基于任务的舰空导弹武器系统可靠性试验设计

薛鲁强,褚 政,李绅政

(1.海军航空工程学院指挥系,山东 烟台 264001;2.92493部队2分队,辽宁 葫芦岛 125000)

由于舰空导弹武器系统平台作战使用环境和要求的特殊性,使得对舰空导弹武器系统装备不仅要求满足技术状态完好,更强调复杂环境下的装备可靠性维持问题。舰空导弹武器系统的可靠性,采用多个可靠性指标构成的可靠性指标体系描述。在使用过程中,各分系统的可靠性指标不是一成不变的,它们的指标值随着环境和时间的变化而减弱。对于舰空导弹武器系统的使用环境和遂行的作战训练任务,各项体系内的可靠性指标如果超出既定范围,将严重影响到系统效能的发挥和任务的完成,甚至使系统出现故障而无法使用,从而引发难以估计的损失甚至伤亡。

舰空导弹武器系统造价成本高,导弹价格昂贵,使用真实装备进行可靠性维修性和作战效能的检验试验,在经济上是很难承受的。而且,需要海域空域、供靶和效果评估保障,组织非常困难,进行重复性的试验代价非常大,在实际工作中也不现实。利用计算机仿真和试验规划设计的方法,对舰空导弹武器系统的可靠性维修性效果进行试验设计和效果分析,可以起到任务设定方便可调、试验范围全面、效果稳定、可多次重复调整和成本低的试验效果,为装备设计选型、实兵试验和可靠性改进增长提供先期研究依据。

1 任务剖面与任务条件设定

1.1 舰空导弹武器系统舰上使用剖面

用任务剖面的方法描述舰空导弹武器系统的任务及其环境[1]。该剖面说明了舰空导弹系统在整个寿命周期经历的事件(如测试、装卸、运输、贮存、检测、维修、部署、射击等)以及事件顺序、持续时间、环境和舰艇及系统工作方式。如表 1,舰空导弹武器系统在舰艇上的假设使用剖面包含一个或多个任务剖面[2-3]。在使用剖面设计上,考虑到远洋环境特点,设计了超过一般自持能力的三个月及以上的战备值勤环节直至中修,以充分体现系统可靠性对任务效能的影响。

表1 舰空导弹武器系统假设使用剖面

1.2 设定任务条件和仿真模型

假定目标为反舰导弹,平飞巡航状态进入发射区,飞行速度 0.75Ma,高度 15m。仿真过程设定的舰空导弹武器系统性能参数如表2所示。

表2 仿真设定的舰空导弹武器系统性能参数

图1 系统可靠性对作战效能影响仿真流程框图

在仿真中设定3种作战任务模式:

作战任务一:对来袭的单个目标进行一次双发齐射,作战背景模拟抗击偶然性或袭扰性空中打击。

作战任务二:对依次来袭的 24个目标进行双发齐射,目标出现时间间隔 15分钟,作战背景模拟为海峡水道航渡的编队遂行防空,整个作战时间较长,达6小时,抗击强度大,可靠性因素发挥作用明显。

作战任务三:对来袭的 24个随机目标进行逐次双发齐射,目标出现时间间隔 1s,远小于单次齐射完成所需时间,作战背景模拟饱和攻击。

基于以上任务模式,仿真流程图如图1所示。

2 可靠性对作战效能影响模型

2.1 舰空导弹武器系统可靠性模型

舰空导弹武器系统可靠性一般采用故障率 λ(t)或平均无故障工作时间MTBF对舰空导弹武器系统及船机电系统可靠性进行评价[4-5]。

经过试航检验,系统稳定成熟,λ(t)为常数时,舰空导弹武器系统及船机电系统可靠度R(t) 与故障率λ(t)的函数关系转化平均无故障工作时间MTBF为

当舰上导弹储存故障率λ为常数时,其储存可靠度r(t)与储存时间t的关系可表示为

2.2 舰空导弹射击模型和效能模型

空中目标在发射区范围内,系统能发射的导弹数,可根据目标飞行条件和发射间隔,由式(3)确定

式中:S为发射区长度; vm为空袭目标飞行速度;t为一次射击持续时间;tc为发射间隔时间。

作战效能指标选取 r次齐射目标至少命中一发的概率[6]:

式中,Pi为舰空导弹武器系统第i次齐射中的单发命中概率;Xi为第i次齐射弹量。

2.3 系统可靠性维修性对作战效能影响指标

舰空导弹武器系统的效能根据完成所赋予战斗任务的程度来评价。因此对于设定使用剖面下第 i次使用的效能实现系数可用式(5)进行描述:

式中,WRi为可靠性因素影响下,使用剖面中第 i次系统防空作战使用的效能;W为不考虑环境、干扰和系统可能故障影响的系统效能理想值。

舰空导弹武器系统的战斗能力是随时间而变化的,因而,战斗效能实现系数是时间的函数。为了评价可靠性因素的影响应该取系统战斗效能实现系数的平均值[4,7],如下式所示:

其中,Т为所经历的使用剖面时间;К (t)为使用剖面下t时刻战斗效能实现系数值.

在双发齐射情况下,不考虑系统可靠性R影响时的作战效能可用目标被命中概率表述

式中,P为单发命中概率。

在双发齐射情况下,系统可靠性R对其作战效能的效能实现系数K可表述为

效能实现系数K综合了各可靠性因素影响和武器系统作战效能两大方面,能体现各可靠性因素对系统效能发挥的影响。合理地选择时间区间T与舰艇使用剖面,将使用措施和作战环境背景相联系,这样指标K就能反映出多种可靠性因素对舰空导弹武器系统战斗效能的综合影响[8-10]。

3 全因素试验设计与数据处理

全因素试验法利用排列整齐的全因素表对试验进行整体设计、综合比较、统计分析,实现通过试验找到较好的因素条件,以达到最高收益。使用计算机仿真模拟,对各因素采用 2水平(-1、+1)描述 7因素表,对每一作战任务模式进行遍历试验128次。

选择舰空导弹武器系统作战效能K为试验的质量特性指标。选择各分系统可靠性指标为提高或改进的质量特性的相关因素。

在设定的作战模式下对典型的导弹武器系统进行了仿真研究。全因素试验设计表见表3。

表3 舰空导弹武器系统全因素试验设计表

发射装备发射可靠率P4/% 0.995 [0.99,1][-1,1]船机电平均无故障工作时间T2/ h 90 [50,130][-1,1]

*三组数值分别对应作战任务一、二、三。

通过试验,可得K值的二项式描述:

式中,xi, xj为各因素水平;a0, ai, aij为各因素二项式系数。

各一次项系数代表了各可靠性维修性因素对系统作战效能指标值K的影响权重。一次项系数可由试验数据的相互正负拟合处理获得,通过正负拟合还可以屏蔽其它因素的影响。一次项系数越大说明可靠性对效能影响波动大,即性能不稳定、因可靠性增长引发的效能增长裕度大。

二次项系数反映了各因素之间的相互影响,可由式(10)求得:

式中,yi为第i次试验的值;u,j=1,2,…,n为各因素编号。

常数a0是各次试验结果数值的平均值,用式(11)得出:

4 结果分析

按照表 3的设计,进行全因素仿真试验,将试验结果按照本文中数据处理的方法进行处理,得到各因素对作战效能影响的多项式描述。各因素对效能的影响主要表现在其一次项系数(影响权重)上,为直观用柱形图表示,见图2、图3、图4。

图2 作战任务一下可靠性维修性对作战效能影响权重图

由图 2可以看出,作战任务一条件下,船机电平均无故障工作时间对系统作战效能有较大影响;战斗操作正确率有一定影响;导弹故障率、发射装备发射可靠率基本没有影响;其它因素影响较小。

图3 作战任务二下可靠性维修性对作战效能影响权重图

由图 3可以看出,作战任务二条件下,导弹装载完好率。导弹故障率两项因素影响较小,船机电平均无故障工作时间、战斗操作正确率、装备勤务正确率、控制系统平均无故障工作时间和发射装备发射可靠率等因素对系统作战效能有较大影响。

图4 作战任务三下可靠性维修性对作战效能影响权重图

由图 4可以看出,作战任务三条件下,战斗操作正确率和船机电平均无故障工作时间两项因素对系统作战效能有较大影响。其它因素影响较弱。

在不同的作战模式条件下,系统的各项可靠性因素对系统效能影响有较大差异,可靠性增长和可靠性变化带来的效果不同。通过试验设计和仿真分析,我们能够找到对系统效能影响最大的各因素增长及变动区间,为明确方向和合理制定改进措施提供了研究依据。

[1]GJB 451A-2005 可靠性维修性保障性术语[S].北京:总装备部军标出版发行部,2005:15-17.

[2]鲍里斯·玛尔钦科,薛鲁强. 舰载导弹武器系统使用特点分析[J]. 俄罗斯海洋学报,2007,22(2):96-98.

[3]薛鲁强.舰空导弹发射装置可靠性对作战效能影响[J].兵工自动化,2011,30(10):10-12.

[4]薛鲁强.舰空导弹武器系统使用仿真模型[C]//第十二届俄罗斯科学院导弹火炮年会论文集第四卷. 圣彼得堡:俄罗斯海军军事科学院出版社, 2009:489-494.

[5]王治军,等.导弹武器系统的可靠性与维修性[M].西安:第二炮兵工程学院出版社,1994:75-97.

[6]陈建华.舰艇作战模拟理论与实践[M].北京:国防工业出版社,2002:115-127.

[7]薛鲁强.舰上贮存可靠性对舰空导弹作战效能影响研究[J].舰船电子工程,2011,31(7):145-147.

[8]徐品高.防空导弹体系总体设计[M].北京:宇航出版社,1996:26-27.

[9]潘吉安.可靠性维修性可用性评估手册[M].北京:国防工业出版社,2005 :115-120.

[10]薛鲁强.舰空导弹系统可靠性维修性对训练影响研究[J].指挥控制与仿真,2011,33(6):106-108.