航電系統的可靠性和易損性計算

航空網絡系統是飛機的重要組成部分。在過去幾十年的發展中，系統結構不斷發展，從分散的、聯合的、整合的發展過程經歷了一個從高度集中的發展過程。這些不同結構的發展大體上是由飛機總體設計要求所決定,由具體的航電設計技術實現的,綜合化模塊化航空電子系統則是目前需求發展的最新成果。國外一些先進飛機型號已開始采用綜合模塊化航空電子系統,實現了高水平的綜合,將整個航空電子系統當作飛機任務系統進行了整體的優化設計;具有模塊化、系統容錯、魯棒分離和動態重構、支持多傳感器綜合和信息融合等突出的技術特征;提高了系統的可靠性、集成性、維修性、任務能力等;從而大幅度提高了飛機的整體性能,減小了機載設備的重量、體積,降低了成本。綜合模塊化航電系統(IMA)設計與飛機總體設計密切相關。根據系統工程原理的基本步驟,首先應該在飛機總體設計過程中給出合理的性能要求,并明確的分配到航電系統上,進而根據這些要求決定整個航電系統的構型,實施航電設計。也就是說飛機總體設計需求和綜合航電設計技術共同決定著系統的構型和性能。因此,在總體設計階段如何評估航電系統是一個關鍵問題。評估飛機綜合模塊化航電系統的重要指標包括可支付性、構型能力、任務能力、可靠性、生存力、維修性、技術風險,它是一個基于設計方案的效能/費用綜合評估的綜合評價體系,是飛機總體設計的重要組成部分。本文從飛機設計角度,通過分析綜合模塊化航電系統的特點,著重研究上述評估指標中的可靠性和生存力。建立了綜合模塊化航電系統模型和聯合式航電系統模型,選用適合的可靠性分析方法,研究了兩個系統的可靠性,并通過計算結果進行了對比分析。通過對模型進行DMECA分析,建立了相應的易損性模型,計算了兩個模型遭受單枚導彈打擊下的殺傷概率,對兩種模型的生存力特點進行了對比分析。1航電系統模型綜合模塊化航電系統結構采用傳感器綜合、各種處理綜合,引入共享余度(資源池)的設計概念,一個傳感器可服務于兩個或兩個以上子系統,或者由若干個傳感器組合來完成兩個以上系統的功能。利用共享天線和頻率變化模式將射頻系統合理轉化到公共集成傳感器系統(ISS)。將進行信號和數據處理的航電設備計算功能集中在多功能處理器中,集成到航電設備架中,利用高帶寬光纖總線進行內部互連。本文建立的綜合模塊化航電系統模型參考了國外某先進飛機,其任務系統簡易拓撲結構如圖1所示(DMC為顯示管理計算機)。主要子系統包括由兩個集成通用處理器(ICPs)組成的中央集成計算系統;集成電子戰系統(EW);集成通信、導航和識別系統(CNI);有源電子掃描陣列雷達(AESA);顯示系統;飛行器管理系統(VMS);武器系統;機載網絡。相比較而言,傳統設計中(以聯合式航電系統為例)每個傳感器功能單一,只服務于一個系統。各設備前端和處理部分均獨立,只是在信息鏈路的最后環節(即控制和顯示器)形成資源共享。根據國外采用聯合式航電系統的某現役飛機信息,本文建立了典型聯合式航電系統模型,其簡易拓撲結構如圖2所示。2這兩種模型的可靠性分析2.1可靠性問題計算可靠性是衡量系統綜合、系統約束和系統效能的一個重要指標。為提高系統的可靠性,綜合模塊化航電系統擴展并大大加強了共享冗余、容錯、功能重構等能力,在總體設計階段,需要對航電系統的這些設計特性進行可靠性評估。R.D.foley在研究綜合通信導航與識別系統(ICNIA)可靠性時,設計了一個可靠性評估算法,可以解決具有共享冗余等特點的航電系統可靠性問題。該算法可以計算某時刻系統的可靠性,也可計算某時段內可靠度的上下限,及平均無故障工作時間的上下限,根據其上下限可計算出高精度的可靠性指標。算法直觀,適用于靈活的系統設計,將其用于綜合模塊化航電系統總體設計階段,可快速計算出共享綜合部分的可靠性指標,例如綜合射頻傳感器和集成通用處理器,其具體算法及公式的說明可參見。算法的核心思想如下:每個功能的實現是要求若干支持它的子功能都正常工作。每個關鍵子功能所需求的處于正常工作狀態的組件總數要多于系統共享池中實際正在正常工作的組件數,那么可靠度可以用公式(1)表達:Ri(t)=∏j=1nP{Nj(t)≥dj}(1)Ri(t)=∏j=1nΡ{Νj(t)≥dj}(1)用Nj(t)表示系統共享池j中正在工作的組件數,dj表示關鍵功能對j中正常工作組件的需求數,n代表共享池的數目。為了描述這樣的系統我們需要知道組件壽命分布的具體參數,關鍵功能及子功能,每個關鍵子功能對組件的需求,以及對功能分配的特定限制等。這些參數相對簡單,易于獲取,不涉及航電系統的設計細節,適于在總體設計階段采用,以進行航電系統的可靠性評估,并提出構型改進需求。2.2u3000算法設計為了計算系統的可靠性,結合圖1先將其分成兩部分分別計算,第一部分,共享冗余部分,包括射頻綜合和ICP集成處理;第二部分,指顯示系統,武器系統,綜合飛行器管理系統。然后根據致使系統故障的兩部分的邏輯(與門、或門等)關系,計算出整個系統的可靠性。第一部分,三個關鍵功能CNI、EW、Radar,任務系統主要部件:19個天線,為射頻綜合處理部分,2個集成通用處理器,為任務綜合處理部分。圖3為完成3個關鍵功能任務的簡化拓撲結構,系統組成描述:射頻綜合處理部分包含A、B、C三個共享池,A含有7個天線,B含有7個天線,C含有5個天線;集成處理(CIP)部分包括D、E兩個共享池,D包含16個模塊,E包含5個模塊,CIP包括預處理模塊、信號處理模塊、數據處理模塊、任務處理模塊、視頻、音頻圖像處理模塊、輸入/輸出模塊。部件壽命分布的具體參數,關鍵功能的個數,每個關鍵功能對元件的需求,以及對功能分配的特定限制,用表1給出,利用上述過程計算結果如表2所示。在系統的可靠性上來看,IMA系統比聯合式航電有所提高。IMA在設計中采用了更好的余度設計,這是提高系統可靠性的一個關鍵因素。IMA系統所采用的射頻集成傳感器重量約為500磅,體積約為8英尺3,而聯合式的傳感器系統重約1500磅,體積約為16英尺3。IMA系統中CIP和ISS的應用使得機載設備的數量、重量和體積下降到一個更為合理的水平。因此,IMA系統與聯合式系統相比,在提高可靠性的同時還可以減小系統的重量和體積。3這兩種模型的易于維護分析3.1航電系統設計特點航空電子部件一般非常脆弱,易受穿透物和碎片、沖擊波、輻射和熱危害作用而損傷。其中某些部件的損傷,可能直接導致飛機失控,即飛機的耗損殺傷(KK級或K級等);還可能導致飛行任務執行系統損壞,以致雖然能夠控制飛行卻無法完成任務,從而不得不退出任務,即飛機的C級殺傷。現代戰機通常采用一系列措施以從航電系統本身或者其布置環境的設計上保證其在戰場上的生存力。如航電系統的多余度設計、共享冗余設計、功能重構、容錯等,駕駛艙的風擋有較強防彈性能、駕駛艙座椅及周圍區域加裝裝甲;電纜鋪設最大限度做到系統隔離;航電設備放置在不易受損的地方,并充分考慮機柜和安裝架的結構設計以降低易損性等。因此,在總體設計階段,必須對航電系統及其布置環境進行易損性評估,以選定合適的設計方案,本文僅考慮航電系統設計方案本身的易損性問題。具體到綜合模塊化航電系統,其在任務系統軟件控制下的有源相控陣(AESA)能執行電子戰(EW)功能,同時還將執行部分通信、導航、識別(CNI)的功能。飛行器管理系統可以執行部分飛行控制和火控功能。而聯合式航電系統除飛控系統采用多余度設計外,多數為非余度部件。根據上述特點,考慮飛機C級殺傷等級,結合詳細的DMECA分析我們可以分別得出兩航電系統模型的致命性部件(C級殺傷),如表3和表4所示。在此基礎上,建立兩系統的易損性模型,如圖4和圖5所示。3.2陣風下的目標陣風一架飛機被敵對環境所殺傷的容易程度由飛機被殺傷的概率來進行測度,殺傷概率Pk(無量綱)是指飛機被損傷機理命中的概率,用來衡量飛機不能承受戰斗部(例如爆破彈頭),以及其它構成敵對環境的物體的能力。飛機在敵對環境下能夠生存的能力是由生存概率Ps來度量,它與Pk的關系用公式(2)表示:Ps=1-Pk(2)戰斗部在某特定的遭遇條件下,形成具有一定強度的殺傷場,場中元素相應擊中目標的不同部位。根據殺傷元素的能力和部件的殺傷準則,最終求得各部件的殺傷概率。目標總體殺傷計算是由各部件的殺傷性決定的,各部件的殺傷與目標之間的殺傷關系可由目標的殺傷樹圖給出。根據各部件的殺傷概率,結合殺傷樹圖(圖6和圖7),就可以求得目標總體的殺傷概率。飛機在導彈威脅下被殺傷的概率,主要取決于導彈的特性和飛機的易損性。利用自編的殺傷效能仿真系統進行如下仿真。初始值設定:假定某導彈攻擊飛機時的飛行速度為500m/s,裝藥類型為TNT,裝藥質量比為1.0,戰斗部碎片總數為900,碎片為鋼質球形,碎片直徑為1.15cm。飛機飛行速度為300m/s(飛行方向與導彈飛行方向一致),飛行高度為5500m。導彈引爆位置在飛機下方20m處,經過計算,裝載綜合模塊化航電系統的飛機由于其航電系統失效導致C級殺傷的概率為0.86,而裝載聯合航電系統的飛機由于其航電系統失效導致C級殺傷的概率為0.94。改變仿真設置初值,進行了多次仿真,仿真結果見表5,結果表明,綜合模塊化航電系統的殺傷概率總是小于聯合式航電系統。根據殺傷概率與生存概率的關系可知,殺傷概率越小,表明飛機生存力越高,越有利于其發揮作戰效能。通過仿真結果,我們可以看出,在同等條件下,綜合模塊化航電系統的生存力高于聯合航電系統。在綜合模塊化航電系統中,許多部件可以互為余度,而且其部件的體積小,數量少,可以有效減小其易損面積。而在聯合式結構中,系統多為非余度部件,且部件體積重量大。因此,相對于傳統航電體系結構,采用綜合模塊化航電系統更有利于提高飛機的生存力,同時減小系統的重量和體積。4航電系統易損性分析本文從飛機總體設計的角度研究了航電