空空导弹PHM系统总体设计研究

2015-02-10李志强王茜张孝虎荣鹏辉

航空兵器 2014年5期

李志强+王茜+张孝虎+荣鹏辉

摘要：在分析空空导弹结构组成的基础上，参照视情维修开放体系结构OSA-CBM，提出了空空导弹PHM框架模型，据此展开现役空空导弹应用PHM技术的实例研究：分析了贮存寿命期影响导弹性能的因素，确定采集参数，根据成本、尺寸、传输方式等提出传感器选型要求，建立导弹包装箱状态监控系统；利用电气属性测试中采集的参数，参考取值范围设置原理，建立评分标准，根据权重值计算出导弹健康指标。

关键词：空空导弹；PHM框架模型；包装箱；电气属性

中图分类号：TJ760.7 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0055-05

0 引言

空空导弹作为现代空战的主要武器，在夺取制空权中发挥着重要作用。随着精确制导技术、微机电技术的迅速发展，空空导弹的性能越来越优良，结构越来越复杂，成本也越来越高，因此，研究空空导弹装备的PHM运用显得很有必要。空空导弹的PHM运用主要是为了提高战备完好率，优化保障模式，增强保障效率。PHM由两部分组成[1]：故障预测，即对装备进行故障诊断、状态评估，发现潜在故障，预计剩余寿命和剩余工作时间；健康管理，即根据故障诊断/预测信息制定维修决策，优化资源配置。如何将PHM在飞机和发动机方面的研究成果借鉴性地运用到空空导弹中，是研究的重点所在。

1 系统总体框架组成 1.1 空空导弹结构组成

空空导弹主要由导引系统、飞控系统、引战系统、推进系统、能源系统和弹体系统六部分组成：导引系统，接收和处理敌机、机上火控系统发送过来的信号，锁定并跟近敌机，控制导弹按照既定轨迹飞行；飞控系统，对空空导弹的飞行起到控制和稳定作用，通过控制导弹的俯仰角度、偏航角度和滚转角度，使导弹在飞行弹道上稳定飞行，并且具有较好的阻尼特性、响应特性以及合适的飞行过载；引战系统，即引信、战斗部和安保机构系统，当导弹按照预定的轨迹飞向目标时，导弹的安保机构和引信按照装定的程序工作，在距离目标适当距离时，引爆战斗部，毁伤目标；推进系统，一般指空空导弹内部的固体火箭发动机，为导弹机动飞行提供推力，达到相应的飞行马赫数和攻击距离；能源系统，指空空导弹上的电源、气源和液压源，电源为导弹发射、接收和处理信号提供电能，气源主要用于制冷以提高制导精度，液压源为弹上液压装置提供动力；弹体系统由弹身、弹翼、舵面等组成，空空导弹的各个舱段组合在一起，构成一体形成弹身。

1.2 空空导弹PHM框架模型

根据OSA-CBM（视情维修开放体系）结构[2]和空空导弹结构组成，构建如图1所示的PHM结构模型。OSA-CBM由七个模块组成：数据采集模块、数据处理模块、状态监测模块、健康评估模块、预测模块、分析决策模块和接口模块。所谓开放式结构，是指七个功能模块之间没有严格的区分，即存在交集部分，有的模块是可以缺少的，其中数据采集模块、数据处理模块、状态监测模块和接口模块是必不可少的，而其他的三个模块可根据具体应用进行选择。

在导弹的六个系统部位安装传感器节点，采集各个系统的信号，运用一系列算法进行特征提取、数据融合和转换，传输到状态监测模块进行识别与状态评估。健康评估模块根据历史数据或者相应的性能指标判断各个部位的状态，如果正常，可以根据数据变化趋势，进行剩余寿命预测；如果出现异常，进行故障隔离与精确定位。分析决策模块根据预测单元的数据进行综合分析，提出维修决策：如果导弹处于库存或者战备状态，技术人员就可以直接采取维修活动；如果导弹在挂飞状态，飞行员可以根据显示提醒，不打出该弹，在保证载机安全的情况下带弹着陆，进行维修。飞机在为飞行员做出导弹状态提醒的同时，向地面发送导弹故障信息，塔台进行态势评估，以帮助飞行员进行决策。在对导弹进行状态评估与维修决策制定的过程中，任务管理模块对过程中的每一个环节进行控制与协调，动态数据存储模块则根据具体任务对存储空间进行动态分配。

空空导弹PHM结构是一种理想条件下的模型[3]，其实施需要在导弹的设计、生产过程中就植入PHM技术。然而，目前现役的大批量空空导弹早已成型，无法进行结构上的改装。要想预测空空导弹的故障，实现健康管理，可以建立监测空空导弹所处环境参数的传感器系统，也可以利用电气属性测试进行健康评估。

2 包装箱状态监控系统

空空导弹一般放在包装箱内，抽真空或者充氮包装，包装箱内部的环境也就是导弹所处的环境。虽然每个库房都有相应的温湿度监测仪器，但是那只是整个大库房某些局部点的平均温湿度。由于库房较大，导弹或者包装箱较多，温湿度监测参数对于单枚导弹状态来说并不具有代表性，不能表征空空导弹关键部位的温湿度。另外，导弹库房的设备只进行温湿度监测，无法监测导弹包装箱所受到振动信息、加速度，也无法知道导弹的包装箱或者导弹弹袋是否漏气，导弹承受的冲击、跌落等信息也无法获取。为了保证导弹所处状态可控，保证导弹处于一个良好的环境状态之中，对导弹进行健康管理，提高导弹战备率，有必要建立空空导弹包装箱状态监控系统。

2.1 监测参数

建立空空导弹所处包装箱的状态监控系统，对导弹所处环境的一系列参数进行监控，其中有温度、湿度、振动、大气压力、加速度、电磁等。

（1）温度。包装箱内的温度要保持在30℃度以内，20℃较佳，温度过高、过低或者剧烈变化都会对导弹产生影响：温度过高，会加速导弹内部金属部件的腐蚀和橡胶件、塑料件、防护漆层的老化变质，也会使战斗部装药变质，性能变坏；温度过低，会使导弹内部的橡胶件发脆而强度下降，塑料件发硬而断裂，防护漆层变脆脱落等；温度剧烈变化会使导弹战斗部装药表面结露受潮，使导弹内部无线电引信中的晶体管损坏。

（2）湿度。导弹所处环境的湿度也要处于一定的范围，一般不超过70%，40%较佳：如果湿度过小，导弹内部的皮革件就会变脆断裂，火药中的水分蒸发使得燃速增大；如果湿度过大，会使导弹金属部件锈蚀，包装箱、纸布、皮革等受潮霉烂腐朽，导弹内部的橡胶件塑性和强度下降，还会使导弹装药变质、性能变坏，火帽中的击发药作用不可靠，严重时瞎火。

（3）振动。包装箱受到的振动主要采用振动传感器进行监测，利用拾震器记录导弹所受到的振动冲击，比如可以捕捉库房内外人员或保障装备活动等产生的较大震动信号。经常性的振动会使导弹内部陀螺、导引头和紧固件发生松动现象，也不利于导弹装药性能的稳定。

（4）大气压力。为了防止导弹部件不被空气氧化，导弹加装弹衣抽真空或者充氮气进行包装，当压力发生明显变化时，可以通过对包装箱内部压力的检测及时发现：抽真空包装时，当出现气密性问题时，包装箱内部由于有空气的进入，使压力增大；充氮气包装时，当出现气密性问题时，包装箱内部的压力会降低。包装箱内部抽真空或者充氮气的另一个目的是为了防止菌类的繁衍生长。

（5）加速度。包装箱内部配置加速度传感器可以用来监测节点所处状态的平衡情况，对于防跌落尤为重要。对传感器进行模式[4]设置，以节约电源：一般情况下，导弹包装箱的加速度为零，节点初始状态运行在低功耗模式，一旦有加速度产生，传感器立刻进入数据采集状态，并判定采集的数据。如果数据大于事先设定的阈值，表明导弹处在不平衡状态，有可能出现跌落、倾斜或者滑落情况，监测节点随即进入工作状态，并发出报警信号，通知库房人员处理。

（6）电磁。空空导弹一般采用固体火箭发动机作为推力装置，其点火系统异常敏感，一旦发生故障，要么点火系统失效，导弹无法正常点火，要么异常发火，造成严重人员伤亡[5]。影响点火系统的监测因素除了上述的温度、冲击之外，电磁环境对点火系统影响最大。点火系统一般采用电启动发生，电磁环境主要影响点火系统的电路，造成电路误启动，从而将点火能量输送给点火装置引起误点火或感应足够的能量引起误点火。

2.2 传感器选型要求

PHM运用中，应该根据测量参数范围、传感器成本、传感器尺寸和重量等进行选择。由于传感器的运用受到电源、传输方式、板上存储器等影响，应该根据具体情况选择是使用内置电源还是外置电源，采用有线传输方式还是无线传输方式。包装箱内传感器节点的布置应尽量不影响包装箱的结构与组装方式，既减少对包装箱的损坏，同时又能够实时准确地获取监测数据。传感器的选型应该根据实际，选择体积较小、功耗较低的MEMS传感器[6-7]。由于采用低功耗传感器，传感器可以在工作模式、空闲模式和休眠模式之间进行合理转换，电源消耗较少，在很长一段时间内都不需要更换电池。如果传感器是数字输出型，根据采集的参数，直接进行判断，只有超过一定的取值范围才进行数据传输。

2.3 监测系统模型

导弹包装箱状态监控传感器网络节点通用平台的硬件系统框图如图2所示。系统包括传感器模块、微处理器模块、库房数据处理中心和相应的呼叫响应设备。该节点能够对包装箱内部的温度、湿度、振动等参数进行数据采集，对于在设定范围内的数值停留在传感器一级进行处理；对于超出设定范围的数值经过无线/有线信号发送到微处理器，经微处理器内部的专家系统或推理算法对多个传感器数据综合分析之后，将该包装箱数据运行结果发送到库房数据处理与监控中心。如果多个包装箱都存在普遍的温湿度问题，可以通过中央空调调节库房温湿度，从而改善各个包装箱内部温湿度。当然，如果存在突发的强烈振动或者个别包装箱过热过湿情况，微处理器将直接利用自身报警装置报警，呼叫技术人员立即处理，同时也将数据发送到监控中心。

状态监控系统微处理器内置的显示模块实时显示各个无线传感器节点的工作情况。如果发现某个无线传感器节点失效，微处理器的显示模块就显示失效节点的标识号，库房工作人员可及时更换或检修失效节点，保证库房包装箱检测区域不存在检测死角。当库房包装箱内有异常情况发生时，微处理器又可以作为报警器使用，内置的报警装置可及时报警异常情况。报警装置的报警上限可以自行设定，可以在不同的气候地域视具体情况设定不同的安全界限。导弹包装箱内部网络模型结构如图3所示。对于使用金属包装箱的导弹，内部传感器节点不能使用无线网络进行数据传输，应该采用有线传输方式。

3 基于电气属性参数的健康评估

就目前来看，实时采集空空导弹在贮存环境中的状态参数，可以量化导弹受到的振动、冲击和承受的温湿度变化，但是这对于故障诊断、状态评估还远远不够。要实现对空空导弹健康状态的管理，合理制定维修决策，还需要采集来自导弹内部重要部件的数据参数。

3.1 检测设备的测试参数

空空导弹测试设备用来对导弹进行性能测试，测试结果作为判断导弹技术状态的依据。空空导弹分为红外型和雷达型，不同类别的导弹测试时获得的参数不相同[8]。

红外型空空导弹测试的主要性能参数有：①导引系统主要测试音响信号、陀螺频率、陀螺惯性频率、跟踪角速度和跟踪范围；②飞控系统主要测试归零力矩、安全延迟、零位力矩、控制舱斜率；③能源系统主要测试涡轮频率、电压、消耗电流、电源频率；④引战系统主要测试触发引信电路、近炸引信参数、自炸时间、点火电路、点火电阻。不同型号的红外型空空导弹还有各种不同的要求，如超前偏置能力、电气延迟、气动延迟、极限环频率、通道一致性、双通道干扰跟踪和控制信号的对称性、近炸引信气动能力和灵敏度等。雷达型空空导弹测试的主要性能参数有：①导引系统主要测试角度搜索范围、搜索频率和周期、接收系统灵敏度和截获周期、角度跟踪范围及速率、速度跟踪范围及速率、定向斜率；②飞控系统主要测试预偏力矩、预偏时间、零位力矩、目标指示；③能源系统主要测试电池供电电压和电流、涡轮频率；④引战系统主要测试触发引信电路、引爆信号、自炸时间、点火电路，点火电阻。不同的雷达型空空导弹还有不同的性能参数，如角度预定精度、速度预定精度、测角精度、测速精度、发射机功率、接收机噪声系数、工作频率、天线罩瞄准误差斜率等。3.2 建立健康评估模型测试设备运行既定程序对空空导弹进行逐项测试，将测试参数与预先设定的取值范围进行比较，测试值在设定范围之内，则给出“合格”的结论，否则标为“不合格”。由于设定的取值范围比较宽，符合这个参数标准的空空导弹都输出一个“合格”结果，虽然都是合格，但是导弹的质量优良程度不得而知，相比以往测试结果，导弹技术性能有无下降不得而知。如果能够对测试合格的空空导弹进行健康评估，获得优良性能指标，就可以对导弹进行排序分类，据此制定维修决策，加强对导弹装备的管理。

根据测试原理和空空导弹结构，可以建立健康评估的层次分析模型或者贝叶斯网络模型，现以层次分析模型为例介绍。对于有一定取值范围的属性参数，可以根据测试原理和参数设定模型建立打分标准：选择一个数值范围健康指标设置为100，参数上限与下限指标为60，根据参数分布情况（线性分布、指数分布、二次分布等）对具体的测试值进行打分。对于定上限或者定下限的参数，处于理想范围的取值设置为100，选取临界值为合格打分60，其他取值参照取值模型设置。在一个子系统中，比如导引系统，根据音响信号、陀螺频率、陀螺惯性频率、跟踪角速度和跟踪范围所占的不同权重，计算出导引系统的健康分值。以此类推，计算出其他各个系统的健康分值，通过六大系统的健康分值与各自占有的权重，得出空空导弹健康分值。两次层次中的权重取值根据专家评分确定。空空导弹健康评估模型如图4所示。

根据评估分值可以对合格导弹进行健康指标排序，打靶试验或者战备值班时优先选择指标高的导弹。对于健康指标很低的导弹，可以根据子系统得分确定影响健康状况的测试参数，进而进行故障大致定位，制定维修决策进行排故。

4 结束语

参照空空导弹PHM结构模型，提出的两个在现役导弹中应用PHM技术的模型具有一定的借鉴意义，也为实现健康管理提供了参考。健康评估模型是在具有一定取值范围的电气属性参数基础上建立的，对于没有取值范围的电气参数还需要进一步详尽分析，以完善评估模型。

参考文献：

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[3]洪晟，陶文辉，路君里，等.基于综合PHM方法的导弹维修保障综述[J].计算机测量与控制，2012，20（4）：862-868.

[4]ChengS，AzarianMH，PechtMG.SensorSystemsfor PrognosticsandHealthManagement[J].Sensors，2010，10（6）：5774-5797.

[5]吴进煌.舰空导弹发动机意外点火故障树分析[J].海军航空工程学院学报，2006，21（6）：653-656.

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[8]王茜，戴革林.空空导弹测试设备[M].北京：蓝天出版社，2008：64-118.