2.3.2Анализ (расчет) надежности

48

Нормирование надежности КА – это установление номенклатуры и количественных значений показателей надежности элементов структуры КА, а также требований к точности и достоверности определения показателей надежности, исходя из требований по надежности КА в целом.

Для КА, как и для любой другой сложной технической системы такие показатели, как ресурс (САС) и любые другие показатели надежности, связанные с календарной продолжительностью работы, не нормируются (распределяются) в прямом смысле, т.к. для составных частей КА они устанавливаются на уровне, как и к КА в целом, разумеется, с определенным запасом. Если, например, на КА задается САС 10 лет, то очевидно, что такой же показатель с необходимым запасом, в зависимости от режима работы, устанавливается и для бортовых систем (оборудования) КА. Заказчик в контракте заранее оговаривает величину необходимого ресурса для аппаратуры бортовых систем. Например, для перспективного КА на ВЭО с САС 7 лет в ТТЗ на создание ракетно-космического комплекса для аппаратуры бортовых систем требуемый ресурс должен быть не менее 9 лет. На КА «Экспресс-АМ» оговаривается 12-летний ресурс для систем, имеющих расходуемые или деградируемые характеристики, например, для систем коррекции (запас рабочего тела), энергопитания (характеристики солнечных батарей или емкостные характеристики аккумуляторных батарей).

В отношении такой вероятностной характеристики, как ВБР КА, теоретически задача распределения заданной надежности КА по элементам структуры КА имеет вид:

где Pi - вероятность безотказной работы i – ой бортовой системы за САС;

Pзад - заданная ВБР КА на конец САС.

То есть для того, чтобы обеспечить требуемую ВБР КА в течение заданного периода времени, исходя из модели надежности в виде последовательной структурной схемы надежности необходимо установить и обеспечить требуемые значения ВБР для бортовых систем КА таким образом, чтобы произведение показателей ВБР всех независимых, в смысле надежности, бортовых систем из по-

49

следовательной цепочки структурной схемы надежности (ССН) КА было не меньше требуемого значения ВБР для КА в целом.

В теории надежности рассматриваются различные методы нормирования показателей надежности технических устройств (равномерного распределения, пропорционального распределения, распределения требуемой надежности с учетом относительной уязвимости элементов, распределения требуемой надежности с учетом важности элемента, оптимального распределения).

Однако, каждый из методов нормирования имеет существенные недостатки, которые затрудняют прямое использование теоретических методов нормирования в практике проектирования космических аппаратов. Какие же методы нормирования надежности применяются в практике ОАО «ИСС» применительно к КА?

Можно выделить следующие основные принципы нормирования надежности КА [4]:

¾минимизация затрат;

¾минимизация ущерба;

¾сохранение соотношений надежности составных частей КА, характерных для КА – аналогов;

¾равное влияние составных частей КА на его надежность («равнопроч-

ность» проектирования).

При нормировании требований к надежности на ранних этапах разработки КА, в основном, используются два последних принципа. Их применение целесообразно при решении практических задач нормирования надежности в условиях неопределенности и дефицита исходных данных.

Исходными данными для нормирования являются:

¾требуемые САС (ресурс) или ВБР КА;

¾количество бортовых систем КА (целевых и служебных);

¾информация о надежности бортовых систем-аналогов (априорная и апо-

стериорная).

Первые два фактора являются важнейшими, Чем выше требуемый САС (ресурс) и больше бортовых систем, тем труднее обеспечить обоснованное нор-

50

мирование показателей надежности бортовых систем при неизменных исходных данных (характеристиках надежности комплектующих ЭРИ и других компонентов). Возникает необходимость при проектировании увеличивать кратность резервирования оборудования КА (схемную или блочную), а это не всегда возможно, так как, в свою очередь, существуют жесткие ограничения по массе, габаритам, стоимости оборудования КА.

ВТТЗ и контрактах на перспективные КА для ОАО «ИСС», как правило, задается ВБР КА за период САС 7-10-15 лет в пределах 0,7–0,8. Нетрудно заметить, что при равномерном распределении надежности ВБР бортовых систем должна быть в пределах 0.96–0,98. Однако, равномерное распределение при нормировании надежности КА, практически, не применяется, поскольку бортовые системы различаются по cложности и важности: есть основные бортовые системы ( системы полезной нагрузки, БКУ, СОС, СЭП, СТР, СК, МУ) и есть, условно, не основные, то есть не критические в плане надежности бортовые системы (АФУ, конструкция, БКС и др. ). Среди основных есть системы с большим количеством электронных комплектующих, и есть системы, в состав которых входят узлы и блоки с априорно ограниченной надежностью «сверху». Наконец, есть бортовые системы с апостериорно высокой надежностью, подтвержденной данными летной эксплуатации КА - аналогов.

Поэтому в каждом конкретном случае при нормировании учитывается и анализируется весь комплекс факторов, прежде чем будет установлен требуемый количественный показатель.

После нормирования требуемой ВБР КА для бортовых систем, процесс нормирования продолжается для узлов, агрегатов, приборов, блоков, модулей, входящих в состав бортовых систем.

Внастоящее время процесс совершенствование методов задания и нормирования требований по надежности связан с учетом таких основных критериев, как «надежность-масса», «надежность-энергопотребление», «надежность - затраты».

Процесс нормирования требований к надежности с использованием принципа равного влияния на надежность должен быть гибким. Нормирование требований должно уточняться на этапе разработки после проведения анализа ви-

51

дов, последствий и критичности отказов (АВПКО), составления перечня критичных элементов и программы их контроля, ликвидации слабых мест.

Практика работ по таким КА, как «Экспресс-А», «Сесат», «Экспресс-АМ» и др. показала, что требования к САС от КА одного проекта к КА другого проекта могут расти скачкообразно, при фактически неизменных требованиях к ВБР КА за САС. Это означает директивное ужесточение требований к ВБР КА и его бортовых систем и ведет к значительному сужению «поля для маневра» при нормировании надежности по бортовым системам КА.

Для примера, приведем нормативный бюджет надежности перспективного КА «Зухре» с требуемым САС 15 лет (табл.6).

Таблица 6 Нормативный бюджет надежности перспективного КА «Зухре»

Используемые при проектных расчетах надежности аппаратуры справочные значения базовых интенсивностей отказов основной номенклатуры отечественных электрорадиоизделий за последние 10 лет по ряду причин остаются неизменными или растут незначительно. В этом случае для обеспечения расчетной ВБР, на первый взгляд, не обойтись без дополнительного резервирования. Однако, возможности обеспечения требуемой надежности за счет, например, увеличения кратности резерва, как правило, ограничены. При резервировании замещением данный прием действительно ведет к повышению ВБР, однако приводит и к существенному повышению суммарной массы КА, что противоречит налагаемым на КА ограничениям по массе и стоимости. Использование иных, кроме структурной, методов избыточности, например, функциональной (резервирование последовательной цепи приборов одним универсальным и др. приемы), также, по ряду причин, технически редко реализуемы. Таким образом, в целях проектного подтверждения требуемой ВБР КА, зачастую, требуются дополни-