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质量与可靠性伴随着兵器的发展而诞生和发展

文章出处:原创 编辑:admin 发表时间:2016-03-31
  质量与可靠性伴随着兵器的发展而诞生和发展。兵器的发展大体可分为三个时期,即:冷兵器时期、热兵器时期和高技术兵器时期。
  1.1.1 冷兵器时期
  冷兵器时期以公元前26世纪使用石兵器开始,经历了石兵器时期、铜兵器时期、铁兵器时期,到1703年法英两国完全取消了长矛为止,前后经历了4000年发展成长的漫长过程。据考证,在石兵器时期,人类对生产不仅有了朴素的质量意识,而且对当时所制作的石兵器进行了简单检验。殷商时代是中国最早有文字的记载的可考证的一个朝代。在已出土甲骨文卜辞中,就有关生产状况和产品质量进行监督、检验。在青铜器时代及其稍晚些时期,成书于公元前239年的《吕氏春秋》记载,不仅进行质量检验,而且进行质量责任制“物勒工名”。历代一直延续,并以法律形式加以规定。成书于公元前403年的《周礼·考古记》记载了技术规程,“或审曲面势,以饬五材,以辨民器”。石兵器时期主要有了朴素的质量意识,在质量管理上以产品检验为主。
  1.1.2 热兵器时期
  从公元10世纪发明火药,热兵器诞生并开始发展,逐步取代冷兵器,到18世纪初取得了完全的统治地位,一直延续到今天,仍在继续发展。
  热兵器的发展可以分为四个时期:以燃烧、爆炸器为主的时期,这是热兵器的胚胎期;以炮为代表的时期,从18世纪到第一次世界大战,是热兵器的成长期;以坦克、飞机、军舰为代表的时期,从20世纪初到20世纪中第二次世界大战,是热兵器的发展期;以原子弹和导弹为代表的时期,从第二次世界大战末期到20世纪后期,是热兵器的成熟期。
  在我国,北宋军事家曾公亮主编的《武经总要》(1044年)总结了前人在兵器制造方面的经验,对各类兵器生产提出了严格质量和生产标准,特别是火药制造。宋代科学院沈括的《梦溪笔谈》及明末宋应星的《天工开物》则是继《考古记》之后,介绍生产技术规范和标准最多的著作。在这个时期开始了质量的抽样检查。在明代,何士晋等人编写了《工部厂库须知》中规定的逐级取样的抽样方法。鸦片战争以后,清朝的洋务派办了一系列兵工厂,开始了我国的热兵器发展期,这一时期的生产技术和质量管理方法都来自国外,但无检验机构和专职检验人员。第一次世界大战后,帝国主义侵略中国,中国军阀割据,内战连年,不仅需要武器多,而且需要质量好。于是,借鉴资本主义国家的管理思想和经验,有了质量检验机构和专职检验人员,进入了质量管理的初级阶段,即质量检验阶段。
  在国际上,从第二次世界大战开始,纳粹德国使用火箭和美国使用原子弹,开始了热兵器的成熟期。由于纳粹德国发射的V-1、V-2火箭的不可靠及美国运往远东的航空无线电设备有60%不能工作,引起了对可靠性问题的认识。1994年纳粹德国用V-2火箭袭击伦敦,有80枚火箭没有起飞就在起飞台上爆炸,还有不少火箭没有达到伦敦就掉进英吉利海峡。当时,美国海军统计,电子设备在规定所有期内仅有30%的时间能有效地工作。在此期间,因可靠性问题损失飞机2100架,是被击落飞机的1.5倍。通过大量现场调查和故障分析,采取了对策,诞生了可靠性这门学科,
  当时德国在V-1火箭研制后期,提出并运用了串联系统理论,得出火箭系统可靠度等于所有元器件、零部件乘积的结论。根据可靠性乘积定律,计算出该火箭的可靠度达0.75。因此,V-1火箭成为第一个运用系统可靠性理论的飞行器。美国对运往远东的航空无线电设备的可靠性问题进行了调查统计分析,找出主要原因是电子管的可靠性太差。于是,在1943年成立了电子管研究委员会,专门研究电子管的可靠性问题。20世纪40年代被认为是可靠性萌芽时期。
20世纪50年代是可靠性兴起和形成的年代。为解决军用电子设备和复杂导弹系统的可靠性问题,美国军方及工业界有组织地开展了可靠性研究。在这期间,具有影响的是1952年美国国防部成立了一个由军方、工业部门和学术界组成的电子设备可靠性咨询组(AGREE)。1955年A-GREE开始实施一个从设计、试验、生产到交付、储存、使用的全面的可靠性发展计划,并于1957年发表了《军用电子设备可靠性》的研究报告。该报告从9个方面阐述了可靠性设计、试验及管理的程序及方法,确定了美国可靠性工程发展的方向,成为可靠性发展的奠基性文件,标志着可靠性已成为一门独立的学科,是可靠性工程发展的重要里程碑。
  20世纪60年代是可靠性工程全面发展的阶段,也是美国武器系统研制全面贯彻可靠性大纲的年代。在这10年中,美国先后开发出F-111A、F-15A战斗机、MI坦克、“民兵”导弹、“水星”和“阿波罗”宇宙飞船等装备。这些新一代装备对可靠性提出了更加严格的要求,因此1957年AGREE报告提出的一整套可靠性设计、试验及管理方法被国防部及国家航空航天局(NASA)接受,在新研制的装备中得到广泛应用并迅速发展,形成了一套较完善的可靠性设计、试验和管理标准,如MIL-HDBK-217、MIL-STD-781和MIL-STD-785。在这些新一代装备的研制中,都不同程度地制订了较完善的可靠性大纲,规定了定量的可靠性要求,进行可靠性分配及预计,开展故障模式及影响分析(FMEA)和故障树分析(FTA),采用余度设计,开展可靠性鉴定试验,验收试验和老练试验,进行可靠性评审等,使这些装备的可靠性有了大幅度提高。例如,50年代的“先驱者号”卫星发射11次只有3次成功,而60年代发展的阿波罗登月船,除阿波罗13以外,每次发射都成功着陆在月球上并安全返回。在这10年中,美、法、日及前苏联等工业发达国家也相继开展了可靠性研究。
  20世纪70年代是可靠性发展步入成熟的阶段。在这10年中,尽管美国及整个资本主义世界遇到经济困难,军费紧缩,但是可靠性作为降低武器系统寿命周期费用的一种有效工具得到进一步发展。这一阶段的主要特点是建立集中统一的可靠性管理机构,负责组织、协调国防部范围的可靠性政策、标准、手册和重大研究课题;成立全国性的数据交换网,加强政府机构与工业部门之间的技术信息交流;制定了一套较完善的可靠性设计,试验及管理的方法及程序。为解决复杂武器系统投入外场使用后出现的战备完好性低和使用保障费用高的问题,从型号项目论证开始就强调可靠性设计,通过加强元器件控制,采用更严格的降额及热设计,强调环境应力筛选,可靠性增长试验和综合环境应力的可靠性试验,推行可靠性奖罚合同等一系列措施来提高武器装备的可靠性。美国空军的F-16A和海军的F/A-8A战斗机、陆军的M1主战坦克和英国皇家空军的“隼”式教练攻击机的研制体现了70年代的特点。
  20世纪80年代以来,可靠性工程向着更深、更广的方向发展。在发展策略上,把可靠性和维修性作为提高武器装备战斗力的重要工具,使可靠性置于与武器装备性能、费用和进度同等重要的地位;在管理上,加强集中统一管理,强调可靠性及维修性管理应当制度化,为此美国国防部于1980年首次颁发可靠性及维修性指令5000.40《可靠性及维修性》;在技术上,深入开展软件可靠性、机械可靠性以及光电器件可靠性和微电子器件可靠性等的研究,全面推广计算机辅助设计(CAD)技术在可靠性领域的应用,积极采用模块化、综合化、容错设计、光导纤维和超高速集成电路等新技术来全面提高现代武器系统的可靠性。1985年,美国空军推行了“可靠性及维修性2000年行动计划”(R&M2000)。该计划从管理入手,依靠政策和命令来促进空军领导机关对可靠性工作的重视,加速观念转变,使可靠性工作在空军部门形成制度化,以最终实现提高武器装备作战能力,改善生存性、减少空军部队部署的运输量,降低维修保障人力要求和使用保障费用等5项目标。经过近6年的努力,在1991年海湾战争中,美国空军的行动计划见到了成效,F-16C/D及F-15E战斗机的战备完好性(能执行任务率)都超过了95%。
  综观近半个世纪中可靠性的发展,大致经历了如下重大的变化和发展:
  1.从重视武器装备性能、轻视可靠性,转变为树立可靠性与性能、费用及进度同等重要的观念,实现了观念转变。
  2.从分散管理、部门负责到集中统一领导,成立由副司令、副总裁直接领导的可靠性机构,完善了管理体系。
  3.从电子管失效机理研究到开发超高速集成电路,使电子元器件可靠性每年平均约以20%的速度提高。
  4.从电子设备的可靠性研究开始到重视机械设备、光电设备及其他非电子设备的可靠性研究,全面提高武器装备的可靠性。
  5.从硬件可靠性研究到软件可靠性研究,确保大型先进复杂系统的可靠性。
  6.从宏观统计估算到微观分析计算,更准确地确定产品的故障模式、可靠性及寿命。
  7.从手工定性的可靠性分析设计到计算机辅助可靠性分析设计,大大提高分析设计精度,缩短分析设计时间。
  8.从重视可靠性统计试验到强调可靠性工程试验,通过环境应力筛选可靠性增长试验来暴露产品故障,进而提高产品的可靠性。
  9.从单个可靠性参数指标发展到多个参数和指标,建立完善的可靠性参数和指标体系。
  10.从以固有值作为武器系统的可靠性指标到强调以使用值作为指标,确保投入外场使用的武器装备具有规定的可靠性水平。
  要求标准协调一致。
  1.1.3 高技术兵器时期
  1991年初,历时仅42天的海湾战争是第二次世界大战以来军事技术现代化水平最高的战争,使用了品种精确的制导武器、巡航导弹和隐性飞机,并使用了空间侦察系统、先进的C3I系统(指挥、控制、通信、情报)和电子设备,从而揭开了高技术兵器时代的序幕。高技术兵器包括高度电子化武器、精确制导武器、人工智能武器、聚能武器、隐性武器、空基兵器等,其中智能化是主要发展方向。
  高技术兵器特点是:
  1.综合化。随着现代立体战争的出现,要求陆、海、空三军统一指挥协同作战。美国的“空地一体战”理论和原苏联的“大纵深立体战理论”,在海湾战争得到了初步实践。随着立体战争的出现,要求陆、海、空三军统一指挥、协同作战,因而指挥控制与通信也要实现综合化。这些综合不是分立单元的组合、叠加,而是统一的功能综合设计,提高系统的信息综合利用和资源共享能力。未来的战争将是敌我方两大体系整体综合能力的对抗。
  2.系统化。海湾战争表明,现代战争是系统对系统、体系对体系的战争,任何单个武器装备,即使其性能再先进,如果不能构成有机作战体系,就不能发挥武器系统的整体作战效能。能够构成系统地把陆、海、空军各种武器装备组成一个有机的作战整体,就是C3I系统。还有像通信导航敌我识别综合系统(CNI)等都是系统化的典型代表。
  3.智能化。计算技术发展的总趋势是武器装备的智能化和指挥系统的智能化,其中包括智能化制导武器、智能化无人载体、智能化机器人、智能化C3I、智能化后勤支援系统等。美国国防部为2000年战斗机制定了“宝石柱”先进综合航空电子系统计划,该计划目标之一是通过采用人工智能先进技术,来提高航空电子系统的可靠性和维修性,减少维修人员。该系统与F-16系统相比,72架飞机所需维修人员从142人降为71人。智能化水平提高,操控人员可以减少,由于人的差错引起的故障随之减少(如无人职守的雷达和通信设备),相反则要求系统或设备的可靠性更高。
  由于高技术兵器的诞生,综合化、系统化、智能化的发展,电子产品将起着主导作用,可以说未来的战争是以军事电子为主导的主技术战争。争夺电子优势是决定战争胜败的重要因素。谁掌握“制电子权”谁就获得战争的主动权,就像第二次世界大战中争夺制空权一样,因而电子产品在武器系统里占比例越来越大。据资料报导,美国现在无论在科研费和采购费用的电子含量已达到48%,21世纪初将达到50%以上。空间武器的装备则更加依赖电子,80年代初电子所占比例达65%,80年代末达到70%。智能武器所占比例>70%。由此,为了提高设备系统的可靠性,减轻重量和减少体积,电子元器件的小型化、大规模集成和高密度封装应运而生,由此带来以微电子为核心的新技术革命。微电子正使电子发生重大变革,使电子产品的可靠性迅速提高,微电子器件的失效率已达10-10/小时,换算成寿命可达112万年,比人的脑神经细胞失效率低一万倍,正在接近“半永久性”的理想境界。
  4.伴随着高技术兵器时期的到来,将带来新技术革命。对于从事兵器可靠性工作者来说,出现了新的挑战,也是一个机遇。热兵器时期的一些可靠性技术将要变革,并适应高技术兵器需要而提出一些新的可靠性技术。笔者认为首先要解决下列问题:
  1. 由于高技术兵器的综合化、系统化,未来的战争将是系统对系统、体系对体系的对抗,因而描述可靠性与维修性不能像单一兵器那样简单用平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)来描述,而是应考虑综合作战效能来描述,即战备完好性和任务成功性,减少维修人力和保障费用。因此,应建立新的可靠性指标体系和评价及考核办法。
  2.由于高技术兵器的综合化和系统化,系统可靠性与维修性设计更为突出,新的系统可靠性设计技术将要出现,其建模技术和建模方法将要有新的突破,这样才能科学有效地进行可靠性预计、分配与分析。
  3.由于高技术兵器系统越来越复杂,而可靠性要求越来越高。按目前的设计方法和控制方法难以保证,因而将出现3C革命,即计算机辅助设计(CAD),计算机辅助生产(CAM),计算机辅助工程(CAE)。传统的人工设计、装配、测试和老一套管理模式不但效率低,质量与可靠性不能保证,成本高,可以说没有3C就无法进行设计和生产。
  4.由于系统的多功能及复杂性,为了保证系统的战备完好和任务成功性,减少维修人力和保障费用,必须进行故障自动检测设计(BIT)和切换。为此,必须进行模块化设计。未来的军事电子产品将不再由成千上万个元器件所构成,而是由若干功能模块所组成。
  5.为了减少复杂的综合武器系统的体积、重量及提高可靠性,发展大规模集成和高密度组装技术是必然的趋势。美国空军1985年提出了“可靠性和维修性计划”(R&M2000),要求达到“可靠性增倍、维修减半”的目标,也就是说武器装备可靠性提高一倍,维修时间、维修人员、维修费用全部减半。达到这一目标的首要措施就是提高集成度。日本NEC全固体化的微波中继设备的MTBF可达5万小时,野战电台的MTBF已达2万~5万小时。
  6.由于高技术兵器的智能化,大量计算机被采用,计算机的可靠性就面临严重问题。关于计算机可靠性有两方面问题,一是硬件的可靠性,二是软件的可靠性。关于硬件可靠性问题,目前一般的计算机的可靠性及其环境适用性不能满足兵器系统要求,因而必须推出军用计算机,如美国各计算机公司纷纷推出“加固”机和“MIL-SPEC”机器。美国的加固计算机是按军用标准(MIL-STP-810CCD)设计的,能承受战争环境对冲击、振动、湿度、温度、加速度、泥水烟雾和碎屑等的苛刻要求。星载计算机运行期间无法直接维护,可靠性要求极高。卫星在空间环境运行时又无法避免宇宙射线、捕获辐照、日耀及核爆炸辐射等,这就需要进行环境防护设计。为了适应各种恶劣环境,保证其可靠性,必须进行容错设计,如冗余与重构等技术手段。随着计算机被大量采用,硬件可靠性不断提高,软件的可靠性问题显得比较重要。目前软件可靠性遇到一些难题,其中有软件可靠性模型、软件可靠性设计、软件故障检测及软件可靠性评估方法等。
  7.由于高技术兵器的复杂性,如何可靠地操作使用及维护将是一个严重的问题。随着高技术兵器的自动化程度越来越高,人类工程学、人机工程将是人们最为关注的课题之一,可使用性设计将得到很大重视。
  8.由于高技术兵器的综合化和系统化,使得兵器系统相当庞大和复杂,且可靠性指标又很高,用目前的可靠性鉴定和验收试验方法试验时间长,试验费用高,实施技术难度大,进行一次完整的试验已不可能。因而可靠性试验与评价技术和方法将有新的突破和革新,这也是可靠性工作者面临的一个新的课题。
  9.由于高技术兵器的综合化和系统化,一个兵器系统将由众多兵器厂家联合研制而成,因而传统的质量与可靠性管理已不相适应,必须突破目前管理模式,如实施全方位和立体矩阵式管理,要有一个很强的信息传递和故障报告、分析与纠错措施系统(FRACAS)。
  10.伴随着高技术兵器时期的到来,必须制订与其相适应的高技术标准,而且标准的制订应有超前意识。应该看到,目前我国的标准整体比较混乱,而且与技术的发展不相适应。为了适应高技术兵器的需要,应给予投资,大力开展标准化工作,以促进技术进步和提高武器装备的技术性能、质量及可靠性水平。
  通过上述分析,为了适应高技术兵器的发展,应树立当代质量观,把产品质量的内涵,从狭义的概念扩展到包括性能、经济性、安全性、寿命及可靠性、维修性保障性等在内的广义质量观念。质量管理应前伸后延,从研制早期抓起,直到生产、用户使用全过程。质量管理的发展,从事后把关,加强检验,到预防为主,再到一次成功。要作到一次成功,首先要对产品研制的全过程进行可靠性、维修性及保障性的严密监控。
  目前国际上建立了一种新概念,即可信性。可信性这个概念包括了可靠性、维修性及保障性。为了加强产品在全寿命周期内的可信性管理,国际电工委员会(IEC)与国际标准化组织(ISO)协调一致讨论颁发了IEC300-1《可信性大纲管理》、IEC300-2《可靠性大纲要求和任务》、IEC300-3《应用指南》等。这些规定与ISO9000要求标准协调一致。

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