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[摘 要]平流层飞艇是二十一世纪高新技术前沿领域新兴战略装备之一，有着极为广阔的应用前景。为了验证某半硬式平流层飞艇功能性能，依照平流层飞艇缩比设计了一款对流层演示验证飞艇，根据设计任务需要，对该演示验证艇的可靠性和可维修性进行了深入分析研究。
[关键词]可靠性;可维修性;分析
[中图分类号]V19 [文献标志码]A [文章編号]2095–6487（2020）05–00–02
Reliability and Maintainability Analysis of an Airship
Gao Hong-qi
[Abstract]Stratospheric airship is one of the new strategic equipment in the field of high and new technology in the 21st century， which has a very broad application prospect.In order to verify the functional performance of a semi-rigid stratospheric airship， a tropospheric demonstration airship was designed according to the scale of stratospheric airship.According to the needs of design tasks， the reliability and maintainability of the demonstration and verification airship were analyzed and studied in depth.
[Keywords]reliability; maintainability; analysis
近年来，临近空间（Nearspace）具有独特的资源优势，随着现代科学技术的进步，它已成为各国竞相开发的热点，是二十一世纪利用高技术开发利用的重点空间领域。平流层飞艇是开发临近空间资源的重要技术手段之一，能长时间定点驻空，时间长达数月或数年，非常适合作为区域性新型信息平台，在高分辨率对地观测、通信中继、区域导航领域有着独特的优势，具有重要的应用前景。
随着国家战略方针调整，国家开始注重对平流层飞艇的研制开发，平流层飞艇可广泛应用于国土资源观测、海洋监测、防灾减灾、大地测绘、城市规划、旅游观光、交通运输、通讯中继服务等方面，对促进国民经济发展具有重要意义。国家高分辨率对地观测重大专项已将平流层飞艇列为重点发展的装备。国家对现阶段国内平流层飞艇研制技术和材料水平，根据平流层演示验证飞艇技术要求，MTBF≥200 h，MTTR：≤5 h，即平均无故障时间大于等于200h，出了故障之后尽可能5h内维修完毕，本文根据演示验证飞艇的主要装备可靠性性能，进行分析评估，判断该演示验证飞艇是否满足设计要求。
1 可靠性分析
一般来说，演示验证飞艇中主要包含结构、环控、推进、能源、航电五大分系统等，其结构模型如图1所示。
1.1 可靠性参数预计
在进行可靠性参数预计时，首先要获得系统中各设备或者分系统的故障率λi。有两种方式可以计算各设备或者分系统的故障率，一种是依据GJB/Z299B-98，建立设备或分系统相应的故障率模型，再根据其自身特性和工作环境，在提供的相应数据参数中准确选取所需数据，代入故障率模型计算得到，另一种是当无法准确得到故障率模型计算所需要的参数值，而已知设备或者分系统的平均无故障时间MTBFi，则通过对MTBFi取倒数也能获取相应的故障率。
计算出系统中各设备或分系统的故障率后，按公式（1）、（2）所示就可以计算出整个系统的平均故障间隔时间。
（1）
MTBF=1/λ （2）
其中，λ为系统故障率，λi为组成系统的各设备或分系统的故障率，Ni为系统中相同故障率的设备或分系统的数量，MTBF为系统的平均故障间隔时间。
1.2 可靠性参数计算
该演示验证飞艇中的大部分设备均是采购成熟的产品，每个产品都有相应的MTBF数据，通过类似方法依次可以计算得到结构系统有囊体材料、碳纤维骨架、环控系统、推进系统有推进电机和油机，能源系统有太阳能电池、航电系统等的故障率。各分系统参考相应的数据和以往设计经验数据，预估其平均无故障时间。具体参数如表1所示。
“-”表示无法获取该设备的MTBFi，λi是通过故障率模型计算得到。
根据表1数据以及可靠性参数预计公式（1）和（2），对流层演示验证飞艇的可靠性计算如下：
（3）
MTBF=1/λ=1352 h>200 h
2 维修性分析
系统维修性指标为MTTR≤5 h（现场可更换单元）。平流层飞艇维修性要求主要体现在如下几个方面：
（1）能够快速更换常见故障的分系统的模块。
（2）各个分系统模块具有独立调试和测试的方法。
（3）维修过程简单、操作方便。
2.1 维修性参数预计
（1）在进行维修性参数预计时，首先要获得系统中各设备或者分系统的平均修复性维修率λi。有两种方式可以计算各设备或者分系统的维修率，建立设备或分系统相应的维修率模型，再根据其自身特性和工作环境，在提供的相应数据参数中准确选取所需数据，代入维修率模型计算得到。另一种是当无法准确得到维修率模型计算所需要的参数值，而已知设备或者分系统的平均修复性维修时间MTTRi，则通过对MTTRi取倒数也能获取相应的维修率。 计算出系统中各设备或分系统的维修率后，按公式（4）、（5）所示就可以计算出整个系统的平均维修间隔时间。
（4）
MTTR=1/λ （5）
其中，λ为系统维修率，λi为组成系统的各设备或分系统的故障率，Ni为系统中相同故障率的设备或分系统的数量，MTTR为系统的平均修复性维修时间。
（2）维修性指标计算
系统平均修复性维修时间的分配是跟据各分系统的值，采用下式计算系统的平均修复性维修时间：
MTTR= （6）
其中，MTTR为系统平均修复性维修时间，为系统中第i个设备或者分系统的故障率λi，Ti为系统中第i个设备或者分系统更换部件完成一次修复所需时间。
该演示验证飞艇中的大部分设备均是采购成熟的产品，每個产品组件或者控制软件的修复时间都有相应的经验统计数据，通过类似方法依次可以计算得到囊体材料、碳纤维骨架、推进电机、太阳能电池、油机、航电系统、环控系统等的修复时间。各分系统参考相应的数据和以往设计经验数据，预估其平均修复时间数据。
根据表2的系统平均修复性维修时间预计公式，该对流层演示验证飞艇的维修性计算如下：
（7）
MTTR=1/λ=2.64h<5h
由上述结果可知，平均维修时间为2.64小时，完全满足要求。
3 结论和建议
根据分析结果得知，演示验证飞艇各部分组件能够满足可靠性和可维修性要求，后续将在飞艇维修性设计与维修性保障等方面开展工作，确保飞艇产品有效可用，具体措施如下：
（1）采用组件化的设计思想，各组件之间统筹安排、合理布局，避免维修时交叉干扰，并尽量使易损件布置在易达到部位。
（2）加强设备自检功能设计，以缩短故障定位时间，如：设备启动时应能首先自动完成自检;设备工作中设置故障报警指示;设置出现故障后的相关诊断程序等，为快速维修做好充分准备。
（3）所用的各组件，尽可能实现可独立调试，以便在换件修理时简化调试程序，缩短调试时间。
参考文献
[1]张娜，刘亚春.混联可维修系统可靠性分析与计算[J].南华大学学报（自然科学版），2017（31）：4.
[2]范江川，刘子先.基于故障相关与外部冲击的两部件系统机会维修研究[D].天津：天津理工大学学报，2014.
[3]宋家奎，石志想.低成本轻质复合蒙布在飞艇尾翼中的应用[J].装备环境工程，2016，13（6）：135-139.
[4]江秀红.多态复杂系统的可靠性分析及维修策略研究[D].大连：大连理工大学，2016.
[5]吴军，陈作懿，程一伟，等.任务驱动的复杂装备可靠性与维修性仿真方法研究[J].舰船电子工程，2019，39（9）：133-139.
[6]柳剑.制造系统运行可靠性分析与维修保障策略研究[D].重庆：重庆大学，2014.
[7]刘宇.多状态复杂系统可靠性建模及维修决策[D].成都：电子科技大学，2010.
[8]章国栋.系统可靠性与维修性的分析与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[9]张先.基于耦合振荡器阵列的非线性有源天线阵设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2018.
[10]崔国友，李孟良.船用电子设备现场可靠性维修性数据分析的需求与方法[J].中国修船，2008（6）：46-49.
[关键词]可靠性;可维修性;分析
[中图分类号]V19 [文献标志码]A [文章編号]2095–6487（2020）05–00–02
Reliability and Maintainability Analysis of an Airship
Gao Hong-qi
[Abstract]Stratospheric airship is one of the new strategic equipment in the field of high and new technology in the 21st century， which has a very broad application prospect.In order to verify the functional performance of a semi-rigid stratospheric airship， a tropospheric demonstration airship was designed according to the scale of stratospheric airship.According to the needs of design tasks， the reliability and maintainability of the demonstration and verification airship were analyzed and studied in depth.
[Keywords]reliability; maintainability; analysis
近年来，临近空间（Nearspace）具有独特的资源优势，随着现代科学技术的进步，它已成为各国竞相开发的热点，是二十一世纪利用高技术开发利用的重点空间领域。平流层飞艇是开发临近空间资源的重要技术手段之一，能长时间定点驻空，时间长达数月或数年，非常适合作为区域性新型信息平台，在高分辨率对地观测、通信中继、区域导航领域有着独特的优势，具有重要的应用前景。
随着国家战略方针调整，国家开始注重对平流层飞艇的研制开发，平流层飞艇可广泛应用于国土资源观测、海洋监测、防灾减灾、大地测绘、城市规划、旅游观光、交通运输、通讯中继服务等方面，对促进国民经济发展具有重要意义。国家高分辨率对地观测重大专项已将平流层飞艇列为重点发展的装备。国家对现阶段国内平流层飞艇研制技术和材料水平，根据平流层演示验证飞艇技术要求，MTBF≥200 h，MTTR：≤5 h，即平均无故障时间大于等于200h，出了故障之后尽可能5h内维修完毕，本文根据演示验证飞艇的主要装备可靠性性能，进行分析评估，判断该演示验证飞艇是否满足设计要求。
1 可靠性分析
一般来说，演示验证飞艇中主要包含结构、环控、推进、能源、航电五大分系统等，其结构模型如图1所示。
1.1 可靠性参数预计
在进行可靠性参数预计时，首先要获得系统中各设备或者分系统的故障率λi。有两种方式可以计算各设备或者分系统的故障率，一种是依据GJB/Z299B-98，建立设备或分系统相应的故障率模型，再根据其自身特性和工作环境，在提供的相应数据参数中准确选取所需数据，代入故障率模型计算得到，另一种是当无法准确得到故障率模型计算所需要的参数值，而已知设备或者分系统的平均无故障时间MTBFi，则通过对MTBFi取倒数也能获取相应的故障率。
计算出系统中各设备或分系统的故障率后，按公式（1）、（2）所示就可以计算出整个系统的平均故障间隔时间。
（1）
MTBF=1/λ （2）
其中，λ为系统故障率，λi为组成系统的各设备或分系统的故障率，Ni为系统中相同故障率的设备或分系统的数量，MTBF为系统的平均故障间隔时间。
1.2 可靠性参数计算
该演示验证飞艇中的大部分设备均是采购成熟的产品，每个产品都有相应的MTBF数据，通过类似方法依次可以计算得到结构系统有囊体材料、碳纤维骨架、环控系统、推进系统有推进电机和油机，能源系统有太阳能电池、航电系统等的故障率。各分系统参考相应的数据和以往设计经验数据，预估其平均无故障时间。具体参数如表1所示。
“-”表示无法获取该设备的MTBFi，λi是通过故障率模型计算得到。
根据表1数据以及可靠性参数预计公式（1）和（2），对流层演示验证飞艇的可靠性计算如下：
（3）
MTBF=1/λ=1352 h>200 h
2 维修性分析
系统维修性指标为MTTR≤5 h（现场可更换单元）。平流层飞艇维修性要求主要体现在如下几个方面：
（1）能够快速更换常见故障的分系统的模块。
（2）各个分系统模块具有独立调试和测试的方法。
（3）维修过程简单、操作方便。
2.1 维修性参数预计
（1）在进行维修性参数预计时，首先要获得系统中各设备或者分系统的平均修复性维修率λi。有两种方式可以计算各设备或者分系统的维修率，建立设备或分系统相应的维修率模型，再根据其自身特性和工作环境，在提供的相应数据参数中准确选取所需数据，代入维修率模型计算得到。另一种是当无法准确得到维修率模型计算所需要的参数值，而已知设备或者分系统的平均修复性维修时间MTTRi，则通过对MTTRi取倒数也能获取相应的维修率。 计算出系统中各设备或分系统的维修率后，按公式（4）、（5）所示就可以计算出整个系统的平均维修间隔时间。
（4）
MTTR=1/λ （5）
其中，λ为系统维修率，λi为组成系统的各设备或分系统的故障率，Ni为系统中相同故障率的设备或分系统的数量，MTTR为系统的平均修复性维修时间。
（2）维修性指标计算
系统平均修复性维修时间的分配是跟据各分系统的值，采用下式计算系统的平均修复性维修时间：
MTTR= （6）
其中，MTTR为系统平均修复性维修时间，为系统中第i个设备或者分系统的故障率λi，Ti为系统中第i个设备或者分系统更换部件完成一次修复所需时间。
该演示验证飞艇中的大部分设备均是采购成熟的产品，每個产品组件或者控制软件的修复时间都有相应的经验统计数据，通过类似方法依次可以计算得到囊体材料、碳纤维骨架、推进电机、太阳能电池、油机、航电系统、环控系统等的修复时间。各分系统参考相应的数据和以往设计经验数据，预估其平均修复时间数据。
根据表2的系统平均修复性维修时间预计公式，该对流层演示验证飞艇的维修性计算如下：
（7）
MTTR=1/λ=2.64h<5h
由上述结果可知，平均维修时间为2.64小时，完全满足要求。
3 结论和建议
根据分析结果得知，演示验证飞艇各部分组件能够满足可靠性和可维修性要求，后续将在飞艇维修性设计与维修性保障等方面开展工作，确保飞艇产品有效可用，具体措施如下：
（1）采用组件化的设计思想，各组件之间统筹安排、合理布局，避免维修时交叉干扰，并尽量使易损件布置在易达到部位。
（2）加强设备自检功能设计，以缩短故障定位时间，如：设备启动时应能首先自动完成自检;设备工作中设置故障报警指示;设置出现故障后的相关诊断程序等，为快速维修做好充分准备。
（3）所用的各组件，尽可能实现可独立调试，以便在换件修理时简化调试程序，缩短调试时间。
参考文献
[1]张娜，刘亚春.混联可维修系统可靠性分析与计算[J].南华大学学报（自然科学版），2017（31）：4.
[2]范江川，刘子先.基于故障相关与外部冲击的两部件系统机会维修研究[D].天津：天津理工大学学报，2014.
[3]宋家奎，石志想.低成本轻质复合蒙布在飞艇尾翼中的应用[J].装备环境工程，2016，13（6）：135-139.
[4]江秀红.多态复杂系统的可靠性分析及维修策略研究[D].大连：大连理工大学，2016.
[5]吴军，陈作懿，程一伟，等.任务驱动的复杂装备可靠性与维修性仿真方法研究[J].舰船电子工程，2019，39（9）：133-139.
[6]柳剑.制造系统运行可靠性分析与维修保障策略研究[D].重庆：重庆大学，2014.
[7]刘宇.多状态复杂系统可靠性建模及维修决策[D].成都：电子科技大学，2010.
[8]章国栋.系统可靠性与维修性的分析与设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1990.
[9]张先.基于耦合振荡器阵列的非线性有源天线阵设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2018.
[10]崔国友，李孟良.船用电子设备现场可靠性维修性数据分析的需求与方法[J].中国修船，2008（6）：46-49.