弹载电子设备加速贮存试验环境谱设计研究∗

张 鑫 韩建立 王 瑶 关铁男 刘 亮 高 松

（1.海军航空大学 烟台 264001）（2.91614部队 大连 116044）

1 引言

某型导弹弹载电子设备主要包含自动驾驶仪、导引头以及电源、电气开关、电缆网等电气设备，其中导引头等部件对于导弹整体战技性能影响重大，属于导弹的关键部件。从设备结构组成方面来看，弹载电子设备包括大量的金属、非金属材料和电子元器件，是典型的机电一体设备，结构复杂，价格昂贵。在贮存寿命评估工程实际中，受试验周期、成本和预测价值的要求，采用加速贮存试验为主流方式，以自然贮存试验作为辅助手段，综合开展评估，从而为导弹延寿工作提供支撑。开展加速贮存试验的关键之一在于如何将装备实际贮存环境转化成加速试验条件，即科学合理的编制加速试验环境谱用以指导加速试验，其中的核心问题是选择哪些加速应力以及各应力的作用水平、作用时间、作用顺序等。

2 贮存环境影响分析

2.1 典型贮存环境分析

对于导弹类装备而言，“长期贮存、一次使用”是其普遍特点。导弹服役任务剖面是指导弹自出厂验收到退役期间所历经的事件与环境的时序描述，包含导弹的转运、搬卸、贮存、测试、排故、维修、值班、发射等事件，某型导弹服役任务剖面见图1。在导弹服役任务剖面中的贮存是指“整装弹”处于非工作状态或待用存放状态，包括为保持技术状态而进行的整弹维护、功能测试，也包括存放、运输、装卸、战备值班等非工作状态［1］。

图1 某型导弹服役任务剖面示意图

从图1中可见，某型导弹主要存在两种典型贮存环境：库房贮存环境和战备值班环境［2］。

2.2 贮存环境影响因素分析

鉴于该型导弹的自身特点和作战使用背景，自研制生产到使用/报废需经过装卸转运、洞库贮存、维护保养、状态测试、战备值班等诸多事件，所处的环境条件复杂多样，通常包含湿热、冲击、霉菌、磁场、电压等复杂环境因素［3］。在这些环境因素的长期作用影响下，将导致设备的特性参数在机械应力、化学应力、热应力等的综合作用下发生变化，造成功能退化、性能减弱、可靠性降低，导致导弹装备故障、失效，无法投入正常战备/作战使用。某型导弹贮存环境因素见图2。

图2 某型导弹贮存环境因素示意图

由于转运环境在导弹寿命周期中时间短暂、占比极小，本文不予考虑，重点分析库房贮存环境与战备值班环境。相关统计分析表明，在各类环境应力的作用下，由于温度、湿度、振动应力所造成的失效比重约为86%［4］。考虑到导弹采取了相应的“三防”保护措施、库房的建造标准要求以及战备值班时发射筒的相应保护条件，霉菌、气压、辐射等造成的影响很小，通常转运引发的振动、冲击对其也不会造成损伤。弹载电子设备在贮存环境里持续受到温湿度作用，长期影响无法忽视［5］。下面重点讨论库房贮存环境及战备值班环境中温湿度应力的作用形式。

在战备值班环境中，由于发射筒装有湿度控制装置、充填干燥气体并有良好密封保护，导弹所处的环境相对湿度通常不超过30%，温度则跟随战备值班任务区变化和不同任务时的温度进行波动。因此，应考虑低温、高温、高低温交变三种模式的温度应力影响。

在库房贮存环境中，通常库房均配备空调、除湿机等完善的温、湿度控制设备，弹载电子设备的温度随库房温度进行波动，相对湿度基本保持在40%，但通常年度内库房贮存时间较长，仍需考虑湿度应力，重点分析高温高湿模式下的影响。

2.3 温度、湿度应力影响分析

1）高温影响

高温可能会加速非金属材料的老化、氧化、强度改变、粘度下降等理化性能的变化。加速弹载电子设备构件壳体、封装电路、绝缘材料等的老化。

2）低温影响

低温时，会使材料脆化，强度减弱，产生龟裂和硬化，对于密封构件可能会引发收缩变形、密封失效。低温会造成电子元器件导电性能改变，并且使空气中水汽冷凝或结冰，可能引发电子元器件失效。

3）高低温循环交变影响

温度的交替变化，对电子产品、机电产品的影响较大。在高低温的循环交变作用下，由于各材料、零件膨胀系数的差异，可能引起构件交接处应力交替变化产生疲劳损伤，甚至断裂破坏。

4）高湿影响

贮存环境中过高的湿度会导致构件表面形成一层附着水膜，经与空气中的酸性气体作用后将具有稀酸性质。对于金属材料，将导致产生电化学腐蚀，在表面形成锈蚀；对于电子器件，会使电性能下降，介电常数增大；对于非金属材料，水膜中水分子经材料毛细孔和分子间隙进行扩散、渗透，导致水解、霉变和老化［6］。

导弹装备在各种贮存环境里所历经的环境谱是导致其老化退化的根本原因。在寿命评估工作中，通过自然贮存试验进行寿命评估成熟可靠、评估准确，但所需时间周期长，寿命评估结果滞后，预测价值不大。加速贮存试验利用提高环境应力水平的方式加快老化，具备时间周期短、评估效率高、预测价值大、节约成本的优点，但要做到与自然贮存环境等效，加速试验环境谱的编制就至关重要。

3 加速贮存试验环境谱设计

3.1 加速应力的确定

1）确定应力类型。加速试验中应力的确定，可以通过分析装备使用环境以及故障失效模式得到影响装备失效的主要应力。通过前述分析弹载电子设备的贮存环境、环境影响因素的作用形式，选取温度、湿度为加速应力。

2）确定加速应力水平。在加速贮存试验中，每种加速应力的作用水平通常应在自然贮存环境下相应环境应力的监测量值水平内［7］。设定的加速应力水平应当以产品失效机理不变为限，即加速应力水平不得超出装备的破坏极限［8］。

3）加速应力的施加顺序。通过分析贮存环境因素、装备故障失效模式，通常根据加速应力对装备影响的重要程度进行排列，影响程度越高，施加顺序越靠前。

4）加速应力作用时间的确定。加速试验中每种加速应力的作用时间应当以产品在加速应力水平作用下与在正常应力水平作用下出现相同程度失效、退化的时间来确定。工程中常采用利用加速因子折算等效的方式获取加速应力作用时间。对于加速因子的获得，一是采用现有的加速模型分析计算；二是通过试验确定模型获得。后者虽比较准确，但需要大量的试验样本和时间。因此工程上通常采用现有加速模型来获取加速因子［9］。

3.2 加速模型的选择

加速模型是正确反映装备寿命与环境应力之间物理化学关系的关键［10～11］。根据本文前述，宜采用以温度、湿度应力为主的加速模型，针对加速贮存试验设计的低温冷冻、高低温交变、高温老化、高温高湿四个阶段，应用到的加速模型有如下几个［12］：

1）指数模型，常用于描述温度与装备寿命之间的关系，且适合于低温效应造成装备性能下降的情况：

其中，T为绝对温度，a，b为待估常数。

2）阿伦尼斯（Arrhenius）模型，常用于描述温度应力和装备寿命之间的关系。适于描述高温老化阶段寿命：

其中，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数8.165×10-5eV/℃，A为常数，Ea为失效机理激活能，单位为eV。

3）Norris-landzberg模型，此模型能够描述温差、高温、高低温变化频率三种因素对装备寿命的影响，适合描述机电产品在高低温交变情况下的寿命。

4）Peck模型，此模型用于描述贮存寿命在温度和湿度两种应力作用下的变化规律，适于高温高湿阶段的寿命描述。

η为标度常数，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数8.165×10-5eV/℃，Ea为失效机理激活能，单位为eV，RH为相对湿度，D为经验常数，与材料有关。

3.3 加速因子的确定

加速因子是加速应力作用下产品寿命特征值与正常应力作用下寿命特征值之间的比值，是反映加速试验中加速应力水平效果的无量纲数，是描述加速应力和装备寿命之间关系的重要参数［11］。

其定义一般如下：

据此，根据式（1）～（5）可推导得到前文提及的各加速模型的加速因子。

指数模型加速因子：

3.4 加速应力时序设计

根据计算得到的加速因子，综合导弹贮存环境统计数据，计算得到加速试验应力作用时间，并按照各贮存环境条件对装备的影响程度进行排序，确定低温、高低温交变、高温、高低温交变、高温高湿的应力施加顺序，设计加速试验时序。

4 算例分析

4.1 贮存环境描述

根据某年该型导弹装备贮存环境温湿度数据及战备值班资料数据，该型导弹1年内平均战备值班时间50天，平均在库房贮存时间315天，具体环境描述见表1。

表1 某型导弹装备贮存环境因素情况表

4.2 加速因子及加速应力等效时间计算

1）低温冷冻加速试验

根据电子电路低温工作极限温度值，可以确定弹载电子设备的加速低温水平为-40℃（233.15K）。低温冷冻加速试验的时间需要根据加速试验低温-40℃（233.15K）相对于平均低温4℃（277.15K）的加速因子进行折算。式（1）中待估常数b可由最小二乘法求得，获取两组以上(ξ(T)'T)参数，可估算得到=0.055，代入式（6）可得：

由此推算，每年平均5天的战备值班低温贮存环境，需要5×24/11.25≈11h的低温冷冻试验-40℃（233.15K）进行等效。

2）高温老化加速试验

高温老化试验等效战备值班高温贮存时的老化效果。加速试验中只提高显著影响贮存寿命的温度应力，相对湿度保持为平均湿度30%，根据工程经验，高温加速应力水平确定为70℃（343.15K），，代入式（7）可得相对于20℃（293.15K）温度应力的加速因子：

由此可得，每年平均45天的战备值班高温贮存环境，需要45×24/31.64≈34h的70℃（343.15K）进行等效。

3）高低温交变加速试验

根据工程经验，加速条件下的高低温水平不宜与自然贮存条件下的高低温水平相差太大，否则造成失效机理不一致，可通过提高加速条件下的高低温交变频率达到预计的加速效果。

通常，弹载电子设备各点温度值在2h内会趋于一致。为提高试验效率，设定加速试验中的装备在高温和低温水平下各放置2h，由此确定加速试验的高低温交变频率为1次/4h。根据以上分析，确定弹载电子设备加速试验中的高低温度值及交变频率如表2所示。

表2 高低温交变信息

高低温交变加速试验时间采用Norris-landz⁃berg模型推导，通过参数寻优仿真计算得到，利用式（8），加速试验中每一次高低温交变（4h）相对于正常高低温交变（1天）的加速因子为

因此每年50天的战备值班50次的高低温交变循环折算到加速条件下需要进行50/9.91≈5次高低温交变循环。

4）高温高湿加速试验

高温高湿加速应力作用时间通过Peck加速模型推导。为了确保失效机理不改变，加速试验高温确定为70℃，相对湿度为90%。将参数D=1.5，代入式（9），计算得到：

如前所述，315天的库房贮存环境需要315×24/141.50≈53h下的温度 70℃，湿度 90%（343.15K，90%）下的老化反应来等效。

4.3 加速试验环境谱的设计

综上可得四个阶段加速试验环境谱设计信息见表3。

表3 弹载电子设备加速试验环境谱设计信息

每个周期的加速试验环境谱见图3。

图3 等效自然贮存环境1年的弹载电子设备加速试验环境谱

5 结语

本文通过对弹载电子设备服役任务剖面、失效模式及贮存环境影响的分析，针对导弹库房贮存、战备值班等贮存环境谱的特点，将加速贮存试验分为高温老化、低温冷冻、高低温交变、高温高湿四个阶段，选取合适模型得到相应阶段加速因子，折算得到对应阶段高加速应力条件下的等效时间，综合得到加速试验环境谱。

弹载电子设备经过1个周期的加速试验，可认为其在自然贮存环境中贮存1年，完成多个加速周期，并经过性能测试，飞行试验等验证检测，可综合预测设备的寿命。此外，针对加速试验中激发暴露的薄弱环节进行分析研究，改进设计、工艺、材料等，可为同类装备延寿工作、可靠性增长设计等提供有益的借鉴，具有较好的工程应用价值。