基于PHM的小型战术导弹视情维护技术*

徐宏伟,周玉清,薛小乐

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

基于PHM的小型战术导弹视情维护技术*

徐宏伟,周玉清,薛小乐

(中国兵器工业第203研究所,西安 710065)

如何在复杂多变的环境下,保持小型战术导弹良好的性能,是其面临的重要课题。针对这一情形,论文提出一种基于环境应力、时间应力和PHM相结合的小型战术导弹视情维护技术,深入讨论和分析了视情维护系统的工作原理、技术路线以及关键技术,实现了传统的周期性测试维护到视情维护的转变,提高了小型战术导弹的维护技术水平。

小型战术导弹;PHM;周期性测试维护;视情维护

0 引言

小型战术导弹武器系统是多种新技术的综合应用,涉及到机械、电子、计算机、自动控制、信息处理等领域,组成复杂,系统性强,一个关键器件或部件发生故障会导致整个武器系统不能工作[1];并且,导弹作为武器装备在使用寿命剖面中所经历的过程主要有运输、贮存、装卸、战斗值班等[2]。任何环节都有可能导致导弹性能退化,因此,如何在复杂多变的环境下,保持导弹良好的性能,是小型战术导弹面临的重要课题。

1 小型战术导弹周期性测试

目前对于小型战术导弹状态评估方法,主要采用周期性测试技术[3]。国外高度重视小型战术导弹的测试技术研究,美国通过HELLFIRE Missile Compact Test Set (HMCTS)对HELLFIRE智能弹药进行周期性功能测试,每发智能弹药测试126个参数,到1994年,共有20 000发智能弹药得到测试,共发现40多种软硬件问题[4];为加强Longbow Hellfire智能弹药的贮存状态跟踪和非破坏性验收,美国军方红宝石试验场成立了长弓海尔法的测试与验收中心,该中心采用开环和闭环测试两种方式,提供一个非破坏的手段来判断库存智能弹药各个部件是否处于良好的工作状态或性能是否退化[5]。英国采用Services Weapon Test Set(SWTS),在不同的功能模块的帮助下,可分别实现硫磺石空地导弹发射装置和导弹的测试等。此外,不同任务的剖面的温度、湿度、冲击、振动、电磁等环境对智能弹药的性能影响也很大。如:沙漠风暴后,美国军方花费2 000万美元来评估从战场上撤回的7 000发TOW 2A智能弹药的状态;在伊拉克反恐战争中,由于热、湿度、沙尘、运输等方面的原因,有10%智能弹药不能得以正常应用。元器件筛选和地面测试尽管暴露一些问题等,但由于应用批次的偶然性和突发故障的易发性,都可能造成小型战术导弹性能的退化。

小型战术导弹的测试一般由导弹检测仪来完成[6]。导弹检测仪主要由目标模拟器和导弹检测仪组成,其中目标模拟器用来模拟导弹的目标,检验导引头的跟踪特性和捕获特性;导弹检测仪与导弹发射接口安全连接,用来给导弹供电、参数装定、数据采集、存储和分析,以实现对导弹的状态进行判断。结合目标模拟器和导引头的输出值,可以判断导引头的状态;结合舵机的输入指令和反馈指令可以判断舵机的状态;根据初始装定参数、导引头输出值、惯性导航装置的输出值、舵机的输入值,并利用导弹控制模型反算,可判断弹载计算机性能的好坏等。

但是,小型战术导弹周期性测试存在以下几个问题:

1)小型战术导弹的周期性测试对可靠性的影响。由于导弹的长期贮存原因,导弹的可靠性退化曲线一般不是传统的浴盆曲线,更可能是指数曲线。理论上,周期性测试是可能降低导弹的可靠性的[7]。若周期性测试后,进行维修,可靠性将提高,但总的可靠性还是在递减,周期性测试维修的可靠性退化曲线如图1(a)所示。

2)小型战术导弹原位测试问题(见图1(b))。当前,对小型战术导弹进行测试大部分须将导弹从弹药库转移至测试场地。转场及测试过程存在如下问题:转场的过程约束了导弹后勤保障的快速和机动;需要较多的人工干预;存在容易对导弹造成损害的不安全因素。

3)小型导弹的测试周期选择问题。如图1(c)所示,目前的导弹测试周期,选择半年、一年、两年、五年等等,其依据主要靠试验数据评估,会不会过测试和欠测试,如何才能做到合理科学的规划,确保导弹处于良好的状态。

4)小型战术导弹的抽样检验问题。如图1(d)所示,目前,要求每一发导弹都要进行测试,假如导弹同一批库存较多,测试周期为半年,这样将对军方测试带来很大的负担,能否结合先进理论与技术,进行抽样检测,这样将大大降低人力和物力。

图1 周期性测试带来的问题

2 小型战术导弹视情维护技术

2.1 PHM技术

PHM即预测与健康状态管理(prognostics and health management, PHM),利用传统的故障特征检测技术,并综合先进的软件建模,来获得低虚警率的故障检测和隔离结果,进而提高复杂系统的任务可靠性和安全性。PHM技术是综合测试技术的最重要发展方向。进行导弹PHM技术研究的数据主要来源于周期性测试数据和环境监测数据。而环境监测法广泛用于国外的小型战术导弹的PHM中,有研究认为:温度、湿度、冲击、振动、电磁、压强、沙尘等环境应力变化将会对武器的系统造成很大的影响,因此美国陆军航空和导弹司令部推出一种基于环境应力监测的RRAPDS(remote readiness asset prognostics/diagnostics system)[8]。如图2所示,该系统通过综合应用先进的PHM技术以及微机电、无线通信、微数据处理器和电源微功耗技术,以实现对导弹、弹药以及发射平台的贮存、运输以及使用过程中的状态进行评估,从而确定或预测即将投入战斗的这些武器系统状态是否完好。整个系统由状态监测器、数据接收器、数据传输网络以及数据验证中心组成。每发导弹安装1块状态监测器,每个监测器包括温度、湿度、冲击、振动、电磁、压强等微机电传感器,在超过设定阈值的环境应力的作用下或数据接收器的激励下,系统进行采集、初步处理和存储,并在上级的指令下,进行数据无线传输。数据接收器接收到状态监测器的数据后,一方面可进行数据处理,判断导弹的状态;另一方面,可通过有线或无线的数据网络向更高一级传输。此外,环境应力对导弹的影响有专门的验证中心,如上文所提的长弓海尔法仿真与验收中心等。

图2 RRAPDS工作原理

采用RRAPDS采用的技术,可对导弹状态长期监控,不需要设定测试周期;导弹不需要开箱测试;对所有导弹都进行环境监测,所以不需要抽样测试,并且价格低廉,易实现信息化组网;经过相关设置,可通过RRAPDS实现小型战术导弹任务状态和环境应力变化进行全生命周期记录,从而为导弹的改进提供数据支撑。

2.2 小型战术导弹视情维护关键技术

RRAPDS融合着当前最先进的物联网与PHM技术,代表着小型战术导弹维护技术的发展方向。因此,在吸取RRAPDS相关技术的基础上,展开复杂多变环境下的小型战术导弹视情维护技术的研究(见图3),该系统综合应用环境测试系统+无线传感网络+PHM相关技术,实现传统的导弹周期性测试维护到视情维护的转变,将有效地提高小型战术导弹的维护技术水平。

图3 小型战术导弹视情维护系统原理示意图

其中,环境测试系统用法如下:

1)可安装在发射箱外壁上,并于箱内相通,用于监测、分析导弹在存储、运输以及发射时的环境参数,数据网关可通过无线适时监测各个导弹的温度、湿度、气压、冲击、振动、磁场等环境参数;

2)可安装在小型战术导弹上,用于任何任务剖面环境参数的监测,并基于数据以及历史经验和先进的PHM技术,能够实现导弹性能状态的评估;

3)可配合导弹检测仪,进行功能性测试。由于该视情维护系统是建立在一个假设之上的,即导弹性能的退化主要来源于外界环境应力的变化。实际上,有的导弹的故障也有一定突发性,并且诸如惯导、导引头等精密传感器,其性能有可能随着时间退化,显然对导弹的功能性测试也是必要的。因此,可提出一种基于环测和功能性测试相结合的导弹状态评估技术。工作原理如下:在每发导弹上安装环测装置,通过无线传感器网络获取环境应力值和时间应力值,若环境应力值或时间应力值超过设定阈值时,则对导弹进行测试。相对于传统的导弹测试,基于环测和功能性测试相结合的导弹状态评估方法有如下优点:消除了传统盲目的周期性测试,能够做到导弹视情测试。

4)用于小型战术导弹仓储信息化管理,即可在环测系统上开辟一块区域,用于导弹的不同任务剖面以及飞行试验前的生命阶段的重要信息记录,由于采用无线传感网络,可实现战术导弹的智能化管理。

由于小型战术导弹视情维护技术主要是建立在先进的PHM技术和大量的历史经验知识基础之上的,考虑到当前的PHM技术发展水平,也采用两步走研究策略:

第一步:基于环境应力(ESMD)和时间应力(TSMD)的小型战术导弹视情维护技术的工作原理如下:通过环境应力和时间应力进行监测,一旦应力超过设定阈值(经验值),则采用导弹检测仪进行测试评估。这种方法可以消除采用导弹检测仪定期测试带来的问题。

第二步:开展基于环境应力(ESMD)的小型战术导弹视情维护技术研究。通过理论研究和试验验证(仿真验证、武器飞行、老化试验等)的方法,建立环境应力与小型战术导弹系统性能的映射模型。

两者的关键技术如下:

①原位测试技术:原位测试技术主要包括导弹可测试性设计技术以及关键部件如导引头、舵机、惯导等的不开箱测试技术。

②嵌入式测试技术:尽管弹上电气连接是整个导弹的神经网络,但为了提高检测深度而过多地增加机外测试线缆,不但会加大其弹上与作战性能无关的“盲肠”效应,而且增加导弹飞行负荷,降低了全弹的可靠性。因此,可以开展弹上嵌入式测试技术,即利用弹上专用嵌入式采集模块获取导弹状态信息,利用无线网络、专用接口等技术进行数据传输。采用弹上嵌入式测试方式,可有效减少弹上与地面测试线缆连接,拓展测试深度。此外,弹上嵌入式模块还可以作为PHM单元,对弹上部件和导弹进行故障诊断和预测。

③基于导弹性能数据的PHM技术。

④基于环境应力的小型战术导弹PHM技术:低功耗低成本环境参数采集技术,高可靠、高安全、高性能无线传感网络技术以及环境应力与小型战术武器系统性能的映射模型的构建。

⑤产品生命周期管理技术。

3 总结

综上所述,视情维护技术是减少小型战术导弹维护成本,延长寿命的重要途径,满足军方“打则能用,用则能成”的急切需求。

[1] 朱觅. 空空导弹综合保障之我见 [C]∥中国航空学会可靠性工程专业委员会第十届学术年会, 2006: 412-416.

[2] 田莉萍. 基于DSP+FPGA的机载空地导弹武器系统综合检测装置 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013: 1-58.

[3] 罗明洋, 马力生, 李岩. 便携式导弹检测过程中的安全控制问题研究 [C]∥第一届全国技术过程的故障诊断与安全性学术会议, 1999: 185-190.

[4] 西安现代控制技术研究所信息中心情报组. 导弹研发手段与测试设备译文集[G]. 西安现代控制技术研究所, 2010: 1-175.

[5] Ray Jerry A, Larson Gerald A, Terry John E, et al. Successful hardware-in-the-loop support of the Longbow/HELLFIRE modular missile system [C]∥ Proceedings of SPIE VOL. 4027(2000): 82-90.

[6] 刘鹏程, 杜毅民. 导弹总体测试工程化的几个问题 [J]. 航空兵器, 2006(4): 50-53.

[7] 张金春, 刘超. 定期检测对导弹武器系统贮存可靠性的影响分析 [J]. 战术导弹技术, 2008(1): 44-48.

[8] Burghard B J, Silvers K L, Skorpik J R. Active sensor tags for global visibility of asset readiness [C]∥ Proceedings of SPIE Vol. 5778(2005): 914-915.

Condition-based Maintenance Technology of Small Tactical Missile Using PHM

XU Hongwei,ZHOU Yuqing,XUE Xiaole

(No.203 Resarch Institure of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, China)

It is the very important issue that how to keep performance for a small tactical missile. According to current situation, a kind of PHM technology on small tactical missile was proposed using environmental stress, time stress and data information in this text, and the principles, methods and key technologies of condition-based system were profoundly analyzed and discussed. The research results promote transformation from traditional test-based periodic maintenance to condition-based maintenance, and enhance development level of maintenance technologies.

small tactical missile; PHM; test-based periodic maintenance; condition-based maintenance

2014-11-05

徐宏伟(1967-),男,陕西渭南人,研究员,研究方向:武器系统电气设计及综合测试技术。

TP302

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