趙婉，胡彭煒，程海龍

（中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071）

艦船裝備處于典型的人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)是由裝備使用與維修保障人員、裝備及其人機(jī)共處的特定工作環(huán)境所組成的復(fù)雜系統(tǒng)。艦船裝備部署于海洋性氣候環(huán)境地域，長(zhǎng)期承受惡劣海洋性氣候環(huán)境的影響，特別是艇上設(shè)備在海洋航行、訓(xùn)練和作戰(zhàn)時(shí)，還同時(shí)承受著反復(fù)艦搖、艦船振動(dòng)和沖擊等力學(xué)環(huán)境影響，使得艦船裝備的環(huán)境適應(yīng)性時(shí)刻面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是減緩環(huán)境影響和提高裝備環(huán)境耐受力的重要工作。對(duì)于艦船裝備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，現(xiàn)有文獻(xiàn)資料一般均是從兩個(gè)方面考慮：選擇耐環(huán)境能力高的材料、元器件、結(jié)構(gòu)件、外購(gòu)設(shè)備或裝置；從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上提高裝備對(duì)預(yù)定環(huán)境的抵抗能力，或者采取減緩其所在局部環(huán)境的嚴(yán)酷度等措施。對(duì)于特定艦船裝備，在如何分析提出有針對(duì)性的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)解決對(duì)策方面的研究尚不充分，工程上缺乏可行的具體方法。

因此，文中立足當(dāng)前需求，從分析環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)基本要求入手，研究提出了以關(guān)鍵產(chǎn)品把控為導(dǎo)向的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策分析方法，并以某艦船裝備為例，給出了分析示例。

1 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策分析方法

1.1 基本要求

根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性定義，裝備面臨的環(huán)境是指產(chǎn)品壽命期遇到的最嚴(yán)酷的極端環(huán)境[1-2]。環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)主要是解決裝備在整個(gè)壽命期內(nèi)各種環(huán)境下最嚴(yán)酷應(yīng)力的單獨(dú)、組合和綜合作用下能否生存和正常工作的問題[3]。

從概念內(nèi)涵進(jìn)行分析，按照環(huán)境要求開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，應(yīng)能保證裝備在未來的壽命期環(huán)境中可以生存和使用[4]，即在服役環(huán)境中，裝備首先要“能用”，具備相應(yīng)的功能。其次在此基礎(chǔ)上，最大限度降低壽命期環(huán)境中的故障次數(shù)，提高“好用”、“耐用”程度。

可以說，對(duì)任何裝備而言，環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與可靠性、維修性等其他通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)密不可分[5]，環(huán)境適應(yīng)性相對(duì)更具基礎(chǔ)性，原則上任何系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備（單機(jī)）、部組件等均需要進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。對(duì)于環(huán)境適應(yīng)性薄弱或風(fēng)險(xiǎn)較高的產(chǎn)品，更需加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)與考核驗(yàn)證。比如在故障模式影響分析（FMECA）中被列入關(guān)鍵故障模式清單和單點(diǎn)故障模式清單的產(chǎn)品，需要進(jìn)一步分析其所處的使用環(huán)境及面臨的環(huán)境因素，分析各種環(huán)境因素影響，采取有針對(duì)性的環(huán)境防護(hù)措施。

1.2 方法介紹

遵循裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)基本要求，綜合考慮艦船裝備系統(tǒng)的復(fù)雜性和環(huán)境影響，按裝備產(chǎn)品層次逐級(jí)進(jìn)行產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性分析。根據(jù)其對(duì)上一級(jí)產(chǎn)品或?qū)φ麄€(gè)裝備功能的影響程度，確定系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備（單機(jī)）等的環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品，分析關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)或目標(biāo)，解決環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)問題，從而完成整個(gè)艦船裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的系統(tǒng)解決對(duì)策。方法流程如圖1所示。

圖1 基于關(guān)鍵產(chǎn)品把控的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策分析方法流程 Fig.1 Environmental worthiness design countermeasure analysis step based on crucial product control

1）裝備環(huán)境影響因素梳理。艦船裝備使用期壽命由非作戰(zhàn)使用和作戰(zhàn)使用兩個(gè)階段組成，分別梳理兩個(gè)階段所面臨的自然環(huán)境因素和誘發(fā)環(huán)境因素，為后續(xù)各階段工作奠定基礎(chǔ)。

2）確定環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品清單。在了解艦船裝備系統(tǒng)功能及組成的基礎(chǔ)上，針對(duì)各層次產(chǎn)品，提出關(guān)鍵產(chǎn)品的判定原則：當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可能造成人員傷亡、任務(wù)失敗或重大經(jīng)濟(jì)損失的系統(tǒng)和設(shè)備等；存在單點(diǎn)故障的系統(tǒng)和設(shè)備等；加工的精度要求高、加工周期長(zhǎng)、采購(gòu)難度大、占用資金多、需要重點(diǎn)加強(qiáng)管理的系統(tǒng)和設(shè)備等；包含關(guān)鍵設(shè)備的系統(tǒng)為關(guān)鍵系統(tǒng)；關(guān)鍵系統(tǒng)中起重要作用的設(shè)備為關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)上述原則確定的產(chǎn)品，以其中對(duì)環(huán)境最為敏感或環(huán)境適應(yīng)性薄弱的作為本研究的關(guān)鍵產(chǎn)品，形成環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品清單。

3）關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)分析。根據(jù)關(guān)鍵產(chǎn)品功能，對(duì)照研制任務(wù)書或總要求中的使用環(huán)境要求、面臨的環(huán)境因素，進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性影響因素分析，提出環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的主要關(guān)注要點(diǎn)或目標(biāo)，確定該層次產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)，作為環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需要解決的主要問題。

4）提出關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策。在上述分析的基礎(chǔ)上，分析建立環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)、環(huán)境要求、影響因素、薄弱環(huán)節(jié)、控制措施、具體方法等之間的映射關(guān)系，形成關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策，推薦以表格形式進(jìn)行表述。常用的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)具體方法[6-7]有材料選擇與控制、散熱設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、密封設(shè)計(jì)、三防設(shè)計(jì)、排水設(shè)計(jì)等，具體的方法程序等細(xì)節(jié)內(nèi)容可參考相應(yīng)專業(yè)文獻(xiàn)資料。在確定具體的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法后，針對(duì)各層次產(chǎn)品制定相應(yīng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，指導(dǎo)設(shè)計(jì)對(duì)策落實(shí)到位。

2 方法示例

某艦船裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)既要面向作戰(zhàn)使用和戰(zhàn)備值班環(huán)境，也要考慮岸邊貯存以及各種轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)境，更要避免和減緩可能經(jīng)歷的長(zhǎng)、短期貯存環(huán)境帶來的不利影響。通過采用基于關(guān)鍵產(chǎn)品把控的艦船裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策分析方法，完成該裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)工作。

2.1 裝備環(huán)境影響因素梳理

該艦船裝備非作戰(zhàn)使用階段是指從該裝備驗(yàn)證交付開始，一直到戰(zhàn)勤值班為止的這段時(shí)間，經(jīng)受的環(huán)境因素以自然環(huán)境因素為主，主要包括高溫、低溫、太陽輻射、潮濕、淋雨、鹽霧、砂塵等。

作戰(zhàn)使用階段是指從該裝備戰(zhàn)勤開機(jī)開始，一直到完成作戰(zhàn)任務(wù)為止的這段時(shí)間。經(jīng)受的環(huán)境因素除了包括上述自然環(huán)境因素外，還包括油霧、振動(dòng)、沖擊、加速度、噪聲、傾斜/搖擺等誘發(fā)環(huán)境因素。當(dāng)發(fā)生敵我對(duì)抗時(shí)，噪聲干擾、電磁干擾以及爆炸沖擊等誘發(fā)環(huán)境作用尤為突出。

2.2 確定環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品清單

根據(jù)環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品的判定原則分析，確定關(guān)鍵產(chǎn)品清單，主要包括空氣螺旋槳、墊升風(fēng)機(jī)、空調(diào)等產(chǎn)品。由于空調(diào)承擔(dān)著為艙室內(nèi)的船員和設(shè)備提供適宜工作環(huán)境的重要角色，空調(diào)故障將直接影響人員的戰(zhàn)斗力和艦船裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，因此，文中以空調(diào)為例進(jìn)行分析說明。

2.3 關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)分析

2.3.1 組成與功能

該裝備空調(diào)由一臺(tái)室內(nèi)機(jī)與一臺(tái)室外機(jī)組成，其中室內(nèi)機(jī)包括箱體、蒸發(fā)器模塊、風(fēng)機(jī)模塊、壓縮機(jī)模塊、控制模塊、配電模塊、電加熱模塊、出風(fēng)模塊、新風(fēng)模塊、回風(fēng)模塊等部件，室外機(jī)包括箱體、冷凝器模塊、風(fēng)機(jī)模塊等部件。

空調(diào)裝置為艙室提供制冷或制熱溫濕度調(diào)節(jié)功能，滿足裝備在航行、停泊狀態(tài)下人員的正常工作及設(shè)備的正常運(yùn)行。其應(yīng)有的具體功能包括：制冷、制熱與通風(fēng)功能；引入新風(fēng)和接收回風(fēng)的功能；狀態(tài)顯示及故障報(bào)警功能；可靠接地功能。

2.3.2 環(huán)境條件要求

根據(jù)研制任務(wù)要求，該空調(diào)裝置應(yīng)在以下環(huán)境條件保持不被破壞和功能正常。

1）自然環(huán)境條件。在高溫、低溫、高濕、鹽霧和砂塵等自然環(huán)境條件（具體量值略）下，該空調(diào)裝置能正常工作或功能不被破壞。

2）誘發(fā)環(huán)境條件。在傾斜、搖擺、振動(dòng)、加速度等誘發(fā)環(huán)境條件（具體量值略）下正常工作。

2.3.3 分析確定環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)

艇艙室的內(nèi)環(huán)境是影響艦船裝備綜合作戰(zhàn)能力的重要因素，對(duì)船員和設(shè)備具有重要影響。艦船艙內(nèi)在多數(shù)情況下是一個(gè)高溫高濕環(huán)境，艙室內(nèi)部環(huán)境不僅悶熱不堪，更嚴(yán)重的是結(jié)露凝水不斷，造成艙內(nèi)四壁及艙頂?shù)嗡?，引起金屬腐蝕、電氣絕緣性能降低、電子設(shè)備長(zhǎng)霉失效等環(huán)境適應(yīng)性問題。尤其是在熱帶海域或夏季航行時(shí)，或遇到海洋暖流，海水和大氣溫度較高時(shí)，艙室內(nèi)的高溫高濕情況更加嚴(yán)重，不加空調(diào)調(diào)控的話，溫度最高可達(dá)35 ℃，個(gè)別部位溫度甚至高達(dá)50 ℃，相對(duì)濕度可達(dá)90%以上。

空調(diào)承擔(dān)著溫度調(diào)節(jié)的重要角色，其本身應(yīng)有足夠高的環(huán)境適應(yīng)性，能夠適應(yīng)艙室濕熱負(fù)荷的變化。與陸地上的應(yīng)用環(huán)境相比，艦船艇內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)有更強(qiáng)的適應(yīng)濕熱的能力。因此，該裝備空調(diào)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注以下4個(gè)方面：良好的溫濕度適應(yīng)能力（對(duì)抗高低溫影響）、足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（抗過載加速度）、防腐防沖刷能力（抗霉菌、鹽霧以及海水、砂礫沖刷）以及噪聲控制能力。

2.4 提出關(guān)鍵產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策

通過開展上述分析，進(jìn)一步明確該裝備空調(diào)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)關(guān)注點(diǎn)、規(guī)定的環(huán)境要求、環(huán)境適應(yīng)性影響因素、環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)、控制措施、具體方法等，針對(duì)該關(guān)鍵產(chǎn)品形成環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策，見表1。裝備研制總體部門，根據(jù)該艦船裝備各關(guān)鍵產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)策，組織制定詳細(xì)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，指導(dǎo)和約束環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策在整個(gè)艦船裝備落實(shí)到位。

表1 某艦船裝備空調(diào)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)對(duì)策 Tab.1 Environmental worthiness design countermeasure for a certain marine material air conditioner

3 結(jié)語

環(huán)境適應(yīng)性是裝備的一項(xiàng)重要質(zhì)量特性，直接影響裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)是確保裝備在其壽命期內(nèi)發(fā)揮應(yīng)有效能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已成為裝備研制過程中的重要工作。目前在裝備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面還沒有形成完備的方法體系，對(duì)于復(fù)雜裝備如何系統(tǒng)開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)工作，缺乏可操作的方法或工具支撐，影響裝備環(huán)境適應(yīng)性水平的提升。文中以某艦船裝備為例，提出了按產(chǎn)品層次進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性分析，根據(jù)其對(duì)上一級(jí)產(chǎn)品或?qū)φ麄€(gè)裝備功能層層剝離出環(huán)境適應(yīng)性關(guān)鍵產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)并消除環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)隱患，形成環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)系統(tǒng)解決對(duì)策的分析方法，為艦船以及其他裝備開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供了一種可行的借鑒方法。