喷气式飞机机载吊舱内设备的可靠性试验剖面制定研究

邹祁峰，沈峥嵘（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；3. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610）

喷气式飞机机载吊舱内设备的可靠性试验剖面制定研究

邹祁峰1，2，3，沈峥嵘1，2，3
（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广州 510610；3. 广东省电子信息产品可靠性与环境工程技术研究开发中心，广州 510610）

阐述了利用相关国军标制定喷气式飞机吊舱内设备可靠性试验剖面的方法，给出了详细的试验剖面制定的过程和案例；并对制定试验剖面的过程中遇到的问题进行了研究，对试验剖面中振动应力条件的确定提出了一些新的思路。

喷气式飞机；吊舱；可靠性试验；试验剖面

引言

随着机载吊舱设备的使用越来越多，为了保证其作战效能，应当进行可靠性试验，而应用综合环境应力的可靠性试验方法，是一种对机载吊舱内设备的可靠性进行有效的考核方式。如何根据吊舱的使用中经历的主要环境应力，如温、湿度应力、振动应力和电应力来确定合理的综合环境试验条件，是开展可靠性试验的一项关键性的工作内容。

根据GJB 899A的要求，为了尽量真实的模拟设备在使用中遇到的实际环境条件，应优先采用实测应力和估计应力。在无法得到上述应力的情况下，可参照有关标准提供的参考应力。吊舱是一种典型的机载外挂设备，目前开展实测的工作很少。因此制定吊舱内设备的综合环境试验条件主要使用GJB 899A中附录B3.6“空中发射武器和组合式外挂及其设备”提供的公式、方法。以下完整阐述了依据吊舱典型任务剖面使用GJB 899A制定吊舱内设备可靠性试验剖面的过程和方法。

1　试验剖面的构成和设计原则

吊舱属于机载外挂设备，按照GJB 899A《可靠性鉴定和验收试验》的规定，考虑到载机飞行中遇到的空中温度环境随季节和地区的不同，导致差异很大，可分为三种情况：标准气候环境、极冷环境和极热环境。因此在制定其可靠性试验剖面时，应考虑到三种气候温度条件，制定出模拟三种温度条件的温度试验剖面。挂机飞行中产生的振动环境与载机飞行速度，在载机上吊挂位置等有关。所以，此三种温度剖面的振动试验剖面均一致。吊舱可靠性试验剖面的构成和次序见表1。

整个试验剖面循环由六部分组成，模拟从冷天到标准天到热天的综合环境，再从热到标准天回到冷天的综合环境。试验剖面循环中的每个部分（无论是模拟冷天、标准天还是热天部分），均使用由温度应力、振动应力、湿度应力、电应力以及这些应力的随时间变化来模拟实际使用的环境。温度应力、振动应力、湿度应力量值根据吊舱任务剖面确定。电应力按照标准要求和吊舱工作循环确定。依据GJB 899A和相关文件规定的要求和方法，根据吊舱执行典型任务剖面的详细参数、各种任务的比例及吊舱内设备本身的特性、工作要求、使用中所处的位置等信息，制定可靠性试验剖面。

2　任务剖面示例

任务剖面是完成规定任务时间内所经历的全部重要事件和状态的一种时序描述。一种设备可用于执行单一任务，也可以用于执行多项任务，因此任务剖面也可以有多个。任务剖面主要有任务剖面特性参数图和任务剖面特性参数表。文中以执行多项任务的示例进行详细叙述制定试验剖面的方法。表2、表3为典型多任务剖面参数示例，表中的数据是为了体现计算过程虚设定的数值。

3　各任务剖面转换为环境剖面

3.1温度应力

3.1.1地面阶段的温度

该阶段模拟吊舱与载机一起在地面停留，并可能遇到三种类型的温度：即标准天、热天和冷天的温度。标准天地面温度可从GB 1920中查出，为15 ℃。假设产品在设计时选定的冒极端温度的风险率为10 %，则冷天和热天地面温度可从HB 5652.1查出，热天地面温度为45 ℃，冷天地面温度为-54 ℃。

3.1.2空中阶段的温度

该阶段的温度主要与载机所在空中飞行高度上的大气温度，飞行速度，设备的外挂位置，安装所在舱段的冷却方式（空调冷却或冲压空气冷却）和设备自身的冷却方式（环境空气冷却和辅助冷却空气冷却）等因素有关。可按照载机所在高度的大气温度及飞行速度参照公式（1）计算得到恢复温度（Tr）。

式中：T0—所在高度的大气绝对温度（K）；

M—载机飞行马赫数。

由于载机可能在标准天大气中飞行，也可能在热天大气和冷天大气中飞行，因此试验中应模拟这三种大气的温度条件。冷、热天T0可以根据所在高度取风险10 %从HB 5652.1中查出。标准天T0可以根据所在高度从GB 1920查出。

表 1 吊舱可靠性试验剖面构成和次序（一个完整循环）

表2　任务1剖面数据（任务比例占60 %）

表3　任务2剖面数据（任务比例占40 %）

根据吊舱各典型任务剖面中提供的速度、高度数据，计算出空中阶段执行单一任务时的温度，其中高度速度为变化阶段时以某任务段结束时的瞬态温度计算得到。冷天、标准天、热天试验剖面具体温度数值见表4、表5。

3.2湿度应力

标准天地面（D，L）阶段和热天地面（G，I）阶段，露点温度维持在不小于31 ℃。考虑实际情况，湿度应力仅在热天地面阶段施加。空中挂飞阶段，不注入湿气，不控制湿度，试验箱的空气不应烘干。

3.3振动应力

根据GJB 899A的试验方法，振动应力应考虑载机飞行过程中的动压，外挂的种类及其在载机上的装挂方式等。该吊舱的主要振动应力为宽带随机振动，描述宽带随机振动应力采用振动谱形和振动量值。

3.3.1随机振动谱

依据GJB 899A及该吊舱的任务剖面数据分析，选定安装在外挂上的设备的振动谱形如图1所示。

振动谱型中各参数按照GJB 150.16A的表C.5喷气式飞机外挂的振动环境进行制定，计算系数为A1=1，A2=1，B1=1，B2=2，C1=1，C2=1，D1=1，D2=4，E1=1，E2=1；

f1=20 Hz

f2/f3= W1/ W0

其中，W1=5×10-3×K×A1×B1×C1×D1× E1；

W0=H×(q/ρ)2×K×A2×B2×C2×D2×E2；

q为最大飞行动压；

计算得到最大动压为q=15.4 kN/m2；

ρ为重量密度，ρ=1 000 kg/ m3；

H为常量5.59；

得f2=101 Hz

根据外挂平均蒙皮厚度为3 mm，圆形截面半径为200 mm，计算得到两个待定拐点频率如下：

f3=2.54×105（t/R2）=191 Hz （0.040≤（t/R2）≤0.787）

f4= f3+1 000 Hz =1 191 Hz

f0=2 000 Hz

3.3.2随机振动量值计算

表4　任务1剖面恢复温度数据（任务比例占60 %）

表5　任务2剖面恢复温度数据（任务比例占40 %）

图1　随机振动谱

为确定设备的随机振动量值，首先应根据图1的谱形求出总均方根值为1时的基本功率谱密度值W0B和W1B，然后按照吊舱外挂的种类及其安装方式确定其位置因子（F位），最后依据动压和位置因子计算得到振动量值调节因子（grms总）2，并用振动量值调节因子（grms总）2乘以基本功率谱密度值，则可得到最终试验时功率谱密度值W0T和W1T。

1）设备W0B和W1B的计算方法见公式（2）：

2）求取振动量值调节因子（grms总）2的方法见公式（3）：

式中：q—动压，Pa。若q≤11970Pa，M≤0.45时，则取grms＝1.3g。

F位查GJB 899A表3.6-4得到。

3）动压值可根据任务剖面中提供的高度和马赫数根据经验公式（4）计算得到。

当0≤H≤11000米时，动压q为：

4）试验的功率谱密度值WOT和W1T的计算方法见公式（5）：

将吊舱上设备振动谱形拐点频率代入公式（2），计算得到W0B为0.02（m/s2)2/Hz，W1B为0.0106(m/s2)2/Hz。

该吊舱是组合式外挂安装方式，其振动应力计算选取位置因子为0.88，按照上述方法继续计算W0T、W1T，结果见表6、表7。

根据GJB 899A规定，为保证振动连续性，将低于0.1(m/s2)2/Hz的均加大到0.1(m/s2)2/Hz。由于任务中起飞、着落时间较短，工程上计算时以某任务段结束时的瞬态振动计算得到，因此单个任务试验剖面中的连续振动量级WOC、加权振动量级WINT、最大振动量级WMAX、最小振动量级WMIN均一致，故试验中r任务1、任务2阶段计算得到的振动应力分别为0.13(m/s2)2/Hz和0.64(m/s2)2/ Hz。

3.4电应力

电应力按照GJB 899A及相关要求施加。试验第一循环输入上限电压，第二循环输入标称电压，第三循环输入下限电压，试验期间以此连续重复循环。设备在冷天、热天地面阶段应通、断电各2次，以考核其在极端环境条件下的起动能力。

4　合成试验剖面

表6　任务1剖面振动数据（占60 %）

表7　任务2剖面振动数据（占40 %）

温度、振动应力：将两个任务合成到1个试验剖面中。试验剖面只取该阶段的温度和振动应力，详见表8。

温变率：变化阶段的温度变化率为两相邻稳定温度之差除过渡段的持续时间。起飞爬升阶段按任务剖面解算的温变率为试验剖面的温变率取最大值；下滑着陆阶段最大温变率均小于-5 ℃/min，试验时按-5 ℃/min处理。

5　绘制试验剖面图

根据该吊舱的成品技术协议规定，将低温贮存、工作温度，高温贮存、工作温度分别修改为-55℃，70℃，按“合成试验剖面”的要求，绘制可靠性试验剖面如图2所示。

6　制定试验剖面存在的问题与处理方式

1）GJB 899A中规定，不管对于什么类型的喷气式飞机和以什么速度起飞，其起飞振动量值均为0.2(m/s2)2/ Hz。为更真实的模拟产品在实际使用中的振动条件，本试验剖面中起飞阶段振动谱型与应力量值采用以任务剖面计算得到的结果。

表8　试验剖面应力（温度、振动应力）

图2　可靠性试验剖面

2）按GJB 899A提供的方法、公式计算出来的振动应力，其整舱和舱内设备的振动谱存在较大差异,舱内设备的高频段频率范围比整舱的大得多。从而造成计算得出舱内设备的功率谱密度要小于整舱的功率谱密度。尤其是整舱低频段的试验功率谱密度较大,在长时间的可靠性试验中对整舱的结构和性能影响较大。喷气式飞机整舱的挂飞振动主要是由作用在整舱外表面的气动扰流产生的宽带随机振动,整舱振动通过结构传递到舱内设备,两者的振动谱不应相差太大。为了更真实地模拟产品的使用环境，可参照MIL-STD-810G中多激励振动试验的方法进行振动实测调查，得到更为真实的、有效的试验应力条件。

7　结束语

本文较完整叙述利用国军标提供的方法、公式制定喷气式飞机吊舱内设备可靠性试验剖面过程，并结合数据计算给出了详细的案例，对试验剖面编制过程中遇到的问题进行了研究，使得可靠性试验剖面更加能真实地模拟使用环境。尽管按照相关标准实施的可靠性试验方法，与产品实际使用环境存在差异，但仍可以较为真实地模拟使用环境，暴露产品的薄弱环节，评估可靠性，降低使用、保障费用。

［1］ GJB 150A-2009，军用装备实验室环境试验方法［S］.

［2］ GJB 899A-2009，可靠性鉴定和验收试验［S］.

［3］ GB 1920-1980 ，标准大气（30公里以下部分）［S］.

［4］ GB 6999-1986，环境试验用相对湿度查算表［S］.

［5］ HB 5652.1-1981，气候极值·大气温度极值［S］.

Research on Formulation of Reliability Test Profilefor Jet Pod Devices

ZOU qi-feng1，2，3，SHEN zheng-rong1，2，3
（1. CEPREI， Guangzhou 510610；2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Electronic Information Products Reliability Technology， Guangzhou 510610；3. Guangdong Provincial Research Center of Electronic Information Products Reliability and Environment Engineering Technology， Guangzhou 510610）

This paper analyzes the methodology of the reliability test profile for jet pod devices by using relevant military standard. It gives detailed process and case of the formulation of the test profile， and points out the problems encountered with the test profile formulation. Finally， it puts forward some new ideas about the formulation of vibration conditions in a reliability test profile.

jet pod devices； reliability test； profile

TB114.3

A

1004-7204（2016）04-0024-06

邹祁峰（1989-），男，湖南衡阳人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心助理工程师，主要从事可靠性试验技术的应用研究工作。