某红外辐射测量吊舱可靠性设计＊

庄昕宇 陈兆兵

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 长春 130033）

1 引言

设备的可靠性问题对于军用装备而言是至关重要的［1～2，4］。在可靠性设计过程中需要根据设备的实际使用环境及准确的模型进行研究。只有相对准确的可靠性估算才能有效地对设备进行相应的维护，从而使设备在其寿命范围内充分发挥其效能。鉴定型产品和多年靶场测量设备的成功经验是实现产品可靠性、维修性、测试性、环境适应性和保障性的有力保证。在可靠性设计过程中也需要充分考虑类似型号产品的可靠性设计方案，从而有效准确地对设备的可靠性进行设计［5］。红外辐射测量吊舱的总体可靠性包括机械总体可靠性、光电总体可靠性、信息处理系统总体可靠性等多个方面。该系统的各个部分在系统的运行中都是不可缺少的，因此需按串联模型的方式进行处理。根据各个系统的复杂程度、技术难度、工作时间及工作环境因素可以采用评分法进行分配与设计。

2 可靠性分配理论

当前的可靠性分配方法有很多，根据红外辐射测量吊舱的应用背景选择了相应的分配方法。可靠性预计按指数规律，设备可靠性为R（t）＝e－λt，其中λ为失效率，设备平均无故障工作的时间为：MTBF＝1／λ，求第i个分系统的总分数如式（1）

式中γi1，γi2，…，γin分别为第i个系统复杂程度、技术难度、工作时间及环境条件的评分数。

整机的总分数可用下式求得：

第i个分系统的评分系数公式为

第i个分系统的失效率λi的计算公式为λi＝Ciλ，该式中λ为整机失效率指标，其取值为1／480，而第i个分系统的平均无故障工作时间为MTBFi＝1／λi。

本系统的寿命一般情况下可认为服从指数分布，所有部件满足失效定律，可靠性模型为串联结构。系统可靠性校核中连续无故障工作时间的总体校验公式为

设备总的失效率可用如式（5）

式中：λGS为设备总失效率，10－6／h；λGi为第i种元器件的通用失效率，10－6／h；πQi为第i种元器件的通用质量系数；Ni为第i种元器件的数量；n为设备所用元器件的种类数目。

根据光电测量类装备的可靠性研究经验在可靠性分配过程中本文采用上述理论进行，在操作过程中该光电系统的指标分配计算的指标值可以采用效能评估中各参数值专家评分制方法进行确定，得到最终的评估结果。

3 吊舱的可靠性设计

3.1 可靠性措施

在该型红外辐射测量吊舱的方案设计中，需要充分考虑产品的可靠性设计原则，具体的原则包括如下几个方面。

1）采用可靠的结构形式。在光电吊舱中，导电滑环和光纤滑环可靠性低、环境适应性差，是系统的薄弱环节。根据使用角度范围不需360°×n连续旋转的情况，在设计中去掉了滑环，采用软电缆直接连接，以达到提高系统可靠性的目的；

2）在满足指标要求的前提下，采用成熟的先进技术和元器件。通过保证技术的稳定性和先进性来提高产品的可靠性；

3）加强对所用器件的检验和筛选。按我所军工产品质量保证体系要求，对所用元器件进行入所检验和老练筛选，并进行板级检验；

4）稳定平台控制程序、结构上都设计了异常保护功能，具有设备失控时应急刹车、机械和电子限位保护的功能。

在设备的可靠性设计过程中需要充分考虑上述设计原则，在整个设计过程中对上述原则进行细化。

3.2 可靠性分配

按照系统功能和组成，可将系统划分为三个分系统：结构分系统、光电成像组件、电控分系统。各分系统下层的设备和功能模块有：稳定平台、红外相机、消旋子系统、伺服控制、视频跟踪、平台主控、目标解算设备、时统设备、吊舱电源九个部分组成（系统的二次电源包括在各功能模块中）。按照功能模块建立系统基本可靠性模型框图如图1所示，根据飞行任务剖面及实际使用情况，系统工作时无冗余或代替工作模式，系统的任务可靠性模型与基本可靠性模型一致，为串联模型。

图1 某红外辐射测量吊舱可靠性模型

对于串联模型，每个分系统的重要度基本相当，但考虑每个分系统的复杂度、标准化程度、工作环境、质量及技术发展水平情况均有不同，采用评分分配法作为可靠性分配计算模型；采用元器件计数法进行可靠性预计，国产元器件，按GJB／Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》的数据和方法进行预计；进口元器件按 MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》提供的数据，或生产厂提供的数据进行预计；对于无数据可查的元器件参考同类复杂度元器件进行。系统工作环境分类为AUF（战斗机无人舱），工作温度60℃。为计算方便，并留有一定余量，全部元件均按质量等级为B1级选取质量系数。

根据上述理论可靠性预计结果如表1所示。系统的可靠性预计值为303.3h，满足技术指标的MTBF≥200h的要求。

表1 某红外辐射测量吊舱可靠性分配结果

另外由于通过热设计保证了系统的工作温度环境，系统的各模块均无严格工作时间限制，而其他类似设备均可长时间连续工作，比如长航时无人机连续工作时间更是达到40h以上，因此连续工作时间≥3h的指标要求是有保证的。

4 结语

本文以某型红外辐射测量吊舱的可靠性设计为背景对该吊舱的可靠性进行了研究。以光电类装备的特点为基础选择了合理的可靠性分配理论，并采用该理论对该吊舱的各个组成部分进行了可靠性分析与分配。经过合理的分配得到了303h的连续无故障工作时间分配值，远大于系统所要求的200h参数要求。可以认为本方法在该类装备中是合理的适用的，在分配中的各个环节中所选择的参数有些事根据经验获得的，要想验证这些参数选择的准确性还需要对该设备进行长期的试验。

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