張 鑫 韓建立 王 瑤 關(guān)鐵男 劉 亮 高 松

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

1 引言

某型導(dǎo)彈彈載電子設(shè)備主要包含自動駕駛儀、導(dǎo)引頭以及電源、電氣開關(guān)、電纜網(wǎng)等電氣設(shè)備，其中導(dǎo)引頭等部件對于導(dǎo)彈整體戰(zhàn)技性能影響重大，屬于導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件。從設(shè)備結(jié)構(gòu)組成方面來看，彈載電子設(shè)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(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)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(yù)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(dǎo)彈延壽工作提供支撐。開展加速貯存試驗的關(guān)鍵之一在于如何將裝備實際貯存環(huán)境轉(zhuǎn)化成加速試驗條件，即科學(xué)合理的編制加速試驗環(huán)境譜用以指導(dǎo)加速試驗，其中的核心問題是選擇哪些加速應(yīng)力以及各應(yīng)力的作用水平、作用時間、作用順序等。

2 貯存環(huán)境影響分析

2.1 典型貯存環(huán)境分析

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

圖1 某型導(dǎo)彈服役任務(wù)剖面示意圖

從圖1中可見，某型導(dǎo)彈主要存在兩種典型貯存環(huán)境：庫房貯存環(huán)境和戰(zhàn)備值班環(huán)境［2］。

2.2 貯存環(huán)境影響因素分析

鑒于該型導(dǎo)彈的自身特點和作戰(zhàn)使用背景，自研制生產(chǎn)到使用/報廢需經(jīng)過裝卸轉(zhuǎn)運、洞庫貯存、維護保養(yǎng)、狀態(tài)測試、戰(zhàn)備值班等諸多事件，所處的環(huán)境條件復(fù)雜多樣，通常包含濕熱、沖擊、霉菌、磁場、電壓等復(fù)雜環(huán)境因素［3］。在這些環(huán)境因素的長期作用影響下，將導(dǎo)致設(shè)備的特性參數(shù)在機械應(yīng)力、化學(xué)應(yīng)力、熱應(yīng)力等的綜合作用下發(fā)生變化，造成功能退化、性能減弱、可靠性降低，導(dǎo)致導(dǎo)彈裝備故障、失效，無法投入正常戰(zhàn)備/作戰(zhàn)使用。某型導(dǎo)彈貯存環(huán)境因素見圖2。

圖2 某型導(dǎo)彈貯存環(huán)境因素示意圖

由于轉(zhuǎn)運環(huán)境在導(dǎo)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(huán)境與戰(zhàn)備值班環(huán)境。相關(guān)統(tǒng)計分析表明，在各類環(huán)境應(yīng)力的作用下，由于溫度、濕度、振動應(yīng)力所造成的失效比重約為86%［4］?？紤]到導(dǎo)彈采取了相應(yīng)的“三防”保護措施、庫房的建造標準要求以及戰(zhàn)備值班時發(fā)射筒的相應(yīng)保護條件，霉菌、氣壓、輻射等造成的影響很小，通常轉(zhuǎn)運引發(fā)的振動、沖擊對其也不會造成損傷。彈載電子設(shè)備在貯存環(huán)境里持續(xù)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(huán)境及戰(zhàn)備值班環(huán)境中溫濕度應(yīng)力的作用形式。

在戰(zhàn)備值班環(huán)境中，由于發(fā)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(dǎo)彈所處的環(huán)境相對濕度通常不超過30%，溫度則跟隨戰(zhàn)備值班任務(wù)區(qū)變化和不同任務(wù)時的溫度進行波動。因此，應(yīng)考慮低溫、高溫、高低溫交變?nèi)N模式的溫度應(yīng)力影響。

在庫房貯存環(huán)境中，通常庫房均配備空調(diào)、除濕機等完善的溫、濕度控制設(shè)備，彈載電子設(shè)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(nèi)庫房貯存時間較長，仍需考慮濕度應(yīng)力，重點分析高溫高濕模式下的影響。

2.3 溫度、濕度應(yīng)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(shè)備構(gòu)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(chǎn)生龜裂和硬化，對于密封構(gòu)件可能會引發(fā)收縮變形、密封失效。低溫會造成電子元器件導(dǎo)電性能改變，并且使空氣中水汽冷凝或結(jié)冰，可能引發(fā)電子元器件失效。

3）高低溫循環(huán)交變影響

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

4）高濕影響

貯存環(huán)境中過高的濕度會導(dǎo)致構(gòu)件表面形成一層附著水膜，經(jīng)與空氣中的酸性氣體作用后將具有稀酸性質(zhì)。對于金屬材料，將導(dǎo)致產(chǎn)生電化學(xué)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(shù)增大；對于非金屬材料，水膜中水分子經(jīng)材料毛細孔和分子間隙進行擴散、滲透，導(dǎo)致水解、霉變和老化［6］。

導(dǎo)彈裝備在各種貯存環(huán)境里所歷經(jīng)的環(huán)境譜是導(dǎo)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(jié)果滯后，預(yù)測價值不大。加速貯存試驗利用提高環(huán)境應(yīng)力水平的方式加快老化，具備時間周期短、評估效率高、預(yù)測價值大、節(jié)約成本的優(yōu)點，但要做到與自然貯存環(huán)境等效，加速試驗環(huán)境譜的編制就至關(guān)重要。

3 加速貯存試驗環(huán)境譜設(shè)計

3.1 加速應(yīng)力的確定

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

2）確定加速應(yīng)力水平。在加速貯存試驗中，每種加速應(yīng)力的作用水平通常應(yīng)在自然貯存環(huán)境下相應(yīng)環(huán)境應(yīng)力的監(jiān)測量值水平內(nèi)［7］。設(shè)定的加速應(yīng)力水平應(yīng)當以產(chǎn)品失效機理不變?yōu)橄?，即加速?yīng)力水平不得超出裝備的破壞極限［8］。

3）加速應(yīng)力的施加順序。通過分析貯存環(huán)境因素、裝備故障失效模式，通常根據(jù)加速應(yīng)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(yīng)力作用時間的確定。加速試驗中每種加速應(yīng)力的作用時間應(yīng)當以產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平作用下與在正常應(yīng)力水平作用下出現(xiàn)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(yīng)力作用時間。對于加速因子的獲得，一是采用現(xiàn)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(xiàn)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(huán)境應(yīng)力之間物理化學(xué)關(guān)系的關(guān)鍵［10～11］。根據(jù)本文前述，宜采用以溫度、濕度應(yīng)力為主的加速模型，針對加速貯存試驗設(shè)計的低溫冷凍、高低溫交變、高溫老化、高溫高濕四個階段，應(yīng)用到的加速模型有如下幾個［12］：

1）指數(shù)模型，常用于描述溫度與裝備壽命之間的關(guān)系，且適合于低溫效應(yīng)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(shù)。

2）阿倫尼斯（Arrhenius）模型，常用于描述溫度應(yīng)力和裝備壽命之間的關(guān)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(shù)8.165×10-5eV/℃，A為常數(shù)，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(chǎn)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(yīng)力作用下的變化規(guī)律，適于高溫高濕階段的壽命描述。

η為標度常數(shù)，T為絕對溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)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(jīng)驗常數(shù)，與材料有關(guān)。

3.3 加速因子的確定

加速因子是加速應(yīng)力作用下產(chǎn)品壽命特征值與正常應(yīng)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(yīng)力水平效果的無量綱數(shù)，是描述加速應(yīng)力和裝備壽命之間關(guān)系的重要參數(shù)［11］。

其定義一般如下：

據(jù)此，根據(jù)式（1）～（5）可推導(dǎo)得到前文提及的各加速模型的加速因子。

指數(shù)模型加速因子：

3.4 加速應(yīng)力時序設(shè)計

根據(jù)計算得到的加速因子，綜合導(dǎo)彈貯存環(huán)境統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算得到加速試驗應(yīng)力作用時間，并按照各貯存環(huán)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(yīng)力施加順序，設(shè)計加速試驗時序。

4 算例分析

4.1 貯存環(huán)境描述

根據(jù)某年該型導(dǎo)彈裝備貯存環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)及戰(zhàn)備值班資料數(shù)據(jù)，該型導(dǎo)彈1年內(nèi)平均戰(zhàn)備值班時間50天，平均在庫房貯存時間315天，具體環(huán)境描述見表1。

表1 某型導(dǎo)彈裝備貯存環(huán)境因素情況表

4.2 加速因子及加速應(yīng)力等效時間計算

1）低溫冷凍加速試驗

根據(jù)電子電路低溫工作極限溫度值，可以確定彈載電子設(shè)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(jù)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(shù)b可由最小二乘法求得，獲取兩組以上(ξ(T)'T)參數(shù)，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(zhàn)備值班低溫貯存環(huán)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(zhàn)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(yīng)力，相對濕度保持為平均濕度30%，根據(jù)工程經(jīng)驗，高溫加速應(yīng)力水平確定為70℃（343.15K），，代入式（7）可得相對于20℃（293.15K）溫度應(yīng)力的加速因子：

由此可得，每年平均45天的戰(zhàn)備值班高溫貯存環(huán)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(jù)工程經(jīng)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(yù)計的加速效果。

通常，彈載電子設(shè)備各點溫度值在2h內(nèi)會趨于一致。為提高試驗效率，設(shè)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(jù)以上分析，確定彈載電子設(shè)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(dǎo)，通過參數(shù)尋優(yōu)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(zhàn)備值班50次的高低溫交變循環(huán)折算到加速條件下需要進行50/9.91≈5次高低溫交變循環(huán)。

4）高溫高濕加速試驗

高溫高濕加速應(yīng)力作用時間通過Peck加速模型推導(dǎo)。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(shù)D=1.5，代入式（9），計算得到：

如前所述，315天的庫房貯存環(huán)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(yīng)來等效。

4.3 加速試驗環(huán)境譜的設(shè)計

綜上可得四個階段加速試驗環(huán)境譜設(shè)計信息見表3。

表3 彈載電子設(shè)備加速試驗環(huán)境譜設(shè)計信息

每個周期的加速試驗環(huán)境譜見圖3。

圖3 等效自然貯存環(huán)境1年的彈載電子設(shè)備加速試驗環(huán)境譜

5 結(jié)語

本文通過對彈載電子設(shè)備服役任務(wù)剖面、失效模式及貯存環(huán)境影響的分析，針對導(dǎo)彈庫房貯存、戰(zhàn)備值班等貯存環(huán)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(yīng)階段加速因子，折算得到對應(yīng)階段高加速應(yīng)力條件下的等效時間，綜合得到加速試驗環(huán)境譜。

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