可靠性预计在空空导弹研制中的应用

王丽丽

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

可靠性预计在空空导弹研制中的应用

王丽丽

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

阐述了空空导弹可靠性预计的一般方法，描述了可靠性预计在提高空空导弹的可靠性中的作用。以飞控组件的可靠性预计为例，系统地分析了可靠性预计在应用中的局限性及存在的问题，并就相关问题提出了改进措施及实施方案。

空空导弹；可靠性预计；应用研究

0 引言

空空导弹是由飞机携带，并从飞机上发射、攻击空中目标的导弹，具有结构复杂、研制周期短、研制经费投入大和工作环境恶劣，以及对质量与可靠性要求高等特点，属于一次性使用的成败型产品。因而有必要在产品的设计研制阶段对产品的可靠性进行预计，以发现设计中的薄弱环节，并采取相应的改进措施来提高产品的固有可靠性。可靠性预计是空空导弹可靠性设计与分析中的一项关键技术，其预计结果的好坏将直接影响到产品最终的质量与可靠性。

1 可靠性预计的含义及主要内容

1.1 可靠性预计的含义

可靠性预计是指在产品尚无自身试验数据时，根据类似产品的经验数据或组成该产品的各单元的可靠性数据，对产品在给定工作或非工作条件下的可靠性参数进行估算。它是根据组成系统的元器件、分组件和分系统的可靠性来预测系统的可靠性的一种技术。预计过程本身并不能直接提高一个系统的可靠性，但是根据预测的结果，可以判断产品的可靠性是否达到了规定的要求，找到影响产品的可靠性的薄弱环节，为设计决策提供依据。预计时应全面地考虑产品各组成部分的可靠性、设计水平和工艺条件，以及系统的协调性等因素。

1.2 可靠性预计的分类

根据可靠性预计的定量要求，可以将可靠性预计分为基本可靠性预计和任务可靠性预计两类。基本可靠性预计用于估计产品所有的部件对维修和后勤保障的要求，通常采用串联模型；任务可靠性预计产品成功地完成规定的任务的概率，一般采用串-并联模型，能为产品作战效能分析提供依据。

2 可靠性预计在空空导弹研制中的应用

2.1 可靠性预计的发展历程

可靠性预计为产品开展可靠性设计提供了一种定量分析手段，并为优选设计方案提供了依据。可靠性预计工作开始于20世纪50年代。当时，美国国防部组织研究小组开展了可靠性预计基础理论和预计模型的研究工作，并于1957年推出了MILHDBK-217《电子设备可靠性预计手册》，迄今为止，该标准已经历经了7次更新。我国于20世纪70年代开始开展可靠性预计模型的研究，通过收集和处理大量的现场数据和试验数据，于1987年推出了GJB 299《电子设备可靠性预计手册》。该标准经历了3次重大的更新，目前是GJB/Z 299C-2006《电子设备可靠性预计手册》。此外，我国还颁布实施了GJB/Z 108A-2006《电子设备非工作状态可靠性预计手册》来代替GJB/Z 108-1998。

一系列与可靠性预计有关的标准的颁布和实施，极大地推动了可靠性预计工作在装备研制中的应用，使我国装备的可靠性水平有了很大的提高。

2.2 空空导弹的常用的可靠性指标及预计方法

2.2.1 指标类型及预计方法

空空导弹常用的可靠性指标如表1所示。

常用的可靠性预计方法[1]有：元器件计数法、元器件应力分析法、故障率预计法、相似产品法、专家评分法和性能参数法等。在不同的研制阶段应选取不同的可靠性预计方法。此外，由于空空导弹是由不同种类的元器件组成的，且构成导弹不同分系统的构件也不同，因而对空空导弹的各组成元器件及分系统的可靠性进行预计时，所选的预计方法和模型也应有所不同。不同研制阶段的预计方法的选取及其适用范围如表2所示。

表1 空空导弹常用的可靠性指标

表2 不同研制阶段预计方法的选取及适用范围

在论证阶段，可靠性预计能够评估系统的可靠性，审查装备的可靠性是否能够达到作战使用需求提出的可靠性指标；在方案阶段，可靠性预计可为方案优选提供依据；在工程研制阶段，可靠性预计可以及早地发现设计中的薄弱环节，并采取有效的改进措施，为可靠性试验、可靠性增长计划以及可靠性分配提供依据。

2.2.2 实例分析

设计缺陷在投入现场使用后就不能弥补，尤其是对于由许多电子元器件组成的系统而言，及时地预计其可靠性比事后精确地获得其可靠性更为重要。本节以某飞控组件为研究对象，用元器件应力分析法预计其基本可靠性。

现假设：

a）所选用的产品是一个串联系统，即组件中任何一个分组件失效都会引起飞控组件的失效；

b）每个分组件的失效都是相互独立的；

c）产品失效率是组成产品的元器件的固有失效率的总和；

d）构成组件的机械结构件及软件的失效率忽略不计，即认为其可靠度为1。

某飞控组件由惯测分组件、信息处理单元和卫星定位分组件三部分组成，其可靠性框图如图1所示。

图1 某飞控组件可靠性框图

空空导弹是成败型产品，其寿命服从指数分布。某飞控组件作为导弹的一部分，其寿命也服从指数分布，其挂飞基本可靠性的数学模型可用下式表示：

式 （1）中：MTBF——挂飞基本可靠性；

λi——各分组件挂飞失效率，单位：10-6/h。

飞行可靠性的数学模型为：

式 （2）中：RFi——各分组件的飞行可靠性；

λFi——各分组件飞行阶段的工作失效率，单位：10-6/h；

t——飞行期间组件的工作时间，单位：h。

贮存可靠性数学模型为：

式 （3）中：λZ——库房贮存状态下各分组件的非工作失效率，单位：10-6/h；

tZ——贮存时间，单位：h。

待命停放可靠性数学模型为：式 （4）中：RD——待命停放状态下各分组件的非工作失效率，单位：10-6/h；

tD——待命停放时间，单位：h。

预计时，国产元器件的环境类别和环境条件按GJB/Z 299C和GJB/Z 108A的规定选取；进口元器件的环境类别和环境条件按MIL-HDBK-217F的规定的选取。产品工作时，环境温度取产品的最高工作温度；产品不工作时，环境温度取产品可能遇到的最高温度。

在已知了元器件的类别、质量等级和应力水平等信息后，按照标准中的相应公式计算出各元器件的失效率，然后将各元器件的失效率相加即可得到各分组件的失效率，得到的各分组件的失效率数据如表3所示。

表3 某飞控组件各分组件失效率数据（10-6/h）

将得到的失效率数据代入公式 （1）-（4）即可得到该飞控组件各可靠性指标的预计值；代入公式 （3）即可得到各分组件库房贮存可靠性的预计值。预计结果及规定的可靠性指标如表4-5所示。

表4 某飞控组件预计结果及可靠性指标

由表4可知，该飞控组件的贮存可靠性不满足指标要求。由表5可知，依据指标要求，惯测、信息处理及卫星定位分组件库房贮存可靠度均应不低于0.985，而该惯测分组件的库房贮存可靠性的预计值仅为0.977，所以该惯测分组件不满足分配指标要求。

表5 各分组件库房预计结果及可靠性指标要求

因可靠性预计是由局部到整体，由小到大的反复迭代过程[2]。将不满足指标项进行反推，由整体到局部，即由分组件级推至元器件级，反复校核，最终确定惯测分组件的三轴陀螺及二次电源库房贮存失效率不满足指标要求，从而为产品设计时元器件质量控制及选用提供了依据。

通过开展可靠性预计工作并对预计结果进行分析，若预计结果显示产品的基本可靠性不足，则可以采用使用高质量的元器件或调整性能容差，以及简化设计等方法来弥补[3]。

2.3 可靠性预计应用中存在的问题

可靠性预计是可靠性设计的基础和核心，而可靠性设计是与性能设计同等重要的设计。但在研制的过程中，可靠性预计在应用的过程中仍然存在一些不可忽视的问题，具体体现在以下几个方面。

a）可靠性预计没有得到应有的重视，先定后补现象严重

从工程实践来看，设计师更加重视产品的性能，比较愿意通过可靠性试验等事后手段来发现产品设计的薄弱环节，不重视可靠性预计，认识不到可靠性预计对提高产品的可靠性的重要性。很多时候在产品设计方案已定、无法再进行更改时才进行可靠性预计，从而使得可靠性预计失去了其能及时地发现设计中的薄弱环节的价值，使设计出的产品在试验中故障频发、可靠性差。

b）外协件质量不佳

组成空空导弹的元器件中很多是外协件，在故障信息统计分析中发现，很多故障不是系统本身的设计问题，而是外协厂家的元器件质量控制不严，致使零部件失效率高，产品的固有可靠性水平低。加上对外协件失效率数据没有进行严格的考核，来源无法考证或缺乏科学的依据，致使可靠性预计的准确性差，并最终影响了产品的质量和可靠性。

c）可靠性预计方法自身存在缺陷

传统的可靠性预计是一种数理统计分析法，是一种宏观的分析方法，不能准确地反映产品失效和发生故障的本质。主要表现在以下几个方面：

1）传统的预计方法没有全面地考虑影响产品的可靠性的因素，例如：对电子元器件的可靠性进行预计时，仅考虑了电子元器件自身的影响，但实际上影响电子元器件的可靠性的因素还涉及到了元器件的设计、制造工艺和管理等方面；

2）传统可靠性预计方法没有考虑温变、温冲、潮湿以及振动[4]等环境因素的影响，对电子设备中机械构件和软件的失效率也未进行考虑；

3）一般情况下，产品工作与非工作状态下的故障率不存在确定的比例关系，因为两者的影响因素有较大的差异，但在实际的预计工作中，在无法获得进口元器件的非工作状态的数据时，常以其工作状态的失效率的5%～10%对其非工作状态的失效率进行预计，此预计方法的科学性有待考证。

2.4 解决措施

针对目前可靠性预计的应用过程中存在的各种问题，笔者提出了以下几项解决措施。

a）思想上应对可靠性预计给予足够的重视，建立可靠性设计和性能设计同样重要的思想，使性能设计和可靠性设计达到有机结合。应尽可能地在产品的各研制阶段的早期开展可靠性预计，以便通过可靠性预计发现设计中的薄弱环节，及早采取相应的改进措施。

b）加强外协件的质量控制。按照质量控制要求、元器件大纲的规定以及电路的功能、性能和可靠性要求，正确地选择元器件的型号和质量等级。采用降额设计、热设计、环境防护设计、容差分析和可靠性预计等技术，在选购、入厂复验、二次筛选和装配与调试，以及破坏性物理分析与失效分析等方面对产品的可靠性进行保证。

c）传统的预计方法的前提是系统失效率是由组成系统的元器件决定的，事实证明很多失效并非完全是由元器件所引起的。在预计过程中考虑影响可靠性的因素不够全面势必会影响预计的精度，为此要探索适合空空导弹自身的可靠性预计方法，并在全弹预计过程中将尽可能多的因素考虑进去。同时，在不能准确地预计机械结构和软件的可靠性[5]时，应为其可靠性留有一定的余量，使可靠性预计的结果更加符合产品实际的使用可靠性水平。

3 结束语

作为可靠性设计的一种手段，可靠性预计可为提高产品的可靠性指明方向。导弹是个复杂、庞大的系统，其可靠性是一项系统工程，需要将可靠性预计和其他可靠性设计分析、可靠性试验和可靠性管理等工作结合起来，才能有效地保证产品研制过程可靠性的增长及可靠性目标的实现。

[1]曾利伟，吕川.可靠性预计方法及思考 [J].电子质量，2005（9）：28-30.

[2]陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析 [M].北京：国防工业出版社，1995.

[3]任立明，何国伟，周源京.可靠性工程师必备知识手册[M].北京：中国标准出版社，2009.

[4]张文俊，聂国健，郑丽香.国外最新可靠性预计方法综述 [J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（2）：27-31.

[5]何国伟.软件可靠性 [M].北京：国防工业出版社，1998.

清华大学制成可调色石墨烯LED 光谱范围大

清华大学微纳电子系教授任天令领导的研究小组最近从两种不同形式的石墨烯中制作出了新型发光材料，第一次在基于石墨烯材料的发光系统中证明，仅用一个LED就可调整出不同颜色的光，几乎覆盖整个可见光光谱的所有颜色。

发光二极管 （LEDs）的发光颜色和波长均由发光材料决定，一旦制备完成，两个属性就被确定下来。到目前为止，用一个LED来改变灯光颜色的想法很难实现。任天令的研究小组研制的可调色石墨烯LED覆盖了从450毫微米波长的蓝光到750毫微米波长的红光，但深蓝色和紫罗兰色除外。

实现可调节颜色LED的关键材料是石墨烯，从太阳能电池到半导体，石墨烯作为新兴材料都取得了一定的成绩，但此前用这种材料制作的LED灯并未实现颜色可调节，直到此次科研人员将之变为现实。

现有的LED器件在传统的显示或照明技术中，通过调整固定的红、绿、蓝3种基色发光单元的亮度来表示颜色或者合成白光。此次具有突破性的研究成果在获得颜色保真度的同时，还能显著地减少显示器件内的发光单元数目，从而极大地优化电路进而降低功耗。

另外，这种新型LED突破了现有显示器件的颜色合成方式，有望对显示屏、照明灯具和通讯技术产生革命性的影响。由于光的颜色会随特定化学物质而改变，这类器件还可能用于制备特殊的传感器。论文审稿人评价： “这项工作有望在发光器件领域拓展新的研究方向” “这项工作令人激动且具有影响力”。

该研究成果在线发表在 《自然·通讯》上。耶鲁大学博士后王肖沐和清华大学微纳电子系博士毕业生田禾是论文的共同第一作者。

（摘自科技日报）

The App lication of Reliability Prediction in the Development of Air-to-Air M issile

WANG Li-li
（China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China）

The general method of reliability prediction of air-to-air missile is introduced，and the function of reliability prediction in improving the reliabity of air-to-air missile is described. And then， taking the reliability prediction of flight control components as an example， the limitations and problems of reliability prediction in application are analyzed systematically，and the improvementmeasures and implementation programme on the related problems are put forward.

air-to-airmissile；reliability prediction；application study

TB 114.39

：A

：1672-5468（2015）05-0011-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.003

2015-04-08

2015-04-10

王丽丽 （1984-），女，河南开封人，中国空空导弹研究院工程师，从事可靠性工程研究工作。