吳進(jìn)煌，孫少華，曹山根，趙永濤

（1. 92228部隊(duì)，北京 100072；2.海軍工程大學(xué)，武漢 430033；3. 91049部隊(duì)，山東 青島 266001）

引信可靠性是整個(gè)武器系統(tǒng)的重要性能和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一，是衡量引信的設(shè)計(jì)特性，判定引信的使用特性以及引信的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)的重要依據(jù)。引信可靠性還與引信的生產(chǎn)制造、使用保障因素密切相關(guān)，因此，須采取相應(yīng)的保障措施，以求達(dá)到引信作用可靠性要求。提高引信可靠性水平，不僅是設(shè)計(jì)工程師的責(zé)任，也是生產(chǎn)制造商和使用保障人員的共同責(zé)任[1]。引信作為控制戰(zhàn)斗部在最佳時(shí)機(jī)或位置起爆的關(guān)鍵部件，是武器系統(tǒng)可靠性研究中須特別關(guān)注的領(lǐng)域[2]。因?yàn)橐艧o(wú)論能否正常作用，都將對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)性能產(chǎn)生決定性影響。如：早炸會(huì)危及己方人員和裝備安全；遲炸或者失效會(huì)錯(cuò)失攻擊目標(biāo)的機(jī)會(huì)，貽誤戰(zhàn)機(jī)，也為后續(xù)的戰(zhàn)場(chǎng)清理留下巨大的安全隱患。所以，對(duì)引信來(lái)說(shuō)，作用可靠性問(wèn)題意義重大。若不考慮引信的作用可靠性而對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)綜合體的戰(zhàn)斗效率做出全面評(píng)價(jià)是極為困難的[2]。

引信系統(tǒng)具有工作環(huán)境復(fù)雜、對(duì)可靠性（特別是安全可靠性）要求高，系統(tǒng)不可修復(fù)和系統(tǒng)失效呈多態(tài)性的特點(diǎn)[3]。目前，在引信可靠性分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究領(lǐng)域，主要有3 種方法：故障樹(shù)分析方法、失效模式影響和危害度分析方法、成功流方法。王曉方[4]采用故障樹(shù)分析法對(duì)某型電子時(shí)間引信的組成及工作原理做了介紹，并通過(guò)建立故障樹(shù)失效模型，對(duì)系統(tǒng)的失效模式進(jìn)行分析，為系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和維修打下良好的基礎(chǔ)；段志薇、張亞[5]采用故障樹(shù)分析法，對(duì)某機(jī)電引信的安全性進(jìn)行了分析，詳細(xì)地描述了分析過(guò)程，該研究結(jié)果對(duì)提高引信的安全性具有重要意義；顧麗敏[6]等人應(yīng)用成功流法，對(duì)某彈底機(jī)械觸發(fā)引信系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了分析；段志薇[7]等人采用成功流法分析了某一引信在預(yù)定的解除保險(xiǎn)程序前引信作用的可靠性；張偉光[8]等人針對(duì)某引信的瞎火事故，采用故障樹(shù)分析法給出了故障模式分析結(jié)果，找到了其中的薄弱環(huán)節(jié)；趙河明[9]從引信可靠性分析與設(shè)計(jì)角度出發(fā)，提出了1 種應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究引信可靠性的方法，可用于解決引信在設(shè)計(jì)和研制中可靠度無(wú)法定量化的問(wèn)題；趙錚[10]等人利用灰色系統(tǒng)理論研究了引信儲(chǔ)存可靠性預(yù)測(cè)模型；周利東[11]等人研究了引信作用可靠性的小樣本評(píng)估方法，把功能模擬試驗(yàn)信息作為貝葉斯可靠性評(píng)估的先驗(yàn)信息，有效減少了樣本量。

上述研究采用不同的理論和方法針對(duì)某型引信或引信的某個(gè)組成部分開(kāi)展可靠性研究。本文將引信作為1個(gè)系統(tǒng)，通過(guò)故障樹(shù)分析方法，建立基于故障樹(shù)分析的引信作用可靠性一般模型，并以某型觸發(fā)引信為研究對(duì)象，對(duì)其作用可靠性進(jìn)行分析。

1 故障樹(shù)分析理論

故障樹(shù)分析是通過(guò)對(duì)可能造成產(chǎn)品故障的硬件、軟件、環(huán)境和人為因素等進(jìn)行分析，畫(huà)出故障樹(shù)，從而確定產(chǎn)品故障原因的各種可能組合方式和/或其發(fā)生概率的1種分析技術(shù)[12]。

故障樹(shù)是1 種特殊的倒立樹(shù)狀邏輯因果關(guān)系圖，它利用事件符號(hào)、邏輯門(mén)符號(hào)和轉(zhuǎn)移符號(hào)描述系統(tǒng)中各種事件之間的因果關(guān)系。邏輯門(mén)的輸入事件是輸出事件的“因”，邏輯門(mén)的輸出事件是輸入事件的“果”。在故障樹(shù)分析中，各種故障狀態(tài)或不正常情況皆稱(chēng)故障事件，各種完好狀態(tài)或正常情況皆稱(chēng)成功事件，兩者均可簡(jiǎn)稱(chēng)為事件[13]。事件的分類(lèi),如圖1所示。

圖1 基于故障樹(shù)分析方法事件分類(lèi)Fig.1 Event classification based on fault tree analysis

在故障樹(shù)分析中，描述事件的因果關(guān)系采用“邏輯門(mén)”和符號(hào)。“與”門(mén)“或”門(mén)和“非”門(mén)是3 個(gè)基本門(mén)；“順序與”門(mén)、“表決”門(mén)、“異或”門(mén)和“禁”門(mén)等其他“邏輯”門(mén)為“特殊”門(mén)[14]。

故障樹(shù)分析需要進(jìn)行大量的計(jì)算。精確計(jì)算會(huì)出現(xiàn)“組合爆炸”的問(wèn)題；另外，建立故障樹(shù)的過(guò)程容易出現(xiàn)錯(cuò)、漏事件。盡管如此，故障樹(shù)由于其技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)便，目前仍然是使用最為普遍的可靠性分析方法，并且隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，輔助故障樹(shù)分析也將成為主流。故障樹(shù)分析方法以系統(tǒng)不希望發(fā)生的1個(gè)事件（頂事件）作為分析目標(biāo)：第1步，尋找引起頂事件的直接原因；第2步，尋找引起上述原因的直接原因，重復(fù)第1、2 步。如果由原因甲或者原因乙引起上一級(jí)事件發(fā)生，就用“或”門(mén)（or）聯(lián)結(jié)；如果原因甲與原因乙合在一起才能引起上一級(jí)事件發(fā)生，就用“與”門(mén)（and）聯(lián)結(jié)。建樹(shù)后，定性和定量分析各底事件對(duì)頂事件影響的組合方式和傳播途徑，識(shí)別一切可能的故障模式及影響輕重程度。

2 引信系統(tǒng)分析

引信是武器系統(tǒng)中的獨(dú)立子系統(tǒng)，現(xiàn)代引信由安全系統(tǒng)、目標(biāo)探測(cè)與發(fā)火控制系統(tǒng)、能源裝置和爆炸序列組成[15]，引信系統(tǒng)的一般組成及其工作邏輯關(guān)系，如圖2所示。

圖2 引信的基本組成Fig.2 Basic composition of the fuze

引信的可靠性表現(xiàn)在引信能夠在預(yù)定的地點(diǎn)或時(shí)間，向戰(zhàn)斗部輸出足夠的起爆能量。為了實(shí)現(xiàn)這一基本功能，在勤務(wù)處理過(guò)程和導(dǎo)彈發(fā)射后的安全距離內(nèi)，要確保引信的安全可靠性，在發(fā)射后要保證引信的作用可靠性。引信安全可靠性由安全系統(tǒng)保證，引信安全系統(tǒng)包括保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和隔爆機(jī)構(gòu)。一方面，保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可保證隔爆機(jī)構(gòu)在引信勤務(wù)處理過(guò)程和發(fā)射后的安全距離內(nèi)處于隔爆狀態(tài)，使引信具有安全可靠性；另一方面，在引信勤務(wù)處理過(guò)程和發(fā)射后的安全距離內(nèi)，即使爆炸序列首發(fā)火工品意外發(fā)火，隔爆機(jī)構(gòu)也能及時(shí)阻斷能量傳遞，進(jìn)而保證引信安全可靠性。引信作用可靠性在引信全壽命周期內(nèi)，是由引信所有組成部分共同完成的，安全可靠性是引信作用可靠性的基礎(chǔ)。

彈藥發(fā)射后，引信安全系統(tǒng)感受至少2 個(gè)獨(dú)立的環(huán)境信息，完成解除保險(xiǎn)動(dòng)作，釋放隔爆機(jī)構(gòu)；隔爆機(jī)構(gòu)在環(huán)境力或內(nèi)儲(chǔ)能作用下，完成爆炸序列對(duì)正動(dòng)作；彈藥接近目標(biāo)或碰擊目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)探測(cè)與發(fā)火控制系統(tǒng)的信息感受裝置感受目標(biāo)信息；信息處理裝置將信息處理后向發(fā)火裝置輸出信號(hào)；發(fā)火裝置輸出發(fā)火能量，起爆首發(fā)火工品；爆炸序列將首發(fā)火工品輸出的能量逐級(jí)放大，向戰(zhàn)斗部提供足夠的爆炸能量，引信完成工作。

3 引信故障模式與故障模型

根據(jù)引信的工作原理，對(duì)所有可能存在的故障模式建立故障樹(shù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行合并簡(jiǎn)化。最后，對(duì)故障樹(shù)進(jìn)行定量，定性分析。

3.1 引信故障模式

故障模式分析的主要目的是識(shí)別故障模式/故障特征，確定故障位置/故障定位，找出故障機(jī)理/故障的物理原因，識(shí)別導(dǎo)致故障的根本原因/導(dǎo)致故障的根源。故障模式即故障的表現(xiàn)形式。引信故障模式分安全性故障模式和作用可靠性故障模式。

引信安全可靠性是指引信只能在預(yù)定條件下作用，其他任何場(chǎng)合下均不得作用的性能[14]。引信安全系統(tǒng)故障模式有勤務(wù)處理期安全系統(tǒng)原發(fā)性或繼發(fā)性失效、膛炸、炮口炸和安全距離內(nèi)的彈道炸。

引信的作用可靠性是指在規(guī)定的貯存期內(nèi)，在規(guī)定的條件（如環(huán)境條件、使用條件等）下，引信必須按預(yù)定的方式作用的性能[15]。引信在安全距離外，未能按預(yù)定的方式感覺(jué)目標(biāo)或未能按預(yù)定的條件控制彈藥爆炸序列的表現(xiàn)形式，都被稱(chēng)為引信作用可靠性的故障模式?？梢哉J(rèn)為，除了正常引爆戰(zhàn)斗部外，其余異常情況都背離引信系統(tǒng)既定功能，應(yīng)當(dāng)認(rèn)定為不可靠，這些異常情況主要包括過(guò)早炸、遲炸、自毀失效、和瞎火等。

3.2 引信故障模型

根據(jù)引信故障模式可以判定引信有2個(gè)基本故障模型：一是安全可靠性故障模型；二是作用可靠性故障模型。

3.2.1 安全可靠性故障模型

按照發(fā)生故障時(shí)間，建立引信安全可靠性故障模型1，如圖3所示。

圖3 引信安全性故障模型1Fig.3 Fuze safety fault model 1

按照結(jié)構(gòu)組成，建立引信安全可靠性故障模型2，如圖4所示。

圖4 引信安全性故障模型2Fig.4 Fuze safety fault model 2

根據(jù)《引信安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求》（GJB373A—1997），引信機(jī)械類(lèi)和機(jī)電類(lèi)安全系統(tǒng)具有2個(gè)獨(dú)立保險(xiǎn)件約束隔爆件，這2 個(gè)保險(xiǎn)件分別感受不同環(huán)境信息。圖3 中，表示引信經(jīng)歷的環(huán)境分為勤務(wù)處理和發(fā)射過(guò)程2大類(lèi)。引信能利用解除保險(xiǎn)的環(huán)境信息主要有后坐過(guò)載、離心過(guò)載、前沖過(guò)載、離軌信息和目標(biāo)基信息等。隔爆機(jī)構(gòu)解除隔爆有2 種設(shè)計(jì)，利用環(huán)境能和利用內(nèi)儲(chǔ)能。利用環(huán)境能的隔爆件需要利用發(fā)射環(huán)境提供的力運(yùn)動(dòng)到戰(zhàn)斗狀態(tài)；利用內(nèi)儲(chǔ)能的隔爆件，只要保險(xiǎn)件解除對(duì)其約束，就立即運(yùn)動(dòng)到戰(zhàn)斗狀態(tài)。隔爆件運(yùn)動(dòng)到戰(zhàn)斗狀態(tài)位置就失去隔爆功能。

3.2.2 作用可靠性故障模型

在研究引信作用可靠性時(shí)，假設(shè)引信安全系統(tǒng)不出現(xiàn)安全性故障。引信作用可靠性故障模型，如圖5所示。

圖5 引信作用可靠性故障模型Fig.5 Fault model of fuze function reliability

4 引信作用可靠性故障樹(shù)分析

選擇頂事件，某觸發(fā)引信未可靠發(fā)火。

通過(guò)故障模式分析得知，觸發(fā)引信未可靠發(fā)火的情況主要包括過(guò)早炸、遲炸，瞎火以及意外情況未實(shí)現(xiàn)自毀發(fā)火4種情況，由此可以建成故障樹(shù)，如圖6所示。由文獻(xiàn)[16]，各底事件發(fā)生概率，如表1所示。

圖6 觸發(fā)引信系統(tǒng)未可靠發(fā)火故障樹(shù)Fig.6 Fault tree of unreliable firing of trigger fuze system

表1 底事件發(fā)生概率Tab.1 Probability of occurrence of the bottom events

4.1 定性分析

定性分析的核心是求最小割集（MCS），采用下行法對(duì)故障樹(shù)求解MCS，其關(guān)鍵是見(jiàn)到“或”門(mén)就向下豎排，見(jiàn)到“與”門(mén)就向右橫排。

首先求出故障樹(shù)的割集為：{X1，X2，X3}，{X1，X2，X4}，{X1，X2，X5}，{X1，X2，X6}，{X1，X3，X7}，{X1，X3，X8}，{X1，X3，X9}，{X1，X4，X7}，{X1，X4，X8}，{X1，X4，X9}，{X1，X5，X7}，{X1，X5，X8}，{X1，X5，X9}，{X1，X6，X7}，{X1，X6，X8}，{X1，X6，X9}，{X1}，{X10}，{X11}，{X7}，{X8}，{X9}，{X12}，{X13}，{X14}。再把割集通過(guò)集合運(yùn)算規(guī)則加以簡(jiǎn)化、吸收，得到相應(yīng)的全部MCS 為：{X1}，{X7}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}。

通過(guò)分析得知以下故障對(duì)系統(tǒng)作用可靠性影響很大，如：傳火體尺寸不合格、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)故障、后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)故障、球轉(zhuǎn)子缺陷、自毀簧抗力過(guò)大、擊發(fā)體上薄擊針過(guò)短、傳爆序列未作用、頭部觸發(fā)機(jī)構(gòu)故障、尾部觸發(fā)自毀機(jī)構(gòu)故障。特別是傳爆序列未作用發(fā)生概率為1.5×10-2，這將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的最終可靠性。

4.2 定量計(jì)算

故障樹(shù)定量計(jì)算的任務(wù)就是計(jì)算或估計(jì)頂事件發(fā)生的概率。在故障樹(shù)分析的定量計(jì)算時(shí)，可以通過(guò)底事件發(fā)生的概率直接求頂事件發(fā)生的概率，也可以通過(guò)MCS求頂事件的發(fā)生概率，它又分為精確解法與近似解法。

4.2.1 通過(guò)底事件發(fā)生概率直接求頂事件發(fā)生的概率

4.2.2 通過(guò)MCS求頂事件發(fā)生的概率

MCS 求解頂事件發(fā)生概率分為相交和不相交2種情況。

假定故障樹(shù)的全部MCS 在1 個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)，不考慮同時(shí)發(fā)生2 個(gè)以上的MCS，且各MCS 沒(méi)有重復(fù)出現(xiàn)的底事件，即MCS 之間不相交，則頂事件發(fā)生概率可以表示為[17]：

式（1）是假設(shè)MCS 不相交的情況，然而在大多數(shù)情況下MCS之間是相交的，必須用相容事件的概率公式求解，如果精確計(jì)算會(huì)產(chǎn)生“組合爆炸”的問(wèn)題。工程中常通過(guò)化相交和為不交和，采用近似方法求解首項(xiàng)或前2項(xiàng)[18]，分別為式（2）和式（3）。

式（2）（3）中，S1、S2為首項(xiàng)及第二項(xiàng)。

本文的故障樹(shù)比較特殊，MCS 均為一階，沒(méi)有相交的項(xiàng)，因此運(yùn)用式（1）即可求解頂事件發(fā)生概率為0.015 6，此結(jié)果與通過(guò)底事件發(fā)生概率直接求頂事件發(fā)生的概率0.017 07，相對(duì)誤差為8.61%，2 種方法計(jì)算出的結(jié)果比較吻合。

5 結(jié)論

引信可靠性問(wèn)題關(guān)系到武器系統(tǒng)的安全性和能否最終順利完成作戰(zhàn)任務(wù)。盡管引信可靠性分析方法有多種，然而最普遍使用的方法仍然是故障樹(shù)分析法。通過(guò)對(duì)引信系統(tǒng)的組成及其邏輯關(guān)系分析，建立了引信故障模式和故障模型，并以某觸發(fā)引信為例，建立其作用可靠性故障模式和事件完整的故障樹(shù)，并得出對(duì)頂事件發(fā)生概率影響最大的最小割集，其中傳爆序列未作用對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可靠性影響最為嚴(yán)重。通過(guò)底事件發(fā)生的概率直接求出頂事件發(fā)生的概率和通過(guò)最小割集求頂事件的發(fā)生概率，2 種方法計(jì)算該型觸發(fā)引信未可靠發(fā)火的發(fā)生概率分別為0.017 07和0.015 6，2 種方法得出的結(jié)果比較吻合。本文的研究結(jié)果對(duì)應(yīng)用故障樹(shù)分析方法解決引信可靠性分析問(wèn)題具有一定的借鑒意義。