可靠性技术在军事领域中的应用

可靠性技术在军事领域中的应用

李海洋

（机电学院 机电082 [1**********]5）

摘要：进入21世纪以来，可靠性在军事方面的重要作用显得尤为突出，本文首先主要介绍了可靠性工程的有关简介，然后通过几个由于装备不可靠造成的损失, 来说明可靠性工程的重要性,并列出火箭导弹、飞航导弹、飞机、雷达、通信装备、电子计算机的可靠性简况, 以及说明我国可靠性工程研究概况，找出的差距并提出对策建议。

关键词：可靠性、火箭导弹、飞机、雷达、通信装备、电子计算机

1 可靠性工程简介

1.1 可靠性的定义

根据国家标准GB-6583的规定，产品的可靠性是指：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能的能力。

一般所说的“可靠性”指的是“可信赖的”或“可信任的”。我们说一个人是可靠的，就是说这个人是说得到做得到的人，而一个不可靠的人是一个不一定能说得到做得到的人，是否能做到要取决于这个人的意志、才能和机会。同样，一台仪器设备，当人们要求它工作时，它就能工作，则说它是可靠的；而当人们要求它工作时，它有时工作，有时不工作，则称它是不可靠的。

对产品而言，可靠性越高就越好。可靠性高的产品，可以长时间正常工作（这正是所有消费者需要得到的）；从专业术语上来说，就是产品的可靠性越高，产品可以无故障工作的时间就越长。

简单的说，狭义的“可靠性”是产品在使用期间没有发生故障的性质。例如一次性注射器，在使用的时间内没有发生故障，就认为是可靠的；再如某些一旦发生故障就不能再次使用的产品，日光灯管就是这类型的产品，一般损坏了只能更换新的。

从广义上讲，“可靠性”是指使用者对产品的满意程度或对企业的信赖程度。而这种满意程度或信赖程度是从主观上来判定的。为了对产品可靠性做出具体和定量的判断，可将产品可靠性可以定义为在规定的条件下和规定的时间内，元器件（产品）、设备或者系统稳定完成功能的程度或性质。例如，汽车在使用过程中，当某个零件发生了故障，经过修理后仍然能够继续驾驶。

产品实际使用的可靠性叫做工作可靠性。工作可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠

性。固有可靠性是产品设计制造者必须确立的可靠性，即按照可靠性规划，从原材料和零部件的选用，经过设计、制造、试验，直到产品出产的各个阶段所确立的可靠性。使用可靠性是指已生产的产品，经过包装、运输、储存、安装、使用、维修等因素影响的可靠性。

1.2 可靠性研究的重要性

可靠性是与电子工业的发展密切相关的，其重要性可从电子产品发展的三个特点来加以说明。

首先是电子产品的复杂程度在不断增加。人们最早使用的矿石收音机是非常简单的，随之先后出现了各种类型的收音机、录音机、录放相机、通讯机、雷达、制导系统、电子计算机以及宇航控制设备，复杂程度不断地增长。电子设备复杂程度的显著标志是所需元器件数量的多少。而电子设备的可靠性决定于所用元器件的可靠性，因为电子设备中的任何一个元器件、任何一个焊点发生故障都将导致系统发生故障。一般说来，电子设备所用的元器件数量越多，其可靠性问题就越严重，为保证设备或系统能可靠地工作，对元器件可靠性的要求就非常高、非常苛刻。

其次，电子设备的使用环境日益严酷，现已从实验室到野外，从热带到寒带，从陆地到深海，从高空到宇宙空间，经受着不同的环境条件，除温度、湿度影响外，海水、盐雾、冲击、振动、宇宙粒子、各种辐射等对电子元器件的影响，导致产品失效的可能性增大。

第三，电子设备的装置密度不断增加。从第一代电子管产品进入第二代晶体管，现已从小、中规模集成电路进入到大规模和超大规模集成电路，电子产品正朝小型化、微型化方向发展，其结果导致装置密度的不断增加，从而使内部温升增高，散热条件恶化。而电子元器件将随环境温度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人们的极大重视。

可靠性已经列为产品的重要质量指标加以考核和检验。长期以来，人们只用产品的技术性能指标作为衡量电子元器件质量好坏的标志，这只反映了产品质量好坏的一个方面，还不能反映产品质量的全貌。因为，如果产品不可靠，即使其技术性能再好也得不到发挥。从某种意义上说，可靠性可以综合反映产品的质量。

可靠性工程师一个综合的学科，它的发展可以带动和促进产品的设计、制造、使用、材料、工艺、设备和管理的发展，把电子元器件和其它电子产品提高到一个新的水平。正因为这样，可靠性已形成一个专门的学科，作为一个专门的技术进行研究。

1.3 产品可靠性的意义

（1）高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要 现代生产技术的发展特点之一是自动化水平不断提高。一条自动化生产线是由许多零部件组成，生产线上一台设备出了故障，

则会导致整条线停产，这就要求组成线上的产品要有高可靠性，上边提到的Appolo宇宙飞船正是由于高可靠性，才一举顺利完成登月计划。现代生产技术发展的另一特点设备结构复杂化，组成设备的零件多，其中一个零件发生故障会导致整机失效。如1986年美国“挑战者”号航天飞机就是因为火箭助推器内橡胶密封圈因温度低而失效，导致航天飞机爆炸和七名宇航员遇难及重大经济损失。由此可见，只有高可靠性产品才能满足现代技术和生产的需要。

（2）高可靠性产品可获得高的经济效益

提高产品可靠性可获得很高的经济效益。如美国西屋公司为提高某产品的可靠性，曾作了一次全面审查，结果是所得经济效益是为提高可靠性所花费用的100倍。另外，产品的可靠性水平提高了还可大大减少设备的维修费用。1961年美国国防部预算中至少有25%用于维修费用。苏联过去有资料统计，在产品寿命期内下列产品的维修费用与购置费用之比为：飞机为5倍，汽车为6倍，机床为8倍，军事装置为10倍，可见提高产品可靠性水平会大大降低维修费用，从而提高经济效益。

（3）高可靠性产品，才有高的竞争能力

只有产品可靠性提高了，才能提高产品的信誉，增强日益激烈的市场竞争能力。日本的汽车曾一度因可靠性差，在美国造成大量退货，几乎失去了美国市场。日本总结了经验，提高了汽车可靠性水平，因此使日本汽车在世界市场上竞争力很强。我国实行改革、开放的国策，现又面临加入WTO，挑战是严峻的。我们面临的是世界发达国家的竞争，如果我们的产品有高的可靠性，那就能打入激烈竞争的世界市场，从而获得巨大经济效益，促进民族工业的发展；相反，则会被别国挤出市场，甚至失去部分国内市场，由此可见生产高可靠性的产品的重要性。

由于高新技术的介人, 现代战争的武器已走电子化、智能化。武器系统越来越复杂, 例如1940年美国轰炸机上的电子设备加起来元器件总数才2千个, 而现代飞机上的火控雷达的元器件则有2万8千个。美国某自动化防空体系的元器件加起来有2千多万个, 所耗电力相当于一个中等城市用电量。众所周知, 系统越复杂, 其可靠性问题则越为尖税。随着我国经济、科学技术的发展，产品可靠性问题越来越突出，普及与推广可靠性工程技术已势在必行。

尤其是现代战争投人的武器非常庞大，可靠性技术显得更加重要。例如,1982年,英国与阿根廷为了争夺小小的马尔维纳斯群岛, 英国竟出动舰船118艘,飞机270架。1991年的海港战争, 多国部队,每天竟出动飞机2千多架次。投下精确制导弹约6520吨。在众多武器系统中,万一有某个部分出了故障, 都会给战争带来极大影响。战争有很大的突发性, 若防卫系统有问题, 也会造成损失。例如,1982年5月4日, 阿根廷两架飞机用价值仅为20万美元的“飞鱼”

导弹便把价值2亿美元最现代化的英国导弹驱逐舰“谢菲尔德”号击沉, 使20名英国水兵当场死亡,24人受重伤。

据美刊《Siognal》报导,1942年12月日本三本五十六策划的偷袭珍珠港事件, 就是因为美军值班的警戒雷达电源部分出故障二十分钟修复后, 已发现大群敌机临空, 报告指挥部已来不及了, 只好白白挨炸, 造成美军惨重损朱。

二次大战的莫斯科反击战, 苏联情报部门了解到德国坦克耐寒性差, 在低温下发动机要预热才能发动的情报, 便选择最寒冷天气在夜间进行反击, 果然, 德军坦克发动不起来, 只好像乌龟壳一样当了俘虏, 一举反击成功。

1962年我国在中印边界进行自卫反击战，如果我们的通信设备不出故障, 考尔中将则可能成了我们的俘虏, 自卫反击战将取得更大胜利。1944年, 希特勒为了防止盟军在欧洲登陆, 曾动用最新武器V—1火箭, 向英国伦敦袭击。但由于火箭可靠性不高, 经常爆炸或误差落在海上或被击落, 而命中伦敦市区的不多。战后, 盟军总司令艾森豪威尔在《远征欧陆%》一书中写道：“如果德国早半年完善并使用他们的新式武器, 那么, 我们对欧洲的登陆（指诺曼底的登陆）将会极为困难, 也许根本不可能。”

美空军副参谋长的伦道夫中将说：“我们的武器系统是在资源越来越紧缩的环境下使用的, 资金和人力资源更有限。我们不能容忍系统失效而付更大代价, 尤其是不能容忍使人的生命置于危险的境地。”美刊物说：“如果口C3I系统中某个硬件不可靠, 空军就会被折磨得动弹不得。”美海军上校布鲁恩说：“首要的是可靠性组织工作, 如果没有这种认识或者认识不足, 即使能节约几百万美元, 而结果也会导致军事上的自我毁灭。”我国国家领导人早就认识到可靠性的重要, 周恩来总理早就提出武器装备要“ 稳妥可靠, 万无一失。” 国防科工委主任丁衡高于1991年11月15日在成都可靠性系统工程研讨会上说：“现代战争的实践表明, 只有高可靠的武器, 才能保证让其性能得以充分发挥。”并说：“如果我们的武器的可靠性、维修性很差, 则其可能是不能用于打仗的, 而且是没有效益的。”可靠性工程在战争中的作用, 得到了有关人士的共识。

2 若干装备的可靠性

2.1 飞航导弹

目前飞航导弹的可靠性设计通常考虑高可靠性、高寿命，但是在一般情况下，飞航导弹系统要么处于经常型的备用状态，要么处于频繁的使用状态，由于科技的进步，导弹的更新速度也在加快，因此对高寿命问题要求并不太高。而目前我国各类导弹武器系统的设计均要求高可靠性及高寿命，而二者与维修性的结合问题则考虑较少，由此导致导弹装备不仅造价

高而且日常维护费用也很惊人，尤其是大型导弹如飞航导弹。本文基于考虑适当减低可靠性寿命，提出了高可靠性周期的概念，在周期的过渡接点采用预防性维修实现新周期的开始。这样将目前的被动维修变为主动维修，变被动更换为主动更换，在一个可靠性周期中只适当增加一次维修费用，而降低整个周期的维修费用，同时保持高可靠度。从全寿命过程考虑还可以进一步实现费效优化。

2.2 火箭导弹

火箭导弹属尖端武器,称为“现代战争之神”。火箭导弹的出现, 改变了以往的攻防概念, 也改变了前、后方概念。火箭导弹, 除了射程、精度、威力等性能指标外,重要的问题是可靠性。从它诞生时候始, 导弹与可靠性结下不解之缘。1933年当布劳恩博士等人研制出第一枚液体火箭时,因为火箭的重心太靠前,致使火箭在飞行中失稳,首次试验失败。

1937年在佩内明德试验中心发射A一3火箭时,当火箭上升到几百米的高空时,火箭发动机突然熄火,很快坠人大海。他们感到非常奇怪,火箭原理正确,所用元器件100%合格,为什么会失败呢？他们认为火箭采用串联系统,元器件越多,可靠度就越低。当时萌芽了可靠性概念,不过当时不叫可靠性Reliablity, 而叫可信性“Dependability”。由于时间仓促,他们来不及仔细研究, 希特勒德国很快就垮台。

1957年, 苏联向太平洋海域试射洲际导弹成功, 引起美国极大惊恐。他们投人大量人力、物力大搞可靠性。“民兵”导弹研制费为200亿美元, 而他们则花40亿美元来提高元器件的可靠性。经过多年研究,火箭导弹可靠性有了很大提高。

表1列出国外部分航天运载火箭的可靠性。表2列出美国第45号航天发射基地从1956年至1993年发射成、败简况。表3列出苏、美地一地战略导弹的可靠性、表4列出国外部分战术导弹的可靠性。

表1国外部分航天运载火箭发射失败小计

表2 美国部分火箭发射成败小计

表3 苏、美地—地战略导弹的可靠性

表4 国外部分战术导弹可靠性概况

2.3 飞机

飞机是争夺“制空权”的重要武器, 受到各国的重视。但七十年代以前,飞机的可靠性

很差,在朝鲜战争中,美空军有1/3的人力及经费用于维修。保障费用达60%,甚至70%—80%。有些飞机执行飞行的任务概率中有30%一40%。七十年统计, 平均每飞行1～1.2万小时, 就会损失一架飞机。每飞行10万小时, 就会有8至10次空难事故。1963年时, 美海空航空兵就发生514次重大事故,毁机275架, 死亡驾驶员222人。到了八十年代, 飞机可靠性有了很大提高。表5所列为（美）《航空周刊》1986年10月6日报导的美战斗机的可靠性。

表5 美战斗机的可靠性水平

2.4 雷达

雷达是战争的“千里眼”,在二次大战中起了很大作用。雷达结构复杂, 容易出故障, 五十年代, 美国的火控/监视雷达的MTBF(Mean Time Between Failure)仅有2～10小时。六十年代, 美国机载雷达的MTBF也仅有50～60小时。其半自动化防空体系的雷达的MTBF仅有十多小时。到了七十年代, 由于广泛采用集成电路、容差设计等可靠性设计技术, 其MTBF可达1000小时。到了八十年代, 由于采用固态器件代替磁控管, 其可靠性有了飞跃提高, 例如, 美海军E/F波段的AN/SPS—40监视雷达, 配置一部峰值功率为250KW的固态超高频发射机取代通常射机,在海上试航期间,不需停机维修,其发射机的MTBF可达10000小时。

八十年代, 我国雷达可靠性水平提高较快, 例如, 电子部三十八所的XX4雷达,虽然元器件总数达8万多个, 但由于加强管理, 进行可靠性设计, 其MTBE可达100小时。其XX—9雷

达, 由于采用高可靠的线簧结构, 采用固态发射机, 部分采用大规模集成电路，其MTBF大于500小时。表6列出国内外部分雷达的可靠性。

表6 国内外部分雷达可靠性

2.5 通信设备

通信设备是战争的“顺风耳”, 如果中断, 指挥则会失灵。五十年代, 国外的通信设备可靠性水平较低, 例如, 美国机载电台AN/ARC—27的MBF仅有40小时。六十年代, 由于采用固态电路, 其MTBF可达300～400小时。到了七十年代, 由于采用微电子器件、频率合成器、自动调谐器及进行可靠性设计。可靠性增长较快, 例如, AN/ARC—154的MTBF可达1000小时。到了八十年代, 由于采用大规模集成电路, 高速集成电路, 可靠性又有很大提高。例如, 用以代替AN/ARC—27及AN/ARC—34的AN/ARC—164的MTBF可达4592时。

国内的通信设备近年亦有很大提高, 但与国外产品相比, 仍有较大差距。表7列出国内

外部分通信设备的可靠性。

表7国内外部分通信设备可靠性

2．6 电子计算机

电子计算机是自动化指挥体系（CI系统)的重要组成部分。万一出现故障, 会使指挥被动。 1980年6月2日下午, 美国北部战略空军司令部地下指挥中心的电子计算机屏幕上突然出现苏联洲际导弹和带核弹头的潜艇发射导弹已经飞临美国上空。为此, 美国迅速作好核还击准备, “民兵”导弹等各战略导弹均处于一级战备状态。总统一声令下即可发射, 幸好, 监控小组发现空中卫星系统并无苏联导弹出现足迹。后来查明是计算机中一个元件失效而发出“虚警”, 如果不是一卫星系统也发生故障出现“虚警”，那么苏、美之间则有可能爆发一场核大战。

最初的电子计算机采用电子管和阴极射线管, 可靠性极低, 其MTBF仅有几十分钟。到了3

五十年代中期, 研制成磁芯存贮器, 可靠性有所提高。为了提高可靠性, 当时还扩大奇偶校验及复执技术。后来采用晶体管、可靠性有了明显提高。1959年9月研制炮兵用计算机法代克的MTBF达2500小时,1969年采用集成电路制造的AutoneticsD200计算机的MTBF可达10000小时。

1978年其船用计算机的MTBF可达9234小时。采用超高速集成电路的AN/UYK—20（V）机载计算机的MTBF高达9500小时。BR—1018计算机的MTBF可达)20000小时。表8所列为国内外部分计算机的可靠性。

表8 国内外部分计算机可靠性

3 我国可靠性工程研究概况

随着我国科学技术和工业发展，现代可靠性工程概念和方法的引入，以及国内某些基础学科逐步进入工程应用，可靠性工程显示出其特有的生命力。

从发达国家可靠性工程发展过程可以看到，有关标准法规的制定与实施起着十分重要的作用。从１９８４年开始，国防科工委按照结合国情，积极采用国外先进标准的原则，抓紧组织制订可靠性、维修性的基础标准。有的已经颁布实施，许多相关标准正在制订，一个比较完善的可靠性标准体系即将形成。

为了有组织地推动可靠性工作的开展，加强学术交流活动，中国电子学会电子产品可靠性与质量管理专业委员会、中国航空学会维修工程专业委员会、可靠性专业委员会、全国军

事技术装备可靠性标准化技术委员会及航空、兵器分委员会等专业技术组织先后成立。

我国可靠性工程起步晚，加之认识、管理及人、财、物力的限制，可靠性管理工作落后，组织不落实，手段不健全。许多企、事业单位没有可靠性管理机构，对可靠性信息的管理和相应的基础建设只处于起步阶段，目前与发达国家相比还有很大差距。可靠性工程技术队伍和管理人员的数量、素质与工作需求很不适应，需要有一个在职教育和提高的过程。因此，为尽快改变产品可靠性落后的局面，必须解决两个基本问题：一是正确认识产品可靠性的重要性；二是如何有效地推行可靠性工程。

２０世纪６０年代我国颁布了一系列的可靠性工程技术标准和管理规定，在现代武器装备等大型系统的研制中全面推进可靠性工程技术，使我国工程型号的可靠性工作进入规范化的轨道，并得到迅速的发展。国内外可靠性工程技术的快速发展，特别是国内开展型号可靠性工作所积累的丰富经验，都需要很好的总结与推广。我国可靠性工程发展与发达国家相比差距很大，必须迎头赶上，把可靠性工作提到议事日程，提到重要的位置。

（１）把可靠性作为产品质量的重要特征和研制过程质量控制的重要内容来抓，从单一追求性能，到抓综合效能。产品的可靠性是设计出来的，生产出来的，管理出来的。可靠性工作项目应该统一纳入产品的设计、试验和生产计划，保证必需的资源、进度、管理措施，注重协调，全面完成。产品可靠性大纲必须从一开始就与产品的性能、维修性、安全性、人机工程、质量保证等计划综合权衡，以达到最佳费用效益。

（２）大力推广设计产品的可靠性。设计产品性能的先进性是至关重要的，而可靠性、维修性是性能先进性得以持久保持的保证，效能和寿命周期费用成为评价产品质量的核心。要提高产品的固有可靠性，必须在设计中主动积极地去挖掘可能潜在的隐患（薄弱环节）。只有把这些可靠性设计方法和产品的性能设计工作结合起来，才能达到提高产品固有可靠性的目的。设计人员必须既重视效能又重视寿命周期费用，具有综合权衡的设计思想，才能设计出高质量的产品。

（３）产品可靠性的大量技术工作主要在研制阶段开展，但是产品可靠性的保证和提高依赖于全过程的各个环节。因此，各有关部门、各类人员都需要充分了解，知道要保证产品的可靠性需建立怎样的保证体系，要干哪些工作，如何进行督促检查等。我们特别应当注意，各部门、各单位都要组织多种形式的宣传贯彻活动，使广大科技人员和管理干部尽快掌握可靠性工程技术。

（４）加强可靠性管理。可靠性管理是指为确定和满足产品可靠性要求所必须的职能和业务管理。职能和业务管理，必然涉及机构、人员、经费、设施、手段建设，当然会遇到一

些困难，但是，从长远和全局来看，贯彻要管理先行。

（５）加强信息网络化管理，加强政府与工业部门之间的技术情报交流。情报、管理、数据信息共享，逐步实现信息管理企业化、行业化、区域化、社会化。

（６）尽快完善可靠性标准体系。制定可靠性基础通用标准及结合不同产品的特点和要求制定较为专用的可靠性标准。只有相关标准齐全了，可靠性标准体系完善了，实施才能真正落到实处。因此，必须尽快完善可靠性标准体系。

4 差距与对策建议

虽然目前仍未发生世界大战, 但军备竞赛一天也没有停止。美国每年军事科研费达2800亿美元。日本每年军费达500亿美元,位居世界第二。其右翼分子不断制造事端,并公开散布美日安全防卫范围扩大到我国台湾海峡。如不认真准备, 可能会吃亏。

就中国而言，信息化战争形态对我军结构性改革提出了新的要求。新中国成立后，我国国防和军队建设的立足点是在国土实施积极防御，或者说在大陆本土实行人民战争。这就决定了我军陆战型的机械化半机械化军队的结构模式。随着新军事变革的推进，我军的结构性矛盾变得十分突出。信息化战争形态对我军力量结构提出了三个方面的要求：一是信息火力配套。未来战场在相当长的时期内，主要是以机械化武器装备提供的火力和一定的信息战力量相结合的综合力量进行作战活动，但最终将经历火力信息战—信息火力战—信息战的演变过程。二是多维力量一体。信息化战争的力量结构将是空、地、海、天、电多维力量联合的作战体系,各力量元素在不同的战争阶段发挥着不可替代的作用,特别是信息网络战力量与航天力量等新型力量元素的地位正在崛起。三是战略机动力强。分兵把口部署兵力的机械化战争模式在战场透明、打击精确的非接触、非线式作战环境下已严重滞后，将逐渐被以信息网络为支撑的机动式力量部署所取代。战略投送特别是空中投送力量直接影响和制约整体战略力量的效能。

军事高技术加速发展使我军武器装备建设面临严峻挑战。高新技术的加速发展和在军事领域的广泛应用使武器装备的作战效能发生了质的飞跃，在战争舞台上展示出新的面貌。一是武器系统的一体化能力显著增强。覆盖空、地、海、天、电的C4ISR系统将信息化作战平台与精确打击的智能化火力紧密结合起来，使武器装备系统实现了信息火力一体,达成作战效能的倍增。二是攻防能力呈现配套和兼备的发展趋势。由开始注重发展导弹等进攻型武器，转变为强调发展攻防兼备的武器装备体系。特别是美国、俄罗斯和以色列等国在进攻性武器装备发展到较高水平的情况下，都开始积极研发反导防御系统。各国发展的很多单一武器也体现出攻防兼备的趋势。三是机动装备的地位和性能大幅提升。规模投送和远程投送的机动

装备地位崛起，载运能力、航程和速度大大提高。核潜艇能够绕地球数周航行。飞机飞行的速度达到3倍音速，战斗机的航程超过5000公里，战略轰炸机超过1.6万公里，如果有空中加油机等装备可以跨洲际甚至全球投送。四是大量新型武器研制成功或取得重大技术突破。武器装备发展进入航天、信息等新的领域。武器装备发展的迅猛势头使我军武器装备更新的形势非常严峻。

中央政治局曾提出“国防科研工作的重点是提高国防科研水平, 提高重大试验成功率。”要想提高试验成功率, 则必须狠抓可靠性工程。与装备性能水平相比, 我国装备可靠性水平更为落后, 而且还有逐步滑坡倾向, 不得不令人心。