炮射導彈系統的故障樹分析

夏 禹，趙河明*，張鴻濤，楊 煜，李少卿

(1.中北大學機電工程學院，太原 030051;2.北方華安工業集團有限公司，齊齊哈爾 161046)

炮射導彈作為一種新型的攻擊手段，具有射程遠、命中精度高、殺傷威力大等優點，有著廣闊的應用前景[1]。為避免炮射導彈在研制、生產、儲存、使用過程中出現的各種失效、安全風險甚至重大事故，炮射導彈自身設計的可靠性和在出現故障時如何快速找清故障源、制訂故障解決方案、實現故障歸零是非常重要的。同時，炮射導彈由于具有體積小、結構復雜、長期貯存的特點[2]，發生故障的模式多種多樣且不易解決。

國外對于炮射導彈項目已有不少研究，美國在20世紀90年代初開始了包含炮射導彈的“末端制導發射后不管靈巧彈藥”即STAFF項目，后又在2005年開始了包含炮射導彈的“緊湊型動能導彈項目”即CKEM項目，然而這兩個項目由于炮射導彈自身特點，特別容易出故障導致命中率較低，并沒有取得突破性的成果。俄羅斯自蘇聯時代就開始研究炮射導彈，已有9M117“堡壘”和9M119“映射”兩大的類型炮射導彈，然而在2020年8月24日的“軍隊-2020”軍演中，發射的7枚9M119M炮射導彈竟然脫靶6枚[3]。目前，中國對炮射導彈的研究尚處在起步階段。郭澤旭[4]對炮射導彈有了初步設想和總體設計；羅建華[2]更進一步研究了高過載下的炮射導彈的模擬試驗技術。之后，代浩[1]研究了炮射導彈的性能和通用質量特性；王曉[5]研究了其可靠性,維修性和保障性(reliability,maintainability and supportability，RMS )綜合權衡技術。這些研究尚處于理論研究階段，并沒有具體結合炮射導彈實際運輸、試射中出現的一系列故障。結合炮射導彈系統自身特點，考慮到美俄在炮射導彈研究工作及使用過程中經歷過的較低可靠性的問題，通過故障樹分析法，分析炮射導彈各個階段出現的各種故障，通過構造故障樹并進行定性定量分析，建立一種高效的炮射導彈故障快速診斷解決方法，這對提高導彈系統可靠性、縮小軍費開支、維護人員以及設備安全具有重要意義。

1 炮射導彈系統組成及工作原理分析

1.1 炮射導彈系統基本組成

炮射導彈系統為分裝式結構，由藥筒組件和導彈兩部分組成[5]。炮射導彈系統具體組成如圖1所示。

圖1 炮射導彈組成框圖Fig.1 Block diagram of gun-launched missile

1.2 炮射導彈系統的工作原理

炮射導彈在發射時撞針會在彈簧的作用下撞擊底火，此時撞桿由于受到高壓燃氣推力的作用，會向前運動并和推桿發生撞擊，銜鐵和銷子的連接將會被推桿給切斷，銜鐵就會被帶著運動，此時感應器將會產生兩個電脈沖信號，然后將這兩個脈沖信號傳送給導彈的電點火裝置和熱電池，熱電池進入工作狀態激活陀螺儀，陀螺儀開始工作[4]。

導彈在飛離發射炮口后拋掉彈托，同時頂桿開關閉合，接通導彈的電路系統，熱電池輸送電壓，指示/追蹤燈、發動機和氣道點火具啟動，同時檢測激光的接收機與地面連接；導彈飛出發射炮口后彈托脫落的同時彈翼張開并固定在彈體上：電路系統的接通延時電路后到延時時間到后點燃彈翼的電點火具，彈翼點火后產生燃氣壓力，驅使彈翼在彈簧力作用下頂開護板并處于展開狀態且鎖定，展開的翼片將控制導彈的穩定飛行。導彈飛離發射炮口一段時間后，戰斗部的引信起作用。導彈命中目標，導彈頭部觸點閉合產生的電脈沖引爆戰斗部以攻擊裝甲裝備，在引爆戰斗部的同時摧毀主裝甲。圖2所示為炮射導彈的作戰過程。

圖2 炮射導彈作用過程示意圖Fig.2 Working process schematic of gun-launched missile

2 炮射導彈系統故障樹構造

故障樹分析(fault tree analysis,FTA)，是系統安全工程中的重要分析方法之一[6]。故障樹常用邏輯樹圖來表示事故或故障事件發生的原因以及邏輯關系，并且用倒立邏輯因果來建立樹狀關系圖來描述每一層故障發生的原因。頂事件即研發和使用人員最關心的故障事件的最外在體現即故障模式，底事件為故障模式產生的最根本原因[7]。

通過對炮射導彈系統的組成和工作原理的分析，收集該產品在儲存、使用等過程曾出現的失效現象和同類產品發生過的質量問題[8]，按工作階段將炮射導彈故障樹分為：①炮射導彈發射周期前爆炸故障樹，頂事件用T1表示；②膛炸故障樹，頂事件用T2表示；③留膛故障樹，頂事件用T3表示；④安全距離內彈道炸故障樹，頂事件用T4表示；⑤安全距離外彈道炸故障樹，頂事件用T5表示；⑥彈道失控故障樹，頂事件用T6表示；⑦瞎火故障樹，頂事件用T7表示。各故障樹結構如圖3～圖9所示。

3 炮射導彈系統故障樹分析

3.1 定性分析

在列出了炮射導彈系統7個主要故障模式為頂事件的故障樹后，通過對故障樹的定性分析，找出所有導致頂事件發生的最小割集。假如有m個底事件X1，X2,…,Xm,存在于子集A中，集合A發生，則頂事件T必發生，則集合A必在故障樹的割集之內[9]。通過對炮射導彈各故障模式的故障樹分析可知：

T1為發射周期前爆炸；A1為發射系統意外發火；B1為戰斗部意外爆炸；C1為感應部件意外輸出電脈沖；D1為前置戰斗部意外爆炸；E1為主戰斗部意外爆炸；X1為底火意外發火；X2為點火具意外發火；X3為發射藥意外發火；X4為漏裝切斷銷；X5為切斷銷斷 ；X6為漏裝卡滯環；X7為前置引信意外發火；X8為前置戰斗部自炸；X9為主引信意外發火 ；X10為主戰斗部自炸圖3 炮射導彈發射周期前故障樹Fig.3 Fault tree before firing cycle of gun-launched missile

T2為膛炸；A2為導彈爆炸；B2為導彈在膛內爆炸；C2為導彈未出膛；D2為戰斗部爆炸；E2為戰斗部裝藥存在質量問題；F2為發射系統未正常作用；X11為火炮發射系統存在致命隱患；X12為發射膛壓過高；X13為頂桿開關短路；X14為發動機在膛內爆炸；X15為膛內有異物；X16為彈體外徑尺寸超上限；X17為藥筒有裂紋；X18為主引信提前作用；X19為戰斗部裝藥有底隙；X20為藥柱有裂紋；X21為點火具未正常作用；X22為點火具引線斷；X23為發射藥未正常作用圖4 炮射導彈膛炸故障樹Fig.4 Fault tree for chamber blast of gun-launched missile

T3為留膛；A3為導彈發射系統故障；B3為感應部件故障；C3為無電脈沖輸出；D3為輸出電壓不足；E3為保險銷未切斷；F3為磁場強度不足；G3為撞桿運動不到位；X24為火炮激發系統故障；X25為底火不發火；X26為發射點火具失效；X27為發射藥失效；X28為線圈斷；X29為銜鐵卡滯；X30為線圈短路；X31為切斷銷材料硬度高；X32為磁環有裂紋；X33為磁環磁性不足；X34為撞桿限位角度不對；X35為撞桿同軸度不合格；X36為套管的限位角不對；X37為密封圈失效圖5 炮射導彈留膛故障樹Fig.5 Fault tree for remaining chamber of gun-launched missile

T4為安全距離內彈道炸；A4為戰斗部爆炸；B4為戰斗部提前作用；X38為發動機爆炸；X39為提前充電；X40為內外罩提前閉合；X41為主戰斗部自炸；X42為主引信炮口炸；X43為前置戰斗部自炸；X44為前置引信炮口炸圖6 炮射導彈安全距離內彈道炸故障樹Fig.6 Fault tree for internal ballistics explosion at safe distance of gun-launched missile

(1)對于頂事件T1，最小割集為{X1},{X2},{X3},{X4},{X5},{X6},{X7},{X8},{X9},{X10}。

(2)對于頂事件T2，最小割集為{X11},{X12},{X13},{X14,X15},{X14,X16},{X14,X17},{X14,X21},{X14,X22},{X14,X23},{X18,X19,X15},{X18,X19,X16},{X18,X19,X17},{X18,X19,X21},{X18,X19,X22},{X18,X19,X23},{X18,X20,X15},{X18,X20,X16},{X18,X20,X17},{X18,X20,X21},{X18,X20,X22},{X28,X20,X23}。

T5為安全距離外彈道炸；A5為前置戰斗部炸；B5為主戰斗部炸；C5為延時器誤動作；X45為發動機爆炸；X46為內外罩意外閉合；X47為氣動點火具正電源線碰觸內罩；X48為導彈碰障礙物；X49為前置引信提前作用；X50為延時器未接地；X51為主引信提前作用；X52為主戰斗部插針碰地；X53為延時器地線斷；X54為電極電壓變負圖7 炮射導彈安全距離外彈道炸故障樹Fig.7 Fault tree for internal ballistics explosion outside safe distance of gun-launched missile

T6為彈道失控；A6為信息場發生故障；B6為導彈沒有進入信息場；C6為彈體發生異常；D6為導彈發動機工作出現異常；E6為導彈翼片在飛行中脫落；F6為彈托未脫開；G6為導彈控制系統工作異常；H6為電池工作異常；I6為儀器艙工作異常；J6為信號傳輸故障；X55為制導儀故障；X56為射手操作失誤；X57為膛線磨損過大；X58為預置射角錯誤；X59為火炮擺動量過大；X60為沙塵遮擋信息場；X61為導彈初速不正常；X62為發動機瞎火；X63為發動機熄火；X64為翼片斷裂；X65為彈翼軸斷裂；X66為彈簧斷裂；X67為彈體各艙段連接強度低；X68為節流閥孔堵塞；X69為螺釘未剪斷；X70為彈托活塞未脫離；X71為兩彈簧斷；X72為舵機失效；X73為頂桿的開關未閉合；X74為電池輸出異常；X75為電池激活線路斷；X76為激光接收機失效；X77為電子裝置失效；X78為氣動開關未動作；X79為陀螺失效；X80為放大器失效；X81為發動機信號傳輸故障；X82為舵機艙與戰斗艙接插不可靠圖8 炮射導彈彈道失控故障樹Fig.8 Fault tree for ballistic runaway of gun-launched missile

(3)對于頂事件T3，最小割集為{X24},{X25},{X26},{X27},{X28},{X29},{X30},{X31},{X32},{X33},{X34},{X35},{X36},{X37}。

(4)對于頂事件T4，最小割集為{X38},{X39},{X40},{X41},{X42},{X43},{X44}。

(5)對于頂事件T5，最小割集為{X45},{X46},{X47},{X48},{X49},{X50},{X51},{X52},{X53},{X54}。

(6)對于頂事件T6，最小割集為{X55},{X56},{X57},{X58},{X59},{X60},{X61},{X62},{X63},{X64},{X65},{X66},{X67},{X68},{X69},{X70},{X71},{X72},{X73},{X74},{X75},{X76},{X77},{X78},{X79},{X80},{X81},{X82}。

(7)對于頂事件T7，最小割集為{X83},{X84},{X85},{X86},{X87},{X88},{X89},{X90},{X91}。

T7為瞎火；A7為觸發線路不通；X83為前置引信未作用；X84為電子延時器不工作；X85為主引信未作用；X86為主戰斗部插針芯斷；X87為主戰斗部插針與舵機接插不良；X88為發動機插座部件的二極管斷路接反、不合格；X89為內罩接線斷；X90為內外罩未閉合；X91為電阻短路圖9 炮射導彈瞎火故障樹Fig.9 Fault tree for blind fire of gun-launched missile

3.2 定量計算

3.2.1 底事件發生概率

炮射導彈發射周期前、發射周期、導彈飛行過程以及作用過程中各底事件如火工品失效或提前生效、零件作用失效、零件配合失效、人因失效、環境失效、引信失效或提前生效和其他失效底事件發生概率參考GJB/Z 179—2015(GJB/Z 212—2002)《引信故障樹底事件數據手冊》的基本數據，各底事件發生概率如表1所示。其他尚未有發生概率標準的底事件概率由炮射導彈項目研制組專家討論給出。

3.2.2 頂事件發生的概率

假如故障樹具有n個最小割集K1,K2,…,Kn，若該故障樹每一個底事件都相互獨立，且最小割集彼此不相交。那么該故障樹頂事件發生的概率為

(1)

式(1)中：Fi(t)為底事件在t時刻的發生概率。各頂事件發生概率如表1所示。

3.2.3 概率重要度

概率重要度指某底事件概率的變化對頂事件概率的影響程度，其計算公式[10]為

表1 頂事件及各底事件概率、關鍵重要度及失效因素綜合權重Table 1 Combined weights of top and bottom events probability,critical importance and failure factors

(2)

式(2)中:g[F(t)]為頂事件在t時刻故障的概率。

由于T1、T3、T4、T5、T6、T7故障樹均為或門結構，所以其中的各底事件概率重要度為

IP(Xm)=1,m∈[1,10]∪[24,91],m為整數。

對于膛炸T2故障樹，根據公式可得：

IP(X11)=IP(X12)=IP(X13)=1;IP(X14)=0.007 0;

IP(X19)=IP(X20)=1.42×10-9;IP(X18)=8.25×10-8;

IP(X15)=IP(X16)=IP(X17)=IP(X21)=IP(X22)=IP(X23)=8.03×106。

3.2.4 關鍵重要度

關鍵重要度指底事件故障概率的變化率所導致頂事件故障的變化率，其的計算公式[11]為

(3)

各底事件的關鍵重要度如表1所示。

3.2.5 失效因素權重

依據重要因素篩選原則，建立重要因素篩選層次結構[12]。為準確反映各因素影響程度，成立專家組對層次結構中各因素進行打分，經處理層次結構權重的打分結果如表2所示。

表2 炮射導彈層次結構權重Table 2 Weight of hierarchical structure of gun-launched missile

以此組織專家組對失效因素打分，并算出失效因素綜合權重如表2所示。

3.2.6 炮射導彈系統可靠度

由7個頂事件發生概率相加，即可算出炮射導彈總故障率為

故炮射導彈總可靠度為0.965 26。

3.3 重點控制底事件

根據炮射導彈各失效底事件的發生概率、關鍵重要度、專家評價失效因素綜合總權重結果以及控制可行性，參考曾經發生過的失效事件，確定重點控制底事件[13]：漏裝切斷銷X4、漏裝卡滯環X6、發射膛壓過高X12、頂桿開關短路X13、膛內有異物X15、線圈斷X28、銜鐵卡滯X29、線圈短路X30、切斷銷材料硬度高X31、磁環有裂紋X32、磁環磁性不足X33、撞桿限位角度不對X34、撞桿同軸度不合格X35、套管的限位角不對X36、密封圈失效X37、氣動點火具正電源線碰觸內罩X47、延時器未接地X50、翼片斷裂X64、彈簧斷裂X66、彈體各艙段連接強度低X67、節流閥孔堵塞X68、螺釘未剪斷X69、兩彈簧斷X71、頂桿的開關未閉合X73、氣動開關未動作X78、舵機艙與戰斗艙接插不可靠X82。

4 結論

建立了炮射導彈系統完整的故障樹，找出各頂事件發生時的最小割集，依據國軍標以及專家預估出各底事件概率，以此計算頂事件概率，并算出各底事件的概率重要度和關鍵重要度，并以專家打分形式建立失效因素綜合總權重，為各底事件失效帶來的影響提供參考，依據各計算結果，確定炮射導彈系統可靠度和需要重點控制的底事件。同時，能減少故障診斷時的不必要操作，簡化了維修步驟，可為同類別其他系統的設計提供參考。