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質量與可靠性伴隨著兵器的發展而誕生和發展

文章出處:原創 編輯:admin 發表時間:2016-03-31
  質量與可靠性伴隨著兵器的發展而誕生和發展。兵器的發展大體可分為三個時期,即:冷兵器時期、熱兵器時期和高技術兵器時期。
  1.1.1 冷兵器時期
  冷兵器時期以公元前26世紀使用石兵器開始,經歷了石兵器時期、銅兵器時期、鐵兵器時期,到1703年法英兩國完全取消了長矛為止,前后經歷了4000年發展成長的漫長過程。據考證,在石兵器時期,人類對生產不僅有了樸素的質量意識,而且對當時所制作的石兵器進行了簡單檢驗。殷商時代是中國最早有文字的記載的可考證的一個朝代。在已出土甲骨文卜辭中,就有關生產狀況和產品質量進行監督、檢驗。在青銅器時代及其稍晚些時期,成書于公元前239年的《呂氏春秋》記載,不僅進行質量檢驗,而且進行質量責任制“物勒工名”。歷代一直延續,并以法律形式加以規定。成書于公元前403年的《周禮·考古記》記載了技術規程,“或審曲面勢,以飭五材,以辨民器”。石兵器時期主要有了樸素的質量意識,在質量管理上以產品檢驗為主。
  1.1.2 熱兵器時期
  從公元10世紀發明火藥,熱兵器誕生并開始發展,逐步取代冷兵器,到18世紀初取得了完全的統治地位,一直延續到今天,仍在繼續發展。
  熱兵器的發展可以分為四個時期:以燃燒、爆炸器為主的時期,這是熱兵器的胚胎期;以炮為代表的時期,從18世紀到第一次世界大戰,是熱兵器的成長期;以坦克、飛機、軍艦為代表的時期,從20世紀初到20世紀中第二次世界大戰,是熱兵器的發展期;以原子彈和導彈為代表的時期,從第二次世界大戰末期到20世紀后期,是熱兵器的成熟期。
  在我國,北宋軍事家曾公亮主編的《武經總要》(1044年)總結了前人在兵器制造方面的經驗,對各類兵器生產提出了嚴格質量和生產標準,特別是火藥制造。宋代科學院沈括的《夢溪筆談》及明末宋應星的《天工開物》則是繼《考古記》之后,介紹生產技術規范和標準最多的著作。在這個時期開始了質量的抽樣檢查。在明代,何士晉等人編寫了《工部廠庫須知》中規定的逐級取樣的抽樣方法。鴉片戰爭以后,清朝的洋務派辦了一系列兵工廠,開始了我國的熱兵器發展期,這一時期的生產技術和質量管理方法都來自國外,但無檢驗機構和專職檢驗人員。第一次世界大戰后,帝國主義侵略中國,中國軍閥割據,內戰連年,不僅需要武器多,而且需要質量好。于是,借鑒資本主義國家的管理思想和經驗,有了質量檢驗機構和專職檢驗人員,進入了質量管理的初級階段,即質量檢驗階段。
  在國際上,從第二次世界大戰開始,納粹德國使用火箭和美國使用原子彈,開始了熱兵器的成熟期。由于納粹德國發射的V-1、V-2火箭的不可靠及美國運往遠東的航空無線電設備有60%不能工作,引起了對可靠性問題的認識。1994年納粹德國用V-2火箭襲擊倫敦,有80枚火箭沒有起飛就在起飛臺上爆炸,還有不少火箭沒有達到倫敦就掉進英吉利海峽。當時,美國海軍統計,電子設備在規定所有期內僅有30%的時間能有效地工作。在此期間,因可靠性問題損失飛機2100架,是被擊落飛機的1.5倍。通過大量現場調查和故障分析,采取了對策,誕生了可靠性這門學科,
  當時德國在V-1火箭研制后期,提出并運用了串聯系統理論,得出火箭系統可靠度等于所有元器件、零部件乘積的結論。根據可靠性乘積定律,計算出該火箭的可靠度達0.75。因此,V-1火箭成為第一個運用系統可靠性理論的飛行器。美國對運往遠東的航空無線電設備的可靠性問題進行了調查統計分析,找出主要原因是電子管的可靠性太差。于是,在1943年成立了電子管研究委員會,專門研究電子管的可靠性問題。20世紀40年代被認為是可靠性萌芽時期。
20世紀50年代是可靠性興起和形成的年代。為解決軍用電子設備和復雜導彈系統的可靠性問題,美國軍方及工業界有組織地開展了可靠性研究。在這期間,具有影響的是1952年美國國防部成立了一個由軍方、工業部門和學術界組成的電子設備可靠性咨詢組(AGREE)。1955年A-GREE開始實施一個從設計、試驗、生產到交付、儲存、使用的全面的可靠性發展計劃,并于1957年發表了《軍用電子設備可靠性》的研究報告。該報告從9個方面闡述了可靠性設計、試驗及管理的程序及方法,確定了美國可靠性工程發展的方向,成為可靠性發展的奠基性文件,標志著可靠性已成為一門獨立的學科,是可靠性工程發展的重要里程碑。
  20世紀60年代是可靠性工程全面發展的階段,也是美國武器系統研制全面貫徹可靠性大綱的年代。在這10年中,美國先后開發出F-111A、F-15A戰斗機、MI坦克、“民兵”導彈、“水星”和“阿波羅”宇宙飛船等裝備。這些新一代裝備對可靠性提出了更加嚴格的要求,因此1957年AGREE報告提出的一整套可靠性設計、試驗及管理方法被國防部及國家航空航天局(NASA)接受,在新研制的裝備中得到廣泛應用并迅速發展,形成了一套較完善的可靠性設計、試驗和管理標準,如MIL-HDBK-217、MIL-STD-781和MIL-STD-785。在這些新一代裝備的研制中,都不同程度地制訂了較完善的可靠性大綱,規定了定量的可靠性要求,進行可靠性分配及預計,開展故障模式及影響分析(FMEA)和故障樹分析(FTA),采用余度設計,開展可靠性鑒定試驗,驗收試驗和老練試驗,進行可靠性評審等,使這些裝備的可靠性有了大幅度提高。例如,50年代的“先驅者號”衛星發射11次只有3次成功,而60年代發展的阿波羅登月船,除阿波羅13以外,每次發射都成功著陸在月球上并安全返回。在這10年中,美、法、日及前蘇聯等工業發達國家也相繼開展了可靠性研究。
  20世紀70年代是可靠性發展步入成熟的階段。在這10年中,盡管美國及整個資本主義世界遇到經濟困難,軍費緊縮,但是可靠性作為降低武器系統壽命周期費用的一種有效工具得到進一步發展。這一階段的主要特點是建立集中統一的可靠性管理機構,負責組織、協調國防部范圍的可靠性政策、標準、手冊和重大研究課題;成立全國性的數據交換網,加強政府機構與工業部門之間的技術信息交流;制定了一套較完善的可靠性設計,試驗及管理的方法及程序。為解決復雜武器系統投入外場使用后出現的戰備完好性低和使用保障費用高的問題,從型號項目論證開始就強調可靠性設計,通過加強元器件控制,采用更嚴格的降額及熱設計,強調環境應力篩選,可靠性增長試驗和綜合環境應力的可靠性試驗,推行可靠性獎罰合同等一系列措施來提高武器裝備的可靠性。美國空軍的F-16A和海軍的F/A-8A戰斗機、陸軍的M1主戰坦克和英國皇家空軍的“隼”式教練攻擊機的研制體現了70年代的特點。
  20世紀80年代以來,可靠性工程向著更深、更廣的方向發展。在發展策略上,把可靠性和維修性作為提高武器裝備戰斗力的重要工具,使可靠性置于與武器裝備性能、費用和進度同等重要的地位;在管理上,加強集中統一管理,強調可靠性及維修性管理應當制度化,為此美國國防部于1980年首次頒發可靠性及維修性指令5000.40《可靠性及維修性》;在技術上,深入開展軟件可靠性、機械可靠性以及光電器件可靠性和微電子器件可靠性等的研究,全面推廣計算機輔助設計(CAD)技術在可靠性領域的應用,積極采用??榛?、綜合化、容錯設計、光導纖維和超高速集成電路等新技術來全面提高現代武器系統的可靠性。1985年,美國空軍推行了“可靠性及維修性2000年行動計劃”(R&M2000)。該計劃從管理入手,依靠政策和命令來促進空軍領導機關對可靠性工作的重視,加速觀念轉變,使可靠性工作在空軍部門形成制度化,以最終實現提高武器裝備作戰能力,改善生存性、減少空軍部隊部署的運輸量,降低維修保障人力要求和使用保障費用等5項目標。經過近6年的努力,在1991年海灣戰爭中,美國空軍的行動計劃見到了成效,F-16C/D及F-15E戰斗機的戰備完好性(能執行任務率)都超過了95%。
  綜觀近半個世紀中可靠性的發展,大致經歷了如下重大的變化和發展:
  1.從重視武器裝備性能、輕視可靠性,轉變為樹立可靠性與性能、費用及進度同等重要的觀念,實現了觀念轉變。
  2.從分散管理、部門負責到集中統一領導,成立由副司令、副總裁直接領導的可靠性機構,完善了管理體系。
  3.從電子管失效機理研究到開發超高速集成電路,使電子元器件可靠性每年平均約以20%的速度提高。
  4.從電子設備的可靠性研究開始到重視機械設備、光電設備及其他非電子設備的可靠性研究,全面提高武器裝備的可靠性。
  5.從硬件可靠性研究到軟件可靠性研究,確保大型先進復雜系統的可靠性。
  6.從宏觀統計估算到微觀分析計算,更準確地確定產品的故障模式、可靠性及壽命。
  7.從手工定性的可靠性分析設計到計算機輔助可靠性分析設計,大大提高分析設計精度,縮短分析設計時間。
  8.從重視可靠性統計試驗到強調可靠性工程試驗,通過環境應力篩選可靠性增長試驗來暴露產品故障,進而提高產品的可靠性。
  9.從單個可靠性參數指標發展到多個參數和指標,建立完善的可靠性參數和指標體系。
  10.從以固有值作為武器系統的可靠性指標到強調以使用值作為指標,確保投入外場使用的武器裝備具有規定的可靠性水平。
  要求標準協調一致。
  1.1.3 高技術兵器時期
  1991年初,歷時僅42天的海灣戰爭是第二次世界大戰以來軍事技術現代化水平最高的戰爭,使用了品種精確的制導武器、巡航導彈和隱性飛機,并使用了空間偵察系統、先進的C3I系統(指揮、控制、通信、情報)和電子設備,從而揭開了高技術兵器時代的序幕。高技術兵器包括高度電子化武器、精確制導武器、人工智能武器、聚能武器、隱性武器、空基兵器等,其中智能化是主要發展方向。
  高技術兵器特點是:
  1.綜合化。隨著現代立體戰爭的出現,要求陸、海、空三軍統一指揮協同作戰。美國的“空地一體戰”理論和原蘇聯的“大縱深立體戰理論”,在海灣戰爭得到了初步實踐。隨著立體戰爭的出現,要求陸、海、空三軍統一指揮、協同作戰,因而指揮控制與通信也要實現綜合化。這些綜合不是分立單元的組合、疊加,而是統一的功能綜合設計,提高系統的信息綜合利用和資源共享能力。未來的戰爭將是敵我方兩大體系整體綜合能力的對抗。
  2.系統化。海灣戰爭表明,現代戰爭是系統對系統、體系對體系的戰爭,任何單個武器裝備,即使其性能再先進,如果不能構成有機作戰體系,就不能發揮武器系統的整體作戰效能。能夠構成系統地把陸、海、空軍各種武器裝備組成一個有機的作戰整體,就是C3I系統?;褂邢褳ㄐ諾己降形沂侗鹱酆舷低常–NI)等都是系統化的典型代表。
  3.智能化。計算技術發展的總趨勢是武器裝備的智能化和指揮系統的智能化,其中包括智能化制導武器、智能化無人載體、智能化機器人、智能化C3I、智能化后勤支援系統等。美國國防部為2000年戰斗機制定了“寶石柱”先進綜合航空電子系統計劃,該計劃目標之一是通過采用人工智能先進技術,來提高航空電子系統的可靠性和維修性,減少維修人員。該系統與F-16系統相比,72架飛機所需維修人員從142人降為71人。智能化水平提高,操控人員可以減少,由于人的差錯引起的故障隨之減少(如無人職守的雷達和通信設備),相反則要求系統或設備的可靠性更高。
  由于高技術兵器的誕生,綜合化、系統化、智能化的發展,電子產品將起著主導作用,可以說未來的戰爭是以軍事電子為主導的主技術戰爭。爭奪電子優勢是決定戰爭勝敗的重要因素。誰掌握“制電子權”誰就獲得戰爭的主動權,就像第二次世界大戰中爭奪制空權一樣,因而電子產品在武器系統里占比例越來越大。據資料報導,美國現在無論在科研費和采購費用的電子含量已達到48%,21世紀初將達到50%以上??占湮淦韉淖氨岡蚋右覽檔繾?,80年代初電子所占比例達65%,80年代末達到70%。智能武器所占比例>70%。由此,為了提高設備系統的可靠性,減輕重量和減少體積,電子元器件的小型化、大規模集成和高密度封裝應運而生,由此帶來以微電子為核心的新技術革命。微電子正使電子發生重大變革,使電子產品的可靠性迅速提高,微電子器件的失效率已達10-10/小時,換算成壽命可達112萬年,比人的腦神經細胞失效率低一萬倍,正在接近“半永久性”的理想境界。
  4.伴隨著高技術兵器時期的到來,將帶來新技術革命。對于從事兵器可靠性工作者來說,出現了新的挑戰,也是一個機遇。熱兵器時期的一些可靠性技術將要變革,并適應高技術兵器需要而提出一些新的可靠性技術。筆者認為首先要解決下列問題:
  1. 由于高技術兵器的綜合化、系統化,未來的戰爭將是系統對系統、體系對體系的對抗,因而描述可靠性與維修性不能像單一兵器那樣簡單用平均故障間隔時間(MTBF)和平均修復時間(MTTR)來描述,而是應考慮綜合作戰效能來描述,即戰備完好性和任務成功性,減少維修人力和保障費用。因此,應建立新的可靠性指標體系和評價及考核辦法。
  2.由于高技術兵器的綜合化和系統化,系統可靠性與維修性設計更為突出,新的系統可靠性設計技術將要出現,其建模技術和建模方法將要有新的突破,這樣才能科學有效地進行可靠性預計、分配與分析。
  3.由于高技術兵器系統越來越復雜,而可靠性要求越來越高。按目前的設計方法和控制方法難以保證,因而將出現3C革命,即計算機輔助設計(CAD),計算機輔助生產(CAM),計算機輔助工程(CAE)。傳統的人工設計、裝配、測試和老一套管理模式不但效率低,質量與可靠性不能保證,成本高,可以說沒有3C就無法進行設計和生產。
  4.由于系統的多功能及復雜性,為了保證系統的戰備完好和任務成功性,減少維修人力和保障費用,必須進行故障自動檢測設計(BIT)和切換。為此,必須進行??榛杓?。未來的軍事電子產品將不再由成千上萬個元器件所構成,而是由若干功能??樗槌?。
  5.為了減少復雜的綜合武器系統的體積、重量及提高可靠性,發展大規模集成和高密度組裝技術是必然的趨勢。美國空軍1985年提出了“可靠性和維修性計劃”(R&M2000),要求達到“可靠性增倍、維修減半”的目標,也就是說武器裝備可靠性提高一倍,維修時間、維修人員、維修費用全部減半。達到這一目標的首要措施就是提高集成度。日本NEC全固體化的微波中繼設備的MTBF可達5萬小時,野戰電臺的MTBF已達2萬~5萬小時。
  6.由于高技術兵器的智能化,大量計算機被采用,計算機的可靠性就面臨嚴重問題。關于計算機可靠性有兩方面問題,一是硬件的可靠性,二是軟件的可靠性。關于硬件可靠性問題,目前一般的計算機的可靠性及其環境適用性不能滿足兵器系統要求,因而必須推出軍用計算機,如美國各計算機公司紛紛推出“加固”機和“MIL-SPEC”機器。美國的加固計算機是按軍用標準(MIL-STP-810CCD)設計的,能承受戰爭環境對沖擊、振動、濕度、溫度、加速度、泥水煙霧和碎屑等的苛刻要求。星載計算機運行期間無法直接維護,可靠性要求極高。衛星在空間環境運行時又無法避免宇宙射線、捕獲輻照、日耀及核爆炸輻射等,這就需要進行環境防護設計。為了適應各種惡劣環境,保證其可靠性,必須進行容錯設計,如冗余與重構等技術手段。隨著計算機被大量采用,硬件可靠性不斷提高,軟件的可靠性問題顯得比較重要。目前軟件可靠性遇到一些難題,其中有軟件可靠性模型、軟件可靠性設計、軟件故障檢測及軟件可靠性評估方法等。
  7.由于高技術兵器的復雜性,如何可靠地操作使用及維護將是一個嚴重的問題。隨著高技術兵器的自動化程度越來越高,人類工程學、人機工程將是人們最為關注的課題之一,可使用性設計將得到很大重視。
  8.由于高技術兵器的綜合化和系統化,使得兵器系統相當龐大和復雜,且可靠性指標又很高,用目前的可靠性鑒定和驗收試驗方法試驗時間長,試驗費用高,實施技術難度大,進行一次完整的試驗已不可能。因而可靠性試驗與評價技術和方法將有新的突破和革新,這也是可靠性工作者面臨的一個新的課題。
  9.由于高技術兵器的綜合化和系統化,一個兵器系統將由眾多兵器廠家聯合研制而成,因而傳統的質量與可靠性管理已不相適應,必須突破目前管理模式,如實施全方位和立體矩陣式管理,要有一個很強的信息傳遞和故障報告、分析與糾錯措施系統(FRACAS)。
  10.伴隨著高技術兵器時期的到來,必須制訂與其相適應的高技術標準,而且標準的制訂應有超前意識。應該看到,目前我國的標準整體比較混亂,而且與技術的發展不相適應。為了適應高技術兵器的需要,應給予投資,大力開展標準化工作,以促進技術進步和提高武器裝備的技術性能、質量及可靠性水平。
  通過上述分析,為了適應高技術兵器的發展,應樹立當代質量觀,把產品質量的內涵,從狹義的概念擴展到包括性能、經濟性、安全性、壽命及可靠性、維修性保障性等在內的廣義質量觀念。質量管理應前伸后延,從研制早期抓起,直到生產、用戶使用全過程。質量管理的發展,從事后把關,加強檢驗,到預防為主,再到一次成功。要作到一次成功,首先要對產品研制的全過程進行可靠性、維修性及保障性的嚴密監控。
  目前國際上建立了一種新概念,即可信性??尚判哉飧齦拍畎絲煽啃?、維修性及保障性。為了加強產品在全壽命周期內的可信性管理,國際電工委員會(IEC)與國際標準化組織(ISO)協調一致討論頒發了IEC300-1《可信性大綱管理》、IEC300-2《可靠性大綱要求和任務》、IEC300-3《應用指南》等。這些規定與ISO9000要求標準協調一致。

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