郭 勍, 庞 多, 刘小西, 李荣融

多平台鱼雷实航可靠性试验剖面设计方法

郭 勍1, 庞 多2, 刘小西3*, 李荣融2

(1.海军装备部驻广州地区军事代表局, 广东 广州, 510610; 2.中国船舶集团有限公司 第705研究所, 陕西 西安, 710077; 3.工业和信息化部 电子第五研究所, 广东 广州, 510610)

针对复杂作战环境下多平台鱼雷的可靠性验证和评估难点, 文中提出了一种多平台使用鱼雷的实航可靠性试验剖面设计方法。该方法从鱼雷使用任务要求出发, 系统梳理出管装发射、空投发射以及助飞发射等3种平台发射鱼雷的实航全过程任务剖面, 综合分析了鱼雷各实航任务剖面的工作环境应力和诱发环境应力类型; 进一步提出了鱼雷实航可靠性试验的环境应力分析流程, 该流程结合鱼雷历史故障分析, 确定了实航可靠性验证中需考虑的综合环境应力条件, 并提出了将环境载荷谱转换为鱼雷实航可靠性试验剖面的方法。文中所提方法可有效指导鱼雷实航可靠性实验验证工作, 以降低湖海试验风险, 同时为制定多平台使用的鱼雷可靠性试验剖面和方案提供参考。

多平台鱼雷; 实航试验; 可靠性; 剖面设计

0 引言

随着科学技术和当前军事作战需求的快速发展, 新型鱼雷装备的使用场景呈现深度大、航速高、航程远、隐身特性和智能化等趋势[1], 同时, 随着装备系统的复杂化以及装备部署平台的多样化(例如多平台鱼雷的发射方式通常包括舰船上发射管发射、反潜飞机空中投放发射, 以及火箭等运载器空中协助飞行发射等), 使复杂作战环境下的鱼雷多任务可靠性验证和评估成为当前研究难点。

可靠性试验通过模拟鱼雷使用过程中的实际环境应力, 开展实验室试验以评估其可靠性水平, 通过暴露鱼雷薄弱环节, 降低外场试验风险[2]。实航可靠性剖面设计则是通过开展实航任务剖面中的典型环境条件、工作模式及其时序等考核需求分析, 经由工程设计转化为实验室可实施的试验剖面[3]。

目前, 航空航天领域的武器装备以及海军舰船电子装备均参考GJB 899A-2009《可靠性鉴定和验收试验》[4]中提供的试验剖面设计方法, 结合产品特点编制相关试验剖面。鱼雷行业则进一步参考GJBZ 20391-1997《鱼雷可靠性鉴定与验收试验方法》[5]明确行业需求。李星等[6]基于该标准提出了某管装发射鱼雷的可靠性剖面制定方法。任景梅等[7]研究了空投鱼雷的环境剖面。孙公道等[8]提出了火箭助飞鱼雷的飞行可靠性评定方法, 但是上述研究都只针对单一平台使用鱼雷的环境条件和可靠性验证方法进行了研究, 缺乏对多平台鱼雷的可靠性试验剖面综合设计方法的研究。

文中针对多平台鱼雷, 从其使用任务要求出发, 系统梳理出管装发射、空投发射以及助飞发射等3种平台的鱼雷实航任务剖面[6-8], 分析各阶段工作的诱发环境载荷和工作环境载荷, 通过环境应力实测和分析等手段确定出鱼雷在执行各任务剖面时遇到的环境载荷[9], 转化为实验室可实施的综合环境应力, 即鱼雷实航可靠性试验剖面, 可有效指导多平台鱼雷及雷内组件在实验室内开展实航可靠性验证。

1 典型工作任务剖面

1.1 管装发射典型工作任务剖面

通常鱼雷通过舰船管装发射时, 其工作任务剖面是对鱼雷进入不可逆发射程序, 到鱼雷从发射管发射、入水并在水中实航, 直至完成任务或终止航行这段时间内所经历的全部事件和环境随时间变化历程的描述[10](见图1)。

图1 鱼雷管装发射典型任务剖面

其工作过程和经历中的主要环境应力为[6,11]:

1) 舰船发射阶段, 主要经历短暂的舰船及发射环境, 环境因素包括舰载振动、湿度、温度、盐雾和发射冲击等;

2) 水下实航阶段, 主要经历水下航行环境, 环境因素包括实航振动、湿度、温度、盐雾、海水腐蚀、海生物腐蚀、海水压力、海流和海况等。

1.2 空投发射典型工作任务剖面

通常鱼雷通过直升机或者反潜飞机空投发射时, 其工作任务剖面是从载机执行鱼雷空投发射程序这一不可逆转的动作进程开始, 经过鱼雷脱离发射装置、空中伞降、雷伞分离、入水及水下航行, 直至完成任务或终止航行这段时间内所经历的全部事件和环境随时间的变化历程的描述(见图2)[7]。

其工作过程和经历中的主要环境应力为[7,11]:

1) 载机发射阶段, 主要经历短暂的载机平台及发射环境, 环境因素包括挂飞振动、温度变化、湿度、温度、低气压和发射冲击等;

2) 空中飞行阶段, 主要经历空中飞行环境, 环境因素包括自由飞振动、湿度、温度变化、温度和低气压等;

图2 鱼雷空投发射时典型任务剖面

3) 水下实航阶段, 主要经历水下航行环境, 环境因素包括入水冲击、实航振动、湿度、温度、盐雾、海水腐蚀、海生物腐蚀、海水压力、海流和海况等。

1.3 助飞发射典型工作任务剖面

通常鱼雷作为助飞鱼雷战斗载荷使用时, 其工作任务剖面是指鱼雷发射出箱、随运载体空中飞行、与运载体分离、空中伞降、雷伞分离、入水及水下航行, 直至完成任务或终止航行这段时间内所经历的全部事件和环境随时间变化历程的描述(见图3)。

图3 鱼雷助飞发射典型工作任务剖面

其工作过程和经历中的主要环境应力为[8,11]:

1) 舰船发射阶段, 主要经历短暂的舰船及发射环境, 环境因素包括舰载振动、湿度、温度、盐雾和发射冲击等;

2) 空中飞行阶段, 主要经历空中飞行环境, 环境因素包括自由飞振动、湿度、温度变化、温度、低气压和分离冲击等;

3) 水下实航阶段, 主要经历水下航行环境,环境因素包括入水冲击、实航振动、湿度、温度、盐雾、海水腐蚀、海生物腐蚀、海水压力、海流和海况等。

2 可靠性试验剖面设计方法

根据上述多平台鱼雷的工作任务剖面和经历的主要环境应力, 对这些环境应力的影响效应进行分析, 并确定出影响鱼雷工作任务可靠性的主要环境应力, 在此基础上依据相关标准[11-13]研究了一种鱼雷工作可靠性试验剖面设计方法, 以指导多平台鱼雷的工作任务可靠性试验剖面制定。

2.1 环境应力分析

鱼雷在实航工作过程中, 受到振动、湿度、温度、冲击等环境应力的影响, 会发生一系列的“物理时效”变化, 造成鱼雷组件的功能和性能失效, 进而降低其可靠度[13]。图4给出了通过环境应力分析, 确定环境载荷谱的方法流程, 为制定可靠性试验剖面提供依据。

根据统计, 图5给出了鱼雷实航过程中主要失效原因, 主要包括参数漂移、绝缘失效和电路故障等, 其中大部分故障由温度、湿度、振动应力及其综合应力导致[14], 结合鱼雷的实航工作过程和经历的主要环境应力, 以及鱼雷产品的密封特点等, 得出影响鱼雷实航工作可靠度的最主要敏感环境应力是温度和振动, 结合实际使用情况, 还应考虑湿度应力、电应力及冲击应力,且各类冲击应力单套产品在任务剖面中仅经历1次。

2.2 试验剖面设计方法

鱼雷在执行实航任务期间遇到的环境包括发射平台环境、发射后的空中飞行环境(仅空投发射和助飞发射时)以及水下实航环境, 外界环境条件主要为湿度、温度和振动等。其中温度根据工作海域和季节的不同可划分为标准温度环境、极冷环境和极热环境3种, 故需模拟冷天、标准天、热天3种气候条件下鱼雷执行工作任务时的综合环境条件[4-5](见图6)。

图4 鱼雷实航可靠性试验环境应力分析流程

图5 鱼雷实航故障原因分析

实航可靠性试验中主要利用振动、湿度、温度和电应力的时序描述来模拟鱼雷执行工作任务的综合环境[14-15], 通常优先使用实测应力(特别是振动), 也可使用估计应力。在上述应力未知的情况下, 可参考有关标准提供的参考应力或GJB/Z 20391推荐的条件确定[4-5]。电应力按照相关标准和产品技术状态要求确定。

图6 鱼雷实航可靠性试验综合环境条件示意图(1个循环)

2.3 综合环境应力条件确定

1) 温度应力

根据工作任务剖面, 每次模拟鱼雷执行工作任务时, 均需要模拟鱼雷在发射平台、空中和水下等各阶段工作时的温度应力。冷天、热天和标准天的温度应力应按产品设计任务书或GJB 899A、GJB/Z 20391确定。

冷浸和热浸环境用于模拟产品经历长时间户外极限温度环境运输或搁置后, 转入工作温度环境执行任务的情况。由于鱼雷实航任务前会经历长时间装载和挂飞, 通常在装载可靠性和挂飞可靠性考核中综合考虑冷热浸需求。参考GJB 899A规定的自由飞可靠性剖面制定方法, 实航任务可靠性剖面不增加冷浸和热浸温度台阶。

2) 湿度应力

通常鱼雷采用密封设计, 内部填充干燥氮气, 内部组件经历的湿度极低, 因此, 雷内组件开展可靠性试验时应进行低湿度控制。

鱼雷水下实航时, 壳体已通过水密性试验验证, 湿度不影响壳体功能性能。因此, 全雷开展可靠性试验时不控湿, 经历试验场所的实验室湿度环境。

3) 振动和冲击应力

根据工作任务剖面, 每次模拟鱼雷执行工作任务时, 均需要模拟鱼雷在发射平台、空中和水下等各阶段所经历的振动应力和冲击应力。振动、冲击应力可根据实测数据、相关标准要求或同类产品振动条件来制定。同时考虑到鱼雷各舱段的应力环境条件不同, 应尽量制定不同舱段组件的振动应力条件[6]。冲击应力由于单套产品在任务剖面中仅经历1次, 仅需在合适的时机针对每套被试品施加1次冲击模拟其损伤效应。

4) 电应力

鱼雷在执行实航工作任务时, 其任务剖面的各阶段均有相应的通电要求。每次模拟鱼雷执行工作任务时, 电应力的施加应当根据鱼雷及其内部各组件的工作流程制定, 各组件通电时间和时序应与实航时序保持一致。依据GJB 899A, 可靠性试验中电应力标称值占1/2, 上限值和下限值各占1/4。

3 试验剖面设计

根据上述试验剖面设计方法, 针对各平台典型环境应力, 基于最大包络法原则, 开展多平台使用鱼雷的可靠性综合试验剖面设计。鱼雷通过不同平台发射使用时, 执行1次工作任务需经历的综合环境应力条件见表1。

表1 不同平台使用时综合环境应力条件

以某型号鱼雷为例说明具体试验剖面设计过程。通过对比管装、空投和助飞发射3种工作任务剖面和经受的综合环境应力(见表1)发现,采用助飞发射比采用管装发射和空投发射时鱼雷承受的环境更为复杂和恶劣, 经历的工作阶段最多, 故可以模拟助飞发射时鱼雷承受的综合环境条件来设计可靠性试验剖面[12], 具体如下。

1) 循环时间。每次循环试验时间定为24 h, 模拟冷天、标准天和热天3种气候类型。

2) 气候类型。每种气候类型下, 产品达到温度稳定后, 模拟鱼雷执行工作任务。为加快试验效率和节省试验时间, 每种气候类型模拟多次工作任务, 依据GJB/Z 20391, 冷/热天气候类型下模拟鱼雷执行工作任务次数各占总任务次数的1/4, 标准天气候下模拟鱼雷执行工作任务次数占总任务次数的1/2。根据产品温度稳定时间, 1次实航任务时间以及任务占比确定每个循环模拟任务的次数。

3) 温度应力。根据产品设计任务书和相关标

准, 分别确定冷天、标准天和热天气候的平台发射阶段温度应力(冷1、标1、热1), 空中飞行阶段温度应力(冷2、标2、热2)以及水下航行阶段温度应力(冷3、标3、热3), 通常鱼雷在空中飞行阶段经历的时间较短, 鱼雷内部温度变化较小, 因此可以把空中飞行阶段的温度设置为发射阶段的平台温度。

4) 温变率。参考试验设备能力, 每次模拟任务时, 从平台温度转变为水中温度的温变率设置为15℃/min; 其他温变速率为模拟冷天、热天和标准天气候类型转变, 温变率设置为5℃/min。也可根据实际情况, 设定合适的温变率。

5) 射前准备时间。考虑到实际使用时, 鱼雷发射前可能已经在平台上进行了较长时间的准备和待机过程, 虽不属于鱼雷的工作任务剖面, 但为了再现鱼雷执行任务的完整过程, 必要时可增加射前准备过程的模拟。具体时间根据产品设计任务书确定。

6) 湿度应力。雷内组件开展可靠性试验时,试验箱进行低湿度控制, 控制相对湿度≤30%。全雷试验不控湿。

7) 振动应力。根据实测数据或相关标准确定鱼雷在发射阶段、空中飞行阶段、水下实航阶段的振动谱型和量值, 每阶段振动施加时间根据任务剖面定为1、2和3, 振动施加顺序为: 平台发射、空中飞行、水下实航。

8) 冲击应力。试验过程中应模拟鱼雷执行工作过程中承受的平台发射、雷箭分离以及入水等过程的冲击应力, 考虑试验实施的可行性, 可在进行试验前施加或按实际工作过程与振动应力一同施加。

9) 电应力。按实际工作过程施加电应力, 各组件通电时间和时序应与实际实航保持一致。第1循环的电应力为上限值, 第2循环的电应力为标称值, 第3循环的电应力为下限值, 第4循环的电应力为标称值。4个试验循环的电应力的变化构成一个完整的循环。

综上, 制定鱼雷实航工作可靠性试验剖面如图7所示。

图7 鱼雷实航工作可靠性试验剖面

4 结束语

文中针对多平台鱼雷, 从其使用任务要求出发, 系统梳理出管装发射、空投发射以及助飞发射等3种平台下鱼雷工作全过程和任务剖面, 分析了各阶段的工作环境应力, 并对这些环境应力的影响效应进行分析, 确定出影响鱼雷工作任务可靠性的主要环境应力, 在此基础上依据相关标准研究了一种适用于多平台鱼雷工作可靠性试验剖面设计方法及过程, 可有效指导在实验室内验证多平台鱼雷及雷内组件实航可靠性。为暴露和改进鱼雷实航可靠性缺陷、降低湖海试验风险提供了工程实践性较强的手段。文中提出的可靠性试验剖面设计方法也可为其他各种平台使用鱼雷可靠性试验方案的制定提供参考。后续研究中可进一步探讨装载可靠性等任务时间长、试验样本小的指标的试验剖面设计方法。

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Profile Design Method of Reliability Test for Multi-Platform Launching Torpedo in Sea Trial

GUO Qing1, PANG Duo2, LIU Xiao-xi3, LI Rong-rong2

(1.Naval Military Representative Office in Guangzhou, Guangzhou 510610, China; 2.The 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Xi’an, 710077, China; 3.China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute, Guangzhou 510610, China)

Aiming at the challenges of reliability verification and evaluation of the multi-platform launching torpedo in complex operation environments, a sea trial reliability profile design method was proposed.Based on the mission requirements of the torpedoes, the mission profile of an entire sea trial process for three types of torpedoes, namely tube-launched, airdrop-launched, and rocket-assisted-launched torpedoes, was systematically studied.The types of working environmental and induced environmental stresses in the sea trial mission profile were also analyzed.This study further presents the environmental stress analysis process of the torpedo sea trial reliability test.Combined with a torpedo historical fault analysis, this process determines the comprehensive environmental stress conditions to be considered in the sea trial reliability verification and presents a method of converting the environmental load spectrum into a torpedo sea trial reliability test profile.The proposed method is useful for verifying the sea trial reliability of torpedoes, reducing the risk in lake and sea trials, and provides a reference for making a reliability test scheme of multi-platform launching torpedoes.

multi-platform launching torpedo; sea trial; reliability; profile design

郭勍, 庞多, 刘小西, 等.多平台鱼雷实航可靠性试验剖面设计方法[J].水下无人系统学报, 2022, 30(1): 128-134.

TJ630.6; TB114.3

A

2096-3920(2022)02-0128-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2022.01.017

2021-08-10;

2021-09-09.

装发预先研究项目资助(41402040203).

刘小西(1990-), 女, 硕士, 工程师, 研究方向为环境与可靠性.

(责任编辑: 吴 攀)