CC BY
356
УДК629.78.017.1
В. Е. Патраев, И. В. Трифанов
АНАЛИЗ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Представлен анализ и оценка основных показателей качества и надежности современных отечественных космических аппаратов связи. Даны рекомендации по повышению надежности при эксплуатации на основе повышения требований к электрорадиоизделиям КА длительного функционирования.
Ключевые слова: космический аппарат, надежность, срок активного существования, электрорадиоизделия.
В связи с рядом отказов и существенных неисправностей, отмеченных с 1997 г. на ряде современных зарубежных космических аппаратов (КА), аналитики считают, что нерешенные проблемы надежности являются реальным фактором, влияющим на развитие спутнико -вой отрасли. В проведенном компанией Рго81&8иШуап [1] анализе отказов в модулях всех запущенных КА, созданных на базе спутниковых платформ (табл. 1) определены платформы с лучшими показателями надежности, а также делается заключение, что отказы отмечены преимущественно в конструкциях платформ, а не полезных грузов.
По оценкам Ригоп Согр. за период с 1996 по 2008 гг. на 43 эксплуатируемых спутниках отмечено 47 существенных неисправностей и отказов, при этом 74 % из них произошли за последние 5 лет. Отмечается, что по общей статистике только 25 % неисправностей в последнее время приходится на полезную нагрузку, а остальные отказы относятся к спутниковым платформам, которые, как правило, являются унифицированными или рекуррентными с других программ т. е. более отработанными, при этом новые по характеру неисправности во многом свя-
заны как с повышением энерговооруженности отдельных каналов связи, так и всего спутника в целом, а также усложнением бортовых систем и электроники.
Анализ показателей качества отечественных КА связи. Проблемы надежности зарубежных КА при эксплуатации могут, видимо, частично коррелироваться с подобными проблемами современных космических аппаратов отечественной разработки.
В [2; 3] рассмотрены некоторые статистические срезы, характеризующие качество и вытекающие из сравнительного анализа неисправностей КА связи типа «Экспресс'-А», «Экспресс-АМ», условно относящихся к одному модельному ряду КА-аналогов герметичного исполнения разработки ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева». Технические характеристики и наработки данных космических аппаратов приведены в табл. 2.
Проведеный анализ количества неисправностей на один КА при эксплуатации по признакам деления показывает, что превалируют неисправности КА, либо не классифицированные, либо связанные с отказами электрорадиоизделий (ЭРИ).
Таблица 1
Отказы зарубежных КА связи в период 1998-2001 гг.
Наименование спутниковой платформы Фирма-изготовитель Запущенные спутники Количество отказов и получение страховки Процент отказов
BSS-376 Boeng 55 6 11
А-2100 Lockheed Martin 23 3 13
LS-1300 Space System Loral 41 8 20
BSS-601 Boeng 62 14 23
Spacebus 3000 Alcatel 18 5 28
Eurastar E2000 EADS Astrium 19 6 32
BSS-702 Boeng 8 6 75
Таблица 2
Технические характеристики и наработки космических аппаратов
Индекс КА и номер Дата пуска Гарантийный срок активного существования (ресурс), лет САС фактические, мес.
на 01.12.06 на 01.12.07 на 01.12.08 на 01.12.09
Экспресс-А № 2 12.03.00 5 (7) 81,7 93,7 105,7 117,7
Экспресс-А № 3 24.06.00 5 (7) 78,2 90,2 102,2 114,2
Экспресс-А № 4 10.06.02 5 (7) 54,4 66,4 78,4 90, 4
ЭкспрессАМ № 22 29.12.03 10,25 (12) 35,5 47,5 59,5 71,5
Экспресс-АМ № 1 30.10.04 «-» 25,3 37,3 49,3 61,3
Экспресс-АМ № 2 30.03.05 «-» 20,2 32,2 44,2 56,2
Экспресс-АМ № 3 24.06.05 «-» 17,4 29,4 41,4 53,4
Экспресс-АМ № 33 28.01.08 «-» 0 0 9,3 21,3
Отказы полезной нагрузки в КА «Экспресс-А» и «Эк-спресс-АМ» составляют 7 и 23 % от общего количества выявленных неиспраностей [3]. Их количество на КА «Эк-спресс-АМ» сравнимо с зарубежными КА (25 %).
Введем коэффициентные показатели качества КА определенных серий А , сравнение которых могло бы характеризовать динамику качества условных КА-аналогов различных серий с учетом наработок:
R
Л =-
' Е
T
Е
или A: =
j=1
Е h
j=1
где - суммарное количество неисправностей по признакам деления на один КА /-ой серии; - сум-
марное количество отработанных нормативных гарантийных сроков активного существования (ГСАС) или сроков службы всеми КА /-ой серии; г - количество неисправностей по признаку деления ] на один КА /-ой серии (табл. 3); ї - наработкау-ой КА /-ой серии на момент оценки; п - количество КА /-ой серии на момент оценки; ТАСі - гарантийный срок активного существования (ГСАС) КА /-ой серии.
СреЕнилетьньй снсгиз кгнестванєкспорьх ССЕрЄМЕН-ньк космических сГпсрЕгсвгюпсксВЕтегю СЕиреяегьству-ег, чтюпюдсннсмупскЕ^гєгюКА серии «Экспресс-АМ» пока уступают условным КА-снагсгам «Экспресс-А», кстюрь еужевь рабСгаги свои гарЕнтийнь есрсж актив-нсгю сущесгвсвЕния сд|-ІЕKЮдинамика«угyчшэния»ДЕН-нсгс пскавЕгегя с рссгсм наработск вьшэу КА «Экспресс-АМ». Прсгнсзная сценка пскааьвЕег; чтс при достижении дснньми КА, требуемых ГСАС, пскавЕтагь (сг-нсшаниесуммЕрнсгсі ксгичесгванеиспрЕвнсаей пс признакам дегения насдин КА /-ой серии к количеству отработанных ГСАС всеми КА /-ой серии будет ниже у КА «Экспресс-АМ», т. е. качество КА серии «Экспресс-АМ» выше, чем у КА серии «Экспресс-А» [3].
Анализ показателей эксплуатационной надежности. Рассмотрим расчетные значения ряда основных показателей эксплуатационной надежности в виде вероятности безотказной работы (ВБР) за ГСАС, средних сроков активного существования (САС) до закрытия и первого ограничения в работе рассматриваемых КА для различных уровней
доверительных вероятностей на 01.12.09 (табл. 3). Для оценки показателей надежности КА по текущим наработкам использована программа расчета, основанная на условном плане испытаний [N, U, z] цензурированных выборок [4], где N - объем выборки изделий (КА), предназначенных для испытаний; U - планы испытаний, в которых отказавшие изделия не заменяются и не восстанавливаются; z -признак окончания испытаний (наработка z. каждого изделия), zt = min (t, tt), i = 1, N , где t. - наработка до отказа /-ого КА (его бортовой аппаратуры); t. - наработка i-ого КА (его БА) до момента проведения оценки (цензурирования) и объем статистики по рассматриваемым КА. При расчете статистических показателей надежности КА «Экс-пресс-А» использованы дополнительные данные по общим лидерным наработкам на момент закрытия условных КА-аналогов «Экспресс» и «Галс».
Расчетные показатели эксплуатационной надежности КА «Экспресс-АМ», которые еще не выработали свой ГСАС, лучше аналогичных показателей КА «Экспресс-А» и с ростом наработок ожидается их дальнейший рост. Они демонстрируют не только обеспечение требуемых по ТУ на КА показателей надежности, но и динамику их роста, что в первую очередь свидетельствует о высоких ресурсных возможностях соответствующих платформ КА.
Общие статистические данные по разным КА позволяют сделать вывод о целесообразности комплектации перспективных КА импортной полезной нагрузкой, а также модулей служебных систем отдельной аппаратурой зарубежной разработки, что позволит, в совокупности с высокими ресурсными возможностями отечественных перспективных базовых платформ негерметичного исполнения («Экспресс-1000» и модификаций, «Экспресс-2000» и др.) разработки ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Ре-шетнева», создавать конкурентоспособные КА.
Сравнительный анализ количества классифицированных отказов ЭРИ при эксплуатации современных КА типа «Экспресс-АМ», при производстве которых полностью внедрена система дополнительных испытаний партий ЭРИ, предназначенных для комплектации в летные образцы аппаратуры (отбраковочные испытания, диагностический неразрушающий контроль, выборочный разрушающий анализ) [5; 6] с более ранними КА разработки ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева», типа «Горизонт», эксплуатация которых началась с 1980 г., по-
Таблица 3
Показатели эксплуатационной надежности космических аппаратов
Индекс КА Г аран-тийный СА, мес. Требуемая ВБР за ГСАС Довери- тельная вероят- ность Точечное значение ВБР за ГСАС Нижняя доверии-тельная граница ВБР за ГСАС Общий средний САС до закрытия, мес. Нижняя доверии-тельная граница среднего САС до закрытия, мес. Средний САС до первого ограничения, мес. Нижняя доверии-тельная граница среднего САС до первого ограничения, мес.
Экспресс-А 60 0,63 0,8 0,877551 0,64939 95,721428 90,903869 50,25 33,927125
Экспресс-А 60 0,63 0,9 0,877551 0,565119 95,721428 88,392102 50,25 25,416742
Экспресс-АМ 123 0,7 0,8 0,91701 0,79331 61,74 47,641823 61,74 47,641823
Экспресс-АМ 123 0,7 0,9 0,91701 0,71768 61,74 40,291349 61,74 40,291349
казывает, что доля классифицированных отказов ЭРИ на некоторых типах современных КА не падает, что связано с частными случаями комплектования КА партиями ЭРИ недостаточного качества, недостаточно совершенными объемами дополнительных испытаний и общими проблемами электронной компонентной базы.
Обеспечение качества и требуемой эксплуатационной надежности современных отечественных КА-пробле-ма многоплановая. Анализ эксплуатационной надежности современных отечественных КА показал, что по признакам деления превалируют отказы ЭРИ, устранить ко -торые полностью не удается даже с помощью дополнительных процедур обеспечения качества ЭРИ, и не классифицированные по признакам деления отказы и неисправности (в основном производственного происхождения) по причине невозможности однозначного установления причин их появления из-за недостаточности объема телеметрической информации, используемой для анализа технического состояния КА.
Для перспективных КА, находящихся в разработке, выявлена необходимость решения ряда задач. По результатам опыта работы ОАО «ИСС» имени М. Ф. Решетнева» к ним можно отнести следующие:
- комплектование бортовой аппаратуры КА отечественными перспективными квалифицированными ЭРИ повышенной надежности, изготавливаемыми в соответствии с Российскими нормативными требованиями;
- комплектование бортовой аппаратуры КА ЭРИ иностранного производства только космического или близкого к нему уровня качества, изготавливаемыми по требованиям, контролируемым иностранными национальными космическими агентствами;
- разработку более эффективных программ и методик дополнительных испытаний партий ЭРИ отечественного изготовления в испытательных технических центрах;
- совершенствование комплекса отраслевых нормативных документов, регламентирующих приобретение и применение электронной компонентной базы в КА длительного функционирования;
- необходимость проведения более раннего и глубокого анализа видов, последствий и критичности отказов (АВ-ПКО) бортовой аппаратуры на этапах проектирования с целью разработки более эффективной программы их контроля и определения достаточности диагностики для наиболее критичных узлов и блоков бортовой аппаратуры;
- разработку более эффективных, информативных и достоверных методов испытаний, контроля надежности бортовой аппаратуры перспективных КА, норм отработочных и приемочных испытаний бортовой аппаратуры, в особенности для КА негерметичного исполнения, включая увеличение количества термоциклов и термовакуумных циклов при наземной экспериментальной отработке и приемке;
- разработку более жесткой программы контроля качества КА и составных частей при изготовлении в целях снижения производственных отказов и отказов ЭРИ при
эксплуатации и повышении эффективности системы и конкретных процедур гарантирования качества изготовления бортовой аппаратуры на заводах изготовителях;
- разработку метода технически обоснованного назначения продолжительности и режимов электротермотренировки (ЭТТ) бортовой аппаратуры при изготовлении в целях получения, после их завершения, приемлемого показателя надежности в виде интенсивности отказов, обеспечивающей требуемую вероятность безотказной работы КА на конец нормативного САС.
Таким образом, по результатам анализа показателей качества и эксплуатационной надежности, а также проблем обеспечения надежности современных отечественных и зарубежных КА можно сделать вывод о их коррелированности и необходимости решения ряда задач, обеспечивающих эксплуатационную надежность, эффективность и конкурентоспособность перспективных отечественных КА длительного функционирования (12-15 лет).
Библиографические ссылки
1. О надежности спутниковых платформ // Ракетная и космическая техника. М., 2004. №9 44. С. 6-8.
2. Анализ технического состояния и оценка уровня фактической надежности, а также готовности к целевому использованию КА связи и вещания народно-хозяйственного назначения по результатам эксплуатации в 2008 г. Анализ динамики изменения показателей надежности за период с 1994 по 2008 г. : отчет по ОКР ; рук. Роскин С. М. ; исполн.: Патраев В. Е. [и др.] ; ОАО «ИСС». Железногорск.
2008. 182 с. №> 510-6298-08.
3. Анализ технического состояния и оценка уровня фактической надежности, а также готовности к целевому использованию КА серий «Горизонт», «Экран-М», «Экспресс», «Гонец» по результатам эксплуатации в 2009 г. Анализ динамики изменения показателей надежности за период с 1994 по 2009 г. : отчет по ОКР ; рук. Роскин С. М. ; исполн.: Патраев В. Е. [и др.] ; ОАО «ИСС». Железногорск.
2009. 199 с. №> 510-6586-09
4. Патраев В. Е., Вовченко С. П. Оценка эксплуатационной надежности космических аппаратов связи и телевещания разработки НПО ПМ // Двойные технологии. М., 2004. №> 3. С. 64-66.
5. Федосов В. В., Патраев В. Е. Повышение надежности радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при применении электрорадиоизделий, прошедших дополнительные отбраковочные испытания в специализированных испытательных технических центрах // Авиакосмическое приборостроение. М., 2006. №9 10. С. 50-55.
6. Федосов В. В., Патраев В. Е. Оценка влияния разрушающего физического анализа на характеристики безотказности изделий микроэлектроники, устанавливаемых в бортовую аппаратуру космических аппаратов // Авиакосмическое приборостроение. М., 2008. №9 1. С. 37-40.
V E. Patraev, I. V Trifanov
MODERN SPACECRAFTS OPERATIONAL RELIABILITY AND QUALITY ANALYSIS
Research work proposes and considers the main quality and operational reliability characteristics of modern Russian communication spacecrafts. Some recommendations for increase of operational reliability of long-term operation spacecrafts, with account of severization of requirements, are given.
Keywords: spacecraft, reliability, lifetime of EEE-parts.
© nampaee B. E., Tpu^ame M. B., 2010
УДК629.735.064
О. Г. Бойко
О ПРАВОМЕРНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСЛОВНЫХ ВЕРОЯТНОСТЕЙ БЕЗОТКАЗНОЙ РАБОТЫ И УСЛОВНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ ВЕРОЯТНОСТЕЙ ОТКАЗОВ В МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЯХ НАДЕЖНОСТИ АГРЕГАТОВ
Обсуждаются процедуры определения условных вероятностей безотказной работы, условных плотностей вероятностей отказов и правомерность их использования в математических моделях надежности агрегатов авиационных систем.
Ключевые слова: вероятность, условная вероятность, условная плотность вероятности, агрегат, математическая модель.
В расчетах надежности сложных технических систем в авиации и других критических по надежности отраслях промышленности, при моделировании надежности агрегатов, для определения вероятности безотказной работы используется экспоненциальное распределение
Р , (1)
где ю - параметр потока отказов агрегата, который определяется по плану испытаний [ 1] восстанавливаемых агрегатов и равен среднему значению числа отказов в единицу времени (в 1 час). При достаточно большой статистике среднее значение стремится к математическому ожиданию и параметру потока отказов допустимо придать этот статус.
Вследствие процедур, предусмотренных при техническом обслуживании авиационной техники, параметры потоков отказов агрегатов систем самолетов поддерживаются на постоянном уровне [2]. Более того, верхние пределы параметров потоков отказов ограничиваются нормативными документами гражданской авиации в виде нормативных значений коэффициентов К1000 для самолетов российского производства и К100 - иностранного производства. Коэффициент К1000 является числом отказов агрегатов определенного типа, приходящемся на 1 000 часов полета и, таким образом, однозначно связан с параметром потока отказов.
Экспоненциальная модель вероятности отказа агрегата, который представляет собой монотонно возрастающую функцию времени (рис. 1):
Ч ({ ) = 1 - е-и'. (2)
В гражданской авиации, в соответствии с Нормами летной годности самолетов [3], вероятность отказа агре-
гатов и систем нормируется в вероятностях отказа за 1 час, приводящих к последствиям различной степени тяжести. Поскольку 1 час является величиной 3-4-го порядка малости по сравнению с налетом самолета, то вероятность отказа за 1 час ч(1) может быть определена в виде производной от (2) следующим образом:
q (1) = (
(3)
Рис. 1. Экспоненциальная модель вероятности отказа агрегата
График этой зависимости приведен на рис. 2. Уменьшение вероятности отказа за 1 час в функции времени работы агрегата противоречит, во-первых, независимости математического ожидания числа отказов за 1 час, равных ю, от времени работы агрегата; во-вторых, здравому смыслу, поскольку в процессе работы в агрегате неизбежно развиваются деградационные процессы, и вероятность отказа за 1 час никак не может уменьшаться. На практике ее можно поддерживать техническим обслуживанием на некотором уровне.
