Методы анализа надёжности космических аппаратов Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 629.7.017.1

МЕТОДЫ АНАЛИЗА НАДЁЖНОСТИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

А. Г. Пятков Научный руководитель - В. В. Золотарёв

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: [email protected]

Рассматриваются различные методы анализа надёжности, которые применяются для анализа надёжности технических систем. Проведено общее сравнение представленных в стандарте ГОСТ Р 51901.5-2005 методов анализа надёжности для технических систем c логико-вероятностным методом анализа надежности.

Ключевые слова: методы анализа надёжности, метод деревьев отказов, Марковский метод, логико-вероятностный метод.

METHODS OF SPACE VEHICLES RELIABILITY ANALYSIS

A. G. Piatkov Scientific supervisor - V. V. Zolotarev

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

Methods of reliability analysis that might be used for reliability analysis of technical system are considered. There is a common comparison of GOST R 51901.5-2005 reliability analysis methods with a logical-and-probabilistic method.

Keywords: methods of reliability analysis, Fault Tree Analysis, Markovian method, logical-and-probabilistic method.

Развитие космической отрасли является одной из перспективных задач Российского государства, о чем свидетельствует Федеральная космическая программа России до 2030 года. В этой Федеральной программе изложены государственные интересы, принципы, главные цели, приоритеты и задачи государственной политики Российской Федерации в области исследования, освоения и использования космического пространства, включая международное сотрудничество в данной сфере [1]. Значительное внимание при создании ракетно-космических систем уделяется их надёжности, однако это не позволяет избежать отказов космической техники. Результатом отказа космической техники являются нарушение графика и плана функционирования, экономические потери, а в крайнем случае - провал всей миссии космического аппарата. Иными словами, оценка и повышение надёжности является актуальным направлением. С другой стороны, усложнение техники, возрастание сложности решаемых задач и особые условия эксплуатации космической техники усложняют задачу анализа надёжности этой техники.

Теория надёжности как самостоятельная область знаний получает распространение в 19401950-х годах в таких областях, как авиация, военная и ядерная индустрия. Исследования в области надёжности сложных технических систем относятся к началу 60-х годов. В частности, в США теория надёжности сложных систем стала существенно развиваться после ряда катастроф с космическими объектами. После этого NASA приступило к выполнению ряда научно-исследовательских работ по определению надёжности существующих элементов, проектированию новых элементов с заданными параметрами надёжности, исследованию надёжности системы и её элементов при случайных динамических нагрузках. В 1962 г. компанией Bell Labs впервые был разработан и использован метод анализа дерева отказов (Fault Tree Analysis, FTA) для Военно-воздушных сил США. Метод FTA при-

Секция «Методы и средства зашиты информации»

менялся для оценки надёжности системы Launch Control межконтинентальной баллистической ракеты Minuteman I. FTA получил широкое освещение в 1965 на симпозиуме по системам безопасности в Сиэтле и поддержку Boeing. С 1970 года в США FTA стал применяться в авиационной области, с 1975 в атомной энергетике. После аварии на АЭС 28 марта 1979 (Three Mile Island accident) задача анализа надёжности АЭС стала очевидной необходимостью. На сегодняшний день метод FTA получил широкое распространение для анализа причин отказов статичных систем. FTA позволяет включать события изнашивания аппаратных средств, материала, неисправности или сочетания детерминированных вкладов в событие. Однако методов анализа надежности значительно больше.

Для прогнозирования, исследования и улучшения надёжности, работоспособности и ремонтопригодности систем в 2003 был опубликован международный стандарт по управлению надёжностью МЭК 60300-3-1:2003. В России в 2005 году вступил в силу модифицированная версия этого стандарта, ГОСТ Р 51901.5-2005. В стандарте описана методология анализа надёжности и содержится необходимая информация для выбора подходящего метода. Однако стоит заметить, что в стандарт не вошел логико-вероятностный и общий логико-вероятностный метод анализа надёжности (ЛВМ), использование которого для структурно сложных систем является перспективным направлением [2]. Для анализа технических систем подходят не все описанные в ГОСТ Р 51901.5-2005 методы. Результаты сравнения подходящих для анализа надёжности технических систем методов [3] с точки зрения возможности распределения по требованиям (целям) надёжности, по результатам качественного и количественного анализа приведены в табл. 1. Результаты сравнения этих методов с точки зрения их недостатков представлены в табл. 2.

Таблица 1

Сравнение ряда методов анализа надёжности ГОСТ Р 51901.5-2005 и ЛВМ

Метод анализа надежности Распределение требований надёжности Качественный анализ Количественный анализ

Анализ дерева неисправностей (FTA) Возможно, если есть зависимость от времени или последовательности событий Анализ комбинации неисправностей Вычисление показателей безотказности работоспособности и относительного вклада подсистем

Анализ дерева событий (ETA) Возможно, если можно представить последовательности событий для отказа системы Анализ последовательности отказов Вычисление интенсивностей отказов системы

Анализ структурной схемы надежности Возможно, если можно выделить независимые блоки Анализ путей работоспособности Вычисление показателей безотказности и комплексных показателей надежности системы

Марковский анализ Применимо Анализ последовательности отказов Вычисление показателей безотказности и комплексных показателей надежности системы

Анализ сети Петри Применимо Анализ последовательности отказов Подготовка описания системы для Марковского анализа

Логико-вероятностный метод (ЛВМ) Применимо Анализ последовательности отказов и путей работоспособности Вычисление показателей безотказности и комплексных показателей надежности системы

Таблица 2

Сравнение недостатков ряда методов ГОСТ Р 51901.5-2005 и ЛВМ

Методы FTA и ETA Анализ структурной схемы надежности Марковский анализ ЛВМ

Не предполагает состояние частичного отказа элементов Не предполагает состояние частичного отказа элементов Переходы состояний являются статистически независимыми событиями Малая статистика применения

Ограничен выявлением элементов системы и событий, приводящих к конкретному отказу системы или аварии Отдельная структурная схема надежности для каждого определения состояния успеха/отказа системы Экспоненциальный рост количества состояний системы, переходов и трудоемкости расчёта параметров с ростом количества элементов Требует глубокого понимания структуры, принципов функционирования, отказов

Окончание табл. 2

Методы FTA и ETA Анализ структурной схемы надежности Марковский анализ ЛВМ

Не позволяет учесть сложные стратегии технического обслуживания, множественных отказов Не учитывает порядок появления событий. Отказы блоков не влияют на вероятность отказа других блоков Требует глубокого понимания каждого отдельного отказа

Требует глубокого понимания каждого отдельного отказа Не позволяет учесть сложные стратегии технического обслуживания

Можно заметить, что логико-вероятностный метод в сравнении с другими методами не уступает, а по общему числу параметров даже превосходит другие методы. Таким образом, логико-вероятностный метод является одним из перспективных методов для анализа надёжности космических аппаратов.

Библиографические ссылки

1. Космические программы [Электронный ресурс] : офиц. интернет-портал Федер. космич. агентства. URL: http://www.federalspace.ru/115/ (дата обращения: 12.04.2015).

2. Мушовец К. В., Золотарев В. В. Логико-вероятностный анализ надежности функций сбора и доставки телеметрии до земной станции спутниковой системы связи // Проблемы анализа риска. Т. 10, № 1. 2013. С. 50-57.

3. ГОСТ Р 51901.5-2005. Руководство по применению методов анализа надежности [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс». URL: www.consultant.ru/ document/cons_doc_STR_8533 (дата обращения: 12.04.2015).

© Пятков А. Г., 2015