可靠性技术在军事领域中的应用和发展孙章鹏.docx

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可靠性技术在军事领域中的应用和发展孙章鹏

《可靠性工程》结课论文：

可靠性技术在军事领域中的应用和发展

院系班级机电081班

姓名孙章鹏

学号200800384106

指导老师崔陆军

完成日期2011年06月15日

摘要

可靠性工程是对影响系统可靠性的薄弱环节的不断发现和不断改进的过程。

为了提高系统的可靠性，从而延长系统的使用寿命，降低维修费用，提高经济效益，在系统规划、设计、制造和使用的各个阶段都要贯彻以可靠性为主的质量管理。

本文概述了在军事领域中电子产品可靠性的评价办法,分析了影响可靠性的主要原因,以及可靠性设计的计算和测试方法,并提出验证的方法。

同时通过对后勤装备的系统分析,建立了后勤装备综合评价指标体系,提出了后勤装备模糊综合评价模型和评价方法,介绍了运用层次分析法确定各因素权重的方法,并进行了实例分析.并针对作战武器装备的损坏情况进行了基本分析，并讨论了作战武器装备在自然损毁情况下的数学建模和可靠性评估问题。

关键词：

可靠性；军事领域；武器系统；后备军需；案例分析；设计应用

Abstract

Reliabilityengineeringisaffectingthesystemreliabilityweaknessesinthecontinuousdiscoveryandcontinuousimprovementprocess.Inordertoimprovesystemreliability,thusextendingthelifeofthesystem,reducemaintenancecosts,improveeconomicefficiencyinthesystemplanning,design,manufactureanduseshouldbecarriedoutatallstagesofreliability-basedqualitymanagement.

Thisarticleoutlinestheareasinthemilitaryapproachestoevaluatingthereliabilityofelectronicproducts,themainreasonforthereliabilityanalysisoftheimpact,andthecalculationofreliabilitydesignandtestmethodsandproposedmethodofverification.Atthesametimeonlogisticalequipmentsystemanalysis,theestablishmentofalogisticalequipmentcomprehensiveevaluationindexsystemisproposedlogisticsequipmentfuzzycomprehensiveevaluationmodelandmethodsintroducedAHPtodeterminethefactorsweightmethod,andthepier.BingDamagedweaponsandequipmentforoperationscarriedoutfundamentalanalysis,anddiscussthenatureofcombatweaponsandequipmentdamageincaseofmathematicalmodelingandreliabilityassessment.

Keywords:

reliability;themilitaryfield;weaponssystems;reservemunitions;caseanalysis;designapplications

目录

前言1

第一章可靠性技术综述2

1.1可靠性技术的定义2

1.2可靠性工程的发展简史2

1.3军事领域中应用可靠性技术的目的和意义3

第二章军事装备可靠性维修系数选择和指标确定要求5

2.1国家军用标准一般要求5

2.2质量与可靠性军用标准体系5

2.3质量与可靠性标准体系构成6

第三章可靠性技术在军事领域中的应用案例7

3.1导弹武器系统及运载火箭的可靠性研究7

3.2军用飞机、舰船、装甲车和军用汽车的可靠性研究7

3.3火炮、弹药等军备的可靠性研究7

3.4后备军需物资的可靠性研究8

3.5军用电子产品、嵌入式软件的可靠性研究8

第四章可靠性技术在军事领域中的发展前景11

4.1可靠性技术在导弹武器系统及运载火箭方面的发展11

4.2可靠性技术在军用飞机、舰船、装甲车和军用汽车等方面的发展12

4.3可靠性技术在火炮、弹药等军备方面的发展13

4.4可靠性技术在后备军需物资方面的发展13

4.5可靠性技术在军用电子产品、嵌入式软件方面的发展14

第五章结束语16

参考文献17

前言

20世纪人类社会的科技巨大发展，促使了可靠性学科的诞生。

目前，可靠性学科主要包含：

可靠性（狭义的）、维修性、测试性、保障性和安全性五大内容。

可靠性（广义的，以下无特别说明，均是指此含义）学科是一门融合自然科学、人文科学和工程技术的交叉学科，其理论的发展主要来自概率统计学、运筹学、计算机与信息科学、试验科学、管理科学、心理学等方面的促进；其应用的发展主要来自军工产品、高科技产品、复杂产品、复杂系统、重要与昂贵产品等方面的客观需求。

几十年来可靠性方面的理论论文、应用论文、专业的试验设备、专业的应用软件、技术规范与标准、从事该领域的人员数量、有关学术活动、对社会生活的影响等发生了巨大增长。

由于科学技术的发展，尤其是信息技术的迅速发展，对武器装备、作战理论、组织编制等许多领域产生巨大的影响，使各国军队建设正在经历一场前所未有的变革。

军队不仅在为21世纪进行兵力结构的重新设计，而且在对21世纪装备保障进行全新的设计；用迅捷的、经济可承受的运输和信息系统取代现有的多层次的组织体系；规模型保障体系正在逐步向“按需输送”的高度敏捷、可靠的保障体系转变。

可靠性是一门有着广泛应用的综合交叉学科，但从大的方面来说，可靠性是质量管理大学科的一个主要分支。

新的科学与技术的进步将会对可靠性学科的发展提供有力的支持与帮助，可靠性学科的发展也成为科技的进步必要的一个环节。

可靠性学科的发展非常迅速，它将成为产品和系统的一个重要的、必须工作的项目。

第一章可靠性技术综述

1.1可靠性技术的定义

所谓可靠性是指“产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的能力。

”可靠性定义包含四个要素：

（1）产品：

其中所说的“产品”是指研究对象，可以是硬件也可以是软件，例如机车车辆维修指南，机车车辆维修信息系统程序，生产质量控制文件，也可以是包括人的使用和操作技术等内在因素。

在可靠性工程中，还可以把产品分为不可修复产品和可修复产品两种类型。

产品在使用中发生失效，其寿命即告终结的，称为不可修复产品。

不可修复产品和可修复产品在可靠性评价理论和方法上有显著差别。

例如，不可修复产品是通过寿命统计对其可靠性进行评价，而可修复产品是用两次故障间隔时间的随机变化情况及维修过程的统计量对其可靠性进行评价的。

在可靠性工程中，两者共性的问题爱讨论时不予特殊说明，但对于一些特殊性问题，两者必须区别对待。

（2）规定条件：

是指产品在使用中所处的环境条件（温度、压力、湿度、风沙和辐射等）、工作条件（功能模式、负荷条件、冲击振动情况等）、维修条件和操作方式等。

所规定的条件对可靠性有着直接的影响。

另外，可靠性还和各个地域的线路情况、坡道高低、牵引吨位的大小和司机的熟练程度等有关。

（3）规定时间：

是指产品完成规定任务或功能所需要的时间，可以运行时间、走行公里或循环次数等来表示。

一般来说，产品可靠性是时间的递减函数，时间越长，可靠性越差。

（4）规定功能：

通常是指产品在技术文件中所规定的工作能力。

产品不同所规定的功能也不一样，完成规定的功能就是保持规定的工作能力；反之，丧失规定的功能则称为失效（故障）。

按照GB3187-1982的规定，失效（故障）的概念是：

“产品丧失规定的功能。

”对于可修复产品通常称为“故障”；对于不可修复产品则称为“失效”。

1.2可靠性工程的发展简史

可靠性研究起源于武器系统，经过近半个世纪的发展，已成为一门遍及各学科各行业的工程技术学科，已经从电子产品的可靠性发展到机械和非电子产品的可靠性，从硬件的可靠性发展到软件的可靠性，从重视可靠性统计试验发展到强调可靠性工程试验，通过环境应力筛选和可靠性强化试验来暴露产品故障，提高产品的可靠性。

40年代萌芽时期：

现场调查、统计、分析，重点解决电子管可靠性问题。

50年代兴起和形成时期：

1952年美国成立了电子设备可靠性咨询组〔AGREE〕并于1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告，该报告成为可靠性发展的奠基性文件，对国际影响都很大，是可靠性发展的重要里程碑。

60年代可靠性工程全面发展时期：

形成了一套较为完善的可靠性设计、试验和管理标准，并开展了FMEA与FTA分析工作。

在这十年中美、法、日、苏联等工业发达国家相继开展了可靠性工程技术研究工作。

70年代可靠性发展成熟时期：

建立了可靠性管理机构，制定一整套管理方法及程序，成立全国性可靠性数据交换网，进行信息交流，采用严格降额设计、热设计等可靠性设计，强调环境应力筛选，开始了三E革命〔ESSEMCESD〕，开展可靠性增长试验及综合环境应力的可靠性试验。

80年代可靠性向更深更广方向发展时期：

提高可靠性工作地位，增加了维修性工作内容、CAD技术在可靠性领域中应用，开始了三C革命〔CADCAECAM〕，开展软件可靠性、机械可靠性及光电器件和微电子器件可靠性等的研究。

最有代表性是美国空军于1985年推行了“可靠性与维修性2000年行动计划”〔R&M2000〕，目标是到2000年实现可靠性增倍维修性减半。

在1991年海湾战争中“2000年行动计划”见到成效。

90年代可靠性步入理念更新时期：

在20世纪90年代，出现了新的可靠性理念，改变了一些传统的可靠性工作方法，一些经典理论也在被修改，甚至失效率的“浴盆曲线”也被质凝，最为典型的是英国空军发表的一篇题为《无维修使用期》的文章，在欧州乃至世界可靠性界引起轰动。

尽管本文是论述英国空军寻求提高飞机可靠性的新思路，但对我们有很大启示，为我们开展可靠性工作提供一个新思路。

1.3军事领域中应用可靠性技术的目的和意义

国际上，可靠性起源于第二次世界大战，1944年纳粹德国用V-2火箭袭击伦敦，有80枚火箭在起飞台上爆炸，还有一些掉进英吉利海峡。

由此德国提出并运用了串联模型得出火箭系统可靠度，成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。

当时美国海军统计，运往远东的航空无线电设备有60%不能工作。

电子设备在规定使用期内仅有30℅的时间能有效工作。

在此期间，因可靠性问题损失飞机2.1万架，是被击落飞机的1.5倍。

由此，引起人们对可靠性问题的认识，通过大量现场调查和故障分析，采取对策，诞生了可靠性这门学科。

近代，可靠性工程在军事领域内得到广泛的应用，展望未来它将得到更大的重视与发展，主要原因是：

（1）人类安全的需要

随着产品的现代化、复杂化和大型化，在发生故障后给人类社会造成的危害也越大。

高度复杂的产品往往由于一个零件失效而造成灾难性的后果。

1986年1月28日美国“挑战者号）航天飞机，由于火箭助推器内的橡胶密封圈低温失效而引起航天飞机爆炸，造成7名宇航员全部殉难的惨痛教训使人永志不忘。

所以，为了人类安全的需要应重视和研究可靠性。

（2）提高经济和社会效益

研究和推行可靠性工程需要不少资金，在经济上不合算，但实际上产品的可靠性工程会带来很大的经济效益。

美国西屋公司为提高某产品可靠性，曾对其设计做了一次全面审查，所得经济效益是其审查费用的100倍以上。

相反，产品中任何不可靠的因素，哪怕是很小也会造成巨大的经济损失。

此外，可靠性提高除减少了维修费以外，还提高了产品的利用率，会创造更大的财富。

（3）科学技术发展和参与国际竞争的需要

随着现代科学技术蓬勃发展，武器装备功能不断增加，使各装备复杂程度不断提高，而且国际竞争日趋激烈的今天，尤其在现代化、信息化的高要求下，战争环境将更加严酷。

因此要求人们必须对军事产品可靠性进行研究，才能满足现在科学技术发展的需要。

第二章军事装备可靠性维修系数选择和指标确定要求

可靠性、维修性参数选择和指标确定应符合《武器装备可靠性与维修性管理规定》、GJB450和GJB368的有关规定。

2.1国家军用标准的一般要求

可靠性、维修性指标作为装备重要战略技术指标应与其他战术指标同时论证，并列入和合同和研制任务书中。

（1）参数选择的依据和要求

可靠性、维修性参数选择应依据下列因素：

a.装备的类型、复杂程度、可修复和不可修复等；b.装备的使用要求，例如战时和平时，一次性使用或重复使用等；c.预期的维修方案，即对维修的考虑和约束条件，包括维修级别、维修工作要求、维修资源要求等；d.考核或验证方法，例如试验验证、分析验证或使用验证等。

参数选择的要求包括可靠性、维修性使用参数的选择应反映战备完好性、任务成功性、维修人力费用和保障费用等四方面的要求；可靠性、维修性合同参数应根据使用参数确定；使用参数一般不应直接用于合同中，但如果参数的所有限定条件明确，也可用于合同中。

（2）指标确定的依据和要求

可靠性、维修性指标确定应依据下列因素：

a.使用需求；b.相似产品的可靠性和维修性水平；c.预期采用的技术是装备可能达到的可靠性和维修性水平；d.费用、进度、装备预期的使用和保障方案等约束条件。

2.2质量与可靠性军用标准体系

军用电子元器件的质量与可靠性军用标准是当今我国军用电子元器件贯彻国家军用标准的主要依据，也是军用电子元器件研制、生产产品的质量认证、可靠性评价的重要依据。

已公布的军用电子元器件合格产品目录（QPL）中产品的鉴定，正准备实施发布的军用电子元器件合格生产厂目录（QML）的生产线质量认证等，也都是以相应的军用标准为依据的。

目前为保证产品质量并与国际标准接轨而推行的ISO9000和ISO14000质量体系认证，也完全是依据ISO9000（GB/T19000）和ISO14000标准来进行的。

我国军用电子元器件国家军用标准的制定是从20世纪80年代初期开始的。

我国第一个军用电子元器件国家军用标准GJB33-85（半导体分立器件总规范）是1985年颁发的。

到目前为止，我国已基本完成了能覆盖主要军用电子元器件门类的国家军用标准和行业军用标准的制定，以及几乎涉及到所有军用电子元器件门类的企业军用标准的制定。

所以，从应用标准的角度说，我国已基本形成了由国家军用标准、行业军用标准和企业军用标准为主要构成的军用电子元器件军用标准体系。

这一体系为我国“八五”、“九五”期间军用电子元器件贯彻国军标和科研试制成果的取得，起到了卓有成效的支撑保障作用。

2.3质量与可靠性标准体系构成

若从军用电子元器件质量与可靠性军用标准的技术内涵来分析军用标准体系的构成，现在一般公认为军用标准体系应由三个层次来构成。

第一层次为质量与可靠性的基础标准，第二层次为质量与可靠性的保证标准，第三层次为质量与可靠性的技术方法标准。

（1）基础标准

一般包括定义、术语；通用规则；例如：

GJB2715国防计量通用术语、GJB/Z69-94军用标准的选用和剪裁导则、GJB/Z38-93军用电容器系列型谱等等。

（2）保证标准

保证标准包括质量与可靠性保证大纲、统计过程控制（SPC）体系、计量确认体系、生产线认证要求、产品的质量与可靠性保证要求等。

（3）技术方法标准

技术方法标准包含有质量与可靠性评价方法与程序、失效分析方法与程序、可靠性增长评估方法等。

（4）国外质量与可靠性标准简介

IEC标准，国际电工委员会IEC的宗旨就是促进整个电工技术（包括电子工业）的国际标准化。

它在1908年成立，已有42个国家参加，设有81个技术专业委员会（TC）和123个分技术委员会（SC）。

1980年国际关税贸易标准规则的批准，使各国家普遍感到本国标准和技术基准必需与国际标准一致，因此各国在制定标准时，都以IEC标准作为基准。

ISO标准，国际标准化组织ISO是由各国标准化团体（ISO成员）组成的世界性联合会。

制定国际标准的工作是由ISO的专业技术委员会（TC）来完成。

各ISO成员（官方的或非官方的）若对某专业技术委员会已确立的标准项目感兴趣，均有权参加该专业委员会的工作。

在电工技术标准化方面，ISO与IEC保持着密切的合作关系。

ISO9000系列标准已被我国和我军直接引用，已作为对电子元器件质量体系认证依据的标准，做到了与国际标准完全接轨，说明我国的质量体系认证工作已推向了新阶段。

第三章可靠性技术在军事领域中的应用案例

3.1导弹武器系统及运载火箭的可靠性研究

导弹及火箭发射任务中，对使用电子元器件的质量等级要求很高，温度特性，真空特性，抗辐射特性均需满足系统要求。

由于采购渠道、采购周期、采购成本等条件限制所选器件只能是商用级或工业级器件。

为保证任务的可靠性需要对所选择的低等级器件进行可靠性筛选。

3.2军用飞机、舰船、装甲车和军用汽车的可靠性研究

人因可靠性对飞行安全的影响非常显著,但是由于人的动态特性和认知规律的复杂性,到目前为止,在已有的飞行安全研究成果中,人因可靠性问题没有得到充分的重视和考虑。

3.2.1飞行事故原因统计

现代航空系统是一个人-机-环复杂系统,飞行安全是永恒的主题。

影响飞行安全的原因大致可以分为人的因素、机械因素和环境因素三类。

统计表明,人因（HUMANFACTORS,简称HF）是导致飞行事故和事故征侯的最主要原因。

见表1。

将各类人员的操作错误和航空装备故障所造成的飞行事故总和作为100%的话,那么在每个维护年里飞行事故原因分布变化的上限和下限,可用图1中的曲线来表示。

如果在前l~2个维护年里,60%~75%的飞行事故是因装备原因造成的话,那么经过12~14个维护年后,只有15%~30%的飞行事故是技术装备故障造成的,其它70%~85%的飞行事故是由于各类人员的操作错误造成的。

3.2.2飞行事故中各类人员操作失误分析

由于不同人员操作错误造成的飞行事故的分布情况见表2,由表中我们可以看出,飞行员操纵失误是导致飞行事故的主要因素,占到60%~75%。

因此,对飞行员可靠性进行分析,对于减少飞行事故意义重大。

3.3火炮、弹药等军备的可靠性研究

武器装备作战损毁评估是一个复杂、庞大的系统课题。

它牵涉到武器装备的自然损毁、作战损毁、综合作战损毁评估，以及战损经验最小二乘法回归评估，等等。

在此，只对同类作战武器装备的自然损毁进行数学建模和评估。

作战武器装备零部件可靠性评估问题陈述:

根据零部件的结构铸造及能承受的应力极限可将其物理故障分为突变和渐变。

武器装备零部件的损坏情况有两种：

一种是战时使用条件下的损坏，属自然损坏，它取决于武器装备的使用可靠性及使用管理情况；另一种是作战损毁，它取决于双方作战过程中武器装备的损耗情况。

下面，着重围绕渐变现象中的自然损坏，讨论根据武器装备的可靠性指标预测零部件损坏量问题。

武器装备可靠性的定量评价指标有可靠度（R）、故障率（λ）和无故障时间（MTBF）。

可靠度指武器装备在规定条件下和规定时间内无故障工作的概率，通常也可用在时间内装备完好数与总数之比近似求得。

故障率指在某一规定时间间隔出现的频率，一般通过可靠性函数来求得，实践中可用故障次数与总的工作时数之比近似求得。

平均无故障时间指可修复装备相邻两次故障间隔工作时间的平均值。

知道这些参数值，即可预测出武器装备的零部件的损坏量。

3.4后备军需物资的可靠性研究

3.4.1后勤装备综合评价指标体系设置的原则

（1）全面完整；评价指标应从后勤装备系统角度进行考虑,包括构成后勤装备系统的各项指标,以便全面反映评价对象的优劣。

（2）层次分明；评价指标体系的设置应能准确反映各层次之间的支配关系,各指标有明确内涵,按照层次递进的关系,组成层次分明、结构合理、相互关联的整体,排除指标间的相容性,保证评价的科学性。

（3）简明科学；指标体系的大小应适宜,计算含义明确,对评价对象影响大的重要指标应细分,其它指标则可适当粗分,以减少工作量。

3.4.2综合评价指标体系

考虑后勤装备系统评价的复杂性,通过系统分析影响后勤装备的各种因素,并加以合理归纳整理,按照综合评价指标设置的3原则,建立了后勤装备的综合评价指标体系,后勤装备模糊综合评价模型及评价方法。

（1）二级模糊综合评价模型

（2）模糊综合评判方法。

3.5军用电子产品、嵌入式软件的可靠性研究

3.5.1军用电子产品可靠性设计与技术

（1）电子元器件及设备失效机理与故障模型

所有计算机及外设系统都是由基本电路单元构成的：

即由大量的集成电路与分立元件构成,，因此影响该系统可靠性的将主要是电子元器件的可靠性以及加工工艺等环节。

为此，对测试系统可靠性的分析要在元器件失效机理分析的基础上，建立设备的可靠性模型，然后对计算机及外设系统进行可靠性预计与分析，确定试验方法与内容。

（2）电子元器件筛选试验

电子元器件筛选试验，目前世界上最全面、影响最大的筛选规范是美国军用标准MIL-STD-833《微电子器件试验方法与程序》。

其具体不同器件的电测试指标配合MIL-M-38510《微电路总规范》使用。

MIL-STD-883标准的主要目的是作为筛选方法，决定微电路的可靠性，同时也是作为分析方法来分析产品的可靠性、质量一致性。

筛选试验主要内容：

低气压试验绝缘电阻、潮热试验、高温试验、温度循环、冷热冲击试验、热性能、老化等环境试验；恒定加速度、机械冲击、振动、钝化层的完整性等机械试验；驱动、负载、延迟、传输时间、电源电流、高低电平主电流、高低电平输出电压、输入输出击穿电压、输出短路电流、功能试验等电学测试（数字电路）；输入输出失调电压、共模输入电压范围、共模抑制比、电源电压抑制化、开环性能、输出特性、功率增益和噪声指数、自动增益控制范围等电学测试（模拟电路）。

测试条件要求的精度、设备校准、功率增益和噪声指数、自动增益控制范围等电学测试（模拟电路）。

测试条件要求的精度、设备校准、测试方法和线路、试验环境等,以及测试数据的处理严格按标准处理。

同时根据MIL-HDBK-217F《电子设备可靠性预计》指导程序筛选。

（3）可靠性验证试验

可靠性验证试验,根据可靠性试验要求，制订可靠性试验大纲，可靠性试验方案、条件、试验程序（参GJB889-90等）。

估计系统的MTBF可以通过模拟试验或现场试验数据推断。

模拟试验是使系统处于人为模拟全部试验条件的环境下进行的寿命试验。

现场试验是在系统实际工作使用环境条件下进行统计得到的试验数据。

前者易于管理掌握，易于故障再现，一般获取数据完整，而后者试验条件真实可靠。

（4）可靠性评估需要特别注意的问题

A.环境应力的选择

产品的各种故障模式多与所经受的环境应力有关，环境应力是故障产生的主要诱因。

为了保证可靠性评估的有效性，在可靠性试验中要尽可能地动态模拟产品实际使用过程将遇到的主要应力，包括电应力、振动应力、温