1、 军用光学系统可靠性分析及应用摘要： 随着微光技术、红外技术、激光技术、图像处理技术在现代武器系统中的广泛应用, 光电武器系统得到了飞速发展, 从而使得人们愈来愈关注军用光学系统的可靠性问题, 它直接影响武器系统的作战能力及对后勤支援的要求, 乃至对部队编制员额及技术能力的要求。为此, 介绍了国外军用光学可靠性的发展、可靠性管理及可靠性设计。从中可以看出国外对可靠性工程在军用光学系统中的作用和重视程度, 以便于我们在制订技术政策及强调军用光学系统先进性能的同时重视可靠性和维修性工作, 提高系统的完好率, 降低后勤保障费用。然后又以坦克系统的发展为例走了详细的研究。Abstract：With t
2、he dim light, infrared technology, laser technology, image processing technology in the modern weapon systems in the wide application of optical weapons systems has been rapid development, making it more and more concerned about the reliability of military optical systems, which directly affectsweap
3、on system operational capability and logistics support requirements of even the army to establishment and technical capabilities.This paper introduces the development of foreign military optics reliability, reliability management and reliability of the design.It can be seen on the reliability of for
4、eign military optical systems engineering in the role and emphasis, so that we emphasized in the formulation of technology policy and military performance while the advanced optical system reliability and maintenance work seriously to improve the operability of the system,reduce logistics costs.Deve
5、lopment of Youyi tank system and then take a detailed case study.关键词：军用光学系统; 可靠性 ;可靠性分析；坦克系统Keywords: military optical systems; reliability; reliability analysis; tank system1.绪论：1.1可靠性及军用可靠性可靠性是指元件、产品、系统在一定时间内、在一定条件下无故障地执行指定功能的能力或可能性。可通过可靠度、失效率、平均无故障间隔等衡量产品可靠性。可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要 素 。随着科学技术的发展,
6、军用武器系统越来越复杂, 规模越来越大, 要求越来越高, 产品的可靠性问题显得尤为突出。对于军用光学系统来说, 可靠性既是一种技术特性, 又是一种战术性能, 它直接影响武器系统的作战能力及对后勤支援的要求,乃至对部队编制员额及技术能力的要求, 所以可靠性是军用武器系统的重要技术指标。1.2 光学系统在光学系统和光学零件可靠性研究方面开展的工作远不如对电子产品和机械结构的可靠性研究, 究其原因有四：其一, 光学系统的可靠性数据难以收集,因周期太长, 所以可靠性分布函数的建立比较困难：其二, 绝大多数产品失效都不是由于光学系统的失效引起的。其三, 光学系统的寿命周期很长, 一般是十几年甚至几十年。
7、其四, 即使光学系统有了轻微故障, 如发霉生雾, 也不至于严重影响产品完成规定的任务。因此, 导致了开展光学系统可靠性研究的人数不多, 能见到的理论性文章也较少。应该说对光学系统的研究还是个冷区。光学系统的失效是属于不可修复产品失效, 因此可靠性的估计值是在规定时间内完成规定功能的概率。光学系统的失效模式, 除了引起的霉菌失效以外, 还有生雾、膜层脱落和应力破裂。应力破裂大都属于结构问题 (2) 各指标间不能相互矛盾; (3) 要切合实际, 不超出本国的科学技术和工业生产水平。从可靠性和维修性方面考虑, 军用光学系统应具备: (1) 在规定的条件下能承受各种恶劣环境所造成的应力; (2) 在规
8、定的条件下具备一定的战备完好性和任务成功性: (3) 确定的维修体制下能使维修的人力费用和后勤保障费用最低。如果可靠性指标覆盖了这三项能力, 那就认为是完整有效的。在军用光学系统的系统要求指标中, 国外一般都有单独的章节介绍, 说明可靠性指标, 下面举例说明国外光电跟踪系统指标中的可靠性指标分配(摘录) 。平均故障间隔时间(M TBF)在TBD (待定) 环境温度下 , 计算的M TBF 不少于 TBD (待定) 小时。下面是各组件在TBD 环境条件下工作时的M TBF 分配表。对于反坦克导弹操作系统, 执行任务可靠性在工作时间为2. 5 h, 环境温度范围为- TBD TBD , 执行任务期
9、间基地与战场之间的高度变化为2000 m 条件下, 各传感器分配情况如下表。对于地面火力支援, 在工作时间为2. 0 h, 环境温度范围为- TBD TBD , 执行任务期间基地与战场之间的最大环境温度变化为23 , 执行任务期间基地与战场之间的高度变化为2000 m 条件下, 各传感器分配情况如下表。对于飞行训练操作系统, 在工作时间为 4050 m in, 环境温度范围为- TBD TBD , 执行训练任务期间基地与训练场地之间最大环境变化温度为TBD , 执行训练任务期间基地与战场之间的高度变化为2000 m 条件下, 各传感器分配情况如下表。在规定的极端环境条件下, 稳瞄系统可在无温度
10、及湿度调节的仓库内存放 6 个月, 其M TBF 不超过TBD%。这个例子说明了国外军用光学系统在可靠性指标论证时所考虑的诸多事项。2. 3 军用光学系统的可靠性工作计划可靠性大纲是研制部门, 根据军用光学系统的总体技术、可靠性指标要求及经费情况, 在订购方配合下制订研制过程中全部可靠性工作的总体规划。可靠性工作计划则是为落实大纲规定的目标和任务而制订的具体实施计划。可靠性工作计划视军用光学系统的复杂程度和研制周期可以在不同的研制阶段分别制订。对于不太复杂的系统, 大纲和计划可合二为一。可靠性工作计划应包括3 项主要内容: 一是明确可靠性工作项目, 并规定每项工作的开始时间、完成时间, 以及由
11、谁来完成, 谁来配合, 输入到何处等等;二是对每项工作所需的设备、人力和经费予以预算并给予保证; 三是明确每项工作的起始点、检查点、评审点 , 以保证计划执行情况的监控。3 国外军用光学系统的可靠性工程设计军用光学系统的使用特点是, 一旦投入使用, 就不能或难以维修。这个特点决定了它对可靠性要求很高。固有可靠性是由设计和生产确定并保证的, 而使用维护只能保持系统的可靠性。其中可靠性设计是可靠性工程的关键环节。国外军用光学系统可靠性设计的基本内容和程序如下。3. 1 基本内容(1) 系统可靠性设计包括军用光学系统可靠性与维修性指标的论证和确定; 建立系统可靠性模型; 系统的可靠性预计和分配 ;
12、系统的简化设计; 系统的冗余设计等。(2) 子系统和结构可靠性设计包括元器件的选择和控制、人2 机工程设计、安全性设计、维修性设计。(3) 环境适应性设计包括缓冲减振设计、热设计、三防设计、电磁兼容设计等。(4) 可靠性设计分析包括故障模式、影响和危害度分析(FM ECA ) 、故障树分析(FTA ) 等。(5) 可靠性设计评审包括评审的程序、内容和要求等。(6) 寿命周期费用设计包括寿命周期费用组成、模型及估算方法。3. 2 可靠性设计程序流程可靠性设计程序流程如下:(1) 制定有关大纲通常承制方根据合同要求的可靠性和维修性指标, 按照美国颁发的可靠性军用标准及手册制定可靠性和维修性保证大纲
13、、可靠性计划和元器件大纲。在对产品研制方案论证的同时, 进行可靠性和维修性方案的论证, 论证的主要内容包括: 可靠性预计指标(执行任务实际需要的指标和设计指标) ; 系统可靠性结构模型和数学模型; 综合技术性能、可靠性、维修性、经济性、重量、体积的最佳构成方案; 可靠性、维修性技术保障措施; 寿命周期(LCC) 分析; 可靠性方案评审报告内容。(2) 拟定可靠性设计规范方案确定之后, 对产品各部分进行可靠性、维修性指标的分配, 并拟定初步的可靠性设计规范, 其主要内容为: 各部分要求达到的可靠性和维修性指标。 可靠性、维修性保证性文件资料(可靠性与维修性设计规范 , 可靠性与维修性设计审查规范
14、, 可靠性筛选、增长、鉴定试验方法和要求, 环境试验规范, 元器件选用及优选规定, 引证的各类标准和参考文献, 可靠性实施计划) 。 可靠性、维修性设计的具体要求和规定(简化设计、冗余设计、热设计、缓冲减震设计、三防设计、防核辐射设计、人2机最佳设计、安全性设计、维修性设计、元器件应用及标准化设计、互换性设计等具体要求和规定; 环境试验、可靠性筛选、增长、鉴定试验方案、条件、程序和判决标准的确定;规范条款适用范围及解释; 引用标准规定及手册要求等 )。(3) 进行可靠性工作完成初步设计后, 通常要进行如下内容的可靠性工作: 按初步设计的硬件和软件实际状态, 详细地建立可靠性结构模型和数学模型,
15、 进行可靠性第二次设计, 提出可靠性预计报告。如果不满足可靠性指标要求, 就要进一步采取可靠性措施。 在规定极限范围内对系统和设备进行各种应力条件下的试验和分析。通过试验、分析、改进和验证的反复过程, 使可靠性得到提高。可靠性灵敏性试验和分析至少应包括如下内容: 最大元器件参数变化; 环境应力极限条件和动态情况下的工作变化; 最高性能要求下的工作变化; 光学系统丧失完全工作能力情况和无冗余情况下的工作变化等。 确定故障模式和机理分析。 进行可靠性第二次设计评审。 根据第二次设计评审结果, 修订可靠性设计文件。参照有关国家的规定, 采用FM ECA 等方法确定关键件和可靠性技术应用分析, 在此基
16、础上制订出详细的可靠性设计规范 。(4) 作出可靠性预计报告完成初步设计并提出修正后的可靠性结构模型和数学模型。根据有关国家的元器件失效率数据或承制方和军方共同确认的元器件失效数据, 作出可靠性预计报告。军用光学系统组装调试后, 按国家有关标准或专业标准的程序和要求严格进行环境试验、可靠性增长试验、可靠性鉴定试验、可靠性现场试验。在此基础上, 进行失效模式和影响分析或FTA 分析, 并根据各自的要求, 提出相应的试验报告和分析报告, 而后开展可靠性第三次评审。根据评审结论, 针对存在的问题, 再次修订设计文件, 提出可靠性设计总结报告。该报告参与设计定型。可靠性设计总结报告应反映系统或设备研制
17、过程中可靠性活动的主要事件及其“固化”了的可靠性效果。这项报告包括如下内容: 可靠性指标要求; 可靠性保证大纲、计划大纲和元器件大纲实施情况; 可靠性模型、分配和预计; 可靠性设计规范; 故障模式、影响及危害度分析; 可靠性关键件和重要件的确定和控制; 可靠性与费用的权衡; 故障报告、分析纠正措施落实情况, 包括可靠性关键问题解决情况; 可靠性增长试验结果和可靠性鉴定试验方案和结果等。4 举例分析：坦克用光学系统分析4.1 当前几种坦克光电系统性能比较因T-64价格昂贵，结构复杂，保密程度又高，不可能大量生产装备，也不能提供给盟国，所以70年代初，苏联在其基础上研制了一种比较简单廉价的主战坦克
18、，这就是大名鼎鼎的T-72。因此也可以说T-72 就是T-64 的简化版本。T-72主要部署在远东地区，不但大量出口，还有许多国家进行了仿制，其产量相当大，改进型号也非常多。直到现在，俄罗斯和不少国家还在不断推出新改进的T-72主战坦克，当然，其性能与早期的型号已不可同日而语。不过在中东战争和海湾战争中，T-72的几种出口型号表现不佳，败在了以色列的“梅 卡 瓦 ”和美国的M1A1手下。所以70年代末至80年代初，苏联为对付西方新型坦克和反坦克武器的威胁，以T-64以基础，研制出了一种比较先进的 T-80主 战 坦 克 。T-80是前苏联第一种，也是世界上第一种采用燃 气 轮 机 为动力的坦克
19、，目前世界上除它之外只有M 1系列使用同类发动机。苏联解体后，俄罗斯又以T-80和T-72为基础，发展出了T-90主战坦克。其光电系统的共同特点是都配备具有独立稳定功能的军长观察瞄准镜、炮长瞄准镜和激光测距机, 有能在夜间和不良天气条件下进行观察和瞄准的热像仪热成像监视器、微光夜视仪, 车长可通过车长镜进行越权操作来控制主炮。T-80坦克只配有炮长独立稳定瞄准镜, 没有车长独立瞄准镜德国的豹坦克上的炮长镜和车长镜都具有独立的双向稳定功能, 坦克炮既可随动于炮长瞄准镜, 又可随动于车长瞄准镜美国的一坦克炮长镜高低向具有独立稳定功能, 车长镜不具有稳定功能, 坦克火炮只能随动于炮长镜, 不随动于车
20、长镜。可以看出, 现代坦克的光电系统具有在白天和黑夜观察和瞄准目标并对目标进行测距的能力, 能控制火炮对目标进行射击。由于具有稳像功能, 坦克可在行进间对目标进行瞄准和射击又由于车长镜和炮长镜的配合, 大大提高了搜索、捕获和瞄准目标的能力。法国的勒克莱尔坦克能在1分钟攻击6个目标, 标准的接战过程只需 3一6s。英国挑战者型坦克的操作者无论使用光学瞄准镜还是热像仪, 标准的接战过程不超过6s。性能先进的光电观瞄仪器和精确的稳像控制系统大大提高了坦克火炮的射击精度, 对典型目标的首发命中率可达到百分之九十以上。4.2 坦克系统发展现状及趋势现状:坦克当今世界的陆战之王，随着时代的发展而对坦克的性
21、能要求越来越苛刻，要完成进攻和生存的双重目的，坦克的现状，从技术上讲主要有微光探测、红外探测、压强感应、声场探测、目视和光学仪器辅助探测、电磁波探测等一系列手段。现在多采用综合化制导化进攻，激光制导、微波制导、红外成像制导、电视制导等。可见光及红外光烟幕屏障系统。这种系统现是必备的。2、表面涂层。中国90-II主战坦克外部涂有防红外漆，研制中的法国AMX-30 隐形坦克涂有防雷达波涂层。美国正在研制的一种叫“超黑粉”的纳米材料可吸收99%的全频雷达波。3、通过构造设计实现隐形。据报道：法国AMX-30隐形坦克采用了先进的隐形外形设计、防雷达波涂层与隔热设计等措施，可以有效地减少或抑制坦克的红外
22、热辐射、雷达反射波以及噪声和可见光等目标特征信号，从而降低被传感器发现和跟踪的概率。在通信技术方面， “勒克莱尔”坦克电台属第4代数字军用电台。它具有转换频率、寻找空白频道和译成完全密码的功能。敌方难以截获它的通信内容。此外，还计划采用高技术新材料涂层，那样该坦克就可以像变色龙一样随着环境的变化而改变自己的光学特征，成为真正的“隐形”坦克。已制造出的隐身原型样车AMX-30的车身涂有特别设计的雷达波吸收材料(RAM)，炮塔和底盘在形状设计上也力求将雷达信号反射降至最低。为减少MBT的热能信号，外部RAM 及内部夹层中都注入了冷空气，炮塔及外壳都没有外部堆装物。法国AMX-30 隐形坦克这些开创
23、性的设计，综合最大限度实现不被发现的要求。趋势：1.体积小, 功能多由于炮塔体积的限制, 车长镜和炮长镜的体积受到很大限制。为了使坦克能在行进间对运动目标瞄准和射击, 炮长镜和车长镜上都配有可稳定瞄准线的双向陀螺稳像系统。光电系统正朝着体积小、功能多、性能复杂的方向发展。2. 光电子技术的应用日趋成熟以激光、微光、红外、微电子、计算机技术为基础的光电子技术的应用, 使得光电系统具有在夜间和不良气候条件下对目标进行观察和瞄准的能力。多通道光电传感器的应用大大提高了坦克的战术技术性能和作战能力。3. 提高光电系统的可靠性由于坦克火炮射击时对光电系统产生很大的冲击作用, 行进中光电观瞄仪器要受到剧烈
24、的颠簸和振动。这些冲击和振动作用的结果可能会使光电观瞄仪器的多通道传感器传感轴线走动或使陀螺损坏, 从而使火控系统失去作用。因此, 提高光电观瞄仪器的可靠性是急需重视且巫待解决的问题。4. 光电系统向智能化发展全电子伺服系统用于光电系统, 使其高度自动化, 对目标有很快的反应速度。美国正在研制一种坦克光电观瞄仪器和火控系统, 使其具有对目标优先排序、自动跟踪的能力, 可按优先排序自主动地射击一个目标。5. 更加注重人一机工程现代光电系统要有利于士兵操作, 快捷、简便、舒适。光电系统的研制更重视人一机配套工程。6. 更重视模块化设计为了仪器的安装、维修和更换方便, 以降低成本, 设计时根据功能将
25、仪器划分为几个相互独立的部件或组件, 即模块化设计。坦克在采取各种措施来提高防御和进攻能力，充分应付众多的形形色色的对手。在实战中，双方都是多兵种、全方位、立体化、信息化的，坦克并不是孤立作战的。在地面作战中，坦克的“陆战之王” 的地位，在高科技、新技术创新、改进下将继续保持下去结束语：本文简单的介绍了军用可靠性工程的发展、可靠性工程设计。从中可以看出国外对可靠性工程在军用光学系统中的作用和重视程度。因此, 要求我们在制订技术政策及强调军用光学系统的先进性能的同时, 应重视可靠性和维修性工作, 提高系统的完好率。又以坦克的光电系统为代表作了详细的分析。所以通过对在军事上对可靠性的应用，会使军事
26、水平提升一个大的档次，也会使一个国家立于不败之地。参考文献：1. 国外军用光学系统可靠性工程研究分析 刘国荣 (驻西北光电仪器厂军代室, 西安710032)2. 坦克用光电系统的发展现状及趋势 谭宇 （西安应用光学研究所, 西安）3. 世界各国主战坦克现状和发展4. 善系统集成环境提高光电总体技术水平 陆培国 (西安应用光学研究所 710065)目前, 全世界多个国家装备的多万辆坦克中, 美国、德国的豹改型、法国的勒克莱尔、英国的挑战者型、俄罗斯的一型坦克性能最先进, 它们代表了当今坦克的发展趋势, 反映了现代坦克的技目前, 全世界多个国家装备的多万辆坦克中, 美国、德国的豹改型、法国的勒克莱尔、英国的挑战者型、俄罗斯的一型坦克性能最先进, 它们代表了当今坦克的发展趋势, 反映了现代坦克的技术水平。其光电系统的共同特点是都配备具有独立稳定功能的军长观察瞄准镜、炮长瞄准镜和激光测距机, 有能在夜间和不良天气条件下进
