周坤燁, 蔣 濤, 張 寧

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魚雷測試性設(shè)計技術(shù)框架與關(guān)鍵技術(shù)

周坤燁, 蔣 濤, 張 寧

(海軍工程大學(xué) 兵器工程學(xué)院, 湖北 武漢, 430033)

隨著測試性在新型魚雷研制中逐漸受到重視, 針對裝備測試性工作通用要求無法有效指導(dǎo)魚雷開展測試性設(shè)計的問題, 提出了一種適用于魚雷的測試性設(shè)計方法。首先對比分析了航空裝備與魚雷武器存在的設(shè)計差異; 隨后根據(jù)魚雷的保障特點制定了測試性設(shè)計的技術(shù)框架和工作方法; 最后, 重點對指標(biāo)分配、測試性建模以及BIT設(shè)計這3個關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析優(yōu)化, 解決了以往在產(chǎn)品研制階段缺乏規(guī)范、有效的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)魚雷測試性設(shè)計的問題。

魚雷; 測試性設(shè)計; 技術(shù)框架

引言

近年來, 隨著裝備“六性”設(shè)計與分析在研制中的地位和作用得到重視, 測試性設(shè)計工作也在新型魚雷的方案設(shè)計中開展[1], 現(xiàn)已在3種型號的魚雷上推廣應(yīng)用。對魚雷提高可靠性、維修性, 減少維修保障資源和降低壽命周期費用具有重要意義。

為指導(dǎo)測試性工作的開展, 我國已經(jīng)頒布了一系列的軍用及民用標(biāo)準(zhǔn), 并成功應(yīng)用于某些型號裝備的測試性設(shè)計中。例如直-11的直升機完好性與使用檢測系統(tǒng)(healthy and usage monitoring systems, HUMS)[2]和C-919的健康管理系統(tǒng)[3]等。然而, 目前魚雷的測試性工作主要依據(jù)GJB2547A-2012《裝備測試性工作通用要求》, 其主要規(guī)定了一般性的測試性工作項目和要求, 但缺乏具體的有針對性的標(biāo)準(zhǔn), 無法對于雷彈裝備的測試性設(shè)計開展有效地指導(dǎo)。

國內(nèi)關(guān)于雷彈裝備測試性設(shè)計的研究主要有: 唐銀銀等[4]設(shè)計的一種魚雷自導(dǎo)系統(tǒng)的測試性驗證平臺, 有助于提升魚雷的機內(nèi)測試(built- in test, BIT)設(shè)計; 張釗旭等[5]基于多信號流的方法對魚雷進(jìn)行了系統(tǒng)級的測試性建模和分析工作; 呂雋等[6]提出運用邊界掃描技術(shù), 在不增加彈上額外零部件情況下, 實現(xiàn)良好的機內(nèi)測試; 肖明清等[7]分析了導(dǎo)彈不開箱測試的關(guān)鍵技術(shù), 為魚雷包裝箱的測試性設(shè)計提供良好借鑒。綜上所述, 由于魚雷武器的測試性研究尚處于起步階段, 對于如何具體開展測試性設(shè)計缺乏系統(tǒng)的論述。文中通過對比分析魚雷武器與航空裝備的測試性設(shè)計差異, 結(jié)合魚雷保障特點, 提出一種適用于魚雷的測試性設(shè)計方法, 解決了以往在產(chǎn)品研制階段缺乏規(guī)范、有效的標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)魚雷開展測試性設(shè)計的問題。

1 魚雷武器與航空裝備的區(qū)別

航空電子設(shè)備測試性設(shè)計是測試性技術(shù)發(fā)展的起源, 也同時引領(lǐng)了測試性技術(shù)的發(fā)展方向。由于魚雷武器具有長期貯存, 一次發(fā)射的特點, 與航空裝備的設(shè)計理念存在差異, 因此在測試性的設(shè)計方法上也需要進(jìn)行改進(jìn), 不能照搬航空裝備的工作方法。魚雷武器與航空裝備相比, 主要有以下幾點不同。

1) 工作方式: 飛機在退役前一般可執(zhí)行上千次飛行任務(wù), 飛行時間累計達(dá)數(shù)萬小時, 需要開展經(jīng)常性的維修保養(yǎng)工作。利用機上的預(yù)測與健康管理(prognostic and health management, PHM)系統(tǒng)和地面診斷系統(tǒng)交互可以減少外場測試的工作量[8]; 魚雷在庫房長期處于貯存狀態(tài), 主要運用自動測試設(shè)備(automatic test equipment, ATE)對各艙段實現(xiàn)定期檢查, 外場的診斷能力較強。此外, 魚雷(戰(zhàn)雷)發(fā)射命中目標(biāo)后便摧毀, 無法回收繼續(xù)使用, 因此需要合理權(quán)衡ATE和BIT設(shè)計。

2) 測試方法: 航空裝備發(fā)生故障后將造成難以預(yù)計的災(zāi)難性后果, 所以應(yīng)該具備在線測試的診斷能力。在系統(tǒng)運行中能夠進(jìn)行實時監(jiān)測和快速診斷維修, 以便處理危急情況減少損失[9]; 魚雷主要在發(fā)射前完成各項測試任務(wù), 發(fā)射后即使發(fā)現(xiàn)故障也無法及時采取有效措施彌補[10]。 所以魚雷的測試性設(shè)計應(yīng)適用于離線狀態(tài)下進(jìn)行測試。

3) 設(shè)計約束: 航空裝備體積較大, 設(shè)置機內(nèi)測試設(shè)備(built-in test equipment, BITE)和測試點所引起的質(zhì)量體積變化不會對產(chǎn)品整體設(shè)計造成太大影響。因此可以采用大量BIT和傳感器設(shè)備提高飛機的自檢能力; 魚雷的直徑大小由于受到魚雷發(fā)射管限制, 只能在有限的空間開展測試性設(shè)計。同時還要考慮到魚雷的作戰(zhàn)效能以及航行時重心的穩(wěn)定, 因此BITE引起的附加質(zhì)量、體積、功耗應(yīng)在規(guī)定的范圍內(nèi)[11]。

2 魚雷測試性設(shè)計技術(shù)框架

魚雷測試性設(shè)計技術(shù)框架如圖1所示。測試性設(shè)計實現(xiàn)的主要功能包括狀態(tài)監(jiān)控、故障檢測、故障隔離、虛警抑制和故障預(yù)測等[12]。考慮到魚雷的工程現(xiàn)狀, 對故障預(yù)測和實時監(jiān)控的診斷能力暫不考慮, 虛警率也難以控制, 魚雷測試性設(shè)計實現(xiàn)的主要功能目標(biāo)是故障檢測和故障隔離。

測試性設(shè)計技術(shù)主要包括固有測試性設(shè)計、機內(nèi)測試設(shè)計和外部測試設(shè)計。測試性設(shè)計的介入越早越好, 從產(chǎn)品的固有測試性設(shè)計開始就明確劃分產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能, 有利于測試性工作的開展。針對魚雷的使用保障特點, 合理地權(quán)衡魚雷機內(nèi)測試和外部測試診斷方案, 能夠充分發(fā)揮魚雷的外場診斷能力。

測試性設(shè)計工程任務(wù)主要由測試性指標(biāo)分配、測試性建模、測試性預(yù)計、故障模式、影響及危害性分析(failure mode, effects and criticality analysis, FMECA)和診斷設(shè)計組成。具體將在后文說明。

3 魚雷裝備測試性設(shè)計工作方法

3.1 測試性設(shè)計總體要求

測試性設(shè)計總體要求主要有以下幾點: 1) 測試性設(shè)計和產(chǎn)品方案設(shè)計應(yīng)同步進(jìn)行; 2) 測試性設(shè)計過程中應(yīng)充分考慮工程上的可行性、可靠性和安全性; 3) BITE引起的附加質(zhì)量、體積、功耗、元器件數(shù)量應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi); 4) 應(yīng)進(jìn)行維修級別分析, 并根據(jù)維修級別對系統(tǒng)進(jìn)行可更換單元劃分, 以便于故障隔離; 5) 在各維修級別上, 對每個被測單元(unit under test, UUT)應(yīng)確定如何使用BIT、ATE和通用電子測試設(shè)備來進(jìn)行故障檢測和故障隔離。

3.2 測試性設(shè)計工作流程

通過研究航空裝備的測試性工程, 提出魚雷測試性設(shè)計工作流程, 如圖2所示。首先, 根據(jù)裝備的頂層規(guī)范文件以及相似產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗, 制定魚雷的測試性設(shè)計準(zhǔn)則。其次, 根據(jù)測試性設(shè)計準(zhǔn)則中的指標(biāo)要求按系統(tǒng)級、現(xiàn)場可更換單元(line replaceable unit, LRU)級、車間可更換單元(shop replaceable unit, SRU)級自上而下進(jìn)行分配, 并制定各級別的初步診斷方案, 包括BIT初步設(shè)計、測試點選取、固有測試性設(shè)計等。隨后, 根據(jù)FMECA報告和初步診斷方案進(jìn)行系統(tǒng)的測試性建模工作, 基于該模型可以開展測試性預(yù)計和改進(jìn)工作。若預(yù)計結(jié)果滿足設(shè)計要求, 則進(jìn)行下一步, 否則返回修改模型。最后, 對改進(jìn)的診斷方案可按維修級別開展診斷策略設(shè)計, 為ATE和BIT的詳細(xì)設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 測試性指標(biāo)分配

魚雷按兩級維修體制可分為基層級、基地級?；鶎蛹墱y試任務(wù)主要包括日常維護、技術(shù)準(zhǔn)備和維修測試, 以更換故障段或LRU的換件維修為主?；丶壷饕菍λ托薜聂~雷、故障段以及LRU進(jìn)行檢測, 將故障隔離到SRU或最小可置換件。

因此, 魚雷的測試模式主要有4種(見表1)。包裝箱內(nèi)檢測主要運用BIT和便攜式檢測設(shè)備進(jìn)行定期檢修。全雷聯(lián)調(diào)依靠BIT、全雷檢測臺和輔助設(shè)備進(jìn)行全雷組裝后的調(diào)試。段檢測和組件檢測主要依靠外部測試設(shè)備進(jìn)一步隔離故障。

表1 測試模式

由于組件檢測可利用系統(tǒng)間的預(yù)留接口, 其故障檢測率和故障隔離率可達(dá)較高水平, 故不必對其進(jìn)行分配, 所以主要對全雷到LRU級的測試性指標(biāo)進(jìn)行分配。

以包裝箱內(nèi)檢測為例, 假定測試性要求中對其關(guān)鍵故障檢測率為95%。采用加權(quán)分配法, 選取故障率、故障影響、平均故障修復(fù)時間(mean time to repair, MTTR)、診斷難易程度、診斷成本5個因素對全雷進(jìn)行分配, 加權(quán)系數(shù)取值范圍為0~5。得到魚雷包裝箱內(nèi)測試指標(biāo)分配如表2所示。

表2 測試性指標(biāo)分配

4.2 測試性建模

魚雷的測試模式包含包裝箱內(nèi)測試、全雷聯(lián)調(diào)和段檢測等, 對于不同級別的測試任務(wù), 其指標(biāo)要求不盡相同, 需要根據(jù)各級任務(wù)的故障定位要求, 建立相應(yīng)的測試性模型, 從而作為測試性預(yù)計和診斷策略設(shè)計的依據(jù)。此外, 由于裝備的方案設(shè)計主要按系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計與優(yōu)化, 因此應(yīng)首先按系統(tǒng)開展測試性建模工作, 如圖3所示。

1) 首先利用測試性初步診斷方案和FMECA報告進(jìn)行建模數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作, 主要包括FMECA擴展表、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)信息、信號端口數(shù)據(jù)和測試點信息。

2) 進(jìn)行各分系統(tǒng)的測試性建模工作。基于模型可以分析得到各分系統(tǒng)的不可測故障、冗余測試和測試性指標(biāo)預(yù)計值。

3) 根據(jù)測試性預(yù)計與分析結(jié)果判斷產(chǎn)品是否符合設(shè)計要求, 如滿足則進(jìn)入下一步, 不滿足則返回進(jìn)行測試方案的改進(jìn)優(yōu)化。

4) 最后集成各系統(tǒng)的模型, 構(gòu)建全雷以及各艙段的測試性模型, 并同樣進(jìn)行測試性預(yù)計與改進(jìn)工作, 為診斷策略的構(gòu)建奠定良好基礎(chǔ)。

4.3 BIT設(shè)計

BIT按照系統(tǒng)運行模式可以分為上電BIT、周期BIT和維修BIT。合理設(shè)計這3種BIT, 能夠快速、準(zhǔn)確地獲得故障診斷信息。

1) 上電BIT主要運用于魚雷包裝箱內(nèi)檢測以及艇上測試, 實現(xiàn)魚雷發(fā)射前系統(tǒng)的通電自檢。

2) 周期BIT是在系統(tǒng)運行的過程中不斷發(fā)送檢測信號對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控, 然而目前魚雷發(fā)射后即使發(fā)現(xiàn)故障也無法采取有效措施彌補。

3) 維修BIT則是通過雷上預(yù)留接口與ATE結(jié)合共同完成設(shè)備各個系統(tǒng)或艙段的檢測, 進(jìn)一步隔離故障, 獲得的診斷信息比上電BIT更詳細(xì)。

綜上所述, 考慮到魚雷是一種離線測試的裝備, 若加入周期BIT必然增加系統(tǒng)復(fù)雜度并且存在虛警問題。除此以外, 在故障注入時也難以模擬水下真實環(huán)境, 無法開展周期BIT的測試性驗證評估工作。所以魚雷在BIT的設(shè)計時應(yīng)當(dāng)以上電BIT為主、維修BIT為輔。

5 結(jié)束語

文中從工程實際出發(fā), 提出了一種適用于魚雷武器的測試性設(shè)計方法并就其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析優(yōu)化。該方法已經(jīng)成功應(yīng)用于魚雷產(chǎn)品測試性設(shè)計, 下一步重點將研究如何開展魚雷的測試性驗證與評價工作。

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(責(zé)任編輯: 許 妍)

Technical Framework and Key Technologies of Torpedo Testability Design

ZHOU Kun-ye, JIANG Tao, ZHANG Ning

(College of Weapons Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Testability receives more attention in development of a new torpedo, however it is difficult to effectively guide the testability design of a torpedo according to the general requirements of equipment testability. In this paper, the differences of design between aerial equipment and torpedo weapon are compared. Then, according to the characteristics of torpedo support, the technical framework and working methods of the testability design are proposed. Moreover, the key technologies of specifications allocation, testability modeling and built-in test(BIT) design are analyzed and optimized. This study may offer a normative and effective standard for product development stage to guide the testability design of a torpedo.

torpedo; testability design; technical framework

周坤燁, 蔣濤, 張寧. 魚雷測試性設(shè)計技術(shù)框架與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2018, 26(3): 258-262.

TJ630.6; TN06

A

2096-3920(2018)03-0258-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2018.03.012

2018-03-06;

2018-03-30.

周坤燁(1994-), 男, 在讀碩士, 主要從事武器系統(tǒng)運用與保障工程方面的研究.