便携式防空导弹武器系统可靠性分析与设计

2011-02-04刘侃田鑫鑫

电子产品可靠性与环境试验 2011年3期

刘侃，田鑫鑫

（武汉军械士官学校，湖北武汉 430075）

1 引言

现代战争对防空导弹武器系统的研究提出了越来越高的要求，而提高防空导弹武器系统的可靠性是防空导弹武器系统研究的重要内容。便携式防空导弹武器系统作为野战防空和低空突防的主要武器，已得到空前的发展，其可靠性将直接影响系统效能。系统可靠性就是指系统在规定的贮存期内，在正常勤务处理条件下，在预定的使用环境中，完成预定任务的能力。[1-2]

2 可靠性模型

可靠性模型是武器系统可靠性分析的先决条件。只有建立高质量的武器系统可靠性模型，才能进行武器系统可靠性分配和预计。

2.1 可靠性模型的构成

系统可靠性模型通常由可靠性方框图、可靠性数学模型和文字说明三部分构成。可靠性方框图是由代表各设备单元的方框按一定的逻辑顺序所排列的图形，单元方框和符号表示单元可靠性与系统可靠性的逻辑关系。数学模型是一个或一组表示单元可靠性对系统可靠性影响的数学表达式，它的解应是系统的可靠度。文字说明应表达系统的定义、寿命剖面、任务剖面、建模依据、信息来源、基本假设、模型修改原则与程序、未纳入系统可靠性模型的单元清单和理由等。

2.2 可靠性模型的分类

武器系统的可靠性模型通常分为基本可靠性模型和任务可靠性模型。[2]

系统的基本可靠性主要用于估计系统失效所引起的维修费用和装备保障体系，因此系统可靠性是一种纯串联结构，系统所有的组成部分都是可靠性串联单元。

系统的任务可靠性是指系统在规定的任务剖面内完成规定功能的能力。系统的任务可靠性高，说明系统具有较高的完成任务的能力，因此任务可靠性是仅考虑在任务期间那些危及任务完成的故障。

2.3 可靠性模型的建立步骤[3]

a）规定系统功能的定义。根据被批准的总体方案，明确系统各项功能和对应的参数，以及主要构成单元和使用方式等。

b）确定系统功能方框图。根据系统功能定义和构成单元，绘制系统功能方框图。

c）确定系统可靠性方框图。根据系统功能图和功能定义，确定系统基本可靠性方框图和任务可靠性方框图。

d）确定系统可靠性数学模型。根据系统基本可靠性和任务可靠性的不同结构，由可靠性串、并联的一般公式确定基本可靠性数学模型和任务可靠性数学模型。

3 某型便携式防空导弹武器系统的可靠性模型

3.1 系统构成

某型便携式防空导弹武器系统（单指战斗装备）由装筒导弹、发射机构以及地面能源组件等分系统组成，结构较为固定，所以系统构成也较为确定，系统组成示意如图1所示。

图1 某型便携式防空导弹武器系统组成示意图

3.2 基本可靠性模型

基本可靠性模型均为串联模型，根据各分系统的复杂性、成熟性、任务严酷性及重要性对武器系统可靠性的影响，某型便携式防空导弹武器系统的基本可靠性模型应该是地面能源组件、发射机构、发射筒、红外导引头以及舵机舱、引战舱、发动机舱等7个分系统的串联模型。

3.3 任务可靠性模型

便携式防空导弹武器系统工作的任务模式较为单一，而7个分系统有一处出现故障都将影响整个武器系统的工作，因此其任务可靠性模型就是其基本可靠性模型。

3.4 可靠性数学模型的建立

整个系统的可靠性取决于各分系统的可靠性及其结构形式。根据便携式防空导弹武器系统任务模式较为单一及其系统模型属纯串联结构，因此采用B a y e s方法中的“成败型可靠性评定模型”，对系统可靠性进行评定。

成败型单元设备的可靠性评估常采用二项分布评估方法[4-5]。设N次试验，失效次数为F，则在置信度γ之下，产品的可靠度置信下限RL由公式（1）给出：

此式是成败型单元设备可靠性评估的经典分式，结合Bayes方法，在已知武器系统验前、后试验次数（N′、N）、失败次数（F′、F）和置信水平（γ′、γ），得到如下公式：

式中：W0——取置信度γ时的置信下限；

W1——取置信度γ时的置信上限；

WL——综合评定可靠度。

根据上述表达式可以计算各分系统的综合评定可靠度，然后根据分系统可靠性对系统可靠性的影响情况，采取串联方式进行综合，最终评定出某型便携式防空导弹武器系统的可靠性。

由上可见，一方面通过对武器系统进行建模分析和计算，可以得到武器系统综合评定可靠度，另一方面也可以得到系统可靠性因素对武器系统的重要性和影响程度。因此，通过行之有效的可靠性设计措施，对影响可靠性的因素进行控制，可以提高武器系统的可靠性。

4 系统可靠性设计方法

在满足性能指标的条件下，要求对设计进行优化以进一步保障和提高武器系统可靠性。影响武器系统可靠性的因素有很多，设计时主要通过采用可靠性权衡、标准化设计、简化设计、元器件的控制、降额设计、热设计、耐环境设计、测试性与维修性设计等方法。

4.1 可靠性权衡

即武器系统设计过程中，首先要做好可靠性、维修性、保障性等特性与能力的权衡。实际上与费用约束密切相关，应使系统整体能力满足系统研制要求，并尽可能地使设备、子系统的性能可靠性接近于1。[6]

在可靠性与维修性、保障性等特性间权衡，以使系统的有效工作状态总体上较高，系统可用性能够满足实际要求。

在基本可靠性与任务可靠性之间进行权衡，在系统一定的固有可用性水平上，努力提高系统的任务可信性。

可靠性权衡的目的是要在系统费用、技术、时间的约束下能够对效能产生积极的作用，因此应努力开展系统可靠性与效能模型仿真和验证。

4.2 标准化设计

以标准化等方法实现部件、模块、分系统、系统层次的互用性，可以有效地提高系统的健壮性、安全性与生存性；同时降低了部件、模块的品种数目，对于维修性、保障性产生积极的影响，从而提高系统的整体作战效能。

4.3 简化设计

简化设计方案，减少系统元器件数量是设计工作首先要考虑的重要问题，也是提高系统可靠性的有效途径。[7]例如，通过电路简化设计，降低电路的复杂性，提高电路的可靠性；通过采用单片机及大规模集成电路来减少系统元器件的数量，从而减少分系统的数量，同时简化后的系统可靠性指标和整体性能也可得到较大的提高。

4.4 元器件的控制与降额设计

电子元器件的控制是保证系统固有可靠性，降低保障费用的有效措施。为保障和提高控制设备的可靠性，系统中使用的元器件的失效率都是已知的，并对所选用的元器件按下列要求进行了选择：

1）选用在其它产品中已得到可靠使用的通用元器件；

2）选用成熟的产品，即经过验证和性能稳定的元器件，可能提高产品的可靠性；

3）按元器件优选手册和设备的可靠性指标选用了电阻、电容、电感以及半导体分立元件、集成电路；

4）选用了无引脚封装的SMD／SMT的LSI器件，以提高整个系统的可靠性并使传输延时减到最小；

5）对所选器件进行老化筛选，剔除早期失效器件。[8]

4.5 降额设计

降额就是使元器件在低于其额定电流、额定电压的条件下工作。合理的降额可以大幅度地降低元器件的失效率，是电子设备可靠性保障设计的最有效方法之一。但在应用降额设计时要注意，并不是所有的元器件降额越多越可靠，因此，在进行降额设计时应熟悉元器件的工作原理和失效机理，才能做到合理降额。

4.6 热设计

电子装备热设计的基本任务是：通过热设计在满足性能要求的前提下尽可能地减少装备内部所产生的热量。因此，选择合理且简单的冷却方式；保证热流通道尽可能地短；使用横截面大导热良好的材料；大功率器件加装散热片，这些都是热设计应考虑的问题。

4.7 耐环境设计

做好系统实际使用环境的分析，使系统具有较好的温度防护设计、三防设计、冲击和振动设计等，这样系统的可靠性、维修性等特性要求才有可能得到大幅度的提高。

提高电路效率，降低发热器件的功耗；选用具有良好耐高、低温性能的材料和部件；合理安排电路内部热源和热敏感元件，尽可能地隔离或远离热源；对低温敏感的部件可安装加温装置；采用硅橡胶一类耐低温的密封和填充化合物。

元器件应尽可能地选用密封元器件，尽量用金属和陶瓷封装来代替塑料填装的元器件；印制板焊接、调试结束后，应喷涂三防漆；接插件的接点要采用镀金措施，以提高三防性能；暴露在外面的接插件应加盖密封盖；不常拆卸的盖板、接头，初加装密封圈外，必要时可在接触面上涂密封胶；避免化学电位差大的金属材料相连接，以免产生接触腐蚀，如采用铜垫片代替铝质材料；金属材料应尽量采用防锈材料，如用不锈钢螺钉代替铁钉；非金属件应选用不腐蚀、不放气、不吸湿、不长霉的材料；涂料考虑添加杀菌剂。

在防振设计上应采用卧式安装且尽量缩短引线长度，尽量减少器件相对印制电路板的转动惯量且提高刚度，需弯曲的引线，弯曲半径应尽量大，避免产生过应力；避开电路的固有频率，防止发生共振；印制板安装要可靠，接插件要有合适的插拔力；接插件引线端头采用硅橡胶等材料进行固化。