美国海军装备可靠性工程

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美国是世界上最早重视武器装备可靠性的国家,美军可靠性政策历经半个世纪的发展演变,一直不断修订与完善.美国海军在国防部相关条令、文件和手册指导下,结合实际问题,规范海军可靠性工程流程,优化可靠性管理,将可靠性与可用性、可维修性作为装备全寿命周期的一个完整的独立系统工程纳入装备采办管理体系,取得了一定的成效,实现了装备可靠性指标的增长.

依托采办项目管理机制,自上而下推动构建完善的可靠性工程机构体系

美军装备采办管理实行项目管理机制,设立项目办公室全权负责项目管理全过程.装备可靠性、可用性和可维修性(RAM)依托采办项目管理机制,自上而下形成完善的管理机构体系,为各级落实可靠性要求、切实提高装备可靠性水平发挥了重要的组织保障.

在国防部层面,负责采办、技术与后勤的国防部副部长作为装备可靠性的最高管理者,负责指导全军可靠性管理工作,发布可靠性管理政策.国防部下属的作战试验与鉴定局负责组织管理由国防部直接管理的武器装备项目的作战试验与鉴定,对新型武器装备的可靠性进行客观评价,制定国防部的装备可靠性管理政策.国防部设有可靠性分析中心(RIAC),全面负责美军各种装备的可靠性、可维护性、质量、保障性和交互性(RMQSI)的信息收集、分析与技术开发工作,为装备可靠性工程提供信息与技术支持.2014年1月1日,国防部在“购买力优化”的采办、技术与后勤倡议下,在原可靠性分析中心的基础上合并组建了国防系统信息分析中心(DSIAC).

在海军层面,由负责研究、发展与采办的助理海军部长监管海军与海军陆战队的武器装备可靠性工程的管理、测试与技术评估,对上直接向负责采办、技术与后勤的国防部副部长报告,对下指导海军装备可靠性管理工作,发布可靠性管理规章制度,并在装备研发与采办的重要节点审查中,评估装备可靠性、可用性与可维修性报告.

在海军装备可靠性具体执行领域,由负责海军装备采办项目的计划执行官及项目办公室监督和管理装备研制和采办过程中的可靠性工作,平衡武器装备的可靠性、费用、进度、性能与技术风险等,使装备能够更好地满足用户需求.计划执行官对上向负责研究、发展与采办的助理海军部长报告项目情况,对下监管项目办公室开展的各类项目事宜.项目办公室设有项目主任,作为项目办公室职责负责人,接受项目执行官的监管.项目办公室设有多个一体化产品小组,负责可靠性管理的主要为一体化试验计划小组,人员通常来自作战试验与鉴定部队,负责装备寿命周期中所有与可靠性相关的活动,包括制定可靠性、可用性和可维护性项目计划(RAMPP);初始的可靠性、可用性、可维修性和成本关系(RAM-C)报告;数据收集分析和纠正措施系统(DCACAS)、试验与鉴定主计划(TEMP)、编制装备可靠性相关文件等.海军作战部下设作战试验与鉴定部队,作为美国海军专门的作战试验与评估力量,具体负责组织实施海军作战试验与鉴定工作,确定装备RAM鉴定的设备资产和时间进度,试验与鉴定系统的可靠性指标,并明确下一步需要纠正的再测试项目等.

建立完整的文件法规体系,科学指导装备可靠性工程建设

美国一直采用法制化、规范化、科学化的管理手段进行装备建设,在装备可靠性发展方面建立了从国防部到各军兵种部等各级层面的技术文件体系,作为一种基本方针政策性和指令性文件,对装备可靠性发展给出了权威指导和规范管理,使装备可靠性实现了有法可依、有章可循.

美国国防部参考工业标准要求,制定了关于装备可靠性活动的标准性指令、文件与手册等

美国标准协会先后颁布有IEEE1332“电子系统和设备研制和生产可靠性大纲”和SAEJA1000“可靠性大纲标准”,提出了设计和制造可靠性产品所必须实现的目标.国防部基于行业标准协会提出的可靠性目标,在国防部层面出版了一系列标准、手册、指令性文件,包括《国防部采办指南》、《国防部可靠性、可用性、可维修性与成本报告指南》、《国防部武器系统设计和评估保障:增加可靠性和减少后勤保障指南》、《可靠性增长管理》、国防部指令5000.02“国防采办系统运作”(2013年11月25日)等,其中详细规定了武器装备可靠性、可用性和可维修性的理论、程序、机构、职责、各阶段输入与输出、工具、测量指标、影响因素等,为海军部制定海军装备可靠性管理文件提供依据与参考.

美国海军部和海上系统司令部以获取高可靠性产品为目标,参考国防部文件,颁布了大量指令性文件

包括SECNINST5000.2D“海军采办流程”、SECNNOTE5000“海军部需求与采办改进”、《可靠性、可用性和可维修性(RAM)政策》、海上系统司令部NSEAINSTRUCTION3960.2D“试验与鉴定”、NSEAINSTRUCTION4734.1B“试验、测量与诊断设备(TMDE)和纠正项目”等.这些文件明确规定了海军武器装备采办过程中以可靠性为中心的活动与要求,规范海军可靠性参数指标设计、试验与验证流程与标准,科学指导美国海军开展装备可靠性活动.


设计以可靠性为中心的独立系统工程流程,重点加强项目论证阶段可靠性介入力度

美国海军依据《可靠性、可用性和可维修性政策》,科学设计了以RAM为中心的“四步走”流程,并将该流程作为装备采办过程中的独立系统工程.同时在装备全寿命早期介入可靠性研究,重点加强论证阶段的可靠性投入,将可靠性、可用性和可维修性作为系统设计与研发的主要组成部分.

建立了标准的“四步走”流程

第一步是“明确用户需求与要求”阶段.要求完全明确用户可靠性需求和预期,由项目主任协调用户、系统设计工程师、制造工程师、试验与鉴定机构等多方机构联合定义武器装备所需的RAM需求,并将RAM需求与当前现役系统RAM性能进行对比分析,评估实现RAM需求的可行性,形成RAM管理文件,包括建议请求(RFP)、RAM项目计划(RAMPP)、数据收集分析和纠正措施系统(DCACAS)、试验与鉴定主计划(TEMP)、初始的RAM和成本关系(RAM-C)报告等.第二步是“RAM设计与再设计”阶段.要求开发概念性系统模型,使用模型全面评估系统RAM指标、关键失效模式和可靠性降低.通过试验数据分析故障分布特性,从而决定设计是否满足RAM需求.该阶段要进行系统RAM设计审查,系统RAM设计包括:故障诊断、隔离与消除;冗余部件或者故障管理部件;便于拆除和更换维修的模块化设计;故障预测等.RAM设计审查将作为系统需求审查(SRR)、系统功能审查(R)、初始设计审查(PDR)和关键设计审查(CSR)中的主要组成部分.RAM设计审查为闭环进行,系统的每一个设计缺陷都要求通过设计更改或项目延迟等方法得到解决,直至实现可靠性需求.

第三步是“生产可靠和可维修系统”阶段.该阶段分为低速初始生产和全速生产两个分阶段.低速初始生产通常生产不高于系统总采办量的10%数量.这些系统将用于进行初始作战试验与鉴定(IOT&E),提供系统满足用户RAM需求的相关信息.在此期间,主要进行故障失效预防和审查;产品可靠性、合格与接收试验;可靠性增长试验等RAM活动.

第四步是“监控系统战场性能”阶段.该阶段为系统作战使用阶段,要求通过收集和分析真实作战环境中的系统性能数据,进一步监测新的RAM性能问题,确保系统全寿命周期内RAM性能,主要监测系统任务成功率、作战有效性和保障成本等.

尽早介入可靠性研究,加大论证阶段可靠性投入

美国海军认为提高装备可靠性的关键是将装备RAM性能需求融入系统设计,并将对系统可靠性的评估活动融入采办的各个阶段,因此,美国海军把可靠性工作的重点从试验验证转移到发现、预防和纠正设计缺陷上,优化以RAM为中心的程序和过程,增加项目早期阶段可靠性投入,在装备全寿命早期介入可靠性研究,将RAM作为系统设计与研发的主要组成部分,在论证阶段把可靠性工作做足.具体措施包括:(1)加强系统开发与演示阶段前的可靠性审查,其关键节点主要包括:初始能力文件批准→可选系统选择→能力开发文件和作战能力批准→系统设计特性批准→建议请求批准→其他审查等六个重要环节.在上述关键节点,美国海军将系统RAM作为重要审查参数,并对RAM需求审查进行投资,确保在采办合同授出前系统设计满足用户RAM需求.(2)将RAM列入采办计划和合同.采办合同内容将包括对RAM项目的需求,以及提供及时分析.并将RAM需求作为系统工程审查的一部分.(3)在整个采办寿命周期各个阶段的设计与试验中都将RAM作为评估的主要参数.如开发设计参数任务剖面、电子/机械/热应力分析、最坏情况电路应力分析、部件减额需求、失效模式、影响因素和危害度分析、常规测试与可测试性设计、RAM模型与分析、高加速寿命、应力测试、可靠性增长测试等.(4)建立对可靠性增长合同激励与奖励政策.美国海军部组建了一支专门团队提出对改进可靠性的合同激励与奖励建议,激励承包商积极履行合同,提高系统可靠性.如F/A-18战斗机项目为了刺激承包商的积极性,设定了平均故障间隔飞行时间和每飞行小时维修工时的若干保证值,达到要求则给予承包商奖金.

重视实施可靠性试验,通过大量试验验证和评估可靠性设计

试验是检验系统可靠性的有效途径,尤其是对所有关键配件的早期试验,如高加速寿命试验和高加速环境应力筛选试验等,对早期检测失效和识别设计缺陷极为重要.还有系统集成综合试验,对确保系统可靠性非常必要.因此美国海军重视通过大量的可靠性试验验证和评估系统可靠性设计.

美国海军项目主任将试验与鉴定主计划(TEMP)作为装备研发试验与鉴定的初步计划与管理工具,在需要时及时更新和更改试验与鉴定主计划.由一体化试验计划小组协调研发试验与评估的计划、管理和监督,并监督合同商试验活动等.TEMP提出了包括合同商和海军系统级可靠性试验的要求,要求在装备研制与采办阶段的各里程碑审查试验都要充分检验与鉴定关键系统、子系统、部件和子部件以及整合系统的可靠性,包括环境试验、寿命试验、高加速试验等,旨在通过大量的试验降低系统在作战环境中的技术失效风险.

例如,美国海军近海战斗舰的遥控猎雷系统进行了1300多个小时的海上可靠性测试,主要分2个阶段:第1阶段为500个小时的任务可靠性测试,在为期5个月的时间内完成33项任务;第2个阶段是在4个月时间内完成850个小时、47项任务的任务可靠性测试.美军为验证F-35联合攻击战斗机的可靠性,截止2014年4月,该机三型总共进行了15000小时的飞行试验,其中在2014年,F-35A型飞机飞行了1291小时,F-35B测试飞机飞行了1203小时,F-35C飞机飞行了189小时.而且为了模拟真实作战环境,F-35的日起飞架次曾达到60架.还有当前美国通用公司研制的LM2500系列燃气涡轮机,先后研制了LM2500、LM2500+、LM2500+G4等型号燃气轮机,为监测燃气轮机的各系统可靠性,通用公司曾将12部LM2500燃气轮机共运行了91000小时.其中LM2500+G4燃气涡轮在合格性测试进行了连续500小时的高功率疲劳试验,从而验证了LM2500+G4各系统部件的可靠性与性能.目前,LM2500系列燃气涡轮机一直保持着超过99%的高可靠性,平均故障间隔时间(MTBF)基准门限值为1000小时,其目标为2020年后MTBF达到5000小时,两次大修之间的平均间隔时间(MTBR)达到50000小时.

利用模型与工具预测与控制可靠性,科学指导可靠性增长

美国海军和承包商为使装备可靠性可控,引入或研发了一些模型与工具应用到装备采办中,切实对装备可靠性增长起到了重要作用.

利用模型设计系统可靠性增长曲线,高效指导可靠性指标&#

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30340;发展预测与分配

为了科学指导装备可靠性达到用户需求,美国国防部颁布了《可靠性增长管理》手册,将可靠性增长曲线作为装备可靠性重要计算工具,反映系统可靠性增长策略,监测装备关键系统可靠性进展以及可靠性指标的预测和分配,并协助发现可靠性薄弱环节,便于及时采取纠正措施,直到达到可靠性门限值.例如美国“福特”号航母以“尼米兹”级航母为设计基准,提出了4个可靠性、维修性和保障性要求,包括飞机出动架次率提高33%,达到每日平均160架次,在为期4天的持续高强度战斗中每天可出动270架次;航母使用可用度提高25%;先进拦阻装置的平均严重故障间隔循环数为200个循环;电磁弹射器的平均严重故障间隔循环数为90个循环.美国海军利用AMSAA可靠性增长模型,制定了电磁弹射器和先进拦阻装置的可靠性增长曲线,确保以合理的增量值达到要求值.通过可靠性增长曲线评估,电磁弹射器的平均严重故障间隔循环数要到2032年才能达到规定的90个循环可靠性要求,弹射次数为315000次;先进拦阻装置到2027年才能达到规定的200个循环可靠性要求,拦阻次数为225000次.

引入综合化、智能化的可靠性分析工具,实现可靠性的可预测性与可控

美国商业可靠性软件公司和DSIAC研发出一些综合化的智能RAM设计分析工具并广泛应用到美国海军装备采办中.如目前广泛应用的RELAXSTUDIO2009集成可靠性工程平台,拥有12个功能模块,包括可靠性预计和分配、系统马尔可夫模型分析、系统优化和仿真、可靠性框图模型、事件树分析和故障树分析、故障模式影响及危害性分析、失效数据分析、人为因素分析、寿命周期费用分析、维修性分析、故障报告分析及纠正措施、维尔布分布分析.DSIAC研发的“217+”可靠性预测模型,具备6种组件失效率模型,包括连接器、转化器、中继器、感应器、变压器和光电设备.美国海军还应用了基于商业软件改进的“军事飞机行动质量保证”(MFOQA)软件工具,可以快捷地访问和分析飞机数据,通过自动数据筛选和分析显著改善航空装备的维护和使用,提高飞机的可靠性和适用性.目前已经应用到F/A-18E/F战斗机、MH-60R/S直升机等航空力量.

高可靠性是军队实现经济承受性和战备完好性的关键,美军建立了将可靠性与系统性能、全周期费用、项目进度等列为采办过程中同等重要参数的观念,加大采办早期阶段的可靠性研究投入,旨在从根本上解决当前武器装备可靠性不足的问题,提高装备可靠性.未来随着海上威胁不断增加,作战节奏加快,迫切要求提高海军装备在战争与非战争时期的出动能力,而国防预算削减与新一代武器装备发展需求旺盛的矛盾则不断突出,美国海军认识到必须建立一支高可靠性装备武装的海上力量才能够承受任何地点、任何时候的高强度作战,因此美国海军提出武器装备高可靠性的愿望和要求,未来对新一代武器装备的可靠性需求还将更高,美国海军也将继续集中力量探索研究新的技术与方法进一步优化可靠性工程.

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