高可靠性设计的重要性和实现方法

6.4.2.1　可靠性定义及发展意义

“产品在规定的条件下和时间内，完成规定功能的能力”即为产品的可靠性，它是产品质量的重要特征。引信的可靠性则反映了引信在战争中能完成其预定功能的能力，是引信设计的重要指标。

纵观武器系统的发展过程，其经历了冷兵器时期、热兵器时期和高技术时期。1991年年初发生的海湾战争拉开了高技术兵器的序幕，各种新式精确制导武器相继出现。在现代的局部战争中，为了获得战争的胜利，必须发展高新技术武器，这些武器不仅要拥有精确打击目标的能力和足够的威慑力，还必须拥有良好的战备完好性和任务成功性。

在现代战争中，出现了各种新型防护技术用来保护一些重要的军事目标，侵彻火箭弹需要穿透这些防护完成对内部隐藏目标的打击。其中的引信系统需要保证在火箭弹穿过防护之后引爆火箭弹。为了保证火箭弹对目标的精确打击，就需要引信在具有机械保险机构的同时也要具有探测和识别目标的能力，其功能由电路来实现。

引信作为弹药的“大脑”，对整个武器系统进行控制，所以它必须能够有效地完成对目标的探测和识别，保证弹药对目标的精确打击。随着科技的发展，各种高新技术在引信上得到利用，在逐步实现引信系统的小型化、精密化和灵巧化的同时，也导致引信结构逐渐复杂。所设计的引信系统必须具有很高的可靠性，不允许其过多地发生故障，否则会导致无法完成对目标的打击，延误战机，甚至直接导致战争的失败。众所周知，系统越复杂，其可靠度问题就越尖锐。作为一次性产品，引信无法通过大量试验来验证其可靠性，因此，在设计阶段如何分析引信设计方案中所存在的可能影响引信可靠性的故障模式、如何对方案中所设计引信的可靠性定量预计是一项十分重要的工作。由此可判定设计是否满足可靠性要求，保证设计者能及时发现潜在的可靠性问题，对设计方案进行修正，防止设计缺陷。

同时，引信在侵彻过程中会经历十分复杂和严苛的力学环境。为了实现引信的多功能化、智能化、灵巧化等特点，越来越多的电子元器件在引信中得到应用，并且机械结构也越加精密。为了保护引信，防止高过载所产生的破坏影响引信的可靠性，选用合适的方式降低引信在侵彻中所经历的过载显得十分重要。

6.4.2.2　高作用可靠性组成及技术介绍

高安全性和高可靠性是灵巧引信设计的基本要求，设计标准GJB373A—1997指出，在预定解除保险程序开始前，引信解除保险的概率和主动段末前引信提前作用的失效概率均要求百万分之一，在引信其他工作阶段也提出高的要求。结合型号研制的引信自身不带电源，在发射准备工况时地面发控为制导舱供电，通过制导舱再向引信供电；隔爆件由两个独立的保险件锁定，启动机械保险的激励来自火箭的发射过载，主动段末解除；电保险为目标基保险，启动电保险的激励来自制导舱根据目标信息提供的解保触发信号，能量来自发射前发控系统提供的闭锁电源；电雷管平时短路，转子解除保险后在转正过程中打开；采取发火电容解除电保险时开始充电等一系列安全措施，使预定解除保险程序开始前引信解保概率为1.5×10-8，主动段引信作用概率为2.0×10-8，主动段引信解保概率为2.4×10-8，确保引信使用安全。

弹药的最终毁伤效能是依靠引信的作用来实现的，如引信瞎火，再先进的战斗部也无法实现其毁伤效能。常规引信置信度为0.90时，其作用可靠度置信下限通常为0.9左右。制导侵彻弹为高价值弹药，其设计可靠度为0.998。验收置信度为0.90时，作用可靠度置信下限为0.95。为此，为保证指标的实现，采用多重冗余结构、对两套机电模块的解保和发火控制设计了交叉控制、发火指令的交替持续异或输出等多项措施，极大地提高了引信的可靠性。

（1）多重冗余高可靠性技术

为了保证可靠性的指标，对侵彻引信的设计需采用两套相同功能的机电模块并联组成，每套机电模块含信息交联及主控子模块、目标探测与起爆控制子模块、安全系统、电源模块和一级爆炸序列，两个模块共用传爆管。同时，侵彻加速度检测由加速度传感器+微处理器1和惯性开关+微处理器2两套子系统独立检测，减小共因失效概率。起爆控制策略采用并行处理，如着靶延期起爆采用碰合开关闭合与“掉电”复合、加速度信号、惯性开关闭合信号三种起爆条件并联。多层靶间起爆则以碰合开关闭合+一定时间内“掉电”为着靶信息，当引信碰合开关失效时，则以“掉电”+碰击制导舱残骸的特定加速度值为辅助信息，其中解保控制通过指令通道交叉控制，发火指令通过执行通道交叉多重冗余控制，通过提高抗共因失效的能力，消除控制电路瞬时失效引起的瞎火问题，极大地提高了作用可靠性。

（2）交叉控制技术

根据GJB 373A—1997《引信安全设计准则》的规定，引信必须采用独立的冗余保险。对于两路机电模块并联的硬目标侵彻引信，若两路的安全系统彼此独立，当机电模块1机械保险未解除，机电模块2电保险的解保控制失效未解除时，两路安全系统均无法解除保险，该引信瞎火。

硬目标侵彻引信采用双解保子系统指令级交叉控制的方式，可大幅度提高安全系统解保的可靠性，勤务处理及主动段双机电模块冗余保险交叉控制如图6.32所示。两个机电模块的隔爆件分别被机械保险1及电保险1和机械保险2及电保险2锁住。电保险的解保通过交叉控制策略，使得只要控制电路1或控制电路2中的任意一个发出解保信号，都能使两个机电模块的电保险解除，释放隔爆件。当机械保险1和解保控制2均失效时，解保控制1使得电保险1、2均解除，由于机械保险1失效，隔爆件1无法转正，机电模块1未解除保险；而机械保险2和电保险2均解除，从而使隔爆件2转正，机电模块2解除保险，提高了引信的解保可靠性。设计的安全系统功能逻辑如图6.33所示。

图6.32　双机电模块冗余保险交叉控制框图

图6.33　安全系统功能逻辑(www.xing528.com)

图6.33中，KJ1、KJ2分别代表解保控制可靠性，DJ1、DJ2分别代表引信1、2的电保险解保可靠性，JJ1、JJ2分别代表引信1、2的机械保险系统解保可靠性，SJ1、SJ2分别代表引信1、2的隔爆系统解保可靠性。依据以上逻辑图，设计的引信安全系统解保可靠度为：

式中，RJ表示引信安全系统解保可靠度。

引信的发火是在侵彻硬目标之后，要经受高幅值、长时间的侵彻过载。以上因素会导致发火电容或电雷管失效，引起引信瞎火。针对这一问题，发明了双机电模块交叉控制技术以提高作用可靠性。设计的控制策略如图6.34所示。引信中的任一控制单元都可以通过其中一个发火单元起爆任一电雷管，经计算引信的发火可靠度比双路各自独立控制可靠度提高一倍。根据引信作用功能框图，可以得到引信作用的可靠性原理模型，如图6.35所示。

图6.34　双机电模块交叉控制策略功能框图

图6.35　引信作用的可靠性原理

图6.35中，A1、A2分别表示两个机电模块的电源与控制单元，B1、B2、B3、B4分别表示四个发火单元，C1、C2分别表示两个安全系统，D1、D2分别表示两个雷管和导爆管。

式中，RZ表示引信作用可靠度。经计算，引信的发火可靠度比独立双通道提高3倍。

（3）持续交替异或发火控制技术

在冲击加速度和各种物理场等外部条件作用下，控制单元失效的发火控制引脚意外输出高电平，是该发引信靶内炸或提前炸的重要因素。为了防止该故障的发生，引信设计了两个相邻引脚进行发火控制的策略：一个引脚输出高电平，另一个引脚输出低电平，两信号经异或后输出作为起爆控制信号，如图6.36所示。

图6.36　引信发火电路

通过异或发火控制策略，可以有效防止控制器失效导致多个输出引脚因共因失效同时输出高电平导致发火电路意外作用。

在火箭橇试验中，战斗部侵彻过程中会出现由于火箭橇助推火箭的残余高温火焰及侵彻摩擦导致气体电离，产生强电磁干扰，使引信的处理器受干扰后输出端口暂时失效。出靶后干扰消失，输出端口恢复正常。为了解决该问题，引信采用交替输出发火控制信号，两个输出引脚交替输出高低电平。只要输出端口恢复正常，交替时立即起爆，就可提高引信作用可靠度并减少试验成本。