彈載電子設備加速貯存試驗環境譜設計研究?

張 鑫 韓建立 王 瑤 關鐵男 劉 亮 高 松

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.91614部隊 大連 116044）

1 引言

某型導彈彈載電子設備主要包含自動駕駛儀、導引頭以及電源、電氣開關、電纜網等電氣設備，其中導引頭等部件對于導彈整體戰技性能影響重大，屬于導彈的關鍵部件。從設備結構組成方面來看，彈載電子設備包括大量的金屬、非金屬材料和電子元器件，是典型的機電一體設備，結構復雜，價格昂貴。在貯存壽命評估工程實際中，受試驗周期、成本和預測價值的要求，采用加速貯存試驗為主流方式，以自然貯存試驗作為輔助手段，綜合開展評估，從而為導彈延壽工作提供支撐。開展加速貯存試驗的關鍵之一在于如何將裝備實際貯存環境轉化成加速試驗條件，即科學合理的編制加速試驗環境譜用以指導加速試驗，其中的核心問題是選擇哪些加速應力以及各應力的作用水平、作用時間、作用順序等。

2 貯存環境影響分析

2.1 典型貯存環境分析

對于導彈類裝備而言，“長期貯存、一次使用”是其普遍特點。導彈服役任務剖面是指導彈自出廠驗收到退役期間所歷經的事件與環境的時序描述，包含導彈的轉運、搬卸、貯存、測試、排故、維修、值班、發射等事件，某型導彈服役任務剖面見圖1。在導彈服役任務剖面中的貯存是指“整裝彈”處于非工作狀態或待用存放狀態，包括為保持技術狀態而進行的整彈維護、功能測試，也包括存放、運輸、裝卸、戰備值班等非工作狀態［1］。

圖1 某型導彈服役任務剖面示意圖

從圖1中可見，某型導彈主要存在兩種典型貯存環境：庫房貯存環境和戰備值班環境［2］。

2.2 貯存環境影響因素分析

鑒于該型導彈的自身特點和作戰使用背景，自研制生產到使用/報廢需經過裝卸轉運、洞庫貯存、維護保養、狀態測試、戰備值班等諸多事件，所處的環境條件復雜多樣，通常包含濕熱、沖擊、霉菌、磁場、電壓等復雜環境因素［3］。在這些環境因素的長期作用影響下，將導致設備的特性參數在機械應力、化學應力、熱應力等的綜合作用下發生變化，造成功能退化、性能減弱、可靠性降低，導致導彈裝備故障、失效，無法投入正常戰備/作戰使用。某型導彈貯存環境因素見圖2。

圖2 某型導彈貯存環境因素示意圖

由于轉運環境在導彈壽命周期中時間短暫、占比極小，本文不予考慮，重點分析庫房貯存環境與戰備值班環境。相關統計分析表明，在各類環境應力的作用下，由于溫度、濕度、振動應力所造成的失效比重約為86%［4］。考慮到導彈采取了相應的“三防”保護措施、庫房的建造標準要求以及戰備值班時發射筒的相應保護條件，霉菌、氣壓、輻射等造成的影響很小，通常轉運引發的振動、沖擊對其也不會造成損傷。彈載電子設備在貯存環境里持續受到溫濕度作用，長期影響無法忽視［5］。下面重點討論庫房貯存環境及戰備值班環境中溫濕度應力的作用形式。

在戰備值班環境中，由于發射筒裝有濕度控制裝置、充填干燥氣體并有良好密封保護，導彈所處的環境相對濕度通常不超過30%，溫度則跟隨戰備值班任務區變化和不同任務時的溫度進行波動。因此，應考慮低溫、高溫、高低溫交變三種模式的溫度應力影響。

在庫房貯存環境中，通常庫房均配備空調、除濕機等完善的溫、濕度控制設備，彈載電子設備的溫度隨庫房溫度進行波動，相對濕度基本保持在40%，但通常年度內庫房貯存時間較長，仍需考慮濕度應力，重點分析高溫高濕模式下的影響。

2.3 溫度、濕度應力影響分析

1）高溫影響

高溫可能會加速非金屬材料的老化、氧化、強度改變、粘度下降等理化性能的變化。加速彈載電子設備構件殼體、封裝電路、絕緣材料等的老化。

2）低溫影響

低溫時，會使材料脆化，強度減弱，產生龜裂和硬化，對于密封構件可能會引發收縮變形、密封失效。低溫會造成電子元器件導電性能改變，并且使空氣中水汽冷凝或結冰，可能引發電子元器件失效。

3）高低溫循環交變影響

溫度的交替變化，對電子產品、機電產品的影響較大。在高低溫的循環交變作用下，由于各材料、零件膨脹系數的差異，可能引起構件交接處應力交替變化產生疲勞損傷，甚至斷裂破壞。

4）高濕影響

貯存環境中過高的濕度會導致構件表面形成一層附著水膜，經與空氣中的酸性氣體作用后將具有稀酸性質。對于金屬材料，將導致產生電化學腐蝕，在表面形成銹蝕；對于電子器件，會使電性能下降，介電常數增大；對于非金屬材料，水膜中水分子經材料毛細孔和分子間隙進行擴散、滲透，導致水解、霉變和老化［6］。

導彈裝備在各種貯存環境里所歷經的環境譜是導致其老化退化的根本原因。在壽命評估工作中，通過自然貯存試驗進行壽命評估成熟可靠、評估準確，但所需時間周期長，壽命評估結果滯后，預測價值不大。加速貯存試驗利用提高環境應力水平的方式加快老化，具備時間周期短、評估效率高、預測價值大、節約成本的優點，但要做到與自然貯存環境等效，加速試驗環境譜的編制就至關重要。

3 加速貯存試驗環境譜設計

3.1 加速應力的確定

1）確定應力類型。加速試驗中應力的確定，可以通過分析裝備使用環境以及故障失效模式得到影響裝備失效的主要應力。通過前述分析彈載電子設備的貯存環境、環境影響因素的作用形式，選取溫度、濕度為加速應力。

2）確定加速應力水平。在加速貯存試驗中，每種加速應力的作用水平通常應在自然貯存環境下相應環境應力的監測量值水平內［7］。設定的加速應力水平應當以產品失效機理不變為限，即加速應力水平不得超出裝備的破壞極限［8］。

3）加速應力的施加順序。通過分析貯存環境因素、裝備故障失效模式，通常根據加速應力對裝備影響的重要程度進行排列，影響程度越高，施加順序越靠前。

4）加速應力作用時間的確定。加速試驗中每種加速應力的作用時間應當以產品在加速應力水平作用下與在正常應力水平作用下出現相同程度失效、退化的時間來確定。工程中常采用利用加速因子折算等效的方式獲取加速應力作用時間。對于加速因子的獲得，一是采用現有的加速模型分析計算；二是通過試驗確定模型獲得。后者雖比較準確，但需要大量的試驗樣本和時間。因此工程上通常采用現有加速模型來獲取加速因子［9］。

3.2 加速模型的選擇

加速模型是正確反映裝備壽命與環境應力之間物理化學關系的關鍵［10～11］。根據本文前述，宜采用以溫度、濕度應力為主的加速模型，針對加速貯存試驗設計的低溫冷凍、高低溫交變、高溫老化、高溫高濕四個階段，應用到的加速模型有如下幾個［12］：

1）指數模型，常用于描述溫度與裝備壽命之間的關系，且適合于低溫效應造成裝備性能下降的情況：

其中，T為絕對溫度，a，b為待估常數。

2）阿倫尼斯（Arrhenius）模型，常用于描述溫度應力和裝備壽命之間的關系。適于描述高溫老化階段壽命：

其中，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數8.165×10-5eV/℃，A為常數，Ea為失效機理激活能，單位為eV。

3）Norris-landzberg模型，此模型能夠描述溫差、高溫、高低溫變化頻率三種因素對裝備壽命的影響，適合描述機電產品在高低溫交變情況下的壽命。

4）Peck模型，此模型用于描述貯存壽命在溫度和濕度兩種應力作用下的變化規律，適于高溫高濕階段的壽命描述。

η為標度常數，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數8.165×10-5eV/℃，Ea為失效機理激活能，單位為eV，RH為相對濕度，D為經驗常數，與材料有關。

3.3 加速因子的確定

加速因子是加速應力作用下產品壽命特征值與正常應力作用下壽命特征值之間的比值，是反映加速試驗中加速應力水平效果的無量綱數，是描述加速應力和裝備壽命之間關系的重要參數［11］。

其定義一般如下：

據此，根據式（1）～（5）可推導得到前文提及的各加速模型的加速因子。

指數模型加速因子：

3.4 加速應力時序設計

根據計算得到的加速因子，綜合導彈貯存環境統計數據，計算得到加速試驗應力作用時間，并按照各貯存環境條件對裝備的影響程度進行排序，確定低溫、高低溫交變、高溫、高低溫交變、高溫高濕的應力施加順序，設計加速試驗時序。

4 算例分析

4.1 貯存環境描述

根據某年該型導彈裝備貯存環境溫濕度數據及戰備值班資料數據，該型導彈1年內平均戰備值班時間50天，平均在庫房貯存時間315天，具體環境描述見表1。

表1 某型導彈裝備貯存環境因素情況表

4.2 加速因子及加速應力等效時間計算

1）低溫冷凍加速試驗

根據電子電路低溫工作極限溫度值，可以確定彈載電子設備的加速低溫水平為-40℃（233.15K）。低溫冷凍加速試驗的時間需要根據加速試驗低溫-40℃（233.15K）相對于平均低溫4℃（277.15K）的加速因子進行折算。式（1）中待估常數b可由最小二乘法求得，獲取兩組以上(ξ(T)'T)參數，可估算得到=0.055，代入式（6）可得：

由此推算，每年平均5天的戰備值班低溫貯存環境，需要5×24/11.25≈11h的低溫冷凍試驗-40℃（233.15K）進行等效。

2）高溫老化加速試驗

高溫老化試驗等效戰備值班高溫貯存時的老化效果。加速試驗中只提高顯著影響貯存壽命的溫度應力，相對濕度保持為平均濕度30%，根據工程經驗，高溫加速應力水平確定為70℃（343.15K），，代入式（7）可得相對于20℃（293.15K）溫度應力的加速因子：

由此可得，每年平均45天的戰備值班高溫貯存環境，需要45×24/31.64≈34h的70℃（343.15K）進行等效。

3）高低溫交變加速試驗

根據工程經驗，加速條件下的高低溫水平不宜與自然貯存條件下的高低溫水平相差太大，否則造成失效機理不一致，可通過提高加速條件下的高低溫交變頻率達到預計的加速效果。

通常，彈載電子設備各點溫度值在2h內會趨于一致。為提高試驗效率，設定加速試驗中的裝備在高溫和低溫水平下各放置2h，由此確定加速試驗的高低溫交變頻率為1次/4h。根據以上分析，確定彈載電子設備加速試驗中的高低溫度值及交變頻率如表2所示。

表2 高低溫交變信息

高低溫交變加速試驗時間采用Norris-landz?berg模型推導，通過參數尋優仿真計算得到，利用式（8），加速試驗中每一次高低溫交變（4h）相對于正常高低溫交變（1天）的加速因子為

因此每年50天的戰備值班50次的高低溫交變循環折算到加速條件下需要進行50/9.91≈5次高低溫交變循環。

4）高溫高濕加速試驗

高溫高濕加速應力作用時間通過Peck加速模型推導。為了確保失效機理不改變，加速試驗高溫確定為70℃，相對濕度為90%。將參數D=1.5，代入式（9），計算得到：

如前所述，315天的庫房貯存環境需要315×24/141.50≈53h下的溫度 70℃，濕度 90%（343.15K，90%）下的老化反應來等效。

4.3 加速試驗環境譜的設計

綜上可得四個階段加速試驗環境譜設計信息見表3。

表3 彈載電子設備加速試驗環境譜設計信息

每個周期的加速試驗環境譜見圖3。

圖3 等效自然貯存環境1年的彈載電子設備加速試驗環境譜

5 結語

本文通過對彈載電子設備服役任務剖面、失效模式及貯存環境影響的分析，針對導彈庫房貯存、戰備值班等貯存環境譜的特點，將加速貯存試驗分為高溫老化、低溫冷凍、高低溫交變、高溫高濕四個階段，選取合適模型得到相應階段加速因子，折算得到對應階段高加速應力條件下的等效時間，綜合得到加速試驗環境譜。

彈載電子設備經過1個周期的加速試驗，可認為其在自然貯存環境中貯存1年，完成多個加速周期，并經過性能測試，飛行試驗等驗證檢測，可綜合預測設備的壽命。此外，針對加速試驗中激發暴露的薄弱環節進行分析研究，改進設計、工藝、材料等，可為同類裝備延壽工作、可靠性增長設計等提供有益的借鑒，具有較好的工程應用價值。