楊華，解龍，封雷，強(qiáng)鵬，杜武斌

（中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與分析

環(huán)境應(yīng)力篩選在反坦克導(dǎo)彈及火箭彈中的應(yīng)用

楊華，解龍，封雷，強(qiáng)鵬，杜武斌

（中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

目的 針對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和反坦克導(dǎo)彈及火箭彈武器裝備，提出新的環(huán)境應(yīng)力篩選條件，用于剔除裝備的早期故障。方法 結(jié)合反坦克導(dǎo)彈及火箭彈武器裝備的特點(diǎn)，對(duì)GJB 1032進(jìn)行科學(xué)裁剪，分別制定出反坦克及火箭彈的不同層次產(chǎn)品的環(huán)境應(yīng)力篩選條件。結(jié)果 通過(guò)分析試驗(yàn)驗(yàn)證，反坦克導(dǎo)彈及火箭彈實(shí)施環(huán)境應(yīng)力篩選能夠激發(fā)出產(chǎn)品的早期故障。結(jié)論 環(huán)境應(yīng)力篩選方案在某型反坦克武器及火箭彈武器裝備中得到了成功應(yīng)用。

環(huán)境應(yīng)力篩選；反坦克導(dǎo)彈；早期故障；應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)

隨著武器裝備對(duì)可靠性的要求不斷提高以及裝備的組成日趨復(fù)雜，武器裝備的價(jià)格不斷上漲，試驗(yàn)費(fèi)用越來(lái)越高。這就要求減少試驗(yàn)次數(shù)，來(lái)降低試驗(yàn)費(fèi)用，但是武器裝備的可靠性要求高，如果試驗(yàn)次數(shù)減少，發(fā)現(xiàn)故障的機(jī)率就會(huì)降低，這就造成了武器的高可靠性與低成本的矛盾，如何解決這一矛盾，是研制人員急需解決的問(wèn)題[1]。

近年來(lái)，環(huán)境應(yīng)力篩選在電子產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[2]。以環(huán)境應(yīng)力篩選為核心的可靠性試驗(yàn)?zāi)軌虮ＷC在早期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的故障，通過(guò)改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，縮短研制生產(chǎn)周期，顯著提高研制產(chǎn)品的固有可靠性，保證交付產(chǎn)品的質(zhì)量[3]，并使武器裝備的研制費(fèi)用大大降低[4]。

1 遇到的問(wèn)題

在1984—1986年間，美國(guó)先后制訂出了兩個(gè)軍用標(biāo)準(zhǔn)，其中MIL-STD-2164《電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選方法》[5]于 1984年頒布，另一個(gè)是《DOD-HDBK-344電子設(shè)備環(huán)境應(yīng)力篩選》[6]，于1986年頒布。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為常規(guī)環(huán)境應(yīng)力篩選和定量環(huán)境應(yīng)力篩選的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)[7]。

我國(guó)在1990—1993年間相繼制定了兩個(gè)國(guó)軍標(biāo)，分別為 GJB 1032—1990《電子產(chǎn)品環(huán)境應(yīng)力篩選方法》和 GJB/Z 34—1993《電子產(chǎn)品定量環(huán)境應(yīng)力篩選指南》[8—9]。由于篩選條件要根據(jù)產(chǎn)品的缺陷率和所施加應(yīng)力的篩選度等來(lái)確定，然而產(chǎn)品缺陷率是一個(gè)估計(jì)值，同時(shí)隨著大規(guī)模集成電路以及新研模塊在產(chǎn)品上的大量使用，缺陷率估計(jì)值可信性卻越來(lái)越低，再加之GJB/Z 34只限于純電子產(chǎn)品，所以在武備研制和生產(chǎn)實(shí)際中很少按GJB/Z 34進(jìn)行定量篩選。相反，GJB 1032在裝備研制與生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，為激發(fā)產(chǎn)品的早期故障提供了有效手段，在保證裝備的質(zhì)量與可靠性方面發(fā)揮了主要作用。隨著武器裝備平臺(tái)的多樣性，以及武器自身的復(fù)雜性，大家普遍認(rèn)為 GJB 1032中的一些條件過(guò)于死板，嚴(yán)格按該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選時(shí)，往往達(dá)不到應(yīng)有的目的。

環(huán)境應(yīng)力篩選的篩選效果主要取決于施加的環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力水平和檢測(cè)儀表的能力。施加應(yīng)力的大小決定了能否將潛在缺陷激發(fā)為故障，檢測(cè)能力決定了能否將已被應(yīng)力加速變成故障的潛在缺陷找到并予以準(zhǔn)確排除。有些人對(duì)于環(huán)境應(yīng)力篩選的目的認(rèn)識(shí)存在模糊之處，這種認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)主要集中在強(qiáng)調(diào)環(huán)境應(yīng)力篩選是要模擬實(shí)際使用環(huán)境，其概念仍停留在環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的范疇。因此有必要明確環(huán)境應(yīng)力篩選的主要目的是為提高產(chǎn)品的可靠性而做的環(huán)境應(yīng)力激發(fā)試驗(yàn)（工藝），不屬于環(huán)境模擬試驗(yàn)，但武器裝備的環(huán)境應(yīng)力篩選具有四大特性，即工藝性、非通用性、加速性和動(dòng)態(tài)性。這樣使用GJB 1032就出現(xiàn)以下問(wèn)題：規(guī)定只針對(duì)武器系統(tǒng)中的純電子產(chǎn)品；規(guī)定的篩選條件是確定的，對(duì)任何產(chǎn)品都一樣；規(guī)定的每個(gè)溫度循環(huán)的時(shí)間是一定的；規(guī)定的溫度循環(huán)高低溫保持時(shí)間是一定的；規(guī)定溫度變化速率是一定的；規(guī)定溫度循環(huán)數(shù)是一定的；規(guī)定振動(dòng)應(yīng)力是一定的。

針對(duì)上述問(wèn)題要在特定的武器系統(tǒng)中進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選不能剔除產(chǎn)品的早期故障，以及可能出現(xiàn)對(duì)某些產(chǎn)品的壽命損傷，對(duì)另一些產(chǎn)品又激發(fā)不出產(chǎn)品的故障，達(dá)不到環(huán)境應(yīng)力篩選的目的。因此必須根據(jù)產(chǎn)品的使用特點(diǎn)和武器裝備環(huán)境應(yīng)力篩選的四大特性來(lái)確定武器系統(tǒng)的環(huán)境應(yīng)力篩選條件。

2 制定環(huán)境應(yīng)力篩選條件

環(huán)境應(yīng)力篩選的有效性是指其激發(fā)潛在缺陷成為可檢測(cè)出的故障，以便對(duì)缺陷實(shí)施改進(jìn)措施的技術(shù)[10]。一個(gè)有效的環(huán)境應(yīng)力篩選應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：能夠很快析出潛在缺陷，包括能析出適當(dāng)數(shù)量的固有缺陷；不能引起不適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)故障，誘發(fā)附加的故障，過(guò)多損傷受篩產(chǎn)品的壽命；不應(yīng)對(duì)制造過(guò)程控制帶來(lái)限制。

制定一個(gè)有效的環(huán)境應(yīng)力篩選條件需要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行有關(guān)的研究。例如一開(kāi)始就應(yīng)對(duì)每一組裝等級(jí)的受篩產(chǎn)品進(jìn)行研究，對(duì)每一個(gè)篩選條件進(jìn)行認(rèn)真設(shè)計(jì)，利用經(jīng)驗(yàn)信息對(duì)產(chǎn)品中可能的缺陷數(shù)，和與某一篩選目標(biāo)相適應(yīng)的缺陷析出數(shù)進(jìn)行估計(jì)，研究出受篩選的響應(yīng)特性，制訂功能測(cè)試方案等。選用經(jīng)證明能夠有效地析出估計(jì)中存在的潛在缺陷的應(yīng)力類(lèi)型和量值，確定一個(gè)能改善受篩產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì)對(duì)受篩產(chǎn)品性能與壽命產(chǎn)生損害的環(huán)境應(yīng)力篩選條件。

根據(jù)上述環(huán)境應(yīng)力篩選的特性和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)采用溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)兩種試驗(yàn)進(jìn)行篩選，溫度循環(huán)的參數(shù)選擇為產(chǎn)品的工作溫度，溫度的變化率為5 ℃/min，GJB 1032第5.2節(jié)詳細(xì)規(guī)定了篩選用隨機(jī)振動(dòng)的譜形、量值、振動(dòng)時(shí)間、施振軸向、振動(dòng)控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)等試驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于不同設(shè)備施振軸向、振動(dòng)控制點(diǎn)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的規(guī)定適用于工程實(shí)際，但對(duì)每種設(shè)備都施加同樣譜型、同樣量值、同樣時(shí)間的振動(dòng)明顯不合適。不同產(chǎn)品有不同的壽命要求，篩選用振動(dòng)應(yīng)考慮產(chǎn)品的壽命和使用環(huán)境而設(shè)置。隨機(jī)振動(dòng)的參數(shù)選擇為振動(dòng)量值和振動(dòng)時(shí)間由產(chǎn)品的摸底試驗(yàn)決定。

3 環(huán)境應(yīng)力篩選的應(yīng)用

GJB 1032的篩選分為常規(guī)篩選和定量篩選，在反坦克導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制中采用的是常規(guī)篩選方案，這是因?yàn)樵谘兄齐A段不清楚武器系統(tǒng)的可靠性水平，也無(wú)法確定產(chǎn)品的的缺陷數(shù)，缺乏進(jìn)行定量篩選所需的全部數(shù)據(jù)，無(wú)法計(jì)算引入缺陷密度設(shè)計(jì)估計(jì)值和殘留缺陷密度設(shè)計(jì)估計(jì)值，所以無(wú)法開(kāi)展定量篩選。另外，研制階段主要是以解決產(chǎn)品的性能問(wèn)題和盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，并加以改進(jìn)，提高產(chǎn)品的可靠性為目標(biāo)。研制階段的環(huán)境應(yīng)力篩選能夠粗略地收集產(chǎn)品的故障信息，為制訂生產(chǎn)階段的環(huán)境應(yīng)力篩選大綱提供依據(jù)。

3.1 反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈的環(huán)境應(yīng)力篩選大綱

3.1.1 反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈的特點(diǎn)

反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈是一個(gè)復(fù)雜、高難度的系統(tǒng)，致使其復(fù)雜性和高難度的一個(gè)重要原因是系統(tǒng)出于復(fù)雜的自然背景和干擾條件的作戰(zhàn)環(huán)境，為完成在各種復(fù)雜的干擾環(huán)境下對(duì)目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別、跟蹤、發(fā)射、控制，直至擊中目標(biāo)并毀傷目標(biāo)的任務(wù)，要求反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈按功能與組成，分解成若干性質(zhì)不同、難易不一的分系統(tǒng)，組成一個(gè)完整的符合系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)目的的武器系統(tǒng)。復(fù)雜性的第二個(gè)原因是系統(tǒng)設(shè)計(jì)除了考慮武器系統(tǒng)的基本功能外，還必須考慮在惡劣作戰(zhàn)環(huán)境下武器系統(tǒng)的可靠性、維修性、電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性、安全性等，上述作用所產(chǎn)生的各種類(lèi)型的故障和失效是制約反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈可靠性、影響發(fā)射成功率的主要因素。為了提高發(fā)射成功率，環(huán)境應(yīng)力篩選的作用就是在反坦克導(dǎo)彈、火箭彈飛行試驗(yàn)前，盡早充分暴露設(shè)計(jì)、材料和制造工藝中的缺陷，從而將各種隱患消滅在飛行試驗(yàn)之前，保證反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈能夠在飛行前的使用環(huán)境中正常工作，提高發(fā)射和飛行的成功率。

3.1.2 確定環(huán)境應(yīng)力篩選方案

根據(jù)上述反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈的特點(diǎn)，確定反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈的環(huán)境應(yīng)力篩選方案，首先確定環(huán)境應(yīng)力篩選是按常規(guī)篩選進(jìn)行，然后確定篩選的項(xiàng)目為隨機(jī)振動(dòng)和溫度循環(huán)，最后確定參數(shù)及量值。

1）隨機(jī)振動(dòng)量值和振動(dòng)譜的確定。隨機(jī)振動(dòng)量值和振動(dòng)譜是根據(jù)反坦克導(dǎo)彈、制導(dǎo)火箭彈飛行試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定的。對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行歸一化處理，確定試驗(yàn)量值和振動(dòng)譜后，進(jìn)行振動(dòng)摸底試驗(yàn)，保證試驗(yàn)量值和振動(dòng)譜不會(huì)破壞產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能，最終確定振動(dòng)量值和振動(dòng)譜。振動(dòng)時(shí)間、振動(dòng)軸向按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2）溫度循環(huán)溫度和循環(huán)次數(shù)的確定。溫度根據(jù)產(chǎn)品研制總要求中環(huán)境適應(yīng)性規(guī)定的貯存溫度確定，循環(huán)次數(shù)由工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定。

3.1.3 篩選大綱的使用范圍

篩選大綱規(guī)定了反坦克導(dǎo)彈導(dǎo)彈武器系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)力篩選條件，規(guī)定導(dǎo)彈部件包括彈上計(jì)算機(jī)、激光接收機(jī)、舵機(jī)、引信等做溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)篩選；導(dǎo)彈只做隨機(jī)振動(dòng)篩選[11]；發(fā)射制導(dǎo)裝置包括觀瞄制導(dǎo)裝置和熱像觀瞄具做溫度循環(huán)和隨機(jī)振動(dòng)篩選[12]。

3.1.4 篩選大綱的通用要求

篩選大綱的通用要求按 GJB 150[13]總則中的第3章執(zhí)行。

3.2 導(dǎo)彈及部件的環(huán)境應(yīng)力篩選

3.2.1 篩選條件

1）組件級(jí)及部件的篩選方案。組件級(jí)溫度循環(huán)：所有部件進(jìn)行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖1所示。組件級(jí)隨機(jī)振動(dòng)，所有部件進(jìn)行三軸向振動(dòng)，每軸向10 min，功率譜密度為0.03g2/Hz；譜形如圖2所示。

圖1 導(dǎo)彈組件級(jí)溫度循環(huán)Fig.1 Temperature cycle of the missile assembly

2）導(dǎo)彈及發(fā)射裝置的篩選方案。溫度循環(huán)：對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖3所示。隨機(jī)振動(dòng)：對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行x，y兩軸向振動(dòng)，每軸向5 min（0.0018～0.018g2/Hz），譜形如圖4所示。

圖2 導(dǎo)彈組件級(jí)隨機(jī)振動(dòng)譜型Fig.2 Random spectrum of the missile assemble

圖3 導(dǎo)彈發(fā)射裝置溫度循環(huán)Fig.3 Temperature cycle of the launch device of the missile

圖4 導(dǎo)彈系統(tǒng)級(jí)隨機(jī)振動(dòng)譜型Fig.4 Random spectrum of the system of the missile

3.2.2 篩選程序

1）篩選前性能檢測(cè)。試驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)按檢驗(yàn)程序進(jìn)行外觀、機(jī)械及電氣性能檢測(cè)，合格后才能進(jìn)行應(yīng)力篩選試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)順序。應(yīng)先進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。系統(tǒng)級(jí)（導(dǎo)彈）只做隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

3）故障處理。若在溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)故障，應(yīng)立即中斷試驗(yàn)，排除故障后再重新進(jìn)行試驗(yàn)；在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)故障，待隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后排除。

4）中斷處理。試驗(yàn)中斷后再重新進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，中斷前的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間。

3.3 火箭彈及部件的環(huán)境應(yīng)力篩選

3.3.1 篩選條件

1）組件級(jí)及部件的篩選方案。組件級(jí)溫度循環(huán)：所有部件進(jìn)行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行，升(降)溫速率大于等于 5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖5所示。組件級(jí)隨機(jī)振動(dòng)，所有部件進(jìn)行三軸向振動(dòng)，每軸向10 min，功率譜密度為0.02g2/Hz，譜形如圖6所示。

圖5 火箭組件級(jí)溫度循環(huán)Fig.5 Temperature cycle of the rockets assembly

圖6 火箭組件級(jí)隨機(jī)振動(dòng)譜型Fig.6 Random spectrum of the rockets assemble

2）火箭彈及發(fā)射裝置的篩選方案。溫度循環(huán)：對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行12次完整溫度循環(huán)，高低溫度按武器系統(tǒng)的工作溫度進(jìn)行，升(降)溫速率大于等于5 ℃/min，溫度循環(huán)條件如圖7所示。隨機(jī)振動(dòng)：對(duì)火箭彈進(jìn)行x，y兩軸向振動(dòng)，每軸向5 min（0.0016～0.016g2/Hz），譜形如圖8所示。

圖7 發(fā)射裝置溫度循環(huán)Fig.7 Temperature cycle of the launch device of the rockets

圖8 系統(tǒng)級(jí)隨機(jī)振動(dòng)譜型Fig.8 Random spectrum of the system of the rockets

3.3.2篩選程序

1）篩選前性能檢測(cè)。試驗(yàn)產(chǎn)品應(yīng)按檢驗(yàn)程序進(jìn)行外觀、機(jī)械及電氣性能檢測(cè)，合格后才能進(jìn)行應(yīng)力篩選試驗(yàn)。

2）試驗(yàn)順序。應(yīng)先進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，后進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。系統(tǒng)級(jí)（火箭彈）只做隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

3）故障處理。若在溫度循環(huán)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)故障，應(yīng)立即中斷試驗(yàn)，排除故障后再重新進(jìn)行試驗(yàn)；在隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)故障，待隨機(jī)試驗(yàn)結(jié)束后排除。

4）中斷處理。試驗(yàn)中斷后再重新進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，中斷前的試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)計(jì)入試驗(yàn)時(shí)間。

4 結(jié)語(yǔ)

環(huán)境應(yīng)力篩選在國(guó)外已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為電子設(shè)備研制和生產(chǎn)中最熱門(mén)的技術(shù)[15]。對(duì)于系統(tǒng)級(jí)（武器系統(tǒng)）這樣的設(shè)備如何進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，目前沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

中國(guó)兵器工業(yè)第 203研究所一直研究的是反坦克導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈和火箭彈系統(tǒng)，而 GJB 1032制定的篩選方法不適應(yīng)于系統(tǒng)級(jí)設(shè)備（導(dǎo)彈武器系統(tǒng)）。導(dǎo)彈武器系統(tǒng)分為多個(gè)型號(hào)系列，各型號(hào)系列之間在使用條件、壽命剖面、任務(wù)剖面等方面存在較大差異。因此為了便于型號(hào)的研制，要根據(jù)自身的特點(diǎn)和需要制定相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力篩選方法，才能有效提高武器系統(tǒng)研制中的可靠性。

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Application of Environmental Stress Screening in Anti-tank Missiles and Rockets

YANG Hua,XIE Long,FENG Lei,QIANG Peng,DU Wu-bin
(NO.203 Research Institute of China Ordnance Industry, Xi′an 710065, China)

ObjectiveCombining the engineering experience and the characteristics of anti-tank missiles and rockets, this paper put forward a new environmental stress screening method to eliminate the initial failure of weapon equipments.MethodsAccording to the characteristics of anti-tank missiles and rockets, GJB 1032 was tailored scientifically, the environmental stress screening condition was made separately according to the different levels of the products.ResultsThe initial failure of anti-tank missiles and rockets could be excited by using the method of environmental stress screening proposed in this paper, as verified by the analysis test.ConclusionThe method for analysis of environmental stress screening conditions has been successfully used in weapon equipments such as anti-tank missiles and rockets.

environmental stress screening; anti-tank missiles; initial failure; stress excitation test

10.7643/ issn.1672-9242.2016.03.028

TJ7

A

1672-9242(2016)03-0169-06

2016-01-12；

2016-02-07

Received：2016-01-12；Revised：2016-02-07

楊華（1962—），男，河南獲加人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭煽啃约碍h(huán)境工程。

Biography：YANG Hua(1962—), Male, from Huojia, Henan, Senior engineer, Research focus: reliability and environment engineering.