水中兵器贮存寿命评价方法研究★

刘小西 ， 蔡自刚 ， 朱泽 ， 郭勍

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.电子信息产品可靠性分析与测试技术国家地方联合工程中心，广东 广州 510610；3.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 510610；4.空军驻安顺地区军事代表室，贵州 安顺 561100；5.海军装备部驻广州地区军事代表局，广东 广州 510610）

0 引言

水中兵器包括水雷、鱼雷等水下弹药装备，其是防卫我国领海安全，打击和威慑敌对舰船、潜艇等各种水中攻击目标的国之利器。水中兵器是 “长期贮存，一次使用”的武器装备，贮存期间受高温、低温、振动、潮湿和盐雾等环境因素的影响，装备会发生一系列的 “物理时效”变化，影响其贮存寿命。贮存寿命作为衡量装备质量特性的重要指标，研究其评价方法对于制定水中兵器使用和保障策略，优化其全寿命周期费用都具有重要的意义。

1 研究现状

国外的武器装备的贮存寿命评价技术主要分为健康状态监测和加速试验两类。美军注重持续地跟踪与监测产品的贮存性能，定期检查、试验以确定其是否仍然安全可靠；同时辅以加速贮存试验，获取装备的贮存性能变化规律，并通过建立的数学模型外推导弹的寿命，能够提前3～5年预报装备的寿命。俄罗斯/乌克兰的加速贮存试验理论和方法比较成熟，已形成了一整套从材料/器件到整机/全弹的加速贮存试验理论和方法，其在研制过程中重视寿命设计，采用加速贮存试验暴露薄弱环节，开展设计改进后进行试验验证，能够提前10～15年预报装备的寿命[1]。

我国贮存寿命评价的工程试验始于20世纪50年代末，通过选取典型的自然环境区域投放弹药样本开展自然贮存试验，长期观察监测弹药的质量变化情况。近年来，我国加速贮存试验技术也取得了一定的成果，在导弹的定延寿领域进行了领先应用[2-4]，在水中兵器领域目前仍通过相似产品法等方式对寿命进行评估，尚未形成贮存寿命试验方法。本文研究了基于加速贮存试验开展水中兵器贮存寿命评价的方法，加速贮存试验是为了尽快地获取某些关键件、元器件的贮存信息，在实验室模拟现场贮存中一个或几个环境因素，适当地提高应力水平等级而又不改变其失效机理，并且可提前获取贮存信息而进行试验[5-6]。目前，常用的水中兵器贮存标准和国内外加速试验标准如表1所示。

表1 相关标准

2 技术途径

水中兵器的贮存寿命评价技术途径如图1所示，主要分为以下几个步骤：1）主要失效模式及失效机理研究；2）环境应力谱和敏感环境应力研究；3）加速贮存寿命试验剖面研究；4）加速因子研究；5）加速试验实施技术研究；6）正常应力水平下产品贮存寿命评估。

3 应用案例

某鱼雷产品的贮存剖面如图2所示，其贮存环境温度为5～30℃，存放在充氮气的密封雷箱内，包装容器内的相对湿度不大于40%，并且不带燃料、电池和火工品。该鱼雷已使用一定的年限，需验证其剩余贮存寿命能否达到5年。贮存期间每X月开展一次A级维护，每Y月开展一次B级维护。该鱼雷的贮存寿命评价方法的步骤如下所述。

图1 应力试验前后某SOT-23封装焊板与塑封料分层变化 （后视图）

图2 某水中兵器贮存剖面

3.1 失效模式和失效机理分析

根据鱼雷的组成特点，将鱼雷组件划分为电子或机电组件，机械结构件，橡胶件和非金属材料，火工品及燃料电池4个部分，分别开展寿命分析。

a）电子或机电组件

电子或机电组件是鱼雷的主要组成部分，也是实现其功能性能的主要部分。对以往的贮存失效数据进行分析，根据故障率和组件的重要程度，确定一批关键的鱼雷电子或机电组件 （自导装置、引信装置、综合控制仪和线导电子组件等）来开展试验室加速贮存试验，等效加速贮存到5年后，进行寿命特征检测以验证是否符合寿命要求。

b）机械结构件

通过对历史贮存数据分析，发现：机械结构件的问题主要包括齿轮、各个舱段的连接环箍、螺钉和壳体等部件的磨损，因此，根据寿命要求将齿轮、环箍和螺钉等耗损件更换为能满足未来5年使用要求的新件；开展鱼雷壳体耐压试验、气密试验和应力强度分析，验证其强度是否能满足未来5年的使用要求。

c）橡胶件和非金属材料

密封圈和液压油、燃料和滑油等长期接触后会出现密封圈膨胀、变大，密封性能会降低；隔振圈、阻尼层和引信辐射器等长期贮存后会出现老化问题，性能会降低[7]；但这些都属于寿命件，有规定的换件周期 （如5年），因此并不会制约水中兵器的贮存寿命。橡胶件和非金属材料的换件周期的确定方法可参考GJB 92-1986《热空气老化法测定硫化橡胶贮存性能导则》。

d）火工品及燃料电池

抽取样药或样件，参考GJB 736.8-1991，在具有火工品试验资质的试验单位对其剩余寿命开展专项试验验证，并对加速贮存后的样本通过水下爆炸试验等方式来评价其贮存期满后的爆炸威力等性能指标[8]。

3.2 敏感应力分析

根据GJB 2166-1994《鱼雷贮存要求》和该鱼雷贮存剖面，鱼雷在密封充氮的包装箱内不受湿度影响，结合产品贮存期间的失效模式和失效机理分析，确定影响其贮存寿命的主要环境应力为温度，鱼雷常温贮存的温度范围为5～30℃，则取均值18℃为额定应力。为了确定开展加速试验的产品应力水平，先开展产品的摸底试验以摸清产品的高温应力极限，即从产品的工作温度范围内开始逐步地提升试验温度 （如5℃/台阶），直到产品在某温度应力台阶下出现故障或性能严重退化。通过试验发现：该鱼雷的高温工作极限应力为95℃。因此，应留出一定的应力余量，确定85℃为加速应力水平，以确保产品在加速应力水平下的失效机理与常温应力水平下的一致。

3.3 加速模型及加速因子确定

根据GB 2689.1-81、IEC 62506-2013和JESD 94A-2008等加速试验标准，当选用温度作为加速应力时，通常采用阿伦尼斯模型作为高温加速贮存寿命模型，阿伦尼斯模型加速因子AF为[9]：

式（1）中：Ea——激活能，单位为eV；

k——波尔兹曼常数（8.617×10–5eV/K）；

T——反应温度，单位为K。

阿伦尼斯模型适用于许多失效机理，但是，对于每个机理通常需采用不同的激活能。通常，产品的激活能通过开展加速试验来确定，即选取3个以上的温度应力水平分别开展贮存试验，获取产品的寿命时间，带入公式 （1）得到激活能。由于水中兵器寿命指标过长，试验样本少，样本成本高，开展加速试验确定水中兵器激活能的方法并不可行。因此，本文提出了基于鱼雷组成的层次关系和元器件清单来计算全弹加速因子的方法，加速因子确定流程如图3所示。通过搜集鱼雷所有的元器件清单，根据GJB/Z 108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》，基于应力分析的方法确定各元器件在额定应力下的失效率。

图2 关键组件贮存加速因子的确定流程

同时，根据所搜集到的各种元器件激活能Ea，利用阿伦尼斯模型和基于应力分析的方法评估出各种元器件加速应力相对于额定应力的加速因子，从而得到加速应力水平下各种元器件的失效率。通过全雷可靠性模型，可以计算得到额定应力下和加速应力下全雷的失效率数据，从而得到全雷的加速因子约为30。

3.4 试验实施方案

贮存寿命评价要求为5年，根据加速因子为30可得，加速贮存试验的时间为：5年*365 d/年/30≈61 d。试验期间，每X′个月 （等效加速贮存X个月）开展一次A级维护，每Y′个月 （等效加速贮存Y个月）开展一次B级维护。抽取两套鱼雷开展加速贮存试验，试验后检测合格，说明鱼雷能满足继续贮存5年的寿命要求。

4 结束语

本文研究了水中兵器武器装备的贮存寿命评价方法，包括水中兵器贮存及试验标准、失效分析方法、环境应力谱、敏感环境应力分析方法、加速贮存寿命剖面制定方法、加速因子计算方法和加速试验实施技术等[9-10]。同时，通过工程案例分析，具体地介绍了鱼雷产品的贮存寿命评价过程。

本文提出的水中兵器贮存寿命评价方法，工程实践性好，通过将水中兵器的部组件划分为电子或机电组件，机械结构件，橡胶件和非金属材料，火工品及燃料电池4个部分，根据其不同的寿命特征分别提出了贮存寿命评价方法，使评价结果更加符合工程实际且降低了寿命评价成本。同时，基于加速试验技术的贮存寿命评价方法在很大程度上节约了试验时间和研制经费；此外，针对水中兵器试验样本少、成本高的问题，创新性地提出了基于元器件信息计算全产品加速因子的方法。通过水中兵器领域寿命评价项目的实践证明，该贮存寿命评价方法体系准确度高，工程实践效果优良。