天馈系统产品加速贮存试验与评估研究

范晔 李晨阳 陈津虎 王森

天馈系统产品加速贮存试验与评估研究

范晔1李晨阳2陈津虎1王森2

(1 北京强度环境研究所，北京，100076；2 北京航天长征飞行器研究所，北京，100076)

贮存寿命是导弹武器装备的重要指标，针对导弹武器中的天馈系统产品，本文设计开展了加速贮存退化试验，获取典型产品的性能退化数据。然后采用基于漂移布朗运动的评估方法，评估得到典型产品的激活能，确定了加速因子，并折算得到产品的等效贮存时间。并且通过贮存后地面鉴定试验，验证了产品贮存后的可用性。

天馈系统；加速贮存试验；漂移布朗运动；加速因子

0 引言

导弹武器装备中天馈系统产品发挥着越来越重要的作用，典型的天馈系统产品如高频电缆、引控天线、陆基导航收发天线等，主要用于收发和传输高频信号。导弹武器具有“长期贮存一次使用”的特点，需要在贮存期间长期保持良好状态，目前天馈系统产品的自然贮存数据积累还不够充分，虽然国内已经开展了大量加速贮存试验的工程应用[1-2]，但还未针对天馈系统产品开展加速贮存试验研究。因此，天馈系统产品的加速贮存试验与评估方法是目前待研究的一项问题。

天馈系统产品在长期贮存中发生老化的部分主要为内部的非金属材料，如高频电缆中射频插头内部和电缆内部非金属材料的老化，会引起无线信号传输的不匹配和损耗，造成设备性能下降。

为获得天馈系统产品的贮存特性，本文针对典型的天馈系统产品，具体以高频电缆、引控天线和陆基导航收发天线为对象，对这些产品设计开展步进或步退应力加速退化试验。在加速退化试验期间，定期对产品开展性能测试，可获取产品在加速应力下的性能退化数据，相比加速寿命试验可节约更多的试验时间[3]。根据加速退化试验获取的典型天馈系统产品的性能退化数据，可建立基于漂移布朗运动的加速模型[4][5]，从而评估得到产品的加速因子和等效贮存时间。最后通过地面鉴定试验，验证产品长期贮存后的可用性。

1 加速贮存试验方案与评估方法

1.1 试验方案

1）加速应力类型

天馈系统产品在贮存过程中主要受温度应力的影响而发生老化，因此选择温度作为加速贮存退化试验的应力类型。

2）应力施加方式

考虑到导弹武器产品一般贮存寿命较长、可靠性较高，试验方案中采用步进或步退应力施加方式，以更快速的激发产品的性能退化。通过权衡试验效率与试验结果外推精度，选用4个不同大小的试验应力水平进行试验。

3）加速应力水平

正式试验前，通过温度极限应力摸底试验确定各个产品的温度耐受极限，确保试验应力量级不改变产品的贮存失效机理。高频电缆与陆基导航收发天线采用步进应力试验方式，温度应力量级为80℃、100℃、115℃和135℃；引控天线采用步退应力试验方式，温度应力量级为135℃、115℃、95℃和80℃。

4）产品性能指标

试验中选择电压驻波比与插入损耗作为高频电缆的测试参数，选择电压驻波比作为引控天线与路基导航收发天线的测试参数。其中电压驻波比是天馈系统产品最主要的性能指标，电压驻波比等于1时表示高频能量全部被传输出去，电压驻波比越大则表示传输出去的高频能量损耗越大。插入损耗则表示在发射机与接收机之间，插入电缆所产生的功率损耗，是高频电缆产品的一项重要性能指标。

5）加速贮存试验实施

试验实施时，将一定数量的样品依次在各个加速应力水平下进行试验。本文的研究中高频电缆、引控天线和陆基导航收发天线各投入12个样本开展加速贮存退化试验。在试验过程中，为监测产品的性能退化情况，定期进行性能测试，以获取各产品在各加速应力量级下的性能退化数据，具体测试间隔可根据产品性能退化速率快慢情况进行调整。

6）加速退化试验评估

根据获取的产品性能退化数据，首先对产品的加速模型进行评估，根据评估得到的加速模型得到各加速应力相对正常应力的加速因子，再将加速试验数据折算到正常应力水平下，进而评估得到产品在正常应力水平下的等效贮存时间。

7）贮存后地面鉴定试验

产品贮存后的性能测试合格后，对其开展地面鉴定试验，试验项目包括低温、高温、湿度、运输、低气压等项目，以验证其贮存后的可用性。在条件允许的情况下，地面鉴定试验可进一步增加可靠性鉴定试验、飞行试验等项目，以更加充分的验证产品贮存后的可用性。

若产品通过贮存后地面鉴定试验，则可以得出产品满足相应贮存时间的结论。若产品未通过贮存后地面鉴定试验，则根据试验结果激发的失效模式与机理，采取相应的改进措施。

加贮存试验方案流程见图1。

1.2 加速模型

为了能够将加速试验数据折算到正常应力水平下，评估得到产品在正常应力水平下的等效贮存时间，需要通过加速模型建立加速应力水平与产品寿命特征之间的数学关系。在加速贮存试验中用温度作为加速应力时，一般采用阿伦尼斯（Arrhenius）模型作为加速模型。根据阿伦尼斯模型，产品的性能退化速率与激活能的指数成反比，与温度倒数的指数成反比[6]，阿伦尼斯模型的表达式为

式中，是热力学温度，单位为K；()是温度下产品的性能退化速率；是一个正常数；E是激活能，单位为eV；是波尔兹曼常数，为8.617×10-5eV/K。

进一步利用加速模型可得到加速因子的计算公式，如公式（2）所示

1.3 基于漂移布朗运动的加速退化试验评估

一般情况下产品性能参数的退化过程不会是一个光滑的曲线，其退化曲线一般粗糙的、波动的。这说明产品真实的性能退化过程是一个随机过程，而基于漂移布朗运动的评估方法适用于基于性能退化数据随机变化的可靠性评估。因此本文采用如下的漂移布朗运动模型对产品性退化过程进行拟合

式中，是时间；()是时刻的产品性能数值；0是初始时刻0的产品性能数值；是扩散系数，代表随机因素对产品性能数值的影响，由于随机因素通常不随应力和时间的变化而改变，因此扩散系数为常数，>0；()是标准布朗运动，()~(0,)，属于一种正态过程，满足路径的连续性，是关于时间的连续函数，且(0)=0，同时()既是正态增量又是独立的增量，满足(2)-(1)~(0,2(2-1))，2≥1≥0；是漂移系数，与应力水平相关，可代表产品的性能退化速率，可用式（1）的加速模型表示，即=d()，从而加速模型与产品的性能退化过程在此建立了关系。

根据漂移布朗运动的特性，可知产品在时间间隔Δ下的性能数据变化量(y-y-1)服从均值为()Δ、方差为2Δ的正态分布，因此产品性能数据变化量的概率密度函数为

假设选取个产品开展加速贮存退化试验，试验选用个不同的温度应力，采用步进或步退的应力施加方式，试验中产品每次性能测试时间间隔Δ相同。假定每个产品在各个温度应力下各进行M次性能测试（=1, 2,…,），个温度水平下共测试次，每个温度下的试验时间和总试验时间分别为MΔ和MΔ。令每次测试得到的产品性能数据为y（=1, 2,…,；=1, 2,…,；=1, 2 ,…,M）。则针对步进/步退应力加速贮存试验获取的产品性能退化数据的极大似然函数为

其对数似然函数为

根据方程（6），分别对激活能E和参数求偏导，并令其偏导数等于零，则，可得到如式（7）的方程组

通过求解式（7）中的方程组就可得到产品激活能E的极大似然估计值。得到产品激活能后，可进一步根据式（2）计算产品在加速温度应力下的加速因子，再将各个加速温度应力下的试验时间乘以相应的加速因子，就可得到产品在正常贮存温度应力下的等效贮存时间。

2 试验结果与分析

针对高频电缆、引控天线和陆基导航收发天线各12个样本开展了加速贮存退化试验。其中，高频电缆试验总时间为5100h，引控天线试验总时间为4600h，陆基导航收发天线总时间为4300h。

试验期间产品均未失效，通过对产品的定期测试，获得了产品的性能测试数据，测试数据如图2~图5所示。从图中可以看出，各参试产品的电压驻波比均出现了退化，高频电缆的插入损耗未出现退化。

漂移布朗运动的评估方法对电压驻波比的退化数据进行处理，首先计算退化数据的退化增量，即其产品性能数据的变化量，并对退化增量进行正态分布检验，检验合格后说明可采用漂移布朗运动对退化数据进行分析。将退化增量带入式（7），再对式（7）采用迭代法求解得到高频电缆、引控天线和陆基导航收发天线的激活能E。获得激活能后，根据式（2）计算产品在各加速温度应力下相对常温（25℃）下的加速因子。再根据加速因子将试验时间向正常贮存条件下进行折算，可知高频电缆已等效加速贮存至36.8年，引控天线已等效加速贮存至26.6年，陆基导航收发天线已等效加速贮存至44.9年。

完成加速退化试验后，继续抽取2个产品进行地面鉴定试验，地面鉴定试验按照例行试验项目开展，包括高低温、湿度、离心、振动、冲击、运输和低气压等项目，产品均通过了各试验项目，验证了其贮存后的可用性。

图2 高频电缆电压驻波比测试数据

图3 高频电缆插入损耗测试数据

图4 引控发天线电压驻波比测试数据

图5 陆基导航收发天线电压驻波比测试数

3 结论

总结本文对典型天馈系统产品开展的加速贮存退化试验及评估，可以得出以下结论

1）通过加速贮存退化试验和基于漂移布朗运动的评估方法，评估获得了典型天馈系统产品的加速模型与等效贮存时间，并通过贮存后地面鉴定试验考核了产品长期贮存后的可用性，形成了一套有效的加速贮存试验与评估方法。

2）依据试验获得的产品性能退化数据，发现天馈系统产品在长期贮存过程中，其电压驻波比在温度的影响下会随着时间的推移而逐渐退化。但不同产品电压驻波比的退化速率还存在着区别，所以不同产品的失效机理、退化机理与加速模型仍具有深入研究的价值。

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Research into Accelerated Storage Testing and Evaluation of Antenna Feeder System Equipment

FAN Ye1LI Chen-yang2CHEN Jin-hu1WANG Sen2

(1Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China; 2 Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076, China)

Storage life is an important index of missile. Accelerated storage degradation testing is designed and implemented for high antenna feeder system equipment on missile. Storage degradation data is achieved through testing. And activation energy, accelerated factor and storage period of high frequency equipment are computed by using assessment method based on drift Brownian movement. At last, usability of product is validated through qualification test.

antenna feeder system; accelerated storage testing; drift Brownian movement; accelerated factor

V416.5

A

1006-3919(2020)02-0036-05

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2020.02.006

2019-09-25；

2020-01-19

范晔（1988—），男，硕士，工程师，研究方向：可靠性及加速贮存试验技术研究；（100076）北京 9200 信箱 72 分箱.