无人机载光电任务载荷可靠性试验方案设计

常海 田薇 陈卓 赵倩 李旭

摘  要：基于无人机载光电任务载荷的可靠性分析与FMECA分析都可以对无人机载光电任务载荷的可靠性水平进行分析。但是这两者注重的是某些影响参数所带来的影响，因此可能会忽略部分因素。同时，在采用这两种方法的过程之中，也没有注重各个因素之间的联系。这就使得这两种分析方法的结果不够准确。为了能够解决这种情况，提高分析的可靠性。在文中涉及了無人机载光电任务载荷可靠性试验方案，为可靠性试验的开展提供借鉴，进一步地提高分析结果的可靠性。

关键词：光电任务荷载;可靠性试验;无人机载

中图分类号：V279     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）13-0054-03

Design of Load Reliability Test Scheme for Unmanned Aerial Optoelectronic Mission

CHANG Hai，TIAN Wei，CHEN Zhuo，ZHAO Qian，LI Xu

（Xi’an Institute of Applied Optics，Xi’an  710065，China）

Abstract：Both reliability analysis and FMECA analysis based on UAV-borne photoelectric mission load can analyze the reliability level of UAV-borne photoelectric mission load. However，both of them focus on the impact on some influencing parameters，so some factors may be neglected. At the same time，in the process of adopting these two methods，the relationship between various factors is not emphasized. This makes the results of these two analyses inaccurate. In order to solve this situation and improve the reliability of analysis. In this paper，the reliability test scheme of UAV on-board photoelectric mission load is involved，which provides a reference for the development of reliability test and further improves the reliability of the analysis results.

Keywords：photoelectric mission load;reliability test;unmanned aerial vehicle

1  无人机载光电任务载荷可靠性试验的必要性分析

基于无人机载光电任务载荷的可靠性分析与FMECA分析虽然能够在理论上对无人机载光电任务载荷的可靠性水平做出较全面的评估，但是为了着重分析某些影响参数对光电任务载荷可靠性的影响，通常会忽略其他次要因素，从而简化模型;另外在可靠性分析中也未考虑影响参数之间的耦合情况，忽略了因素之间可能的关联性，需要对无人机载光电任务载荷进行真实环境下的实物可靠性试验。

另一方面，由类似光电任务载荷的外场试验结果分析，造成光电任务载荷失效的原因还有很多。因此，为了保证无人机载光电任务载荷的可靠性，除了要深入研究光电任务载荷载在理想工作环境中的可靠性之外，还需要对无人机载光电任务载荷载在真实环境下进行实物可靠性试验，暴露光电任务载荷的设计薄弱环节，获得光电任务载荷的关键失效模式，并根据试验数据评估其可靠性指标并提出相应的改进措施，以实现无人机载光电任务载荷可靠性增长，保证无人机系统的可靠性。

2  无人机载光电任务载荷可靠性试验设计思路

无人机光电任务载荷在进行任务工作期间，很大程度上都会承受周围环境应力对其的影响，基础的可靠性试验由于试验周期长，费时费工。若要在较短时间内评定出光电载荷的可靠性，可以采用加速寿命试验。加速寿命试验，又分为：

（1）恒定应力加速寿命试验，其试验方法稳定、试验精度较高、但试验周期长;

（2）序进应力加速寿命试验，其试验周期短、但试验方法不稳定，并且对试验设备的配置要求较高;

（3）步进应力加速寿命试验，步进应力加速寿命试验与序进应力加速寿命试验相比较，其试验方法较稳定，试验设备配置要求简单;与恒定应力加速寿命试验相比较，其试验周期相对较短，且试验产品失效率得到了提高，所以步进应力加速寿命试验成为了近几年国内外相关领域新的发展方向。

为了提高无人机载光电任务载荷的可靠性试验精度，将可靠性试验周期有效缩短，很多学者着重于研究优化步进应力加速寿命试验方案，但结果都不理想。

所以，结合三种加速寿命试验之间的优劣性，在现有的基础可靠性试验的基础上，以步进应力加速寿命试验技术的研究为着重点，设计合理的步进应力试验剖面，提高试验稳定性的试验效果，达到缩短试验周期的目的，使产品在正常应力水平时中位寿命估计值的精度提高。

3  无人机载光电任务载荷步进应力加速寿命试验方法

3.1  无人机载光电任务载荷的可靠性统计模型

温度应力是影响无人机载光电任务载荷在进行任务工作期间的可靠性的最主要环境因素。在温度应力的影响下，无人机载光电任务载荷的寿命t服从二参数的Weibull分布，其概率密度函数为：

3.2  步进应力加速寿命试验的基本原理

设定试验加速应力是用温度转化应力参数x来表示，那么在步进应力加速寿命试验中，当试验应力参数为xq（除q=1外）时，要想获得在应力参数xq下完整的试验寿命数据，可以采用时间折算的方法，因为要考虑到应力参数xq以前所有应力参数的累积试验时间，这样可以将试验产品在前q-1个应力参数下所受到的试验对产品寿命的影响进行补偿。

3.3  无人记载光电任务载荷的步进应力加速寿命试验优化设计准则

现根据无人机载光电任务载荷的可靠性统计模型，假设以下情况，便于对整体步进应力加速寿命试验方案优化：

（1）整体步进应力加速寿命试验均有一个总截尾时间τS=τ1+τ2+…+τK，试验期间除非试验产品失效而中止试验，否则试验持续进行，直至试验结束或者试验产品全部失效。

（2）试验的温度从应力参数为xi时到应力参数为xi+1时的转化过程中（转化周期为τi），将失效的试验产品从试验中取出，并对未失效的产品继续试验。

（3）试验开始前，需要设定试验温度应力参数的正常参数x0以及最高参数xK（最高试验温度应力参数的设计要保证试验产品的失效机理不变）。

3.4  步进加速寿命试验参数的确定

3.4.1  正常试验温度参数的确定

根据GJB150A的规定，无人机载光电任务载荷的工作温度为-55℃～65℃，考虑到试验室是封闭的空间，且恒温恒湿，并参考相关光电任务载荷的环境试验数据，现取环境温度为θ0=20℃。

3.4.2  最高温度参数的确定

试验最高温度参数的选择，首先要保证不能对试验产品进行破坏性试验，在这个前提下，试验温度参数应选择可取温度参数范围内的最大值，根据无人机载光电任务载荷的工作环境，拟定本次试验的最高温度为-60℃及70℃。

3.4.3  总截尾时间的上限τs的确定

本次加速寿命试验选择步进应力加速寿命试验，其试验优点就在于总截尾时间较恒定应力加速寿命试验短。由于相关机载光电任务载荷的恒定应力加速寿命试验的总截尾上限 =600h，因此，考虑到试验的加速性并结合试验费用预算，确定本次试验总截尾时间上限τs=240h。

3.4.4  步进应力参数的确定

本次步进加速寿命试验分为高温应力阶段和低温应力阶段。考虑到试验结束后的试验箱内的环境温度，试验从低温应力阶段开始，根据试验箱初始温度参数，设定初始温度参数（即正常试验温度参数）为20℃，根据GJB150A的规定，选取降温速率为2℃/min，如此步进进行低温阶段及高温阶段的步进应力试验。每一阶段温度稳定后保温30分钟，并对试验产品进行功能测试，直至试验产品出现故障，以判断是否到达产品的低温操作界限或破坏界限。

4  无人机载光电任务载步进应力加速寿命试验流程

4.1  试验设备

本文可靠性试验设备选用美国环测三综合试验箱，其具备多通道的数据监控和测试系统，并具备了高低温、湿热综合环境应力，可以进行综合环境下的无人机载光电任务载荷的可靠性试验。其试验箱尺寸：3000mm×2300mm×2500mm（长×宽×高），工作室容积：3m3，温度范围：-70℃～+100℃。

4.2  试验流程

根据试验方案要求，制定试验流程如下：

（1）低温阶段试验：设定初始温度参数为20℃，然后进行低温步进应力阶段的试验，每个温度参数转换期间，以2℃/min降温速率降低温度10℃，待温度稳定后，在该温度阶段保温30分钟，并对试验产品进行功能测试，如果一切正常，则再进行下一温度参数阶段的试验，待温度稳定后保温30分钟，并再一次对试验产品进行功能测试，直至试验产品出现故障，以判断是否到达产品的低温操作界限或破坏界限。

（2）高温阶段试验：设定初始温度参数为20℃，然后进行高温步进应力阶段的试验，每个温度参数转换期间，以2℃/min升温速率升高温度10℃，待温度稳定后，在该温度阶段保温30分钟，并对试验产品进行功能测试，如果一切正常，则在进行下一温度参数阶段的試验，待温度稳定后保温30分钟，并再一次对试验产品进行功能测试，重复操作直至试验产品出现故障，以判断是否到达产品的高温操作界限或破坏界限。

试验期间，发生故障时，试验室值班人员应按要求填写相关试验报告。

4.3  检测参数设置

在试验过程，根据失效模式的分析，以下参量被选为需要检查和测量：

（1）检查无人机载光电任务载荷机械运动是否有卡滞情况。

（2）检测无人机载光电任务载荷各光学传感器是否出现故障。

（3）检测长周期后，无人机载光电任务载荷零部件的磨损情况。

5  结  论

本章主要对无人机载光电任务载荷的实物可靠性试验进行了必要性论证和试验方案的设计。首先，通过分析了无人机载光电任务载荷真实工作环境的严酷性和其前期相关产品的外场试验结果，论证了无人机载光电任务载荷开展真实环境条件下实物可靠性试验的必要性。其次，从无人机载光电任务载荷所受的环境应力考虑，结合现有环境试验条件，设计了一套步进应力加速寿命试验方案，除了按照试验技术文件和国军标等对试验过程中的检测指标进行设置外，本文较多地针对步进应力加速寿命试验的检测指标进行推算，从检测指标的设置，到检测周期的安排，对无人机光电任务载荷进行了实时检测，很好地弥补了可靠性试验的不足。

参考文献：

[1] 章百宝，张春华.栓系无人机光电侦察任务载荷控制系统 [J].兵工自动化，2017，36（12）：39-42.

[2] 王帅.复杂光电载荷多总线测试方法研究 [D].上海：中国科学院研究生院（上海技术物理研究所），2016.

作者简介：常海（1986-），男，汉族，陕西西安人，工程师，本科，研究方向：可靠性工程。