直升机昼夜观瞄系统的可靠性分析

摘 要：文章通过对光电产品可靠性概念和直升机昼夜观瞄系统的功能和组件的阐述，建立了武装直升机昼夜观瞄系统的可靠性框图和数学模型。当前军用光电产品可靠性的计算方法采用点估计法及基于指数分布的区间估计模型，容易产生较大的误差。针对当前算法存在评估结果不准确的局限性，将基于威布尔分布的点估计法用于对昼夜观瞄系统平均故障间隔时间（MTBF）的评估。为更加全面准确地估计军用光电产品可靠性提供了一种有效实用计算方法。
　　关键词：平均故障间隔时间；光电产品；可靠性评估；计算方法
　　引言
　　武装直升机由于具备机动性好、隐蔽性好、杀伤力大等优点，在现代高技术战争中发挥日益重要的作用。昼夜观瞄系统集光、机、电为一体，装有多个光电传感器，信号交织十分复杂，结构十分紧凑，是直升机制导及火控的关键系统，它的性能决定了系统对目标跟踪瞄准的精度，直接关系到武装直升机的攻击性能。为了确保战场上火控系统在整个使用寿命周期内的稳定性和可靠性，有必要对昼夜观瞄系统的故障模式、可靠性提前进行预估分析。
　　1 光电产品可靠性
　　可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内无故障地完成规定功能的能力，是与产品性能指标同样重要的质量特性之一，已经被列为产品的重要质量指标加以考核和检验[1]。产品的可靠性与时间是紧密相关的，同时作用于产品的各种条件载荷也会对可靠性产生影响，可以建立产品的可靠性宏观数学模型：
　　（1）
　　式（1）中：R（t）表示产品的可靠程度；F（x）表示产品可靠程度的数学函数；Li（t）表示时间范围内作用于产品的条件载荷。
　　光电系统可靠性指标和参数主要包括：平均故障间隔时间（Mean Time Between Failures，MTBF）、平均维修间隔时间（Mean Time Between Maintenance，MTBM）等。MTBF反映了产品相邻两次故障之间的平均工作时间，仅适用于可维修产品。产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。一个可维修产品在使用期中，发生了N0次故障，每次故障修复后，该产品继续投入工作，其工作时间分别为t1，t2，.....tN
　　则其MTBF为：
　　平均维修间隔时间（MTBM）是与维修方针有关的一种可靠性参数。产品寿命单位总数与该产品计划维修和非计划维修事件总数之比为MTBM。
　　2 武装直升机昼夜观瞄系统可靠性数学模型
　　直升机昼夜观瞄系统的主要功能是对目标进行探测、识别、定位，以获取目标的位置速度以及姿态信息，并将获取的目标信息传递给火控系统，实现瞄准线的空中惯性稳定，最终实现对地面空中敌方目标的精确打击。直升机昼夜观瞄系统按照功能构成可以分为：探测传感单元、伺服随动单元、控制单元和图像显示与操控单元，按照系统物理构成可以分为：光电转塔、电子箱和显控台[2]。结构如图1所示。
　　结合军用光电系统可靠性关注重点，构建直升机昼夜观瞄系统基本可靠性框图如图2所示。
　　直升机昼夜观瞄系统可靠性框图为串联模型，可以确定稳瞄系统的基本可靠性数学模型为：
　　系统可靠度： （3）
　　式（3）中：n为组成系统的单元数，Ri为第i个单元的可靠性；
　　系统故障率？姿s为各单元故障率之和：（4）
　　系统平均故障间隔时间MTBF为： （5）
　　3 直升机昼夜观瞄系统平均间隔时间
　　光电产品的故障都是由基本的的机械、电热、化学等应力作用导致的，系统的每个单元下又存在多个不同失效机理引起的失效点。直升机平台自身振动、环境湿度温度等因素会影响昼夜观瞄系统可靠性，这些因素会造成系统电气元件失效、伺服机构精度下降、光电探测器件性能下降、光轴失稳或者光学成像质量下降等失效模式。
　　目前相关的国军标对光电产品的平均故障间隔时间（MTBF）的评估采用2006年中国人民解放军总装备部发行的GJB/Z 299C和GJB/C 108A[3]。这些评估采用点估计法及基于指数分布的区间估计模型，而实际上，航空光电产品定型试飞后要经过一系列的改良设计，可靠性呈增长趋势。另外产品的各个组成单元故障原因、机理各不相同。MTBF不一定完全符合基于指数分布的评估模型，采用此模型可能会产生较大的误差。文献4，5指出采用威布尔分布来描述光电产品的故障率比指数分布好。
　　当故障间隔时间服从威布尔分布时，其概率密度函数为
　　（6）
　　概率函数为（7）
　　则威布尔分布可靠度函数为（8）
　　损伤函数为（9）
　　β是决定威布尔分布的主要参数，β的不同取值很好的描述了分布曲线的形状。当0<β<1时，概率密度函数f（t）为减函数；当β=1