戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈貯存延壽工程實(shí)踐關(guān)鍵問(wèn)題研究

陳凱諾 張福光 杜光傳 尹延濤

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.91331部隊(duì) 葫蘆島 125100）

1 引言

導(dǎo)彈貯存延壽工程是指以延長(zhǎng)導(dǎo)彈服役期（貯存壽命）為目標(biāo)，在規(guī)定的保障條件下，由軍方為主導(dǎo)、承制方為主體，通過(guò)軍民融合開(kāi)展的有組織的導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)活動(dòng)和技術(shù)過(guò)程。導(dǎo)彈貯存延壽工程對(duì)于最大限度地發(fā)揮已有導(dǎo)彈裝備效能、保持導(dǎo)彈系統(tǒng)戰(zhàn)備完好性、節(jié)省國(guó)防經(jīng)費(fèi)具有重大軍事意義和經(jīng)濟(jì)效益。因此，世界各國(guó)都并十分重視導(dǎo)彈的貯存延壽技術(shù)和方法研究［1～2］。

我國(guó)已經(jīng)為多型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開(kāi)展過(guò)貯存延壽工作，但是在我國(guó)多年戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈貯存延壽工程實(shí)踐中，也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，諸如技術(shù)勘驗(yàn)之前都是根據(jù)以往的延壽實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行樣彈選取，并沒(méi)有統(tǒng)一的準(zhǔn)則；試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)項(xiàng)目的選取與剪裁、試驗(yàn)項(xiàng)目的先后順序沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，加速貯存試驗(yàn)的應(yīng)力類型簡(jiǎn)單，延壽措施落實(shí)的組織協(xié)調(diào)過(guò)程中存在資源分配不合理，任務(wù)之間擁堵等問(wèn)題。這些問(wèn)題一直困擾著我國(guó)各型號(hào)的導(dǎo)彈貯存延壽工作，同時(shí)也制約著我國(guó)導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)的發(fā)展，如果不得以解決，會(huì)嚴(yán)重影響貯存延壽結(jié)論的可信性，因此本文把貯存延壽工程中小子樣抽樣、加速試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)的相關(guān)理論和工程實(shí)踐研究現(xiàn)狀加以總結(jié)概述。

2 導(dǎo)彈貯存延壽工程實(shí)踐中小子樣抽樣問(wèn)題研究現(xiàn)狀

部隊(duì)裝備機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)導(dǎo)彈貯存延壽試驗(yàn)方案后，需要開(kāi)展導(dǎo)彈延壽子樣的選取工作。延壽樣彈及備件抽樣過(guò)程需要考慮以下四個(gè)要素：

1）子樣的數(shù)量

2）子樣的地域環(huán)境來(lái)源分布

3）子樣的任務(wù)剖面

4）子樣的環(huán)境剖面

2.1 子樣選取理論研究現(xiàn)狀

試驗(yàn)樣本如果較充足，就能保證較高的可靠性評(píng)估精度。但是由于導(dǎo)彈其經(jīng)濟(jì)成本高，而且受到人力、物力、財(cái)力、試驗(yàn)時(shí)間以及戰(zhàn)備完好率等方面的限制，并不可以盡可能多地抽取樣彈。這就說(shuō)明導(dǎo)彈子樣選取是一個(gè)小子樣條件下的抽樣問(wèn)題。文獻(xiàn)［3～7］中研究了服從特定分布的可靠性試驗(yàn)的最小樣本容量。文獻(xiàn)［8］中先是針對(duì)“倒掛”數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，再根據(jù)不同的分布類型確定了各自的最小樣本量，同時(shí)認(rèn)為給出的最小樣本量是理論值，實(shí)際工程實(shí)踐中還要綜合考慮可靠性評(píng)估精度、試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)所需要的人力、物力、財(cái)力等要素。

小樣本問(wèn)題在科學(xué)文獻(xiàn)中被廣泛研究。這個(gè)問(wèn)題的主要目的是在缺乏數(shù)據(jù)的情況下獲得最大限度的信息。在文獻(xiàn)［9］中，作者提出了在小樣本量情況下確定經(jīng)驗(yàn)概率密度函數(shù)和經(jīng)驗(yàn)累積分布函數(shù)的技術(shù)。針對(duì)隨機(jī)變量范圍的先驗(yàn)信息，對(duì)每一階統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行概率密度函數(shù)的估計(jì)。文獻(xiàn)［10］中用Weibull分布作為小樣本失效分布。根據(jù)回歸分析估計(jì)了該分布的參數(shù)，結(jié)合先驗(yàn)信息和蒙特卡羅模擬結(jié)果，計(jì)算了參數(shù)的概率分布，并用貝葉斯定理進(jìn)行了修正。文獻(xiàn)［11］認(rèn)為另一種分析小樣本數(shù)據(jù)的方法是數(shù)據(jù)擴(kuò)展，考慮了分段隨機(jī)抽樣法用于評(píng)估極小試樣加速退化試驗(yàn)的失效時(shí)間分布。文獻(xiàn)［12］考慮了基于Sison-Glaz 的同時(shí)置信區(qū)間的小樣本數(shù)據(jù)的概率-可能性轉(zhuǎn)換方法。文獻(xiàn)［13］利用最大熵原理來(lái)擬合小樣本下的概率分布，避免了最小二乘逼近法固有的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［14］考慮了基于經(jīng)典方法、q-q 圖構(gòu)造和分段線性逼近的小樣本風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理方法。文獻(xiàn)［15］指出小樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的概率分布擬合方法包括三個(gè)步驟：1）異常點(diǎn)檢測(cè)與校正；2）轉(zhuǎn)換基計(jì)算；3）基函數(shù)優(yōu)化。針對(duì)非對(duì)稱分布逼近的可能性，采用分段線性基函數(shù)。在基函數(shù)優(yōu)化的過(guò)程中，計(jì)算了偏差平方和與切換點(diǎn)橫坐標(biāo)的關(guān)系。根據(jù)最小二乘法，用二次逼近的方法得到了該依賴關(guān)系的數(shù)學(xué)公式。切換點(diǎn)橫坐標(biāo)的最優(yōu)值與所得到的拋物線的最小值重合。

根據(jù)服役地域、任務(wù)剖面、環(huán)境剖面等指標(biāo)選取的樣彈，需要驗(yàn)證抽取樣彈的壽命分布是否可以代表整體分布情況。選取樣彈之前需要對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘驗(yàn)工作，包含狀態(tài)檢查和鑒定兩方面內(nèi)容，是在分析導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理基礎(chǔ)上，研究導(dǎo)彈壽命薄弱環(huán)節(jié)及影響因素，制定技術(shù)勘驗(yàn)大綱；按照技術(shù)勘驗(yàn)大綱，采用分解、外觀查看、測(cè)量與測(cè)試等手段，對(duì)導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行全面檢查，并對(duì)導(dǎo)彈總體可靠性進(jìn)行初步評(píng)估。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘驗(yàn)結(jié)果選取的樣彈參與深度分解、加速試驗(yàn)或者靶試驗(yàn)證飛行試驗(yàn)等，所以說(shuō)抽樣問(wèn)題是開(kāi)展導(dǎo)彈貯存延壽工程的基礎(chǔ)工作，也是關(guān)鍵的問(wèn)題。

2.2 子樣選取工程實(shí)踐現(xiàn)狀

按照工程實(shí)施大綱，一是選取導(dǎo)彈子樣（有時(shí)子樣數(shù)量為導(dǎo)彈數(shù)量的10%，有時(shí)是全部抽取），在導(dǎo)彈技術(shù)陣地開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘驗(yàn)，獲取自然貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并利用自然貯存試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)導(dǎo)彈貯存壽命，評(píng)估并確認(rèn)導(dǎo)彈是否具有貯存延壽的潛力，初步驗(yàn)證導(dǎo)彈貯存延壽工程目標(biāo)；二是選取并分解部分導(dǎo)彈子樣（一般3 枚～5 枚），并將分解后的彈上分系統(tǒng)/整機(jī)運(yùn)送至各相關(guān)承制方（廠）進(jìn)行加速退化試驗(yàn)和貯存壽命評(píng)估。

工程上普遍選取延壽子樣的原則如下：選取履歷完整、清楚的導(dǎo)彈作為延壽子樣、延壽子樣應(yīng)具有服役地域代表性、選取執(zhí)行過(guò)戰(zhàn)備值班任務(wù)的導(dǎo)彈、優(yōu)先選取累積戰(zhàn)備時(shí)間長(zhǎng)的導(dǎo)彈。

3 導(dǎo)彈貯存延壽工程加速試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

導(dǎo)彈貯存延壽工程的關(guān)鍵是通過(guò)試驗(yàn)評(píng)估得出導(dǎo)彈的剩余壽命，其中加速壽命試驗(yàn)是快速評(píng)估并得出導(dǎo)彈剩余壽命的一種有效途徑。

3.1 加速試驗(yàn)理論研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)加速試驗(yàn)的研究較早，已經(jīng)有了比較成熟的理論，也獲得了諸多研究成果［16］。加速檢測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了幾十年。從恒定應(yīng)力載荷下的加速壽命試驗(yàn)開(kāi)始，人們對(duì)加速退化試驗(yàn)和時(shí)變應(yīng)力載荷更感興趣。由于加速測(cè)試對(duì)產(chǎn)品可靠性評(píng)估和保修政策設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因此制定有效的測(cè)試計(jì)劃非常重要，該計(jì)劃包括并解決重要問(wèn)題，如應(yīng)力分布、樣本分配、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、試驗(yàn)頻率和試驗(yàn)預(yù)算約束的設(shè)計(jì)。近年來(lái)，對(duì)加速試驗(yàn)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛的研究，考慮相互作用的多重應(yīng)力已成為此類試驗(yàn)設(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)［17］。

在加速試驗(yàn)中，產(chǎn)品的樣品在比正常應(yīng)力條件更苛刻的條件下進(jìn)行測(cè)試，以誘導(dǎo)在現(xiàn)場(chǎng)觀察到的相同的失效模式。然后，利用有關(guān)失效過(guò)程、失效原因和壽命概率分布的知識(shí)，評(píng)估產(chǎn)品在正常工作條件下的可靠性，并在必要時(shí)表明進(jìn)一步提高產(chǎn)品可靠性的設(shè)計(jì)更改。在此過(guò)程中，需要根據(jù)加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行外推，以評(píng)估產(chǎn)品在正常工作條件下的可靠性。一般來(lái)說(shuō)，需要確定壽命-應(yīng)力關(guān)系來(lái)進(jìn)行外推。

在過(guò)去的幾十年里，研究人員一直致力于設(shè)計(jì)有效的加速試驗(yàn)方法。他們從簡(jiǎn)單的恒定應(yīng)力加載加速壽命試驗(yàn)開(kāi)始，發(fā)展到更復(fù)雜的試驗(yàn)方法，包括可變應(yīng)力加載和退化試驗(yàn)。目前有大量的研究集中在加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析和可靠性評(píng)估的各種應(yīng)用。例如，Meeker 和Escobar［18］介紹了加速試驗(yàn)和分析方法的基本概況。在另一項(xiàng)工作中，Meeker［19］等強(qiáng)調(diào)了高可靠性產(chǎn)品的加速退化試驗(yàn)優(yōu)于加速壽命試驗(yàn)，并概述了加速退化試驗(yàn)建模和分析方法。Escobar和Meeker［20］綜述了加速試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，包括不同的加速方法、統(tǒng)計(jì)模型、應(yīng)力-壽命關(guān)系、退化路徑和多個(gè)應(yīng)力變量，并給出了一些使用加速模型的基本指南。Ye 和Xie［21］簡(jiǎn)要介紹了加速退化模型的分類和試驗(yàn)方案。Nelson［22］和El?sayed［23］用不同的例子介紹了加速試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)規(guī)劃方法。

3.2 加速試驗(yàn)工程實(shí)踐現(xiàn)狀

當(dāng)前貯存延壽工程實(shí)踐加速退化試驗(yàn)的主體單位是相關(guān)彈上分系統(tǒng)/整機(jī)等高層級(jí)產(chǎn)品的承制方；試驗(yàn)對(duì)象是部組件/元器件/材料等彈上低層級(jí)產(chǎn)品；試驗(yàn)?zāi)康氖窃诩铀賾?yīng)力下高效獲取彈上低層級(jí)產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)；在完成了加速退化試驗(yàn)后，按照導(dǎo)彈貯存延壽工程總目標(biāo)和實(shí)施大綱，由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)總體部組織開(kāi)展彈上分系統(tǒng)/整機(jī)等高層級(jí)產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)，驗(yàn)證彈上分系統(tǒng)延壽后的貯存性能。因此，導(dǎo)彈加速貯存試驗(yàn)（AST）是導(dǎo)彈設(shè)計(jì)總體部為了獲取彈上高層級(jí)產(chǎn)品在加速應(yīng)力下等效若干年（N 年）的自然貯存的過(guò)程而開(kāi)展的加速試驗(yàn)。加速貯存試驗(yàn)（AST）主體單位是導(dǎo)彈設(shè)計(jì)總體部；試驗(yàn)對(duì)象是彈上分系統(tǒng)/整機(jī)；試驗(yàn)?zāi)康氖嵌虝r(shí)間加速等效彈上高層級(jí)產(chǎn)品的自然貯存過(guò)程；試驗(yàn)方法采用單應(yīng)力或多應(yīng)力加速試驗(yàn)方法；試驗(yàn)總時(shí)間采用定時(shí)截尾，時(shí)間基本確定，一般用N 個(gè)循環(huán)的時(shí)間；試驗(yàn)應(yīng)力是溫度/濕度/振動(dòng)/沖擊等；試驗(yàn)應(yīng)力等級(jí)為非恒定單級(jí)加速應(yīng)力；試驗(yàn)樣本是小樣本，考慮到后續(xù)的“性能驗(yàn)證試驗(yàn)”，一般是3個(gè)～5個(gè)［16］。

在完成了加速退化試驗(yàn)后，按照導(dǎo)彈貯存延壽工程總目標(biāo)和實(shí)施大綱，由導(dǎo)彈設(shè)計(jì)總體部組織開(kāi)展彈上分系統(tǒng)/整機(jī)等高層級(jí)產(chǎn)品加速貯存試驗(yàn)，驗(yàn)證彈上分系統(tǒng)延壽后的貯存性能。因此，導(dǎo)彈加速貯存試驗(yàn)（AST）是導(dǎo)彈設(shè)計(jì)總體部為了獲取彈上高層級(jí)產(chǎn)品在加速應(yīng)力下等效若干年（N 年）的自然貯存的過(guò)程而開(kāi)展的加速試驗(yàn)。

在工程中進(jìn)行加速試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，加速應(yīng)力水平一般是等間距選取的，所有試驗(yàn)樣本被平均分配到各個(gè)應(yīng)力水平。通過(guò)對(duì)加速試驗(yàn)的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)基于平均理論的加速試驗(yàn)方案的效率和統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果并未達(dá)到最佳效果。

4 導(dǎo)彈貯存延壽工程環(huán)境試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

4.1 環(huán)境試驗(yàn)理論研究現(xiàn)狀

我國(guó)現(xiàn)有的有關(guān)環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)絕大部分是環(huán)境試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)主要是自然環(huán)境條件標(biāo)準(zhǔn)［24］。但是現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)并沒(méi)有明確給出如何科學(xué)地選擇環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)程序、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、試驗(yàn)應(yīng)力組合方式、試驗(yàn)項(xiàng)目順序安排方法等。

文獻(xiàn)［25］認(rèn)為，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)一般包括試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和程序、試驗(yàn)順序四個(gè)方面。環(huán)境試驗(yàn)之前需要預(yù)估所要經(jīng)歷的環(huán)境，在試驗(yàn)項(xiàng)目的確定過(guò)程中盡量都要考慮進(jìn)去。GJB150A 中為裝備環(huán)境試驗(yàn)規(guī)定了20 多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目［26］，基本能夠涵蓋裝備預(yù)期會(huì)經(jīng)歷的使用環(huán)境。但是如何科學(xué)選擇這些試驗(yàn)項(xiàng)目，試驗(yàn)條件如何確定，是需要進(jìn)行科學(xué)論證的。環(huán)境試驗(yàn)通常不止一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目，這就涉及到試驗(yàn)項(xiàng)目的順序安排問(wèn)題，這些項(xiàng)目安排的先后順序?qū)τ谠囼?yàn)結(jié)果，試驗(yàn)所需試驗(yàn)件數(shù)量和試驗(yàn)成本有很大影響。根據(jù)設(shè)備特點(diǎn)和各種試驗(yàn)階段的試驗(yàn)?zāi)康?，?lái)確定設(shè)備特有的試驗(yàn)順序，通常可以按以下四類情況來(lái)確定試驗(yàn)順序：1）按試驗(yàn)?zāi)康拇_定試驗(yàn)順序；2）按所遇環(huán)境因素的先后；3）按對(duì)設(shè)備生產(chǎn)最大的影響來(lái)確定；4）根據(jù)試驗(yàn)的經(jīng)費(fèi)和時(shí)間來(lái)確定。除了上述應(yīng)遵循的原則以外，在合理安排試驗(yàn)順序時(shí)，我們還應(yīng)注意試驗(yàn)項(xiàng)目間的相互影響［29］。

文獻(xiàn)［27］歸納總結(jié)了空空導(dǎo)彈的環(huán)境試驗(yàn)順序，但是這個(gè)結(jié)論并不適合其他類型的導(dǎo)彈。由此可見(jiàn)，當(dāng)前對(duì)于試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇和順序優(yōu)化的研究主要是定性描述為主，缺少科學(xué)方法分析過(guò)程。

4.2 環(huán)境試驗(yàn)工程實(shí)踐現(xiàn)狀

當(dāng)前導(dǎo)彈貯存延壽工程中環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇原則遵從GJB150A，一般應(yīng)包括高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、傾斜和搖擺試驗(yàn)等，一般為單應(yīng)力序貫試驗(yàn)。

文獻(xiàn)［28］指出我國(guó)現(xiàn)階段的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系并不完備、環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)力較單一、試驗(yàn)結(jié)論置信度不高等問(wèn)題。常用環(huán)境試驗(yàn)主要為單因素環(huán)境試驗(yàn)，綜合環(huán)境試驗(yàn)也并不能完全涵蓋裝備預(yù)期會(huì)經(jīng)歷的使用環(huán)境［29］。環(huán)境試驗(yàn)綜合化水平低等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)論可信度降低［30］。

綜上，當(dāng)前貯存延壽工程中，環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證試驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇以及試驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施順序還沒(méi)有經(jīng)過(guò)科學(xué)論證得到一個(gè)公認(rèn)的結(jié)論，這就需要在已有研究基礎(chǔ)上根據(jù)相關(guān)工作時(shí)序和邏輯關(guān)系梳理出整個(gè)試驗(yàn)工作的流程圖，再運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)和系統(tǒng)工程管理等方法對(duì)試驗(yàn)工作流程圖中的各環(huán)節(jié)進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、決策；明確約束條件及總目標(biāo)，充分利用資源來(lái)優(yōu)化方案［31］。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)已經(jīng)為多型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈開(kāi)展過(guò)貯存延壽工作，積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但是依然存在一些關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)勘驗(yàn)工作之前都是根據(jù)以往實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)導(dǎo)彈和備件進(jìn)行抽樣選取，子樣選取沒(méi)有統(tǒng)一、系統(tǒng)的準(zhǔn)則。工業(yè)部門公認(rèn)的子樣選取原則是盡可能涵蓋所有批次、包含不同貯存地點(diǎn)、值班時(shí)間長(zhǎng)、履歷復(fù)雜的導(dǎo)彈，都是較為定性模糊的描述，對(duì)于抽取的樣彈數(shù)目、針對(duì)每一枚樣彈開(kāi)展的工作至今還缺少系統(tǒng)、科學(xué)的論證，這樣會(huì)造成子樣的閑置和浪費(fèi)。而且當(dāng)前導(dǎo)彈延壽試驗(yàn)至今沒(méi)有形成一套完備的標(biāo)準(zhǔn)體系，當(dāng)前貯存延壽工程實(shí)踐中，導(dǎo)彈裝備由于其維修工作的復(fù)雜性、維修問(wèn)題的多樣性、維修任務(wù)的緊迫性，這就使得延壽修理與我們平時(shí)的計(jì)劃修理、故障修理等修理方式有很大不同，體現(xiàn)在總目標(biāo)的不同、以及如何組織協(xié)調(diào)這些工作、如何調(diào)運(yùn)分配修理資源等。通過(guò)合理地安排維修任務(wù)和維修工序，可以使得延壽措施落實(shí)工作有序高效地進(jìn)行。

以上這些問(wèn)題一直困擾著我國(guó)各型號(hào)的導(dǎo)彈貯存延壽工作，同時(shí)也制約著我國(guó)導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)的發(fā)展，如果不得以解決，會(huì)嚴(yán)重影響貯存延壽結(jié)論的可信性。因此，這些關(guān)鍵問(wèn)題是導(dǎo)彈貯存延壽工程研究的趨勢(shì)。