導彈自然環境適應性綜合評價方法 *

劉艷，劉藝，陳江攀，張為雯，孫立敏，王冬

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

導彈具有長期貯存、一次使用特點，在發射飛行前通常要經歷長期的貯存、值班等過程。因此，導彈在經受長期自然環境的影響后，還需在惡劣的發射飛行環境中保證安全、可靠地執行任務。

在以往型號研制過程中，導彈雖然按照GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》開展了各項實驗室環境試驗，對發射飛行過程中的短時誘發環境以及主要自然環境因素極值的適應能力開展了較全面的驗證。但在導彈研制階段，貯存或值班過程中溫度、濕熱、鹽霧、太陽輻射等引發的長期緩變效應尚缺乏系統的驗證與評價。若引發的問題在交付部隊使用后暴露出來，可能導致任務失敗或導彈批次性返廠維修。同時，由于自然環境效應的緩變性，導致導彈的自然環境適應性在短期內無法全面評價。

因此，需要進一步關注自然環境影響的緩變效應，采用合理的綜合評價方法，在研制階段及時發現導彈自然環境適應性問題，采取改進措施，盡可能避免將自然環境適應性問題帶到服役階段。

1 自然環境適應性綜合評價流程

導彈環境適應性評價的目的就是評估在各種環境作用下是否能實現其預定功能和性能，以及是否受到了破壞。其中自然環境適應性評價工作內容是評估導彈的材料、工藝、結構以及內部設備等對貯存、值班過程自然環境中各種環境因素及其綜合的長期緩變效應的抵抗能力。

導彈裝備自然環境適應性綜合評價方法的思路是采用多種類型自然環境試驗以及自然環境適應性基礎數據相結合的方式進行驗證和評價[1]。通過充分利用各種信息，包括各級各類產品自然環境試驗信息與各種加速試驗信息，以及材料基礎數據、相似產品數據等，最終達到提高評價的時效性、全面性與客觀性的目的。

導彈自然環境適應性綜合評價流程如圖1所示。評價流程從型號研制初期環境剖面分析與驗證方案確定，到自然環境試驗實施，以及開展自然環境適應性綜合分析，需貫穿于型號研制階段。該評價方法可用于指導研制單位開展導彈自然環境適應性薄弱環節查找和自評價。同時，通過該流程獲取的評價結果以及相關試驗信息，也可作為導彈鑒定時自然環境適應性評定的依據。

圖1 導彈自然環境適應性綜合評價流程Fig.1 Evaluation process of missile’s natural environment adaptability

2 自然環境適應性評價基礎數據來源

導彈產品自然環境適應性評價所需的基礎數據主要包括：材料環境適應性信息、典型區域環境數據、相似型號研制階段自然環境試驗數據和實驗室環境試驗數據、相似型號服役使用階段所產生的信息。

3 導彈自然環境適應性試驗

導彈主要由彈內部的設備和導彈艙體結構組成，地(艦)空導彈還有貯運發射筒(箱)對導彈形成防護。在開展自然環境適應性評價時，一般可以將彈上產品分為2部分：一部分是可能暴露在外部經受各種戶外自然環境因素影響的導彈外部材料、結構件;另一部分是彈內部設備，不管是發射前一直處于筒(箱)內的導彈，還是使用時處于裸彈狀態的導彈，由于其內部設備可受到密封艙體或筒(箱)的保護，影響彈上設備的主要自然環境因素主要為長期貯存過程中的緩變溫度環境。因此對導彈的自然環境效應驗證可分為戶外自然環境效應驗證和庫房貯存環境效應驗證兩部分內容[2-4]。

3.1 戶外自然環境效應驗證

3.1.1 自然環境試驗(大氣暴露試驗)

自然環境試驗(大氣暴露試驗)是將試驗樣品長期暴露于實際的自然大氣環境中，確定自然環境各種因素綜合作用對其影響的試驗。在確定具體試驗方案時，應根據導彈可能部署的典型氣候區域選取相應的試驗場站開展試驗，針對具體彈上材料、器件開展試驗時，還需根據材料、器件的敏感環境因素進一步明確試驗地點。

圖2 材料試件自然環境試驗Fig.2 Photos of natural environment test of material specimen

自然環境試驗最為真實，但自然環境試驗的時間相對較長，因此在裝備研制過程中應盡早地利用自然環境試驗積累的數據，安排開展自然環境試驗。

3.1.2 自然環境加速模擬試驗

自然環境試驗具有真實、可靠的優點，其試驗結果能夠比較真實地反映材料及其構件、產品在自然環境中的性能老化，在篩選、考核、評價裝備、材料及工藝的環境適應性方面發揮了十分重要且不可替代的作用。但由于自然環境試驗存在試驗周期較長，往往難以滿足材料研制、試驗、生產、應用和評價工作的要求，因此需要采用加速模擬的方式，盡快獲取試驗結果，從而快速暴露產品薄弱環節/缺陷、快速篩選工藝或采取防護技術等。

(1) 實驗室模擬加速試驗

實驗室模擬加速試驗是指在實驗室內模擬裝備的實際可能要經歷的自然環境條件，主要是利用加速模型及環境效應當量折算等方法，在實驗室采用循環組合環境模擬實現對材料、防護工藝等環境適應性的快速評價[5-6]。某型號導彈外部材料的實驗室加速模擬試驗剖面示例見圖3，通過提升環境應力量值，并利用一系列當量折算方法，最后用3個循環(總實施時間約3個月)的實驗室加速模擬試驗，對3年的累計戶外自然環境暴露進行了模擬。由于實際環境中影響產品環境適應性和可靠性的因素復雜，模擬環境與真實使用環境有時并不一致，所以需要與其他技術結合運用，比如與自然環境試驗結果進行對比分析，調整加速模型參數，以提高實驗室評價結果的可信性。實驗室模擬加速試驗可快速暴露產品薄弱環節/缺陷，適用于材料、工藝的篩選，以及材料、工藝自然環境適應性的快速評價。

圖3 某型導彈材料實驗室加速模擬剖面Fig.3 Laboratory acceleration simulation section of a missile material

(2) 自然環境加速試驗

實驗室模擬環境試驗雖具有試驗周期短、重現性好的優點，但可能存在與實際失效模式和規律不完全吻合，不能反映真實環境中的失效規律的缺點。自然環境加速試驗方法是在自然環境條件下，通過適當強化某些環境因子，加速裝備或材料性能劣化的試驗方法。它綜合了自然環境試驗和實驗室模擬環境試驗的優點，具有真實、可靠和試驗周期短的特點。

目前，在大氣環境試驗研究基礎上，國內外大力開展了自然環境加速試驗技術研究，研發了各類自然環境加速試驗設備及方法[4-7]。目前國內主要的幾種自然環境加速試驗見表1。

表1 自然環境加速試驗類型及適用對象Table 1 Types and applicable objects of acceleration test in natural environment

以其中的黑箱暴露試驗為例[8]，在黑箱作用下增加了太陽熱量吸收，使熱量聚集在試樣表面。從圖4中的變化曲線來看，黑箱夏季在太陽輻射作用下，內部溫度會遠遠高于大氣環境溫度，最高為戶外大氣溫度的2.1倍，達到67.8 ℃左右。

圖4 萬寧夏季黑箱與戶外大氣24 h環境溫度變化曲線Fig.4 24 h ambient temperature change curve between black box and outdoor atmosphere in summer of Wanning

通過硅橡膠B547黑箱加速和自然暴露試驗數據的對比情況(圖5)，可以看出材料相關性能變化隨時間都呈現出波動變化特點，總體趨勢基本一致，以對應峰值出現的時間點來看，加速倍率在2倍左右。因此，累積一定數據后，通過對比自然環境加速試驗與自然環境試驗結果，確定了2種試驗趨勢一致性，試件性能的可加速性和自然環境加速試驗的加速倍率后，可以通過自然環境加速試驗在相對短的時間內對實際自然環境下相應周期的環境適應情況進行預估。

圖5 硅橡膠B547拉伸強度保留率兩種試驗結果對比Fig.5 Comparison of two kinds of test results of tensile strength retention of silicone rubber B547

3.2 庫房貯存環境效應驗證

3.2.1 庫房貯存環境試驗

庫房貯存試驗是針對導彈在壽命周期內長期庫房貯存環境開展的實際庫房貯存模擬試驗，用于模擬導彈或彈上產品交付部隊后在各類典型區域環境中長期貯存過程，暴露其在貯存環境條件下的缺陷和薄弱環節，獲取導彈貯存環境效應及失效機理。

在型號研制初期，一般針對貯存薄弱環節開展庫房貯存環境試驗。貯存薄弱環節是指經過長期貯存可能發生性能退化的設備、組合或組件。對于導彈內部的彈上設備，在實施庫房貯存環境試驗時，若不隨整彈開展試驗，需要對產品進行適當防護，盡可能模擬實際貯存狀態，以避免出現與實際使用不符的失效模式。

在型號技術狀態基本確定，且針對研制階段暴露出的各種環境適應性薄弱環節采取了改進措施后，可以考慮開展整彈庫房貯存環境試驗，對導彈庫房貯存環境適應性進行全面驗證與評價。

3.2.2 庫房貯存環境加速試驗

彈上設備或所屬組合、組件的庫房貯存環境加速試驗，一般針對庫房貯存環境中的主要環境因素，即溫度應力，采用溫度應力下的加速退化試驗。加速退化試驗是在失效機理不變的基礎上，通過尋找產品性能參數與應力之間的關系，利用產品在高應力水平下的性能退化數據外推正常應力水平下的退化情況。通過庫房貯存環境加速試驗，可以快速評估彈上設備是否滿足長期庫房貯存環境適應性要求，同時也可通過試驗，快速暴露出設備可能存在的問題。

基于加速退化試驗的庫房環境，加速試驗方法一般包括3部分內容：①加速試驗前的失效模式和失效機理分析，開展摸底試驗，驗證性能參數的可加速性以及確定失效機理不變的加速應力邊界；優化試驗設計；②實施加速試驗，獲取加速退化數據；③加速退化數據的分析建模及統計推斷，同時可通過與自然環境試驗結果對比對模型進行相應修正。

4 導彈自然環境適應性綜合分析

4.1 導彈自然環境適應性綜合分析要點

導彈自然環境適應性分析可以分為2部分。①結合標準、規范，依據自然環境適應性設計準則對設計措施的實現情況進行定性核查，可在方案或設計階段開展自然環境適應性初步評價時采用。②根據導彈各級產品各類自然環境適應性試驗實施結果，并參考相似產品各類試驗與使用情況，通過自然環境綜合分析表的形式，對自然環境適應性問題進行匯總分析與影響分析，實現導彈自然環境適應性的綜合分析與評價[12]。

開展自然環境適應性綜合分析的工作要點有：

(1) 依據自然環境適應性設計準則對環境適應性設計措施的實現情況進行核查；

(2) 收集導彈各類自然環境試驗的結果和相應故障信息，分析排除與環境無關的故障，檢查環境適應性設計措施，或采取的環境防護等措施的有效性。

(3) 收集相似型號研制試驗或實際使用過程的自然環境適應性信息；

(4) 填寫自然環境適應性綜合分析表，對導彈各層級產品以及相似產品出現的問題進行梳理與匯總，并分析各層次產品自然環境適應性問題對導彈系統產生的影響，同時通過迭代分析，判斷自然環境適應性設計或防護措施是否滿足要求。

4.2 導彈系統級自然環境適應性綜合分析

在導彈自然環境適應性綜合評價工作中，為了對各層次產品各類信息進行匯總分析，引入故障模式影響及危害性分析和風險評價的思想。從產品維度展開分析，對各級產品試驗結果或基礎數據進行全面梳理，重點將所有暴露的問題匯總到自然環境適應性綜合分析表中(示例見表2)，逐一分析明確每層級產品存在的問題對導彈系統可能產生的影響。通過分析影響的嚴重程度和發生的可能性，確定環境適應性風險評價指數(見表3)，最終形成導彈系統自然環境綜合分析結果。

表2 導彈系統級自然環境適應性綜合分析表(示例)Table 2 Comprehensive evaluation table of missile system and adaptability to natural environment (format of the sample)

表3 環境適應性風險評價指數Table 3 Environmental adaptability risk assessment index

其中，針對風險指數1～9的條目為不滿足要求條目，需采取措施將風險指數降低至可接受范圍；風險指數為10～17的條目應對其采取措施的有效性和驗證情況進行審查確認；風險指數在18～20為不需審查即可接受。

在型號定型前，應通過采取設計改進措施、防護措施或使用補償措施(如年/月/日維護、定檢、標校)等，將所有的風險降低到可接受水平。最終，導彈系統級自然環境適應性綜合分析表以及對應的支撐材料(試驗報告、相似型號數據等)，應通過行業專家、可靠性與環境工程專業專家進行審查確認。

5 結束語

本文提供了一套針對導彈長期自然環境效應的綜合評價方法，給出從驗證方案制定到綜合分析評價的實施流程，同時明確了導彈不同類型產品適用的自然環境適應性驗證方法。基于故障模式影響分析的思路，提出利用各類試驗結果、基礎數據開展導彈系統級自然環境適應性綜合分析的方法，可實現導彈各級產品自然環境適應性問題的系統梳理，通過對最終影響的風險分析與排序，可以支撐戰術導彈自然環境適應性分析與設計措施制定與落實，并為導彈自然環境適應性自評價與鑒定評價提供支撐。