杜永龍，李 強(qiáng)，陳 侃，展學(xué)磊

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065）

0 引言

引信直列式爆炸序列一般采用沖擊片雷管作為初級(jí)火工品，爆炸序列不用隔爆機(jī)構(gòu)，初級(jí)火工品和其他傳爆組件直接對(duì)正。這種引信的安全系統(tǒng)采用電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此又稱為“電子安全系統(tǒng)”［1］。由于沖擊片雷管是一種窄脈沖、大電流的發(fā)火形式，因此，其起爆部件實(shí)際是一種高壓脈沖電路。由于直列式引信的安全系統(tǒng)和起爆部件均為全電子電路形式，為區(qū)別于機(jī)械安全起爆系統(tǒng)，本文將其稱為電子安全起爆系統(tǒng)。電子安全起爆系統(tǒng)能夠重復(fù)無(wú)損測(cè)試，通過(guò)統(tǒng)計(jì)研制階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行可靠性計(jì)算。

在可靠性計(jì)算方法上，傳統(tǒng)的機(jī)械安全起爆系統(tǒng)通常按照成敗型分析方法進(jìn)行可靠性計(jì)算［2］。電子安全起爆系統(tǒng)由于具有無(wú)損測(cè)試的特點(diǎn)，因此用成敗型分析方法不適合；但由于工作時(shí)間短，用無(wú)故障工作時(shí)間也不合適。因此，本文針對(duì)此問(wèn)題，提出次數(shù)折合時(shí)間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法。

1 電子安全起爆系統(tǒng)與常用可靠性計(jì)算模型

1.1 電子安全起爆系統(tǒng)工作特點(diǎn)

傳統(tǒng)引信的爆炸序列既有敏感火工品，也有鈍感火工品，安全系統(tǒng)負(fù)責(zé)將二者隔離并適時(shí)解除隔離。直列式爆炸序列中沒(méi)有敏感火工品，不需要隔離，或者理解為高能壁壘隔斷雜散能量通往爆炸序列的通道。電子安全起爆系統(tǒng)起爆直列式爆炸序列，其工作原理是：通過(guò)環(huán)境信息的識(shí)別和邏輯判斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)組合保險(xiǎn)件的控制，完成引信高壓電容充電，相當(dāng)于解除隔離。當(dāng)識(shí)別到預(yù)定目標(biāo)信號(hào)后觸發(fā)高壓開(kāi)關(guān)工作，高壓電容放電輸出起爆能量起爆沖擊片雷管。如果將沖擊片雷管分解，高能壁壘件劃入起爆部件，炸藥劃入爆炸序列，則電子安全起爆系統(tǒng)原理框圖可畫(huà)成圖1的形式。

圖1 直列式引信基本可靠性框圖Fig.1 The block diagram of ESAD reliability

電子安全起爆系統(tǒng)由電子電路部件組成，在試驗(yàn)過(guò)程中可以進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)：外加信號(hào)源模擬提供各種環(huán)境信息，通過(guò)監(jiān)測(cè)電路的性能參數(shù)判斷環(huán)境信息識(shí)別和邏輯判斷功能；通過(guò)示波器外加高壓探頭監(jiān)測(cè)高壓電容充電電壓幅值，判斷引信是否處于正常待發(fā)狀態(tài)；外界模擬給出目標(biāo)信號(hào)，通過(guò)監(jiān)測(cè)起爆輸出電流判斷其起爆可靠性。

1.2 指數(shù)分布和二項(xiàng)分布的可靠性計(jì)算模型

引信可靠性計(jì)算時(shí)按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特征可以分為成敗型可靠計(jì)算模型、指數(shù)壽命型可靠性計(jì)算模型、威布爾型可靠性計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)（應(yīng)力-強(qiáng)度型）可靠性計(jì)算模型。實(shí)踐數(shù)據(jù)證明，電子電路部件一般使用指數(shù)分布，一次性爆炸元件一般使用成敗型分布（服從超幾何分布，用二項(xiàng)分布近似）［3］。

使用二項(xiàng)分布計(jì)算可靠性時(shí)，往往以可靠度單側(cè)置信下限RL作為度量可靠性的參數(shù)。直列式引信爆炸序列可以按照這種方法進(jìn)行可靠性計(jì)算。具體方法是：統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)n、失敗數(shù)F，在置信水平γ下，參照GJB376-87《火工品可靠性評(píng)估方法》中提到的計(jì)算公式（3）、（4）進(jìn)行可靠度單側(cè)置信下限的計(jì)算［6］。

1.3 環(huán)境因子和環(huán)境系數(shù)

進(jìn)行可靠性計(jì)算時(shí)，由于各類試驗(yàn)條件不一致，必須將各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為引信實(shí)際工作環(huán)境下的等效試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也就是必須確定各類試驗(yàn)環(huán)境轉(zhuǎn)為實(shí)際工作環(huán)境的環(huán)境因子［3］。引信實(shí)際工作環(huán)境是飛行工作環(huán)境，飛行工作環(huán)境往往包括溫度、電磁、力學(xué)等綜合環(huán)境應(yīng)力，定義飛行工作環(huán)境的環(huán)境因子為1，其他試驗(yàn)的環(huán)境因子是試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)飛行環(huán)境的折合系數(shù)。試驗(yàn)環(huán)境包括實(shí)驗(yàn)室等地面良好環(huán)境、惡劣地面固定環(huán)境和劇烈地面移動(dòng)環(huán)境［7］。

GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》中定義了環(huán)境系數(shù)：不同環(huán)境類別的環(huán)境應(yīng)力（除溫度應(yīng)力外）對(duì)元器件失效率影響的調(diào)整系數(shù)［7］。從概念來(lái)看，環(huán)境系數(shù)是取地面良好環(huán)境為1，環(huán)境系數(shù)是各試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)地面良好環(huán)境的折合系數(shù)。而環(huán)境因子是取飛行環(huán)境為1，環(huán)境因子是各試驗(yàn)環(huán)境相對(duì)飛行工作環(huán)境的折合系數(shù)?？梢钥闯霏h(huán)境系數(shù)和環(huán)境因子本質(zhì)相同，表征形式有所區(qū)別。但是，環(huán)境系數(shù)是基于元器件的定義，環(huán)境因子是基于整機(jī)產(chǎn)品或單元部件的定義，二者不能等同處理。

通過(guò)環(huán)境因子可以將試驗(yàn)數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是目前還沒(méi)有一個(gè)具體的確定方法，使得通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性計(jì)算時(shí)存在困難。

2 次數(shù)折合時(shí)間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法

2.1 次數(shù)折合時(shí)間的可靠性計(jì)算方法原理

次數(shù)折合時(shí)間的可靠性計(jì)算方法原理主要是確定環(huán)境因子，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)；由于電子安全起爆系統(tǒng)工作時(shí)間短，采用等效工作次數(shù)代替等效工作時(shí)間作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性計(jì)算。

認(rèn)為間斷工作次數(shù)服從指數(shù)分布，定義MNBFL為平均故障間隔次數(shù)，Nμ為等效工作次數(shù)，建立以電子安全起爆系統(tǒng)工作次數(shù)為參數(shù)的指數(shù)分布模型：參照公式（1）和（2），以工作次數(shù)折合工作時(shí)間，得到電子安全起爆系統(tǒng)在有故障Z≠0 和無(wú)故障Z=0兩種情形的MNBFL計(jì)算公式（5）和（6），同時(shí)由MNBFL可以推導(dǎo)出飛行工作可靠度單側(cè)置信下限RL（飛行工作時(shí)工作1次），見(jiàn)公式（7）。

2.2 確定環(huán)境因子和工作時(shí)間

采用使用元器件中的最小環(huán)境因子作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子。具體方法是首先在GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》查到不同元器件的環(huán)境系數(shù)。其次從列表中用環(huán)境系數(shù)除以飛行工作環(huán)境的環(huán)境系數(shù)得到環(huán)境因子，分別得到不同元器件的地面良好環(huán)境的環(huán)境因子、惡劣地面固定環(huán)境的環(huán)境因子和劇烈地面移動(dòng)環(huán)境的環(huán)境因子。最后以所用元器件的最小環(huán)境因子作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子。

以電阻、二極管和電容構(gòu)成的整機(jī)舉例說(shuō)明。如表1所示，從GJB299C-2006中分別得到片式膜電阻、固體鉭電容和普通二極管三種元器件的環(huán)境系數(shù)，分別計(jì)算不同環(huán)境下的環(huán)境因子，取最小環(huán)境因子作為該環(huán)境下整機(jī)的環(huán)境因子。

表1 三種元器件構(gòu)成的整機(jī)在不同試驗(yàn)環(huán)境下的環(huán)境系數(shù)-環(huán)境因子列表Tab.1 Machine composed of three kinds of components under different test environments environmental factors-environmental factors list

由于環(huán)境因子是將試驗(yàn)數(shù)據(jù)等效轉(zhuǎn)換為飛行工作環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用元器件中的最小環(huán)境因子轉(zhuǎn)換后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是整機(jī)中的最弱情形下的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，顯然是一種保守等效方法。

工作時(shí)間是引信在試驗(yàn)環(huán)境中的無(wú)損檢測(cè)時(shí)間，將試驗(yàn)環(huán)境下的工作分類，其中實(shí)驗(yàn)室測(cè)試、聯(lián)試等歸類到地面良好環(huán)境工作；將高溫、低溫、溫度沖擊、高濕、霉菌、鹽霧、電磁等環(huán)境條件下的測(cè)試歸類為惡劣地面固定環(huán)境工作；將振動(dòng)、沖擊、加速度等環(huán)境條件下的測(cè)試劇烈地面移動(dòng)環(huán)境工作。統(tǒng)計(jì)各種試驗(yàn)環(huán)境下的無(wú)損檢測(cè)時(shí)間作為工作時(shí)間進(jìn)行收集。在得到某個(gè)試驗(yàn)環(huán)境的環(huán)境因子Ki后，統(tǒng)計(jì)到該環(huán)境下工作時(shí)間為ti時(shí)，等效工作時(shí)間轉(zhuǎn)換為Ki·ti，則累計(jì)等效工作時(shí)間為∑NiKiti（N 代表不同試驗(yàn)環(huán)境）。

2.3 次數(shù)折合時(shí)間的可靠性計(jì)算步驟

電子安全起爆系統(tǒng)屬于直列式引信的重要組成單元，實(shí)際工作時(shí)間短，特別是起爆部件屬于高壓脈沖功率單元，因此區(qū)別以往工作時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集方式，提出收集工作次數(shù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)次數(shù)計(jì)算電子安全起爆系統(tǒng)可靠性。具體步驟包括收集數(shù)據(jù)和折合計(jì)算。

1）數(shù)據(jù)收集。在試驗(yàn)時(shí)，引信按照任務(wù)流程進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試，電子安全起爆系統(tǒng)上電工作1次，即通過(guò)監(jiān)測(cè)電路性能判斷解保狀態(tài)、起爆輸出電流等技術(shù)指標(biāo)判斷其工作可靠性，如果滿足各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)，判定工作正常，即統(tǒng)計(jì)工作次數(shù)為1。

2）折合計(jì)算。以電子安全起爆系統(tǒng)按照任務(wù)流程上電工作完整時(shí)間為基準(zhǔn)，對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間折合為工作次數(shù)。定義折合工作次數(shù)為mj，則累計(jì)折合工作次數(shù)為Kjmj。將累計(jì)工作次數(shù)、故障次數(shù)和置信度代入公式（5）～（7），計(jì)算得到無(wú)故障和有故障兩種情形下的可靠度單側(cè)置信下限。

可以看出，次數(shù)折合時(shí)間的可靠性計(jì)算方法實(shí)際上是在以環(huán)境系數(shù)確定環(huán)境因子，將累計(jì)等效工作時(shí)間折合為累計(jì)等效工作次數(shù)，再按照類推的工作次數(shù)指數(shù)模型計(jì)算得到電子安全起爆系統(tǒng)的可靠度單側(cè)置信下限。

3 驗(yàn)證計(jì)算

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算

以一種直列式引信為例，按照次數(shù)折合時(shí)間的方法對(duì)電子安全起爆系統(tǒng)可靠性進(jìn)行計(jì)算。整個(gè)研制過(guò)程中，去掉爆炸序列的直列式引信即電子安全起爆系統(tǒng)，能夠進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，完成各項(xiàng)性能、環(huán)境、可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)和飛行工作試驗(yàn)。由于可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)條件苛刻，加載綜合環(huán)境應(yīng)力、試驗(yàn)環(huán)境與飛行工作環(huán)境近似，所以將可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)歸入飛行工作環(huán)境試驗(yàn)。

將實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試、車間聯(lián)試歸入地面良好環(huán)境試驗(yàn)，參照GJB299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，按照表1形式得到電子安全起爆系統(tǒng)所用元器件的所有環(huán)境因子。取元器件最小環(huán)境因子0.07作為電子安全起爆系統(tǒng)的環(huán)境因子；將環(huán)境試驗(yàn)中的氣候試驗(yàn)項(xiàng)目歸入惡劣地面固定環(huán)境試驗(yàn)，取所用元器件的最小環(huán)境因子0.2作為惡劣地面固定環(huán)境的環(huán)境因子；將環(huán)境試驗(yàn)中的力學(xué)試驗(yàn)項(xiàng)目歸入劇烈地面移動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)，取所用元器件的最小環(huán)境因子0.43作為劇烈地面移動(dòng)環(huán)境的環(huán)境因子。統(tǒng)計(jì)各試驗(yàn)環(huán)境的試驗(yàn)時(shí)間和數(shù)量，建立電子安全起爆系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集表（表2）。

表2 電子安全起爆系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集表Tab.2 The collection form of ESAD test data

3.2 可靠性計(jì)算比較

取置信度為0.8，通過(guò)累計(jì)折合時(shí)間，按照公式（6）計(jì)算得到電子安全起爆系統(tǒng)平均故障間隔次數(shù)MNBFL為429次，以飛行工作1次計(jì)算，按照公式（7）得到飛行工作可靠度置信下限RL為0.997 7。

如果將無(wú)故障工作次數(shù)增加1倍即累計(jì)折合次數(shù)增加1倍，計(jì)算得到飛行工作可靠度置信下限為0.998 8。比較可以看出，無(wú)故障工作次數(shù)增加，可靠性提高，證明方法有效。

4 結(jié)論

本文提出了次數(shù)折合時(shí)間的電子安全起爆系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法。以環(huán)境系數(shù)確定環(huán)境因子，將累計(jì)等效工作時(shí)間折合為累計(jì)等效工作次數(shù)，再按照類推的工作次數(shù)指數(shù)模型計(jì)算得到電子安全起爆系統(tǒng)的可靠度單側(cè)置信下限。如果將無(wú)故障工作次數(shù)增加1倍即累計(jì)折合次數(shù)增加1倍，計(jì)算得到飛行工作可靠度增大。通過(guò)比較可以看出，無(wú)故障工作次數(shù)增加，可靠性提高，證明方法有效。計(jì)算方法的充分性有待進(jìn)一步積累數(shù)據(jù)。

［1］張龍山.引信技術(shù)概論［Z］.西安：西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，2012.

［2］周平，牟洪剛，劉勇，等.機(jī)電引信串聯(lián)和并聯(lián)模型可靠性評(píng)估方法［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，31（6）：51-54.

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