基于時序的導彈武器系統環境適應性分析方法

李炳蔚，祝學軍，林德健，南宮自軍，張子俊

（中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

武器裝備環境適應性是指其在壽命期預計可能遇到的各種環境作用下能實現其所有預定功能、性能和（或）不被破壞的能力[1]，是武器裝備系統重要的質量特性，也是武器系統作戰性能的重要組成部分，直接影響部隊戰斗力的生成、保持和提高。美國國防部對武器裝備損壞情況進行了統計，發現環境造成的損壞占整個使用過程的50%以上，庫存期環境導致的損壞占所有損壞的60%[2]。開展武器裝備的環境適應性研究工作是非常重要，也是非常急需的，研究針對武器系統的環境適應性的分析方法具有重要意義。

目前我國導彈武器的環境適應性分析工作主要參考GJB 4239《裝備環境工程通用要求》，通常按照環境分析、環境適應性設計、環境適應性試驗及評價的順序開展工作，其中的環境分析偏重于環境的分析和環境條件的制定[1,3]。在環境適應性設計期間，應進行環境適應性分析，對裝備和產品的環境適應性進行預計，找出產品的耐環境水平和薄弱環節，然后改進設計，從而減少實物試驗的數量，提高研制效率，節省研制成本[3-5]。王冬等對艦載武器環境工程的實施進行了研究，提出了在方案設計階段對環境適應性進行預先評價的重要性，提出了通過比較產品的使用環境和產品耐受環境極限對環境適應性進行工程評估的方法[6]。朱蕾等提出了采用仿真分析方法對裝備的環境適應性進行預估，并指出該方法的困難在于缺乏足夠的先驗模型數據、失效規律復雜等[7]。段楠楠等對武器裝備系統的力學、自然、電磁環境適應性進行了分析[8-14]。李濤等對材料、元器件和單機級產品的環境適應性進行了分析[15-18]。上述分析方法主要是結合各類環境效應的環境適應性的定性分析。

目前的環境適應性分析方法主要是定性評價，在工程實踐中該項工作往往陷入依靠個人經驗和“頭腦風暴”式的工程評估，使得環境適應性分析和預計收效甚微。為此，提出了基于時序的武器裝備環境適應性分析方法，以產品、時序和環境作為線索全面梳理武器系統的環境適應性薄弱環節，識別、控制和化解研制風險，提高產品的質量水平。采用該方法，可以在方案階段提前暴露問題，避免方案反復。在工程研制階段可以提高研制效率，節省研制成本。在型號出廠前可以識別型號風險，為任務成功奠定基礎。該方法中“時序”為廣義時序的概念，強調導彈全壽命周期經歷環境的時序因果關系和相互影響。

1 方法概述

基于時序的導彈全壽命周期環境適應性分析方法框圖見圖1，研究思路如下。

圖1 基于時序的環境適應性分析方法

1）在型號的方案階段或研制階段初期開展基于時序的導彈全壽命周期環境適應性分析工作，該方法分為環境要素分析和產品要素分析兩部分工作。

2）環境要素分析：主要是對導彈在全壽命周期內遇到的所有環境剖面按照時序進行梳理分析的工作，包括外界的氣象或自然環境，也包括可能的人為操作、平臺發射、時序動作等產生的誘導環境。對于產品環境適應性問題，環境要素屬于外因，該部分工作按照時序進行梳理，最終給出各個剖面下的環境及量值Et、Es、Ed、Ef等。這些環境可以是單因素環境，也可以是多因素環境。

3）產品要素分析：主要是對導彈武器各個部位產品的環境耐受極限進行全面梳理統計的工作。環境極值的獲取方法包括元器件環境極值統計法、產品環境適應性數值仿真分析法、試驗驗證法等，最終得到產品耐受高低溫、振動、沖擊等環境的極值Ep。

4）通過對比產品耐受環境量值Ep和外界環境因素量值Et、Es、Ed、Ef，可以暴露武器系統的環境適應性薄弱環節或風險點，并定位到設備、安裝位置、時間段、具體環境。

5）根據環境適應性風險點，制定針對性的措施。比如采取環境控制措施、更換元器件或其他設計改善措施。

2 環境要素分析

導彈武器裝備通常從出廠到完成飛行任務的全過程可以分成若干個任務剖面，一般任務剖面可以分為運輸剖面、貯存剖面和飛行使用剖面。在每個任務期中所遇到的環境因素的時間過程，稱為環境剖面。每個任務環境剖面考慮的環境因素可以分為力學環境、熱環境、自然環境和電磁環境等種類。以某型陸基車載發射導彈為例，其在全壽命周期經歷的環境剖面如圖2所示。

2.1 貯存環境應力

貯存環境通常按照后勤裝卸運輸、遮蔽儲存、無遮蔽儲存給出環境應力，考慮的環境有：貯存期間由于后勤短途裝卸運輸造成的振動、沖擊等運輸環境，通常可以與運輸環境合并考慮；貯存時的高低溫、淋雨、砂塵、鹽霧、太陽輻射等自然環境。

2.2 運輸環境應力

導彈武器系統在進行機動時處于運輸狀態，通常機動方式有公路運輸、鐵路運輸、航空運輸和水路運輸，考慮的環境如下。

圖2 某車載發射導彈環境剖面

1）公路運輸環境：公路運輸的振動環境是運輸車或發射車在路面行駛時，由于路面起伏不平和車輛發動機激勵引起的。沖擊環境是由運輸車或發射車經過凹凸路面顛簸，以及搬運、吊裝過程中的跌落和碰撞等引起的。

2）鐵路運輸：一般鐵路運輸按照10∶1的里程比例折算到公路運輸加以考慮。

3）海上運輸：振動環境是由波浪激勵、機械設備工作振動等引起的；沖擊環境是由其他武器發射、搬運、吊裝過程中的跌落和碰撞等引起的。

4）掛機飛行的振動環境主要是氣動噪聲引起的，掛機飛行的沖擊環境是由搬運、吊裝、著陸過程中的跌落和碰撞等引起的。

5）運輸自然環境：包括溫度、濕度、低氣壓、砂塵、鹽霧等環境。

2.3 飛行使用環境應力

導彈從點火發射到命中目標期間經歷的環境為飛行環境，主要的飛行環境應力如下。

1）飛行振動環境：飛行振動環境主要是由發射、發動機噴流噪聲、發動機推力脈動、氣動噪聲引起。

2）加速度環境：加速度環境主要與導彈的飛行彈道過載相關。

3）噪聲環境：噪聲環境是由發射、發動機噴流噪聲和氣動噪聲引起的，氣動噪聲由動壓和脈動壓力系數決定。

4）沖擊環境：飛行沖擊環境主要是由發射、級間分離、頭體分離、拋罩等引起的，分離沖擊環境取決于分離方式、火工品種類和導彈艙段結構形式。

5）自然環境：飛行過程中的自然環境包括溫度、溫度沖擊、濕度、低氣壓、淋雨等，這些環境主要與飛行彈道模式相關度較高。

3 產品要素分析

首先梳理武器系統組成，將各個系統的結構、設備組成進行分析，重點了解各系統產品的結構、材料、元器件組成。隨后，分析產品的環境效應，確定其耐受環境極限。

環境作用于武器裝備，會使武器裝備性能降低、可靠性降低、使用壽命縮短、研制成本提高。對于單項環境對武器裝備的影響已有較多研究。

1）高溫：高溫可使材料產生膨脹、軟化、老化，發生變形、強度降低，從而導致功能下降和喪失。具體體現在結構粘合、卡死、松動，機電部件過熱導致導通絕緣性能改變，有機材料褪色開裂，熱失配效應導致涂層局部脫粘鼓包，密封件失效，電路穩定性發生變化，繼電器開關范圍改變，含能材料燃燒加速，潤滑油脂性能降低等。

2）低溫：低溫會影響材料的力學性能、電氣性能、熱性能，導致裝備性能下降、失效甚至損毀。體現在材料硬化脆化導致抗沖擊性能降低、配合間隙變化，影響構件性能，濕氣冷凝結霜結冰導致光學儀器性能下降，元器件可靠性降低，固體炸藥產生裂紋，固體燃料燃速降低等，潤滑性能下降。

3）高濕：高濕會在裝備表面形成水膜，造成材料腐蝕變質直至失效，引起光學儀器表面起霧，水汽促進微生物生長加速密封件失效，電子設備和精密器件受潮會引起電氣性能下降，炸藥和推進劑受潮性能下降，潤滑性能下降。

4）砂塵：對裝備產生磨損、沉積、堵塞等多種形式，造成裝備磨損加速，活動部件卡死，增大接觸電阻，電路短路，砂塵與空氣摩擦產生高壓靜電（高達3000 V）對通信和雷達設備有破壞作用。

5）振動沖擊：振動沖擊等力學環境會使設備產生變形、疲勞、損傷、斷裂，引起設備發生機械故障，引發功能失效，對人員和設備造成間接傷害。比如裝備結構產生裂紋和破壞失效、連接件/緊固件發生松動，結構發生塑性變形，電子產品的絕緣強度改變，管路焊縫破壞引起串火，元器件針腳脫粘引起設備失效，電路板/電接頭/電熱絲損壞，密封件失效等。

當有多個環境交互作用時，環境因素的綜合作用可能會加劇對產品的影響，比如溫度、濕度綜合環境會使霉菌加速生長，加劇對產品的腐蝕，濕度和砂塵結合可使裝備材料加劇腐蝕失效。

獲取產品耐受環境量值常用的方法如下：通過環境摸底試驗、可靠性強化試驗等試驗獲取產品的環境耐受極限；通過環境虛擬試驗或者仿真，采用工程軟件對產品在各種環境下的響應的應力進行仿真，根據元器件的耐受極限預估產品的環境耐受極限；根據元器件能夠耐受的環境極限確定產品的耐受極限，尤其對于高低溫，元器件耐受極限往往可以很好的代表產品的耐受極限；根據類似產品以往經歷過的試驗量級預估產品的耐受極限。

4 實施方法

4.1 分析流程

基于時序的環境適應性分析流程如圖3所示，該方法的分析流程如下所述。

1）首先根據任務剖面編制導彈武器系統的環境剖面。

2）針對特定的時序，開展環境因素的分析，對時序和環境分別進行編號i、j，第i個時序第j項環境為 Eij。這里的環境指的是設計環境，已在使用環境基礎上考慮了，該項工作由總體設計部門負責。

圖3 導彈武器環境適應性分析流程

3）分析導彈武器系統的組成，對產品進行編號，對第k個產品進行環境效應分析。通過試驗、仿真和工程預示的方法得到其環境耐受極限為Ek。該項工作由武器系統總體設計部門分解，由產品設計單位負責開展。

4）根據環境條件和產品耐受環境信息，開展環境適應性分析。分析時考慮不同時序環境的時間相關性（比如時間累計效應、之前時序動作對后續時序的影響）和空間相關性（比如產品工作對其他部位產品環境的影響），該項工作由總體設計部門負責。

5）根據環境適應性分析結果，評價環境適應性余量 fs=Ek/Eij。如果 fs<1，表明環境適應性不合格，應進一步驗證、優化或更改設計方案；如果fs接近1，說明產品的環境適應性處理臨界狀態，需要考慮各種不確定性，結合試驗、仿真等手段進一步驗證產品的環境適應性；如果fs>1，可以認為環境適應性良好，但是fs過大可能會導致較高的成本。

6）根據產品的環境適應性分析結果，識別分系統、武器系統的環境適應性薄弱環節，指導后續的設計和試驗工作，為武器系統環境適應性的提升提供關鍵支撐。

4.2 組織實施

基于時序的環境適應性分析可以在導彈武器的方案設計、工程研制、定型和批產等各個階段開展，但應盡早開展，最好在方案設計和工程研制之初開展。方案階段進行基于時序的環境適應性分析，可以定位設計薄弱環節，有效識別風險。對于地面試驗、飛行試驗出現故障的情況，該項工作也可以輔助FTA進行環境適應性分析，為故障定位、排除和驗證提供重要支撐。

通常質量部門負責基于時序的環境適應性分析工作的策劃、組織和管理，總體單位負責工作的技術抓總，各分系統負責按照模板反饋重要產品的環境適應性調查結果，包括產品的敏感環境、敏感元器件、環境耐受極限等信息。

5 結果及討論

該方法目前已應用于多型戰術導彈的環境適應性分析工作中，并且應用到了型號研制的各個階段。在方案階段，可以及時發現環境適應性設計薄弱環節，及時完善導彈總體方案；在工程研制階段，尤其是在首飛前，可以全面發現導彈飛行環境適應性技術風險，通過試驗驗證、仿真分析，采取改善措施，確保飛行任務成功。環境適應性的分析工作應盡量提前開展，以避免方案和試驗的反復，降低研制成本，提高研制效率。

采用基于時序的導彈武器系統環境適應性分析方法，對某型導彈武器首飛飛行力、熱、電磁、自然環境適應性進行了分析，發現了63項潛在的環境適應性風險，其中有3項影響成敗。通過試驗、仿真、改進設計等手段將上述風險一一化解，最終該導彈取得了多發飛行試驗成功，證明了該方法的有效性。

6 結語

提出了基于時序的武器裝備環境適應性分析方法，給出了基于時序的環境要素分析方法、產品要素分析方法和基于研制流程的工程實施方法。該方法已成功應用于多型導彈武器系統，可以充分暴露武器系統環境適應性風險，并且可以作為一種風險識別方法應用到試驗充分性分析和測試覆蓋性分析中，具有重要的工程應用和推廣價值。