声呐浮标搜潜系统“六性”初步设计

张丽品 罗博

（第七一五研究所，杭州，310023）

声呐浮标搜潜系统是反潜巡逻飞机的核心搜潜装备，主要用于：对敌潜艇进行探测、定位、跟踪和识别；对海洋环境噪声和海水温度深度进行测量和处理；对主动声呐等设备发射的声脉冲信号进行水声侦察，对U/V波段通信信号和雷达信号进行电子侦察。

声呐浮标搜潜系统是由多个设备组成的复杂系统，为保证系统满足“六性”的指标要求，降低装备研制的质量风险，需在方案阶段将“六性”指标要求落实到系统各组成设备的设计中[1-2]。本文以声呐浮标搜潜系统成品协议书为基础，结合“六性”工程理论方法，对系统开展“六性”初步设计，实现装备功能、性能与“六性”的同步设计，从而提高装备的完好性和任务成功性。

1 系统组成

声呐浮标搜潜系统由声呐浮标处理系统和声呐浮标组成，系统组成框图如图1所示。声呐浮标处理系统包括声呐信号处理机、声呐显控处理机、显示器、通用键盘、摸球、浮标接收解调模块、浮标遥控模块和声呐浮标参考分系统；声呐浮标为一次性投放使用产品，没有平均故障时间要求，不需要开展可靠性分配、可靠性建模与预计；无需维修，不开展维修性设计；在贮存期内无需测试，不开展测试性分配、测试性预计和嵌入式诊断设计。

2 可靠性设计

2.1 可靠性分配

可靠性分配方法包括等值分配法、评分分配法、比例组合法等。综合考虑声呐浮标处理系统的使用环境、各功能模块复杂程度和技术发展水平等因素，在方案阶段宜采用评分分配法对系统进行可靠性分配[3]。

图1 声呐浮标搜潜系统组成框图

2.2 基本可靠性建模与预计

声呐浮标处理系统的基本可靠性模型为串联模型，如图2所示。可靠性预计方法包括相似产品法、元器件计数法和元器件应力分析法，在方案阶段没有具体的元器件选用信息的情况下，宜采用相似产品法对各个外场可更换单元/模块（Line Replaceable Unit/Line Replaceable Module，LRU/LRM）的平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure,MTBF）进行可靠性初步预计。根据各个LRU/LRM的可靠性预计值和声呐浮标处理系统的基本可靠性模型，通过式（1）计算可得系统MTBF的预计值。

图2 声呐浮标处理系统基本可靠性模型

式中，L为系统中包含 LRU/LRM 的种类数目，ni为第i个 LRU/LRM 的数量，MTBFi为第i个LRU/LRM的MTBF的预计值。

2.3 故障模式、影响及危害性分析

故障模式、影响及危害性分析（Failure Mode Effects and Criticality Analysis，FMECA）包括功能FMECA、硬件FMECA和过程FMECA等。在不同的研制阶段，应与产品的设计同步进行不同程度、不同层次的 FMECA，并贯彻“谁设计，谁分析”的原则。

在方案阶段开展声呐浮标搜潜系统的功能FMECA，初始约定层次为搜潜系统，最低约定层次为 LRU/LRM。经分析，声呐浮标处理系统的故障模式共123个，声呐浮标的故障模式共34个。针对FMECA发现的薄弱环节，采取了提高元器件质量等级、降额设计、冗余设计、加强环境应力筛选等措施。

2.4 可靠性设计措施

声呐浮标搜潜系统研制过程遵循主机所下发的可靠性设计准则，采取了简化设计、冗余设计、降额设计、容差设计、防瞬态过应力设计、软件可靠性设计等措施。例如，声呐信号处理机热设计包括导热材料选取、导热板设计和导热板与导轨热接触设计等。

3 维修性设计

3.1 维修性分配

维修性分配方法包括等值分配法、按故障率分配法、综合加权分配法、相似产品分配法等。方案阶段的维修性分配为初步分配值，在有相似产品维修性数据的情况下，宜选取相似产品分配法对声呐浮标处理系统进行维修性分配[4]。

3.2 维修性预计

维修性预计方法包括概率模型法、功能层次法、时间累计法、抽样评分法等，考虑到工程应用的简易性和实用性，在方案阶段宜采用早期时间累计法进行声呐浮标处理系统的维修性预计，维修性预计模型如图3所示。

图3 维修性预计模型

对声呐浮标处理系统的修复时间元素进行分析，收集基本维修作业平均时间，根据下式计算可得系统平均修复时间（Mean Time To Repair，MTTR）的预计值。

式中，L为系统中包含LRU/LRM的种类数目，Qi为第i个LRU/LRM的数量，λi为第i个LRU/LRM的故障率，为修复系统第i个LRU/LRM单元所需时间。

3.3 维修性设计措施

声呐浮标搜潜系统研制过程遵循主机所下发的维修性设计准则，采取了可达性设计、可操作性设计、系统测试设计、标准化设计、模块化设计、防差错设计等措施。

4 测试性设计

4.1 测试性分配

测试性分配方法包括等值分配法、按故障率分配法、综合加权分配法等。综合考虑声呐浮标处理系统的组成、各组成单元的故障率及机内测试（Built-In Test，BIT）的可行性，故障检测率（Fault Detection Rate，FDR）、故障隔离率（Fault Isolation Rate，FIR）宜采用综合加权分配法；而虚警率（False Alarm Rate，FAR）指标的分配涉及不确定因素较多，宜采用等值分配法进行初步分配[5]。

4.2 测试性建模与预计

在方案阶段，与研制工作同步进行声呐浮标处理系统的测试性建模工作。通过 TesLab Designer软件建立系统的多信号流图模型，基于该模型进行测试性设计分析，可以找出产品测试性设计的薄弱环节，并评估产品的故障检测率和故障隔离率，为测试性设计优化提供依据。

首先，系统各组成单元根据测试性指标分配结果进行测试性初步设计；然后结合LRU/LRM级的FMECA数据，建立初步的测试性模型，得到系统故障检测率和故障隔离率的预计值；最后在系统/子系统级进行测试资源和信息的统一规划权衡。

4.3 测试性设计措施

声呐浮标处理系统采取的测试性设计措施包括嵌入式诊断设计、外部测试设计和防虚警设计。

4.3.1 嵌入式诊断设计

嵌入式诊断设计包括加电BIT、周期BIT和维护BIT。加电BIT在系统接通电源后自动启动，声呐显控处理机、声呐信号处理机等电路模块按规定的测试内容进行自检，检测结束后由声呐显控处理机接收各个电路模块的检测结果并进行故障综合诊断，最终形成故障代码送至系统显示器显示。周期BIT是在系统正常工作过程中，由声呐显控处理机、声呐信号处理机等电路模块按约定时长进行周期性自检，检测结果同样汇总至声呐显控处理机进行故障综合诊断。维护 BIT是对加电 BIT和周期BIT测试内容的补充，在系统工作结束后由维修保障人员通过按钮或菜单命令启动、检查和确认飞行中出现的故障情况，并进一步隔离故障。

以声呐信号处理机为例，其BIT检测项目包括阵列信号处理模块的CPU心跳测试和DSP心跳测试，接口模块的DDR读写测试、FLASH读写测试和电以太网通信测试，主控模块的电以太网和光纤以太网的通信测试等。

4.3.2 外部测试设计

外部测试设计是针对BIT无法检测或隔离而需外加测试条件方可检测或隔离的故障模式。各被测单元(Unit Under Test，UUT）设计有检测接口，利用检测仪表或型号同步研制的检测设备可快速定位故障，有效缩短排故时间。

4.3.3 防虚警设计

虚警是指当BIT或其它监控电路指示被测项目有故障，而实际上该项目不存在故障的状态。针对进行BIT设计的设备中易引起虚警的故障模式，采取延时、滤波/表决、多次测试等防虚警设计方法。

5 安全性设计

5.1 初步危险分析

在方案阶段进行声呐浮标搜潜系统的初步危险分析可知，声呐浮标在运输和使用过程中可能存在以下两种危险故障状态：

（1）声呐浮标锂电池组在电路异常情况下发生爆喷、起火

声呐浮标的上、下电子舱中均有锂电池组，共同完成浮标的参数设置、充气、释放、射频信号发射等操作。当锂电池组被挤压、击穿或者出现内部短路时，可能发生爆喷、起火，对周围人员或设备造成较严重的危害。

（2）声呐浮标电子舱壳体内部压强过大

为了保证声呐浮标在水面、水下等湿度较大的环境中能够正常工作，对其电子舱壳体进行了密封设计。当壳体中的锂电池组发生爆喷时，会导致壳体内部压强过大，可能对周围人员或设备的安全造成损害。

5.2 安全性设计措施

通过初步危险分析，确定系统的危险故障状态作为产品安全性设计要求和目标。声呐浮标搜潜系统的安全性设计措施主要包括：（1）电源、功放等具有过压、过流保护功能，提高设备的用电安全性；（2）声呐浮标电池组具有充电保护、短路保护、过流保护、高温保护、强制放电保护功能，防止电池在电路异常情况下发生爆喷、起火；（3）声呐浮标电子舱壳体配备有泄压阀或通气机构，当电池组内部压力超过220 kPa时，会自动泄放气体；（4）声呐浮标电子舱壳体设计有压力开关，浮标入水后压力开关导通，完成浮标上电，提高浮标入水前的使用安全性。

6 保障性设计

6.1 保障性初步分析

声呐浮标搜潜系统的修理级别与反潜巡逻飞机一致，分为基层级和基地级。基层级维修的主要工作内容包括：提供飞行探潜任务所需的常规保障；常见故障排除、LRU/LRM 更换、零部件的简单修复及腐蚀防护等。基地级维修在载机大修厂或研制单位开展，主要包括：声呐浮标处理系统的定检；内场可更换单元（Shop Replaceable Unit，SRU）的更换、零部件修理；为基层级维修提供必要的技术支持。

声呐浮标搜潜系统由电子设备组成，无预防性维修项目。声呐浮标搜潜系统的修复性维修项目可根据故障模式、影响及危害性分析结果进行确定，形成修复性维修工作汇总表，包括LRU/LRM名称、故障模式、检测工作、维修工作、维修频率和保障设备等项。

6.2 保障资源规划

声呐浮标搜潜系统的保障资源规划内容主要包括场站设备设施、保障设备、随机工具、备件、人力与人员、用户技术资料、培训与培训教材、包装、装卸、贮存和运输保障。以保障设备为例，系统需同步研制声呐浮标信号模拟器、浮标参数遥控设置设备和水下目标声磁信息分析系统等三种保障设备。

7 环境适应性设计

7.1 环境要求分析

声呐浮标处理系统和未投放的声呐浮标安装于反潜巡逻飞机机身设备区，属于该型飞机的I类区域（气密区）。该区域的环境特性为：通常不直接暴露在海洋大气中，但偶尔受少量湿气、盐雾的作用。声呐浮标投放后，直接暴露在恶劣海洋环境中，遭受高湿热、高盐雾腐蚀环境的直接作用。

声呐浮标搜潜系统的环境适应性要求按作用机理、防护措施可分为气候类环境、机械类环境、腐蚀防护类环境要求三类，分别采取有针对性的设计措施使系统具有足够的耐受环境应力裕度。

7.2 气候类环境

针对低温、高温、湿热等气候类环境适应性要求，声呐浮标搜潜系统采取了以下设计措施：

（1）热设计。声呐信号处理机内的阵列信号处理模块、数据分发模块大量采用高速DSP芯片和大容量存储芯片，系统运行时可能在局部产生高热。结构设计时采用风冷、导热条等设计措施，并运用ANSYS软件建立处理机的热仿真模型，如图4所示，采取措施后处理机的最高温度为52.9℃，满足器件高温工作的温度要求。

图4 声呐信号处理机热仿真模型

（2）防水密封设计。声呐浮标设计有投放筒和密封袋，可以防止浮标在贮存过程中受潮；浮标电子舱结构采用O型圈密封设计，根据仿真计算结果进行O型圈选型，并在工艺上加强密封贴合面加工精度的控制，防止浮标电子舱在水面、水下等湿度较大的环境中工作时受潮。

（3）低气压环境适应性设计。声呐浮标搜潜系统在电路设计与装配过程中的工艺控制可避免产生尖端结构与残留毛刺，从而避免低气压环境下尖端放电的问题；声呐浮标电子舱的密封圈使用不易挥发的高真空硅脂进行润滑，避免因压力降低导致润滑脂加速挥发，造成密封圈表面磨蚀加剧。

7.3 机械类环境

针对加速度、振动、冲击等机械类环境适应性要求，声呐浮标搜潜系统采取了以下设计措施：（1）机箱与安装托架之间通过定位销和锁紧装置固定，确保受到外部振动冲击时不掉落、无接触不良等情况；（2）设计具有减震措施的浮标专用包装箱，可以降低运输途中振动、冲击对浮标的影响；（3）内部结构采用紧密层叠式设计，消除内部零部件在冲击过程中产生的过大位移，降低冲击损伤。

7.4 腐蚀防护类环境

针对霉菌、盐雾等腐蚀类环境适应性要求，声呐浮标搜潜系统采取了以下设计措施：

（1）材料选择。系统机箱/模块外壳和浮标结构件均采用耐腐蚀合金材料，并对表面作氧化处理，提高抗腐蚀、抗霉菌、抗老化能力。

（2）结构防护。系统机箱/模块外壳和浮标结构件尽量减少孔、槽等凹凸不平的设计，并在可能积水和留存湿气的空间开设排水和排气孔。

（3）表面涂覆工艺。在系统的内部印制板和焊点作三防处理。三防工艺经过成熟产品验证，可有效对抗霉菌、盐雾环境的侵蚀。

8 结论

在方案阶段开展声呐浮标搜潜系统“六性”初步设计，全面策划了“六性”设计的技术路线，确定了系统各组成设备开展“六性”工作的依据。本文开展的可靠性预计、测试性预计和维修性预计工作，以及采取的相应的设计措施，为样机阶段进行系统详细设计奠定了良好的基础。