新技術(shù)對大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)可靠性的影響分析

鄧建輝，張滿慧，魏軍輝

(1.海軍研究院，北京100071；2.西北機(jī)電工程研究所，陜西咸陽710019)

0 引言

隨著我國海軍戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型以及敵大威力、高效能岸防武器裝備的使用，艦炮系統(tǒng)在應(yīng)對抗強(qiáng)敵軍事干預(yù)、突發(fā)小規(guī)模海上摩擦和反恐支援等作戰(zhàn)任務(wù)中已經(jīng)占據(jù)著越來越重要的地位[1]。在海軍裝備研究項(xiàng)目的支持下，我國大中口徑艦炮型號取得了極大的突破。但是在形成規(guī)模效應(yīng)之后，大口徑艦炮系統(tǒng)卻也陷入了“大而不強(qiáng)”局面，暴露出了較多的可靠性問題。如故障頻發(fā)且無法追溯、性能波動且難以控制、整機(jī)可靠性衰退明顯、關(guān)鍵功能部件可靠性低、維修成本高昂等，這些問題使其作戰(zhàn)使用性能無法保障，嚴(yán)重影響到未來與敵岸防裝備和水面艦艇對抗中發(fā)揮出更大的作用。

為了保障艦炮系統(tǒng)的作戰(zhàn)使用效能，海軍對新型大口徑艦炮系統(tǒng)提出了“三化”和通用質(zhì)量特性要求，突出可靠性要求[2]。面向可靠性、維修性和保障性指標(biāo)的不斷提高，研制大口徑艦炮系統(tǒng)時不僅應(yīng)當(dāng)繼承傳統(tǒng)艦炮的可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，更重要的在于研究和應(yīng)用新技術(shù)、新原理，以打破傳統(tǒng)艦炮系統(tǒng)的限定形式，期望新型艦炮的可靠性水平得以顯著提高。然而新技術(shù)或者新原理的應(yīng)用在改變艦炮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限定的同時，也會引入混合不確定性因素[3]影響其可靠性，如新型艦炮系統(tǒng)物理參數(shù)、物理模型的不確定性都有可能導(dǎo)致可靠性降低。因此一方面有必要進(jìn)行新型大口徑艦炮的新技術(shù)和新原理研究，另一方面有必要再對其進(jìn)行可靠性分析與評價研究，尋求改善新型艦炮系統(tǒng)可靠性水平的約束機(jī)制。

本文開展新技術(shù)應(yīng)用對大口徑艦炮可靠性的影響研究。將新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)作為研究對象，首先對它進(jìn)行新技術(shù)應(yīng)用的可行性分析。然后基于多態(tài)故障樹理論，構(gòu)建新型發(fā)射系統(tǒng)可靠性的定性和定量分析模型，明確其可靠性水平。最后通過傳統(tǒng)和新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的可靠性對比評價，度量新技術(shù)應(yīng)用的可靠性增長程度，為提高艦炮可靠性提供技術(shù)借鑒。

1 大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)新技術(shù)的應(yīng)用可行性

以大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)為研究對象，從炮彈的視角自上而下地給出傳統(tǒng)艦炮發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of general large-caliber naval gun launching system

1.1 全可燃藥筒裝藥技術(shù)

圖1 （a）給出傳統(tǒng)艦炮發(fā)射系統(tǒng)中炮彈與身管的結(jié)構(gòu)示意圖。它的炮彈是定裝式結(jié)構(gòu)，殼體是鋼性藥筒形式。針對鋼性藥筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與射擊需求，發(fā)射系統(tǒng)中必須設(shè)有抽殼機(jī)構(gòu)、不抽殼保險部件、退殼機(jī)構(gòu)等復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，炮尾后部需要固定有輸彈槽，為被抽藥筒導(dǎo)向。同時在射擊過程中，也需要使得抽殼運(yùn)動和輸彈運(yùn)動相互協(xié)調(diào)。

藥筒主要用于盛裝并密封發(fā)射裝藥、連接底火等，通過對發(fā)射藥裝藥技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用可燃容器裝填不同種類和重量的發(fā)射藥形成組合模塊裝藥，既能夠替代傳統(tǒng)的金屬藥筒，也能夠進(jìn)一步提高彈丸初速、增大射程，已取得了階段性研究成果[4–5]。

將全可燃藥筒裝藥技術(shù)[5]應(yīng)用于新型大口徑艦炮系統(tǒng)中，采用分裝式結(jié)構(gòu)的炮彈，可以大幅簡化艦炮發(fā)射系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，省去傳統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)與鋼性藥筒相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動協(xié)調(diào)控制，無需再添加冗余部件，其概念示意圖如圖2所示。

圖2 新型大口徑艦炮的全可燃藥筒和激光點(diǎn)火技術(shù)概念示意圖Fig.2 Simplified diagram of thecomplete combustible cartridgecase and the laser ignition system

1.2 激光點(diǎn)火技術(shù)

圖1 （b）給出傳統(tǒng)艦炮發(fā)射系統(tǒng)中炮彈擊發(fā)機(jī)構(gòu)的示意簡圖。它安裝在閂體內(nèi)，通過擊針撞擊底火的動能產(chǎn)生擊發(fā)能量，主要由擊針、擊針簧、擊針蓋、擊發(fā)傳動裝置組成。采用底火擊發(fā)時其擊發(fā)運(yùn)動往往會引起底火不被擊發(fā)的現(xiàn)象，影響艦炮系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。

隨著點(diǎn)火系統(tǒng)和點(diǎn)火方式的不斷發(fā)展，激光具有輸出功率高、能量集中、能避免電磁干擾和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，展示出了成為理想點(diǎn)火源的潛能。通過激光與含能材料作用機(jī)理研究，研制模塊裝藥全可燃火帽、確定模塊裝藥點(diǎn)傳火結(jié)構(gòu)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了激光點(diǎn)火技術(shù)[6–7]的工程化應(yīng)用。

將激光點(diǎn)火技術(shù)應(yīng)用于新型大口徑艦炮系統(tǒng)中，既適用于全可燃藥筒裝藥結(jié)構(gòu)，也避免了傳統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)與擊發(fā)機(jī)構(gòu)相關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)控制。但是它也需添加激光裝置，主要包含激光器、傳輸光路、激光透鏡窗口等組件，其概念示意圖如圖2所示。

1.3 垂直裝填技術(shù)

圖1 （c）給出傳統(tǒng)艦炮發(fā)射系統(tǒng)中炮彈裝填部件的示意簡圖。它對應(yīng)至炮彈由上揚(yáng)彈機(jī)輸送至進(jìn)膛的運(yùn)動。針對炮彈進(jìn)行運(yùn)動分解，發(fā)射系統(tǒng)中必須設(shè)有輸彈機(jī)（輸彈機(jī)構(gòu)）、供彈機(jī)（轉(zhuǎn)彈機(jī)構(gòu)）和轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)（擺彈機(jī)構(gòu)）等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。裝填時炮彈經(jīng)歷四次交接，上揚(yáng)彈機(jī)至轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)至供彈機(jī)、供彈機(jī)至輸彈機(jī)、輸彈機(jī)至身管，裝填路徑長。在射擊過程中，裝填線路的3發(fā)炮彈使其退彈和彈種轉(zhuǎn)換流程都相對緩慢。

從炮彈運(yùn)動的角度分析，裝填系統(tǒng)的核心即是揚(yáng)、供、輸彈流程。通過對炮彈的裝填技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，采用揚(yáng)、供、輸一體的輸彈機(jī)執(zhí)行垂直定角裝填。當(dāng)炮彈垂直進(jìn)入輸彈筒后，輸彈筒向上運(yùn)動到炮尾，再設(shè)有推彈機(jī)構(gòu)將炮彈送入炮膛。既能夠代替裝填系統(tǒng)的獨(dú)立部件形式，也可兼容多彈種（尤其是超長制導(dǎo)彈）的裝填動作，已在AGS艦炮系統(tǒng)[8]中具體化應(yīng)用。

將垂直裝填技術(shù)[9]應(yīng)用于新型大口徑艦炮系統(tǒng)中，可以進(jìn)一步簡化發(fā)射系統(tǒng)組成，省去獨(dú)立的擺彈機(jī)和供彈機(jī)部件，簡化輸彈機(jī)構(gòu)。采用分裝式結(jié)構(gòu)的炮彈，彈藥只作直線運(yùn)動，不存在機(jī)構(gòu)交接動作。裝填路徑短、裝填線路上有僅有一發(fā)待發(fā)彈藥，其概念示意圖如圖3所示。

圖3 新型大口徑艦炮的垂直裝填技術(shù)概念示意圖Fig.3 Simplified diagram of thevertical loader deviceof novel gun system

2 大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)新技術(shù)的可靠性分析

2.1 基于多態(tài)故障樹的艦炮可靠性定性分析

從系統(tǒng)集的角度研究新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，結(jié)合給出的新技術(shù)歸納為全可燃藥筒裝藥E1、激光點(diǎn)火系統(tǒng)E2、垂直裝填系統(tǒng)E3、炮閂等其他系統(tǒng)E4，不再對全部整裝設(shè)備的故障狀態(tài)細(xì)化處理至零件級。

根據(jù)艦炮作戰(zhàn)使用情形，當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)停射時，認(rèn)定系統(tǒng)功能失效，對應(yīng)著結(jié)構(gòu)組件突然由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭顟B(tài)，視為功能失效二狀態(tài)模式。當(dāng)僅出現(xiàn)加大激光能量才能夠擊發(fā)、裝填過程出現(xiàn)輕微異響但不影響彈藥入膛和擊發(fā)等情形時，可以不立即停射維修，但認(rèn)定運(yùn)行狀況惡化，對應(yīng)著結(jié)構(gòu)組件由正常到失效前的退化過程，視為狀態(tài)惡化多狀態(tài)模式[10]。新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的故障模式歸納如表1所示，其中頂事件發(fā)射系統(tǒng)故障的編碼是T，功能失效模式編碼是F，狀態(tài)惡化模式編碼是D，構(gòu)造出多態(tài)故障樹[10]如圖4所示。

表1 新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的故障模式Tab.1 Failure modeof novel naval gun launching system

圖4 新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的多態(tài)故障樹Fig.4 Multi-state fault tree of novel naval gun launching system

在多態(tài)故障樹中，采用上行法能夠?qū)δ苁Ｊ竭M(jìn)行定性分析?？梢钥闯觯寒?dāng)且僅當(dāng)11個故障部位均為正常狀態(tài)時，頂事件F才能夠正常，表明最小割集是{F301}～{F311}；當(dāng)頂事件F正常而頂事件D處于退化（正常）狀態(tài)時，頂事件T也處于退化（正常）狀態(tài)但不失效。

2.2 基于三角模糊數(shù)的艦炮可靠性定量分析

由于缺失新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的歷史故障數(shù)據(jù)，新技術(shù)應(yīng)用時故障樹底事件的發(fā)生概率具有模糊性，故而采用三角模糊數(shù)[11]描述故障發(fā)生概率，其數(shù)學(xué)模型為：

式中，m為模糊數(shù)均值；α,β為模糊數(shù)的左右分布參數(shù)；λ為置信水平。

通過對新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的故障樹底事件進(jìn)行頻率模擬，設(shè)定各故障部位模糊參數(shù)及其處于不同狀態(tài)的概率估計(jì)值如表2所示。

表2 新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的底事件模糊數(shù)及概率估計(jì)值Tab.2 Fuzzy number and the end event importance estimation of novel gun launching system

1）當(dāng)置信度λ=1時，底事件發(fā)生概率是確定值，頂事件F發(fā)生概率為根據(jù)模糊故障樹的函數(shù)表達(dá)式得出頂事件F的可靠度為：

2）當(dāng)置信度λ=0時，底事件發(fā)生概率是模糊數(shù)，頂事件F發(fā)生概率是區(qū)間值。仍采用模糊故障樹模型得出頂事件F的可靠度區(qū)間為：

3）模糊均值參數(shù)是模擬30發(fā)故障與300發(fā)試射總數(shù)的概率參數(shù)，左右分布參數(shù)都是按照均值的20%給定。所得功能失效模式下的可靠度是在新型發(fā)射系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)（運(yùn)行時間趨近于單位1也對應(yīng)著300發(fā)試射總數(shù)）的無故障概率。

在多態(tài)故障門中，根據(jù)圖4給出的獨(dú)立底事件構(gòu)造出頂事件D的最小路徑矩陣[10]為：

通過矩陣CD構(gòu) 造矩陣再結(jié)合矩陣廣義運(yùn)算法則[10]以及表2給出的模糊概率估計(jì)值得出頂事件D的可靠度為：

最后根據(jù)頂事件F和頂事件D的可靠度，得出發(fā)射系統(tǒng)的總體可靠度為：

通過上述分析可以得出，雖然假定新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)中故障部件都具有較高的可靠度，但系統(tǒng)總體可靠度的最小值也會相應(yīng)減小，狀態(tài)惡化多態(tài)模式是不可忽視的故障現(xiàn)象。

3 大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)新技術(shù)的可靠性評估

3.1 艦炮可靠性的定性評估

借鑒機(jī)械產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則[12–13]，直觀地得出傳統(tǒng)大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)與新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的可靠性評估對比結(jié)果。

1）相較于繼承傳統(tǒng)艦炮系統(tǒng)的定裝式炮彈和鋼性藥筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)用的全可燃藥筒裝藥技術(shù)和激光點(diǎn)火技術(shù)已是陸軍155 mm火炮的成熟技術(shù)。相較于沿用傳統(tǒng)獨(dú)立的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)、供彈機(jī)、輸彈機(jī)裝填系統(tǒng)，應(yīng)用的垂直裝填技術(shù)已在AGS艦炮系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。它們都具有完善的預(yù)研基礎(chǔ)，符合新技術(shù)采用準(zhǔn)則，提高了新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的可靠性。

2）相較于繼承傳統(tǒng)艦炮系統(tǒng)的定裝式炮彈和鋼性藥筒結(jié)構(gòu)，應(yīng)用的全可燃藥筒裝藥技術(shù)能夠滿足艦炮射擊需求，可以省去不必要的抽殼機(jī)構(gòu)、不抽殼保險部件、退殼機(jī)構(gòu)、輸彈槽，避免抽殼運(yùn)動和輸彈運(yùn)動的協(xié)調(diào)控制；相較于沿用底火擊發(fā)裝置，應(yīng)用的激光點(diǎn)火技術(shù)設(shè)置激光器、傳輸光路和激光透鏡窗口組件代替擊針、擊針簧、擊針蓋等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可以省去擊發(fā)裝置能量儲存與釋放的協(xié)調(diào)控制；相較于沿用傳統(tǒng)揚(yáng)供輸獨(dú)立的裝填系統(tǒng)，應(yīng)用的垂直裝填技術(shù)僅需設(shè)置揚(yáng)供輸一體的輸彈機(jī)和推彈機(jī)構(gòu)，可以省去擺彈機(jī)和供彈機(jī)，避免彈藥在不同機(jī)構(gòu)之間的交接動作。它們都符合簡化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，減少了零部件的種類及數(shù)量，提高了新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的可靠性。

3.2 艦炮可靠性的定量評估

參照但不完全依據(jù)故障樹分析[14]方法，再從系統(tǒng)集的角度構(gòu)造出傳統(tǒng)與新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的功能失效故障樹，如表3所示。其中，頂事件T為發(fā)射故障，底事件為X1彈藥故障，X2擊發(fā)裝置故障，X3裝填系統(tǒng)故障，X4炮閂等其他系統(tǒng)故障。

表3 大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)的故障樹Tab.3 Fault tree of general large-caliber naval gun launching system

為了進(jìn)行發(fā)射系統(tǒng)的可靠性對比評價，設(shè)置系統(tǒng)級可靠度都為0.95，符合HJB53《海軍艦船裝備可靠性維修性參數(shù)選擇及指標(biāo)確定原則》。其中，傳統(tǒng)艦炮的彈藥故障主要考慮底火失效和鋼性藥筒故障，而新型艦炮僅需計(jì)及發(fā)火帽失效。擊發(fā)裝置故障主要考慮擊針失效、擊發(fā)保險失效和擊發(fā)運(yùn)動卡滯，而新型艦炮僅需計(jì)及風(fēng)險最大的激光透鏡窗口損壞。傳統(tǒng)裝填系統(tǒng)故障主要考慮炮彈運(yùn)動路徑上四次機(jī)構(gòu)交接動作失效，而新型艦炮僅需計(jì)及二次交接時直線運(yùn)動卡滯。炮閂等其它系統(tǒng)故障在傳統(tǒng)和新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)中形式相近，可靠度設(shè)置相同。

結(jié)合表3設(shè)定的系統(tǒng)級可靠度參數(shù)，得出頂事件T的發(fā)生概率分別為：

通過對比分析傳統(tǒng)和新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)頂事件T的發(fā)生概率可以得出：應(yīng)用新技術(shù)后的故障率能減小43.63%，可靠性水平的當(dāng)量增長程度在1.3倍左右；相較于通過改善傳統(tǒng)艦炮發(fā)射系統(tǒng)組成部件可靠度的設(shè)計(jì)方式，研發(fā)應(yīng)用新技術(shù)對于艦炮可靠性具有更好的提升效果、更小的耗費(fèi)比以及更高的維修性保障性。

4 結(jié)語

1）通過全可燃藥筒裝藥技術(shù)、激光點(diǎn)火技術(shù)和垂直裝填技術(shù)的應(yīng)用分析，明確了當(dāng)新技術(shù)具有完善的預(yù)研基礎(chǔ)及工程實(shí)踐時，應(yīng)用至新型大口徑艦炮發(fā)射系統(tǒng)合理可行。新技術(shù)的應(yīng)用可以改變艦炮發(fā)射系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、簡化部件設(shè)計(jì)，從而能夠大幅減少發(fā)射故障模式，提高大口徑艦炮的可靠性、維修性、保障性。

2）通過大口徑艦炮系統(tǒng)新技術(shù)的可靠性分析，構(gòu)建出了艦炮發(fā)射系統(tǒng)停射時的多態(tài)模糊故障樹模型，可以作為判定艦炮系統(tǒng)故障原因以及衡量可靠度水平的依據(jù)。從系統(tǒng)集的角度進(jìn)行了傳統(tǒng)與新型艦炮發(fā)射系統(tǒng)的可靠度評估，獲得的定量對比結(jié)果表明，新技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⑴炁谙到y(tǒng)故障率減小43.63%，能夠使得可靠度提高1.3倍左右。

3）新技術(shù)的應(yīng)用是提高大口徑艦炮系統(tǒng)可靠性的有效途徑，相較于改進(jìn)傳統(tǒng)艦炮系統(tǒng)組成部件的可靠度，它對艦炮可靠性具有更優(yōu)的提升效果、更好的可實(shí)現(xiàn)性。