装甲火控可靠性建模

郝玉生，梁宝生，武云鹏，张永昌

（北方自动控制技术研究所，太原030006）

装甲火控可靠性建模

郝玉生，梁宝生，武云鹏，张永昌

（北方自动控制技术研究所，太原030006）

装甲武器是陆军及其两栖机械化部队实施地面突击的主要兵器，也是海军陆战部队实施抢滩登陆、岛屿攻防的主要兵器。装甲火控是装甲武器的重要组成部分，其可靠性直接影响装甲武器的打击效能。两栖装甲武器肩负海上、陆上的作战使命，使用环境更加恶劣，可靠性问题更加突出。描述了装甲火控的一般组成、功能及工作方式，基于两栖装甲武器的使用特点，分析了装甲火控基本任务、工作方式和作战环境的关系，建立了不同任务剖面的可靠性模型，为装甲火控可靠性设计、分析提供了一种参考。

装甲火控，基本可靠性，任务可靠性，可靠性模型，任务剖面

1　可靠性建模的目的

可靠性模型是对系统及其组成单元之间的可靠性逻辑关系的描述，是开展可靠性设计、分析的基础。可靠性建模是可靠性工作的重要内容之一。可靠性建模的主要目的是明确各组成单元之间的可靠性逻辑关系，并确定其数学模型，利用可靠性模型进行可靠性定量分配和预计，发现设计中的薄弱环节，为改进设计提供决策依据。

2　系统组成、功能及工作方式

装甲火控按功能单元划分一般组成如下页图1所示。

火炮控制分系统由炮控装置、陀螺仪组、放大器、执行装置、传动装置、角度传感器、操纵台等设备组成。各设备功能如下：炮控装置是火炮控制分系统的控制核心，主要完成火炮、炮塔稳定与位置伺服控制，完成火炮控制分系统安全使用逻辑控制；陀螺仪组测量火炮、炮塔相对惯性坐标系的运动参数（通常为角度或角速度），为火炮、炮塔稳定控制提供依据；放大器根据炮控装置输出的控制信号，控制大功率执行装置按规定运行，常见控制方式为电子式、电磁式和电液式3种；执行装置通常为电动机或液压缸，通过传动装置（必要时）驱动火炮、炮塔运行；传动装置通常为机械减速机构，用于向火炮、炮塔传递转矩；角度传感器测量火炮、炮塔在车体坐标系下的转角，为火炮与炮塔位置伺服控制提供依据；操纵台是火控系统主要的人机界面，主要完成火炮、炮塔以及瞄准线的运行操控。

图1　装甲火控一般组成

观瞄测导及控制分系统由稳瞄控制装置、瞄准装置、激光测距机、制导装置等设备组成，其中：瞄准装置通常由上反射镜总成、白光瞄准镜、热像瞄准镜3个功能单元组成，激光测距机由电源及控制组件、激光器及放大器2个功能单元组成，制导装置由制导组件、激光信息场组件2个功能单元组成。各设备功能如下：稳瞄控制装置是观瞄测导及控制分系统的控制核心，主要完成瞄准线（上反射镜）稳定与位置伺服控制，完成观瞄测导及控制分系统、火控系统安全使用逻辑控制；瞄准装置是火控系统主要的人机界面，用于观察、跟踪、瞄准目标，其中白光瞄准镜在昼间使用，热像瞄准镜在昼间和夜间均可使用；激光测距机用于测量目标距离，为火控计算机进行火控解算提供自动输入的初始参数；制导装置通过和瞄准线同轴的激光信息场控制炮射导弹飞抵目标。

火控解算分系统一般由火控计算机、显控终端、横倾传感器、气象传感器等设备组成。各设备功能如下：火控计算机是火控解算分系统的控制核心，完成火控解算、射击门控制及射击诸元录取等任务；显控终端是火控系统主要的人机界面，用于设定系统工作方式，为火控解算提供弹种、装药温度、初速减退量、海拔高度、大气温度、目标距离等人工装定的初始参数，同时显示系统工作方式、弹种、目标距离、目标角速度、火炮射角等信息；横倾传感器测量火炮的横倾角度（耳轴和水平面的夹角），气象传感器测量大气温度、大气压力及横风速度，为火控解算提供自动输入的初始参数。

火控系统主要有两种工作方式：稳像工作方式和装表工作方式。稳像工作方式是火控系统的主工作方式，用于车辆静止或行进间对静止或运动目标射击。装表工作方式用于车辆静止或短停对静止或运动目标射击。

3　基本定义

3.1故障判据

火控系统不能完成规定功能的状态视为故障。当按规定操作程序启动或使用火控系统时出现下列现象即可判为故障：

①不能按技术要求启动系统；

②显控终端不能显示或显示数据异常；

③显控终端不能输入数据或设定状态；

④白光瞄准镜或热像瞄准镜不能观察目标或观察目标不清晰；

⑤火炮或瞄准线不受控制或控制不到位；

⑥瞄准线和火炮不同步；

⑦不能转换系统工作方式或转换系统工作方式后出现异常；

⑧激光测距机测不到目标距离；⑨制导装置工作异常；

⑩火控计算机解算异常；

⑪稳像或装表工作方式下不能加载射角或加载射角出现异常；

⑫火炮不能击发或击发不符合规定。

3.2环境条件及工作应力

①海上或沿海地区盐雾、湿热气候条件；

②两栖装甲车辆海上或陆上的振动条件；

③坦克炮射击冲击条件；

④装甲车辆电气条件。

3.3可靠性变量选择

假定设备寿命服从指数分布，并且故障率恒定，则设备任务可靠度可由式（1）表示：

式（1）中：A为设备代号；X为环境条件类别；RA-X为设备A在环境X下的可靠度；λA-X为设备A在环境X下的故障率；t为任务时间，一般按8 h计算。

4　可靠性框图

4.1基本可靠性框图

基本可靠性是系统在规定条件下和规定时间内无故障工作的能力，反映系统对维修资源的要求。火控系统基本可靠性框图如图2所示。

图2　火控系统基本可靠性框图

4.2任务可靠性框图

4.2.1任务、工作方式和振动应力的关系

火控系统的任务是按照规定的技术条件发射弹药。火控系统工作方式的选择主要取决于车辆振动应力、目标状态，如表1所示。

表1　任务、工作方式和振动应力的关系

车辆在海上航行时，振动主要来自浪涌，特点是频率低、幅度大，车辆本身的振动经海水吸收后影响较小；车辆在陆上静止时，振动主要来自发动机运转，特点是频率较高、幅度较小；车辆在陆上行驶时，振动是发动机运转、路面起伏、履带拍打路面等因素综合作用的结果，特点是频带宽、幅度大、共振点多。振动及其他环境的差别导致系统设备或功能单元在完成不同专项任务时有不同的故障率或可靠度。因此，对同一产品而言执行不同专项任务的可靠性一般是不同的。

为比较不同产品的任务可靠性，必须对产品所有专项任务进行综合考虑，由此引出所谓“通用任务可靠度”概念，与此对应的是“专项任务可靠度”概念。

系统设备或功能单元任务可靠度如下页表2所示。

4.2.2任务失败定义

由于系统发生故障，导致弹药未能发射；或系统未按规定的技术条件发射弹药，系统任务即告失败。

4.2.3任务可靠性框图

任务可靠性是产品在规定任务剖面内完成规定功能的能力。火控系统各专项任务可靠性框图如下。

（1）海上发射导弹

系统应处于稳像方式，需要全部功能单元参与任务，任务可靠性框图如图3所示。

图3　海上发射导弹任务可靠性框图

白光瞄准镜（J3）和热像瞄准镜（J4）为非工作贮备关系。通常应首先使用白光瞄准镜，当白光瞄准镜发生故障或因其他原因不能使用时，转换为热像瞄准镜。

（2）海上发射常规弹

系统处于稳像方式，制导装置（J6）不参与任务，其他功能单元均需参与任务，任务可靠性框图如下页图4所示。

表2　系统设备或功能单元可靠度

图4　海上发射常规弹任务可靠性框图

（3）陆上静止间发射导弹

系统处于稳像方式，需要全部功能单元参与任务，任务可靠性框图如图5所示。

图5　陆上静止间发射导弹任务可靠性框图

（4）陆上静止间发射常规弹射击运动目标

系统工作方式设置为稳像或装表均可，制导装置（J6）不参与任务，可靠性框图如图6所示。

（5）陆上静止间发射常规弹射击静止目标

此专项任务必需的功能单元最少，这时系统工作方式设置为装表，可靠性框图如图7所示。

图6　陆上静止间发射常规弹射击运动目标任务可靠性框图

图7　陆上静止间发射常规弹射击静止目标任务可靠性框图

（6）陆上行进间发射导弹

系统处于稳像方式，需要全部功能单元参与任务，任务可靠性框图如下页图8所示。

（7）陆上行进间发射常规弹

系统处于稳像方式，任务可靠性框图如图9所示。

图8　陆上行进间发射导弹任务可靠性框图

图9　陆上行进间发射常规弹任务可靠性框图

5　可靠性数学模型

5.1基本可靠性数学模型

式（2）中：P0为系统基本可靠度，RA为设备A的通用任务可靠度。

5.2任务可靠性数学模型

5.2.1专项任务可靠度

白光瞄准镜（J3）和热像瞄准镜（J4）组成非工作贮备单元。假定两者转换的可靠度为1，则该贮备单元的可靠度为：

根据任务可靠性框图，火控系统专项任务可靠度如式（4）～式（10）。

（1）海上发射导弹的可靠度P1

（2）海上发射常规弹的可靠度P2

（3）陆上静止间发射导弹的可靠度P3

（4）陆上静止间发射常规弹射击运动目标的可靠度P4

（5）陆上静止间发射常规弹射击静止目标的可靠度P5

（6）陆上行进间发射导弹的可靠度P6

（7）陆上行进间发射常规弹的可靠度P7

5.2.2通用任务可靠度

在式（4）～式（10）中，将专项任务可靠度替换为通用任务可靠度，并进行归纳综合，即可得到火控系统通用任务可靠度，如式（11）～式（13）。

（1）发射导弹的可靠度PD

（2）静对静发射常规弹的可靠度PC1

（3）静对动、动对静、动对动发射常规弹的可靠度PC2

6　结论

装甲火控可靠性建模是一个逐步完善的过程，随着对系统认识的不断加深以及可靠性数据与信息的不断丰富，可靠性模型也应不断改进。另一方面，装甲火控同所有武器系统一样，也存在“多代并存”的现象，应在深入理解其任务特点、组成结构、工作方式及内在逻辑关系的基础上，构建针对性的可靠性模型并持续改进，为进一步的可靠性设计、分析建立基础。

［1］孙伟，高连华.装甲车辆可靠性理论与应用［M］.北京：兵器工业出版社，2006.

［2］李良巧.可靠性工程师手册［M］.北京：中国人民大学出版社，2012.

［3］聂磊，冯金富，李永利，等.基于贝叶斯网络的武器装备可靠性分析［J］.火力与指挥控制，2014，39（12）：104-107.

［4］赵立武，吴家琼.采用SHLPN分析特种车载总线网络可靠性［J］.火力与指挥控制，2016，41（2）：180-183.

The Armored Vehicle FireControlSystem Reliability M odeling

HAOYu-sheng，LIANGBao-sheng，WUYun-peng，ZHANGYong-chang
（North Automatic Control Technology Institute，Taiyuan 030006，China）

Mechannized armored vehicles army weapon system and its amphibious force key groud assaultweapons，and Marine forces key onboard，islands of offensive and defensive weapon.Fire control system is an important part of armored vehicle weapons system，its reliabilitiy directly affect armored vehicle combat efficiency of weapon system.Amphibious armored vehicle combat mission of weapon system on sea and land，using the environment worse，reliability problems become more prominent. Describes the armored vehicle fire control system，the general composition，function and workingmode，based on the operating characteristics of amphibious armored vehicles，the basic task of the armored vehicle fire control system are analyzed，the relationship between work and operational environment，set up different task profile，the reliability of themodel for the reliabilitiy design of the armored vehicle fire control system，analysis provides a reference.

armored vehicle fire control system，basic reliability，task reliability，reliability block diagram，mission profile

TJ811

A

1002-0640（2016）09-0177-05

2015-07-05

2015-08-07

郝玉生（1962-），男，山西昔阳人，研究员级高级工程师。研究方向：坦克装甲车辆火控系统总体技术。