可靠性强化试验技术在空空导弹研制中的应用

陈铁牛，吴 昌，王海波

(中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009)

0 引 言

空空导弹研制过程中，非常重视可靠性试验工作。因为即使是最有经验的设计师运用各种可靠性设计分析手段设计出的产品，如果不进行试验的验证也很难保证没有缺陷。据统计，约70%的缺陷需要通过试验来发现。

在国外，可靠性强化试验得到了广泛的应用。目前从事可靠性强化试验技术研究的主要研究机构有Qual-Mark 公司、Otis Elevator 公司和Hobbs Engineering 公司等。在可靠性强化试验理论研究方面比较知名的专家有Wayne Nelson，S. Smithson，Joseph Capitano，Gregg K. Hobbs 等［1－6］。

在国内，可靠性强化试验技术方面得到了快速的发展。目前，开展可靠性强化试验技术研究的单位主要有国防科技大学、北京航空航天大学、中国工程物理研究院电子工程研究所、信息产业部电子5 所等。北京航空航天大学和国防科技大学可靠性实验室引进了可靠性强化试验设备，并开展可靠性强化试验理论与技术研究。

在工程应用方面，可靠性强化试验技术已经在国内几家大公司开展。如深圳的华为公司将可靠性强化试验技术应用于其电子产品的研制。有关文献显示，国内目前已经完成可靠性强化试验的产品主要有某通信产品、某液晶显示器温控电路板、某机载电子设备、某军用直流电源、军用特种电真空组件、星载铷钟、某继电器等［7－10］。

1 试验机理探析

强度干涉理论为可靠性强化试验的理论基础。经统计，产品寿命期内所遇到的应力符合高斯分布，如图1 中曲线C 所示。另一方面，产品各部分耐环境应力也符合高斯分布，如图1 中曲线A 所示。当耐环境应力能力较低的正好遇到高应力时，产品将呈现故障状态。

图1 产品耐应力强度与试验应力强度关系

在可靠性强化试验中，通过施加步进应力的方法，将使试验施加应力曲线C 不断右移。同时，由于对应力激发出的缺陷采取了纠正措施而使产品的耐应力强度增加，其曲线A 也不断右移。试验最终施加的应力超过规范规定或使用中遇到的应力，而且已针对此高应力下激发出的缺陷采取了有效的设计改进措施，因而产品耐应力强度分布曲线大大右移，使图中的曲线A 变为曲线An，远离原来曲线A 的位置，使得C 和An 两个曲线之间的距离大大增加。

2 试验剖面设计

2.1 试验对象

空空导弹可靠性强化试验对象可以分为全弹级、组件级和分组件级等不同产品。通过对全弹级产品开展可靠性强化试验，考核各舱段(组件)连接方式，完成全弹技术指标要求的验证;主要由电子产品组成的组件级产品开展可靠性强化试验，暴露产品薄弱环节;对重要的分组件和外协成件，如三轴光纤陀螺、分控计算机、导引头信号处理机、相控阵天线等可有选择的开展可靠性强化试验，尽早在较低组装等级暴露产品缺陷。试验件从产品中随机抽取，应满足以下要求:

(1)同状态产品已通过必要的环境适应性试验且合格;

(2)产品已经通过交付试验，性能和功能检测合格。

2.2 试验件数量

考虑试验费效比、产品研制周期等原因，针对特别贵重的全弹级、组件级和分组件级产品，可选用一发产品开展可靠性强化试验。在步进应力试验中，对异常情况排故之后，若改进措施促进了产品可靠性的增长，且改进仅涉及普通元器件更换或局部工艺改进，则以产品恢复正常的应力量值为起点，继续进行步进应力试验;若改进涉及到板级以上或关重件产品，则从初始量级重新开始，以上情况产品的应力极限应重新予以确认。试验产品在快速温变循环和综合环境应力试验中出现故障，产品修复后从故障中断的循环开始，继续完成后续试验。针对多枚样本的可靠性强化试验，出现破坏极限的产品原则上不继续进行下阶段试验。

针对产品数量相对富裕，具备多枚产品开展可靠性强化试验的产品，推荐试验产品数量如下:

表1 可靠性强化试验样本

2.3 试验剖面设计

2.3.1 传统试验方案

传统可靠性强化试验所施加的应力一般包括温度步进、温度循环、振动以及综合环境应力试验。步进应力试验目的是为了确定产品的工作极限，快速温变循环应力和综合环境应力试验的目的是为了通过温度应力的快速变化以及综合环境应力来激发产品的薄弱环节和设计缺陷。通过对空空导弹进行使用环境因素和敏感应力分析，得出对其影响最大的应力主要是随机振动应力和温度应力。在产品样本数量较少的情况下，为了尽可能有效地利用有限的样本，保证从有限的样本中获得足够的信息，从对产品破坏性小的项目开始进行试验［11－16］。试验剖面如图2 所示。

图2 传统可靠性强化试验方案

空空导弹是具有单个产品较昂贵、试验样本量小、研制周期越来越短等特点的武器装备。传统强化试验方案的操作流程较简单，但从其环境制定的条件可以看出该试验方案尚有如下不足:

(1)在低温步进、高温步进和振动步进应力试验过程中，通过施加步进应力直到找到产品工作极限或破坏极限。这种方法不能有效控制产品破坏极限出现的时机，空空导弹是复杂的武器装备系统，一旦出现破坏极限，往往故障归零需要耗费较长时间，从而影响试验效率;

(2)传统强化试验方案以发现产品薄弱环节为目的，因不考虑环境应力之间的相互影响，得到的产品工作/破坏极限存在较大偏差，通过试验提供的试验数据信息量较小。在空空导弹的研制阶段，由于研制周期和成本的限制，产品个数非常稀少，传统的强化试验方案不能满足实际工作需要，会造成较大的资源浪费;

(3)在产品研制阶段，由于自身测试水平的限制，通过试验中的常规检测，通常无法充分发现产品的内部潜在缺陷。同时，一个合理的产品设计不但要考虑产品的可靠性，还要使产品具有较高的维修性、测试性、安全性和综合保障性能。一个经过强化试验考核的产品，其自身的“五性”设计均经过了考核，是非常宝贵的资源，需要进一步进行合理利用以免造成资源浪费。

2.3.2 改进试验方案

全弹级产品由于试验设备限制等原因，可靠性强化试验中仅开展低温步进、高温步进和振动步进应力试验;针对组件级产品，结合空空导弹具有更新换代快、经费有限以及小子样等特点，针对较为常见的单样本试验情况，设计了一种空空导弹可靠性强化试验方法，如图3 所示。

在完成可靠性强化试验后，进行拆卸、分解、检查、测试、分析，检查各组件整体及其零部件是否存在机械磨损、各项功能和性能指标是否正常。如果存在故障，则通过故障的检测和分析，发现薄弱环节，提出改进建议，促进空空导弹“五性”水平的提高。

图3 改进可靠性强化试验方案及实施流程

由图3 可知，试验前要结合空空导弹使用环境，确定试验应力类型及应力的组合模式。首先进行环境敏感应力分析，对试验产品进行环境因素和敏感应力分析，找出影响产品可靠性的主要因素和对产品可靠性影响较大的敏感应力。通过研究各应力与诱发相关故障模式的关系，结合空空导弹的特点，确定试验以温度、振动作为主要应力条件来激发其潜在缺陷，根据环境应力与失效的关系，选择应力的组合模式，包括:温度步进应力试验、振动步进应力试验、快速温变循环试验、快速温变+随机振动的综合环境应力试验。

试验剖面设计步骤如下:

步骤1，根据产品设计规范和交付试验要求，明确第一阶段试验应力条件。

该步骤所述的明确第一阶段试验应力条件，需要明确的参数包括:温度应力范围、振动应力范围、振动试验谱型和振动时间。参数的确定需要依据产品的设计规范和交付试验条件要求，选取一定的余量作为第一阶段试验的应力范围。为了提高试验效率，选取交付试验条件作为步进试验的起始量值。此阶段不但考察产品在规定环境及略高于规定环境下的稳定工作能力，也考察了产品交付前期试验的有效性。

步骤2，依据元器件工作极限范围，确定第二阶段试验应力条件。

确定第二阶段步进应力试验条件，应结合可靠性预计等工作，参考所选用元器件的工作极限范围，确定步进环境应力的极限范围。快速温变循环和综合环境应力循环试验中的高/低温极限值的选择，应在确保试验不出现破坏性环境应力的同时，选用尽可能高的环境应力，即防止因出现破坏性故障而暂停试验进行产品维修，达到实现尽早暴露产品薄弱环节、缩短研制周期的目的。可选择温度步进应力试验中最大量值的80%，并可根据产品工作极限对高/低温极限值进行适当修改(高/低温极限值应不低于设计极限值)，选取尽可能高的温变率。综合环境应力试验中振动量值步进施加，每个温度循环的振动水平值由振动工作极限(或振动步进应力试验中因没有发生产品故障而停止试验的最大值)除以循环数确定，即振动应力的步长相同。在保证一定筛选度的情况下，可根据实际采用的温度变化率确定所需的温度循环数［17－19］。如选取115 ℃的温度范围，温度变化率和循环次数的对应关系如表2 所示。

表2 温度变化率与循环次数对应的筛选度

步骤3，如果试验产品在前期的步进应力试验中没有找到工作极限，则继续进行步进试验，以找到产品工作/破坏极限。考虑试验的费效比并结合实际设备工作能力，低温步进应力极限为－70 ℃;高温步进应力极限为+125 ℃;振动步进应力极限为26g 时，可停止步进试验。

在试验结束后，对产品分解、显微观察、记录各部分外观情况，通过对产品的分解拆卸，检查产品在经历强化试验后外观、物理结构、性能参数等方面是否存在异常。检查产品可靠性、维修性、测试性、安全性和保障性方面尤其是二级和三级维修方面的问题和不足。通过拆解检查，可得到各可更换单元每步拆解的时间，确认螺钉、接插件、焊点的状态，对比拆解前后的测试数据，发现可达性、防差错等方面的问题。提出改进措施建议，促进产品可靠性、维修性的提高。

3 应用案例

在某项目中，共对13个产品采用传统的可靠性强化试验剖面进行试验，暴露了舵机通道不跟随、转动故障、关节轴承外环断裂、低温性能超差等8 处薄弱环节;在某新型产品研制阶段，共对6发组件产品采用改进型可靠性强化试验剖面进行试验，试验过程中暴露了23 处薄弱环节，如表3所示。

表3 可靠性强化试验改进型剖面应用中暴露问题清单

传统型和改进型试验剖面进行可靠性强化试验所暴露的故障数如图4 所示。在改进型剖面中，对采用改进试验剖面进行可靠性强化试验的产品实施物理分解，共暴露27 处薄弱环节，与可靠性强化试验应力有关的薄弱环节有9 处，包括:壳体连接处掉漆、产品连接螺钉断裂、产品内部结构件断裂、电路板元器件脱落、导线挤压并磨损、器件焊脚弯曲变形、电缆热缩套管高温回缩、夹具连接处变形和线缆相互磨损。针对27 处问题均提出了相应的改进意见和建议。

图4 故障数对比

4 结 论

本文介绍的可靠性强化试验方案，结合了空空导弹单个产品较为昂贵、试验样本量小等特点，继承了传统可靠性强化试验快速激发产品缺陷和暴露产品设计薄弱环节的优点，提高了试验效率，缩短了试验时间。

可靠性强化试验已在多个型号空空导弹研制过程中得到了系列的应用，改进型剖面的应用进一步提高了可靠性强化试验效率。改进型试验剖面设计中，充分利用了试验后产品，暴露隐藏产品内部的薄弱环节，将可靠性、维修性、测试性、安全性和保障性等工作进行有机结合。另外，为了制定更加合理的试验方案，促使可靠性强化试验的持续改进，针对试验机理和故障机理的研究有待进一步深入。

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