强化试验法对月球样品容器锁紧机构的可靠性评估

纪 明， 李海志， 马 聪

(兰州空间技术物理研究所， 甘肃 兰州 730000)

引言

根据我国探月三期工程要求，采集的月球样品必须密封在极低漏率环境中返回地球，以维持月球样品原态，保证地面数据分析的准确性[1]。因此，月球样品的密封可靠性就显得尤为重要，如果密封失效，返回过程中进入空气、杂质等对样品造成污染，甚至产生化学反应，会导致整个探月工程任务的失败。

月球样品密封的可靠性除了与样品容器自身的密封结构有关外，更与完成样品容器密封的执行机构即锁紧机构的可靠性密切相关。从一定意义上说，锁紧机构动作的成败直接关系到样品容器对月球样品密封的成败，因此对锁紧机构可靠性的评估就显得格外重要。

以探月三期工程中月球样品容器锁紧机构的可靠性为评估背景，采用强化法对其进行了试验，仅通过较少的试验样本便对其可靠性进行了评估。通过对完整评估过程的详细介绍，为实际工程的可靠性评估工作提供借鉴和参考。

1 评估任务背景

根据月球样品容器的密封设计，密封方式采用金属挤压密封为主密封[2]、橡胶圈密封为辅助密封的冗余密封[3]方式。盖体上设计有软金属材料和O形橡胶圈，容器口部加工成环形刀口。同时在盖体上安装了一套锁紧机构，其作用是为样品容器密封提供所需的密封力。当容器需要密封时，锁紧机构工作，产生一个垂直向下的力作用在盖体上，将盖体与容器压紧，在压紧的过程中容器口部的刀口嵌入盖体上的软金属材料中，同时O形橡胶圈与容器内壁形成径向密封[4]。至此完成样品容器对月球样品的密封，锁紧机构的组成示意图见图1，运动过程示意图见图1、图2。

1.样品容器顶部边沿的斜槽 2.锁紧盘 3.锁紧盘转轴 4.锁孔 5.锁盒 6.火工作动器

如图1所示，盖体上安装有火工作动器，一端与盖体用销钉相连，另一端与锁紧盘上的锁紧杆用销钉相连，连接处可以转动，为整个机构提供动力。锁紧盘安装在盖体上并且可绕转轴转动，锁紧盘的圆环面上设计有锁孔，用于锁定锁紧盘的位置。盖体上安装有锁盒，其锁销可待锁紧盘旋转到位时插入锁紧盘上的锁孔内，起到锁定锁紧机构的作用。

锁紧机构在动作时，首先对火工作动器进行点火，引燃作动器中的火药，产生高压气体推动作动器中的活塞杆向筒体外运动，从而推动锁紧盘绕转轴旋转，锁紧盘末端的锁紧销在样品容器顶部边沿的斜槽内并沿斜槽滑动。由于斜槽的方向为倾斜向下，因此，锁紧盘在转动的同时对盖体提供垂直向下的密封力。待锁紧销运动至斜槽末端时锁紧盘的锁孔旋转至锁盒位置，锁盒内的锁销同时插入锁孔内，完成容器的密封动作并对锁紧机构自身状态进行锁定。运动完成后的状态示意图如图2所示。

图2 锁紧机构运动完成后的状态示意图

根据月球样品容器可靠性要求，分配到整套锁紧机构的可靠性为不低于0.95置信度下0.9999的可靠度。

2 评估方法选择

本次评估任务为整套机构的可靠性，该机构的动力源为火工作动器，阻力包括盖体与容器密封过程所需的压紧力、锁紧销与斜槽的摩擦力、各运动部件在转动时的摩擦力以及锁紧盘在短时高速转动时的惯性力矩等。由于作动器的动作在0.2 s内完成，整套机构的动作包括密封过程亦在0.2 s内完成。基于结构特点及短时动作特性，无法在机构内部加装传感器，将测量出的某一值作为能够表征机构可靠性的特征值加以评估。因此目前较常用的最大熵试验法、升降法等无法对该机构的可靠性进行评估。将作为动力源的作动器单独进行输出力可靠性测试，所得结果优于置信度0.95下0.99997的可靠度，但该结果仅为单个部件的可靠性，无法表征整个机构的可靠性。基于以上可靠性评估困难，只能应用成败型评估方法或强化试验法对锁紧机构整体的可靠性进行评估[5-7]。

基于以上分析，能够适用的可靠性评估法主要有：计数法评估方法[8-9]、Bayes评估方法[10-12]以及强化试验法[13]。

采用计数法评估，将锁紧机构动作成功完成一次，即锁紧盘能够运动到位，锁盒内的锁销顺利插入锁紧盘的锁孔内，作为一个可接受的试验样本。根据计算，在试验失败次数为0的情况下需至少进行29957次锁紧动作试验，可靠度能够达到预定要求。对于造价和试验费用高昂的航天产品，如此数量的试验会对研制单位产生较大的经济压力。

采用Bayes法评估，成功判据与计数法相同。根据计算得出[14-17]，在试验失败次数为0的情况下需至少进行19972次锁紧动作试验，可靠度能够达到预定要求。该结果虽有效减少了试验次数，但在实际工程中仍然无法有效降低试验成本。

采用强化试验法评估，成功判据亦与计数法相同。根据强化试验法中的性能可靠性模型，在给定的外部条件下，选择机构动力源中的某一参数，并通过改变该参数，恶化机构自身的状态，在此条件下进行可靠性验证，以达到减少试验数量的目的。采用该方法时所需的试验样本数量会比传统方法少很多，文章选择该方法对锁紧机构的可靠性进行评估，并对评估过程进行详细介绍。

3 强化试验法对锁紧机构可靠性评估

3.1 可靠性模型

强化试验法是一种小子样可靠性评估试验方法，是在进行合理工程统计假设的基础上，针对产品的薄弱环节，利用试验参数的性能分布，对在强化水平下获得的可靠性信息进行合理外推，验证试件在工作应力水平下可靠性特征的一种试验方法。根据强化试验法中的性能可靠性模型[18-19]，火工机构的可靠性模型可简化为机构动力大于机构阻力时的概率。可靠性如式(1)所述：

R=P(F>FZ)

(1)

式中，R—— 可靠性

P—— 概率函数

F—— 机构动力

FZ—— 机构阻力

针对本任务，机构阻力指机构在运动过程中遇到的所有阻力总和，但其可以通过设计、零件加工、装配等过程得到很好的控制，其值的变化范围很小，可视为一定值。机构的动力为火工作动器的输出力，该输出力是由作动器中的燃药燃烧产生的。此时性能可靠性为式(2)所述：

(2)

式中，FD—— 作动器的输出力

Φ(·) —— 标准正态分布函数

σD—— 作动器输出力的标准差值

作动器的输出力取决于燃药燃烧产生的压力，根据诺贝尔方程，在火药力f和余容α为定值(该型燃药f为237.897 kJ/kg，α为5×10-4m3/kg),每发作动器工作末端的容积亦为定值的情况下，作动器输出力可认为与燃药量相关，因此可以选取燃药量作为机构动力的特征值。通过减少燃药量、降低机构的动力、恶化机构自身的状态，在此加严条件下对其进行锁紧动作成功率的验证，来评估出锁紧机构在正常状态即额定条件下的可靠性，此时性能可靠性模型如图3所示。

图3 性能可靠性强化试验模型

(3)

该公式是由荣吉利等[13，19]提出，式中的C为火药燃烧产生峰值压力的变差系数，其值由式(8)计算得出。

在强化条件下连续进行nq次试验，若试验全部成功即可表征在额定条件下机构的可靠性能够达到目标要求，若有1次试验失败，则需重新选择强化条件并重新进行评估。

3.2 可靠性参数获得

根据锁紧机构的设计，作动器中的燃药量由式(4)计算得出：

(4)

式中，pm—— 气体最大压力

α—— 余容

f—— 火药力

V—— 药室容积

M—— 燃药质量

根据计算，作动器中的设计装药量(即额定装药量)为1000 mg。依据前期试验验证，在锁紧机构能够正常完成锁紧动作的前提下，作动器中的最小装药量为510 mg。在确保试验能够成功完成的基础上，强化条件下药量选取的越小，所需的试验数量越少，本研究对以上两点要求进行综合考虑，确定在强化条件下作动器的装药量为520 mg。

为进行评估，首先要获得强化系数k值。本次评估任务中的k值是强化装药量与额定装药量的火工作动器在相同条件下产生输出推力的比值，该值是一个相对值。为保持一致性，火工作动器的输出力测试在与月球样品容器相同的工作环境下进行。按照任务的极限工况要求，测试在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa环境下进行。

火工作动器的输出力测试在航天火工作动器专用测试设备中开展。如图4所示，设备的主体为真空试验箱，将作动器安装支座固定在试验箱的热沉板上，作动器安装在支座上，其活塞推杆与气缸活塞杆相连，气缸活塞杆是通过真空试验箱的穿箱装置穿入真空试验箱内，在气缸上安装有压力传感器、位移传感器及气路、阀门等。

1.真空试验箱 2.热沉板 3.作动器安装支座 4.火工作动器 5.气缸活塞杆 6.气缸 7.压力传感器 8.气路及阀门

作动器采用直推式设计，在发火前一直保持初始状态。通过运行真空试验箱获得试验所需的温度及真空度并保持5 h以上。试验进行时，电点火具发火引燃主燃药，产生高压气体使作动器活塞杆推动气缸活塞杆运动。作动器工作完成后，根据压力传感器测试出气缸内的峰值压力来计算出作动器的输出推力。试验设备及测试仪器均固定为同一状态，试验过程中不允许更换，以确保测试的准确性。

火工作动器在环境条件下进行输出力测试，每发产品工作完成后通过测量活塞推杆行程(22±1) mm是否到位来确认作动器动作是否顺利完成，只有动作顺利完成才能作为一次合格的试验样本，试验结果见表1和表2所示。

表1 额定装药量(1000 mg)的输出力

表2 强化装药量(520 mg)的输出力

3.3 可靠性评估过程

(5)

式中，n—— 样本数量，取9

FDei—— 每发额定药量的作动器输出力

将表1数据代入式(6)求出额定药量产生输出力的标准差值σDe。

(6)

式中，σDe—— 额定药量的作动器输出力的标准差值

n—— 样本数量，取9

计算得σDe=44.78 N。将表2数据代入式(6)求出强化药量产生输出力的标准差值σDq，计算得σDq=47.48 N。

由式(7)求出强化系数k值。

(7)

由于火药的变差系数取决于该型燃药本身的特性，厂商通过大量的试验验证，给出该型火药的变差系数值为0.13。

(8)

将以上参数代入式(3)中，计算出锁紧机构要达到额定条件下的可靠度，在强化条件下所需进行的试验数量nq。式中，γ为额定条件下的置信度，取0.95；RL,N为额定条件下的可靠度下限，取0.9999；C为该型火药产生峰值压力的变差系数，取0.13；k为强化系数，取0.51；Φ(·)为标准正态分布函数；Φ-1(·)为反标准正态分布函数。通过计算和查表[21]得nq=3.91，取整数为4。这意味着若锁紧机构在火工作动器额定装药量条件下要达到0.95置信度下0.9999的可靠度，需要在强化装药量状态下连续进行4次成功试验，若有一次试验不成功，则需重新选择强化条件并重新进行评估。

3.4 可靠性评估结果

根据以上计算结果，将520 mg装药量的火工作动器安装在月球样品容器的锁紧机构上，在-50 ℃、真空度不大于5×10-3Pa环境下分别进行了4次锁紧动作试验。试验均取得了成功，锁紧盘运动到位，锁盒内的锁销均顺利插入了锁紧盘的锁孔内。通过以上4次强化条件下的试验，验证出月球样品容器锁紧机构在额定条件下(装药量为1000 mg)，能够达到0.95置信度下的0.9999可靠度。

3.5 可靠性结果验证

对于以上可靠性评估结果，再采用GJB 376中的计量法评估方法进行复算。该方法适用于当产品的可靠性主要由某一性能参数决定时，且该参数服从正态分布，可用正态分布统计容许限计算其可靠度，即采用计量数据评定产品的可靠性。本机构中，机构阻力基本为定值的情况下，作为整套机构驱动力的作动器输出力值是最关键的性能参数，其设计值含有一定的裕度且试验结果服从正态分布。

根据已完成的试验数据，由式(9)对正态容许下限系数进行计算。

(9)

按照标准[8]中置信度0.95的附表查得可靠度为0.99996，该结果与强化试验法得出的可靠性结果基本一致。

4 结论

该可靠性评估方法较成功的解决了类似月球样品容器锁紧机构具有量化输入值而无明确输出值的整套机构的可靠性评估难题。结果表明，仅通过4次锁紧动作试验即可验证出锁紧机构能够达到0.95置信度下的0.9999可靠度。该方法的优点是通过选取合适的特征量，在不破坏结构完整性的前提下，能够对评估对象的可靠性进行估计。其评估方式类似于成败型模型，但比传统的成败型评估方法极大的减少了试验样本数量，显著的节约了成本，在工程实际中具有较好的操作性和实现性，可推广应用至单机甚至系统级产品的可靠性评估；同时能够对其他可靠度要求较高的航天产品的可靠性评估提供方法参考。