基于分档策略的装备统一环境试验条件设计方法

李炳蔚，牛智玲，黄梦宏，李雨青

（中国运载火箭技术研究院，北京 100076）

在装备研发过程中，为降低成本，提高可靠性，需要大量采用相对成熟、久经考验的货架产品，如通用遥测传感器、通用导航接收机等。货架产品为了适应不同型号、不同安装位置的环境试验条件，相同的产品往往要重复开展大量定制化的试验项目，这对于产品的低成本研制、批量化备料、规模化生产、高效率验收都非常不利。传统的“包络式”设计方法把所有型号的环境试验条件进行最大化包络，虽然可以实现环境试验条件的统一，但不利于产品的低成本设计。为此，本文从装备的实际出发，研究提出了基于分档策略的装备统一环境试验条件设计方法。本文以航天装备为例，开展了力、热、自然环境试验条件设计方法的研究，该方法对于其他类型装备也具有一定的普适性。

工程中，装备的环境的力、热、自然等试验条件主要是根据相关标准制定的[1-5]。大部分装备环境试验条件制定方法研究主要是集中在力学环境试验条件方面，包括地面运输和飞行环境，研究的主要方向是环境试验条件预示和标准剪裁方法方面。冯福来[4]、邹小玲[5]、王亮等[6-7]、章思騤[8]、张曾锠等[9]、郭强岭等[10-11]、马升等[12]、李春丽等[13]、刘凯[14]、宁薇薇等[15]研究了各类装备振动环境预示、制定和分析的方法。商霖等[16]研究了基于实测地面试验数据统计分析的导弹装备公路运输振动环境试验条件的预示方法。王晓雷等[17]研究了基于实测飞行试验数据的惯组飞行角振动环境测量与试验条件设计方法。李春丽等[18]研究了基于地面脉动压力风洞试验数据的再入飞行器飞行噪声、振动环境预示方法。董周战等[19]、孙建勇等[20]、史明丽等[21]、宋敬利等[22]、龚学兵等[23]、张玉杰等[24]研究了装备冲击试验条件的制定和分析方法。对于自然环境（盐雾、霉菌、砂尘等）、平台诱导环境（机载武器挂飞振动环境等）主要是参考相关标准[25-29]。黄梦宏等[30]基于任务剖面分析，根据实测地面运输、飞行试验的数据，研究了武器装备统一力学环境试验条件的可行性。结果表明，装备运输振动、运输冲击环境、飞行振动、飞行噪声环境可以建立统一的环境试验条件。在航天工程实践中，对一个适装不同型号的货架产品提出统一环境试验条件时，传统做法是对不同型号的环境试验条件进行包络处理，使得产品可以适应不同型号项目的环境。

然而，目前对环境条件制定的研究主要是集中在通过环境分析或者参考相关标准制定特定的环境条件，其中对统一环境条件的研究主要是采用条件包络的方法，还缺乏针对货架产品的产品化统一环境试验条件制定方法的系统研究，且难以指导和支撑装备产品化、低成本的工程研制需求。为此，本文从装备的实际出发，提出基于分档策略的装备统一环境试验条件设计方法，通过采用“基本项”+“定制项”的方法对试验项目进行统一化，采用“包络式”+“精细式”+“分档式”对试验条件进行统一化。本文的方法从工程实际出发，提出了一种基于分档策略的系统、多维度统一环境条件的制定方法，是对传统“大包络”设计方法的重要延拓和创新，规避了传统方法带来的高量级、高成本弊端，且经过了航天工程实践的验证，对于产品化研制、降低装备成本具有重要意义，支撑现代战争“打得起才能打得赢”。

1 统一环境试验条件制定方法概述

首先，对装备环境试验条件的统一化进行详细的论证。全面梳理装备环境适应性要求的试验条件，结合不同平台装备的使用剖面，开展不同平台装备使用环境统一化可行性论证，研究统一环境试验条件制定的策略。装备需要开展的环境试验项目可以分为平台使用环境试验和飞行环境试验，每一类又可以细分为若干不同类型的试验项目。对于不同型号，其环境试验条件可能在试验项目、试验条件上有所不同，如图1 所示。为了提高统一环境条件在型号应用中的便捷性、可操作性，且降低研制和批产成本，环境试验条件统一化应遵循简化和经济性的原则，按照环境试验项目和条件分档2 个方面提出环境试验条件分档的总体策略。

2 环境试验项目分档方法

首先，对图1 中产品涉及的不同型号各类环境试验的项目进行分析，确定试验项目的分档策略，明确分档环境试验项目。由于航天工程中一些通用产品应用到不同平台、不同军兵种的型号众多，面临不同型号环境试验条件项目差异较大，同一类环境试验条件散布范围较大的情况。为此，对试验项目进行分档，分为“基本项”和“定制项”，如图2 所示。“基本项”是通用的环境试验项目，也就是所有产品都要开展的试验项目，“定制项”是需要视情剪裁的试验项目。

图2 环境试验项目的分档Fig.2 Grading of environmental test projects

根据装备实际情况，经过论证后的统一环境试验条件及其制定策略见表1。本文的研究结果可以作为其他武器装备的参考，也可以根据实际情况具体问题具体分析。

3 环境试验条件分档方法

对于图2 中每个具体的环境试验项目，如果不同型号的试验条件差异不大，尽可能合并为1 个统一的包络环境试验条件，也就是“包络式”环境试验条件，这样会使得货架产品在研制、备料和批产时只需要对标1 个环境试验条件，可以极大地降低成本。对于不同型号环境试验条件差异性较大的情况，考虑到不同量级的环境试验（如振动、冲击试验）可能会极大影响产品的试验方法、产品元器件原材料等级，进一步会极大地影响研制成本和批产价格，如果采用简单的包络式统一化环境试验条件，那么会使得低档位型号对应产品的成本大大增加。这种情况下，需要首先尽可能地根据飞行或者地面试验实测数据进行统计分析，然后基于统计结果进行精细化的环境试验条件设计，也就是“精细式”环境试验条件。或者对多型号环境试验条件进行分档环境试验条件的制定，把不同型号的环境试验条件就近归集到若干档位。出于经济性的考虑，一般环境试验条件的档位个数不超过3个，也就是“分档式”环境试验条件。

3.1 “包络式”环境试验条件制定方法

在工程上，往往已知各型号的环境试验条件，那么最简单的方式是对各型号的环境试验条件进行简单的包络，得到统一环境试验条件。包络的方法是：

1）对试验项目进行包络。对于不同型号的试验项目进行最大包络，比如有的型号有盐雾试验，有的型号没有盐雾试验，统一环境试验条件需要按照有盐雾试验考虑。

2）对试验条件进行包络。对于不同型号的试验条件进行最大包络，比如有的型号高温试验按60 ℃，有的型号55 ℃，那么统一后试验条件按照60 ℃。

假设有n个型号，其环境试验条件为E1,E2,…,En，那么进行包络后，统一环境试验条件可以描述为：

对典型的几种试验条件包络的方法如下：

1）随机振动。一般环境试验条件以功率谱密度的形式给出，应对功率谱密度曲线取最大包络。

2）高频冲击。一般环境试验条件以冲击响应谱的形式给出，应对冲击响应谱取最大包络。

3）高、低温试验。保温时间取最大值，高温温度取最高值，低温温度取最低值，温度变化率取最大值。

4）湿热试验。温度、湿度、持续时间取最大值。

5）霉菌试验。温度、湿度、试验周期取最大值，试验菌种取包络。

6）盐雾试验。盐溶液浓度、盐雾沉降量、持续时间取最大值。

7）砂尘试验。风速取最大值，吹尘、吹砂浓度取最大值。

其他类型试验条件的包络可以参考上述方法进行包络，包络的原则是使得统一环境可以包络各型号的环境对产品的损伤、破坏或腐蚀效果。包络的温度–湿度–高度环境试验条件如图3 所示。

“包络式”环境试验条件的制定方法是工程上目前比较常用的一种方法，其优点是简单易行、对现有型号环境试验条件满足性好、对批产比较友好，缺点是条件取最大包络，可能会导致统一环境试验条件的量级过高。“包络式”环境试验条件的制定方法比较适用于环境试验条件本身比较接近，或者产品对相关环境不敏感，或者试验条件的大包络不显著改变产品研制或试验成本的情况。

3.2 “精细式”环境试验条件制定方法

“包络式”环境试验条件制定方法虽然比较方便，但是多型号的包络往往导致环境试验条件项目多、量级高，对于产品的低成本设计和批量生产往往是不利的。为了规避这一弊端，提出“精细式”环境试验条件制定方法，即通过梳理分析产品在不同型号地面及飞行试验实测的环境数据，得到精细化的统一环境试验条件。由于各型号环境试验条件的提出往往是在方案设计阶段，这一阶段由于缺乏试验实测数据，出于工程化的考虑，提出的条件往往带有较大的余量，属于强化的环境试验条件。随着装备进入到鉴定定型阶段、使用阶段，环境实测数据子样就更多了，且其量级往往远小于当初制定的环境试验条件。因此，在进行多型号条件统一时，可以基于各型号实测的环境数据，进行环境试验条件的“统一化”和“再制定”，可以达到既满足各型号环境试验考核的要求，同时又避免量级过高的效果。

“精细式”环境试验条件制定前，需要先收集不同型号实测的飞行试验数据，根据子样大小，采用不同的概率统计方法得到环境试验条件[3]。

1）子样数3≤N<7 时，采用正态单边容差上限（NTL）的方法确定环境试验条件。对于某个3 子样的火工冲击环境试验条件的制定情况（99%概率，90%的置信度）如图4 所示。

图4 基于NTL 的“精细式”环境试验条件Fig.4 Schematic diagram of "fine" environmental test conditions based on NTL

2）子样数7≤N≤10 时，采用自由分布容差上限（DFL）或正态单边容差上限（NTL）方法确定环境试验条件。

3）数据子样数N>10 时，采用经验容差上限（ETL）或自由分布容差上限（DFL）、正态单边容差上限（NTL）方法确定环境试验条件。

“精细式”环境试验条件是基于实测数据制定的，具备传统“包络式”方法的优点，同时规避了环境试验条件过大的问题。然而，该方法应建立在数据子样足够多的基础上，并且需要处理好统一环境试验条件与各型号环境适应性要求之间的兼容关系，也需要处理好与未来新的型号环境适应性要求的兼容性。

3.3 “分档式”环境试验条件制定方法

针对“包络式”、“精细式”环境试验条件制定方法的缺点，提出了“分档式”环境试验条件制定方法。该方法主要是对不同型号的环境试验项目和环境试验条件进行分析梳理，就近归集到若干档位，按照量级、谱形等区分为若干个不同的档位，通常不应超过3 档。

通过论证，某航天装备飞行环境试验条件的分档情况如图5 所示。对于飞行环境试验条件，根据不同的环境要素，结合飞行试验数据，分析得到分档环境试验条件。某航天装备飞行振动环境试验条件的分档情况如图6 所示，根据不同型号环境试验条件子样的分布，进行就近归集可以细分为3 档统一环境试验条件。相关产品在研发和批产过程中可以进行分组、分批，分别执行相关档位的环境试验。在工程中，也可以根据实际情况，对产品的设计进行对应分档，对应于低档位环境试验条件，可以适当选取低等级的元器件、原材料，以降低成本。

图5 飞行环境试验条件的分档策略Fig.5 Grading strategy of environmental test conditions of flight

图6 飞行振动分档环境试验条件Fig.6 Schematic diagram of environmental test conditions of flight vibration

“分档式”环境试验条件制定方法特点是把环境试验条件或者实测环境进行就近归集，避免了多型号环境试验条件散布较大时“一刀切”的做法，且兼顾了经济性要求。

4 结语

本文提出基于分档策略的装备统一环境试验条件设计方法，给出了装备环境试验条件的分档策略和剪裁方法。经过航天装备的实践表明，本文提出的统一环境试验条件设计方法是可行的，可以很好地兼顾产品化设计验收和低成本之间的关系。对不同型号环境剖面和试验项目进行分析，可以采用“基本项”+“定制项”的方法对试验项目进行统一化。对不同型号具体环境试验条件进行分析，可以采用“包络式”+“精细式”+“分档式”对试验条件进行统一化。

本文提出的统一环境试验条件的设计方法对于产品化研制、装备降成本具有重要意义。后续还需要开展的研究工作如下：

1）开展基于疲劳/损伤等效的环境试验条件等效方法的研究，支撑半正弦、随机振动等不同类型试验条件的统一化。

2）开展力、热、自然环境效应研究，通过环境观测数据、自然暴露性能退化试验数据的积累，支撑综合环境试验条件的等效。