，还是使用时处于裸弹状态的导弹，由于其内部设备可受到密封舱体或筒(箱)的保护，影响弹上设备的主要自然环境因素主要为长期贮存过程中的缓变温度环境。因此对导弹的自然环境效应验证可分为户外自然环境效应验证和库房贮存环境效应验证两部分内容[2-4]。

3.1 户外自然环境效应验证

3.1.1 自然环境试验(大气暴露试验)

自然环境试验(大气暴露试验)是将试验样品长期暴露于实际的自然大气环境中，确定自然环境各种因素综合作用对其影响的试验。在确定具体试验方案时，应根据导弹可能部署的典型气候区域选取相应的试验场站开展试验，针对具体弹上材料、器件开展试验时，还需根据材料、器件的敏感环境因素进一步明确试验地点。

图2 材料试件自然环境试验Fig.2 Photos of natural environment test of material specimen

自然环境试验最为真实，但自然环境试验的时间相对较长，因此在装备研制过程中应尽早地利用自然环境试验积累的数据，安排开展自然环境试验。

3.1.2 自然环境加速模拟试验

自然环境试验具有真实、可靠的优点，其试验结果能够比较真实地反映材料及其构件、产品在自然环境中的性能老化，在筛选、考核、评价装备、材料及工艺的环境适应性方面发挥了十分重要且不可替代的作用。但由于自然环境试验存在试验周期较长，往往难以满足材料研制、试验、生产、应用和评价工作的要求，因此需要采用加速模拟的方式，尽快获取试验结果，从而快速暴露产品薄弱环节/缺陷、快速筛选工艺或采取防护技术等。

(1) 实验室模拟加速试验

实验室模拟加速试验是指在实验室内模拟装备的实际可能要经历的自然环境条件，主要是利用加速模型及环境效应当量折算等方法，在实验室采用循环组合环境模拟实现对材料、防护工艺等环境适应性的快速评价[5-6]。某型号导弹外部材料的实验室加速模拟试验剖面示例见图3，通过提升环境应力量值，并利用一系列当量折算方法，最后用3个循环(总实施时间约3个月)的实验室加速模拟试验，对3年的累计户外自然环境暴露进行了模拟。由于实际环境中影响产品环境适应性和可靠性的因素复杂，模拟环境与真实使用环境有时并不一致，所以需要与其他技术结合运用，比如与自然环境试验结果进行对比分析，调整加速模型参数，以提高实验室评价结果的可信性。实验室模拟加速试验可快速暴露产品薄弱环节/缺陷，适用于材料、工艺的筛选，以及材料、工艺自然环境适应性的快速评价。

图3 某型导弹材料实验室加速模拟剖面Fig.3 Laboratory acceleration simulation section of a missile material

(2) 自然环境加速试验

实验室模拟环境试验虽具有试验周期短、重现性好的优点，但可能存在与实际失效模式和规律不完全吻合，不能反映真实环境中的失效规律的缺点。自然环境加速试验方法是在自然环境条件下，通过适当强化某些环境因子，加速装备或材料性能劣化的试验方法。它综合了自然环境试验和实验室模拟环境试验的优点，具有真实、可靠和试验周期短的特点。

目前，在大气环境试验研究基础上，国内外大力开展了自然环境加速试验技术研究，研发了各类自然环境加速试验设备及方法[4-7]。目前国内主要的几种自然环境加速试验见表1。

表1 自然环境加速试验类型及适用对象Table 1 Types and applicable objects of acceleration test in natural environment

以其中的黑箱暴露试验为例[8]，在黑箱作用下增加了太阳热量吸收，使热量聚集在试样表面。从图4中的变化曲线来看，黑箱夏季在太阳辐射作用下，内部温度会远远高于大气环境温度，最高为户外大气温度的2.1倍，达到67.8 ℃左右。

图4 万宁夏季黑箱与户外大气24 h环境温度变化曲线Fig.4 24 h ambient temperature change curve between black box and outdoor atmosphere in summer of Wanning

通过硅橡胶B547黑箱加速和自然暴露试验数据的对比情况(图5)，可以看出材料相关性能变化随时间都呈现出波动变化特点，总体趋势基本一致，以对应峰值出现的时间点来看，加速倍率在2倍左右。因此，累积一定数据后，通过对比自然环境加速试验与自然环境试验结果，确定了2种试验趋势一致性，试件性能的可加速性和自然环境加速试验的加速倍率后，可以通过自然环境加速试验在相对短的时间内对实际自然环境下相应周期的环境适应情况进行预估。

图5 硅橡胶B547拉伸强度保留率两种试验结果对比Fig.5 Comparison of two kinds of test results of tensile strength retention of silicone rubber B547

3.2 库房贮存环境效应验证

3.2.1 库房贮存环境试验

库房贮存试验是针对导弹在寿命周期内长期库房贮存环境开展的实际库房贮存模拟试验，用于模拟导弹或弹上产品交付部队后在各类典型区域环境中长期贮存过程，暴露其在贮存环境条件下的缺陷和薄弱环节，获取导弹贮存环境效应及失效机理。

在型号研制初期，一般针对贮存薄弱环节开展库房贮存环境试验。贮存薄弱环节是指经过长期贮存可能发生性能退化的设备、组合或组件。对于导弹内部的弹上设备，在实施库房贮存环境试验时，若不随整弹开展试验，需要对产品进行适当防护，尽可能模拟实际贮存状态，以避免出现与实际使用不符的失效模式。

在型号技术状态基本确定，且针对研制阶段暴露出的各种环境适应性薄弱环节采取了改进措施后，可以考虑开展整弹库房贮存环境试验，对导弹库房贮存环境适应性进行全面验证与评价。

3.2.2 库房贮存环境加速试验

弹上设备或所属组合、组件的库房贮存环境加速试验，一般针对库房贮存环境中的主要环境因素，即温度应力，采用温度应力下的加速退化试验。加速退化试验是在失效机理不变的基础上，通过寻找产品性能参数与应力之间的关系，利用产品在高应力水平下的性能退化数据外推正常应力水平下的退化情况。通过库房贮存环境加速试验，可以快速评估弹上设备是否满足长期库房贮存环境适应性要求，同时也可通过试验，快速暴露出设备可能存在的问题。

基于加速退化试验的库房环境，加速试验方法一般包括3部分内容：①加速试验前的失效模式和失效机理分析，开展摸底试验，验证性能参数的可加速性以及确定失效机理不变的加速应力边界；优化试验设计；②实施加速试验，获取加速退化数据；③加速退化数据的分析建模及统计推断，同时可通过与自然环境试验结果对比对模型进行相应修正。

4 导弹自然环境适应性综合分析

4.1 导弹自然环境适应性综合分析要点

导弹自然环境适应性分析可以分为2部分。①结合标准、规范，依据自然环境适应性设计准则对设计措施的实现情况进行定性核查，可在方案或设计阶段开展自然环境适应性初步评价时采用。②根据导弹各级产品各类自然环境适应性试验实施结果，并参考相似产品各类试验与使用情况，通过自然环境综合分析表的形式，对自然环境适应性问题进行汇总分析与影响分析，实现导弹自然环境适应性的综合分析与评价[12]。

开展自然环境适应性综合分析的工作要点有：

(1) 依据自然环境适应性设计准则对环境适应性设计措施的实现情况进行核查；

(2) 收集导弹各类自然环境试验的结果和相应故障信息，分析排除与环境无关的故障，检查环境适应性设计措施，或采取的环境防护等措施的有效性。

(3) 收集相似型号研制试验或实际使用过程的自然环境适应性信息；

(4) 填写自然环境适应性综合分析表，对导弹各层级产品以及相似产品出现的问题进行梳理与汇总，并分析各层次产品自然环境适应性问题对导弹系统产生的影响，同时通过迭代分析，判断自然环境适应性设计或防护措施是否满足要求。

4.2 导弹系统级自然环境适应性综合分析

在导弹自然环境适应性综合评价工作中，为了对各层次产品各类信息进行汇总分析，引入故障模式影响及危害性分析和风险评价的思想。从产品维度展开分析，对各级产品试验结果或基础数据进行全面梳理，重点将所有暴露的问题汇总到自然环境适应性综合分析表中(示例见表2)，逐一分析明确每层级产品存在的问题对导弹系统可能产生的影响。通过分析影响的严重程度和发生的可能性，确定环境适应性风险评价指数(见表3)，最终形成导弹系统自然环境综合分析结果。

表2 导弹系统级自然环境适应性综合分析表(示例)Table 2 Comprehensive evaluation table of missile system and adaptability to natural environment (format of the sample)

表3 环境适应性风险评价指数Table 3 Environmental adaptability risk assessment index

其中，针对风险指数1～9的条目为不满足要求条目，需采取措施将风险指数降低至可接受范围；风险指数为10～17的条目应对其采取措施的有效性和验证情况进行审查确认；风险指数在18～20为不需审查即可接受。

在型号定型前，应通过采取设计改进措施、防护措施或使用补偿措施(如年/月/日维护、定检、标校)等，将所有的风险降低到可接受水平。最终，导弹系统级自然环境适应性综合分析表以及对应的支撑材料(试验报告、相似型号数据等)，应通过行业专家、可靠性与环境工程专业专家进行审查确认。

5 结束语

本文提供了一套针对导弹长期自然环境效应的综合评价方法，给出从验证方案制定到综合分析评价的实施流程，同时明确了导弹不同类型产品适用的自然环境适应性验证方法。基于故障模式影响分析的思路，提出利用各类试验结果、基础数据开展导弹系统级自然环境适应性综合分析的方法，可实现导弹各级产品自然环境适应性问题的系统梳理，通过对最终影响的风险分析与排序，可以支撑战术导弹自然环境适应性分析与设计措施制定与落实，并为导弹自然环境适应性自评价与鉴定评价提供支撑。