CC BY
222
УДК 629.7.018+629.7.017.1 Белова В.В.
г.Королёв, Московская обл.
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
Аннотация. Рассматривается задача построения модели надежности для системы обеспечения теплового режима (СОТР) транспортного грузового корабля «Прогресс» на основе логиковероятностного моделирования структурных схем надежности и динамического дерева отказов, реализованных в программном комплексе Relex. Результаты моделирования предлагается использовать в программе-методике испытаний СОТР ТГК «Прогресс» на этапе электрических испытаний.
Ключевые слова: этап электрических испытаний; модель надежности; структурная схема надежности, динамическое дерево отказов.
Происшедшие аварии в ракетно-космической отрасли в 2011-2012 г. [1] требуют анализа не только системы обеспечения контроля качества и надежности применяемой техники, но и рассмотрения вопросов совершенствования технологий комплексных автоматизированных испытаний, которым в настоящее время в России не уделяется достаточного внимания. Традиционно, оценка надежности космического аппарата (КА) проводится на этапах проектирования, испытаний и эксплуатации. Для каждого этапа предусмотрены методы оценки показателей надежности, рекомендуемые ГОСТ. Выбор метода определяется спецификой КА и видом ограничений, задаваемых заказчиком. Промежуточная оценка надежности, например, на этапе однородных испытаний (тепловакуумные, вакуумнотемпературные, пневмовакуумные, проверка на герметичность, комплексные электрические испытания (КЭИ), и т.д.) является рекомендательной и не нормируется в ТЗ (спецификации). Этап КЭИ КА является одним из заключительных этапов наземных испытаний. Основной задачей КЭИ является проверка работоспособности всех систем полномасштабного изделия при ограничениях на ресурс приборов и время испытаний. Все испытываемые системы КА являются структурно-сложными техническими системами и обладают рядом особенностей. К таким особенностям относятся: реализация разнооб-
разных способов резервирования (структурного, временного, алгоритмического); возможность возникновения нескольких несовместных видов отказов; наличие скрытых и явных отказов [2]. В состав энергетического комплекса КА входит система обеспечения теплового режима (СОТР), которая имеет блочную структуру, взаиморезервирующие блоки, в отдельных блоках применяется внутреннее резервирование. Разработка статических и динамических моделей надежности СОТР КА на промежуточных этапах испытаний выявит факторы повышения уровня надежности и снизит объемы испытаний. В связи с внедрением в ОАО РКК «Энергия» программного комплекса (ПК) Relex, представленного на российском рынке компанией PTC [3] для управления качеством, надёжностью и рисками изделий корпорации, появилась возможность автоматизации задач анализа и контроля надёжности КА и его систем на этапе КЭИ.
Обоснование метода моделирования
В настоящее время получили широкое распространение основные виды логико-вероятностных методов (ЛВМ) на основе: дерева отказов (ДО), дерева событий (ДС), блок-схем надежности. В ПК
Relex реализованы несколько методов математического моделирования: ЛВМ ДО, ЛВМ блок-схем
надежности, марковские методы, статистическое моделирование; выполняются вычисления вероятностных характеристик системы.
Структурная схема надежности СОТР КА
Демонстрируется методика оценки вероятности безотказной работы СОТР транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс» методом структурных схем надежности (ССН). Данные расчетной методики СОТР ГТК «Прогресс» сравнивались с результатами моделирования блок-схемы надежности СОТР ГТК «Прогресс» с помощью модуля Opsim (оптимизация и моделирование) ПК Relex. На рисунках 1-5 приведены ССН функциональных элементов СОТР КА, построенные в графическом редакторе модуля OpSim ПК Relex. В состав СОТР входит активная система терморегулирования СТР и средства пассивного терморегулирования (СПТР). ССН СОТР показана на рисунке 1.
Рис. 1 Структурная схема надежности СОТР
Гидросистема СТР объединяет два замкнутых гидравлически несвязанных контура: контур грузо-
вого отсека (КГО) и контур навесного радиатора (КНР); вентиляционные устройства её теплообменных агрегатов. ССН СТР показана на рисунке 2.
Рис 2. Структурная схема надежности СТР
КГО определяется группой элементов электронасосного агрегата (ЭНА), обеспечивающей циркуляцию теплоносителя в контуре, и группой элементов, образующих контур и сохраняющих его герметичность.
ССН группы ЭНА показана на рисунке 3.
1
Начало
Канал управления БАП-01 2 ЭНА
Интенсивность отказов: 0 > Г- Интенсивность отказов: 0
Кол-во: 1 Кол-во: 1
1 ЭНА
"" 1- Интенсивность отказов: 0
Кол-во: 1
2.2
- —c>
Конец
1::1
Рис. 3 Структурная схема надежности группы ЭНА
ССН группы сохранения герметичности КГО показана на рисунке 4.
КР1
с Интенсивностьотказов: 0 ;» Кол-во: 1
Т еппообменникГЖА & Интенсивность отказов: 0 > Кол-во: 1
ЖЖТ2 1К вкз
Интенсивностьотказов: 0 £ Интенсивность отказов: 0 С: Интенсивностьотказов: 0
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
ВКВ 1Ф ЗБЗ
Интенсивностьотказов: 0 -1 1- Интенсивность отказов: 0 Интенсивностьотказов: 0
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
ЖЭН
Г-- Интенсивностьотказов:О Кол-во: 1
Конец
1::1
Рис. 4 Структурная схема надежности группы сохранения герметичности КГО
КНР имеет в своем составе внутреннюю и наружную магистрали, Внутренняя магистраль (ВМ) обеспечивает температурный режим в приборном отсеке (ПО) и агрегатном отсеке (АО) и осуществляет тепловую связь с теплоносителем КГО свои теплообменные устройства. Наружная магистраль (НМ) осуществляет транспортировку избыточного тепла к навесному холодному радиатору (НХР) для сброса его в окружающее пространство, средства вентиляции герметичных отсеков изделия предназначены для обеспечения направленной общей циркуляции газа в отсеках, средства управления обеспечивают управление агрегатами СОТР в соответствии с принятой логикой работы системы.
ССН КНР показана на рисунке 5.
Рис. 5 Структурная схема надежности КНР ССН группы ЭНА КНР показана на рисунке 6.
2
Рис. 6 Структурная схема надежности ЭНА КНР
ССН группы ЭНА КНР с учетом ССН канала управления ЭНА КНР ВМ показана на рисунке 7.
Рис. 7 Структурная схема надежности ЭНА КНР (с учетом канала управления) ССН группы герметичности КНР показана на рисунке 8.
3
Теплообменник ГЖА1 АТ5 АТб
Интенсивность отозов: 5.71 Е-8 >—£* Интенсивность отозов: 1.09549Е-8 >■£ Интенсивность отозов: 1.09649Е-8
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
АТ7 АТ8 ТБА
Интенсивность отказов: 1.G9649E-8 Интенсивность отказов: 1.09649Е-8 Интенсивность отказов: 1.14155Е-9
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
ЖЖТ1 1БЗ 2®
Интенсивность отозов: 5,71 Е-8 Интенсивность отозов: 1.4Е-7 Интенсивность отозов: 1.08Е-7
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
2К АКБ АКЗ
Интенсивность отозов: 2Е-11 >■ ■ £- Интенсивность отозов: 2Е-7 > (- Интенсивность отозов: 2Е-7
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
3® 2БЗ Рэдиэтор
Интенсивность отозов: 1.08Е-7 > •—Г- Интенсивность отказов: 1.4Е-7 > V Интенсивность отозов: 1Е-7
Кол-во: 1 Кол-во: 1 Кол-во: 1
Конец 1:: 1
Рис. 8 Структурная схема надежности группы герметичности КНР ССН группы РРЖ показана на рисунке 9.
Рис. 9 Структурная схема надежности группы РРЖ ССН средств вентиляции показана на рисунке 10.
4
Рис. 10 Структурная схема надежности средств вентиляции
Основные показатели надежности группы герметичности КНР по результатам расчета модуля OpSim
показаны на рисунке 11.
Ерсл\я
Н аЛСЛ^-СС Her алс-л<г- 4iCTD“a [щДосгу! П1- к Нвдвсгупн Общк в-зе Ожидаема!
D 1 0 1Д6Е-06 1 0 D О
71 1 В.32Е-11 1Д5Е-06 1 3.32 Е-11 2..Э9Е-09 3.32Е-11
144 1 1.66Е-10 1Д5Е-06 1 1.6&Е-10 1..20Е-0В 1,-ЕбЕ-М
116 1 1.5СЕ-10 1Д5Е-06 1 2.50 Е-10 2..НЕ-0В 2,50Е-М
23В 1 З.ЗЭЕ-10 1Д-ЕЕ-06 1 3.33 Е-10 4Д9Е-0В З.ЗЗЕ-Ю
36D 1 4.16Е-10 1Д-ЕЕ-06 1 4.1&Е-10 7.Д9Е-0В 4Д6Е-1Л
431 1 4.9ЭЕ-10 1Д5Е-06 1 4.93 Е-10 1..0SE-07 4.09Е-1Л
504 1 5.В2Е-10 1Д5Е-06 1 5.В2Е-10 1Д-7Е-07 5.32E-U
576 1 6.65Е-10 1Д-ЕЕ-06 1 6.65 Е-10 1..Э2Е-07 fi,65E-M
64В 1 7.4ВЕ-10 1Д-ЕЕ-06 1 7.43 Е-10 2.ДЗЕ-07 7Д9Е-1Я
72D 1 В.32Е-10 1Д-ВЕ-06 1 3.32 Е-10 2„39E-07 3,32Е-1Я
Рис. 11 Основные показатели надежности группы герметичности КНР по результатам расчета модуля OpSim
В Таблице 1 [4] отмечается, что метод ССН используется для анализа простых систем. Его не
рекомендуется использовать как автономный метод. Он подходит для качественного анализа путей работоспособности и для количественного вычисления показателей безотказности и комплексных показателей надежности. Поэтому, далее, при моделировании системы управления СОТР КА согласно Таблице 1 [4] использовался метод анализа дерева неисправностей [5]. Его рекомендуется использовать для сложных систем. Он подходит для качественного анализа комбинации неисправностей для количественного анализа вычисления показателей безотказности, работоспособности и комплексных показателей. Метод ССН позволяет рассматривать надежность системы в статике. Для построения динамической модели применяется метод динамического дерева отказов (ДДО).
Моделирование системы управления СОТР ТГК «Прогресс»
В состав системы управления (СУ) СОТР ТГК «Прогресс» входят следующие каналы управления (КУ): регулятором расхода жидкости (РРЖ); электронасосным агрегатом ЭНА и газожидкостным агрегатом приборного отсека (ГЖА НПО); вентиляторами приборного отсека (ВПО) и газожидкостным агрегатом бытового отсека (ГЖА БО); жидкостным нагревателем (ЖЭН); вентилятором воздуховода и электронагревателем (ВН). Моделирование отказов СУ СОТР ТГК «Прогресс» проводилось с использованием графического редактора модуля ДО ПК Relex. Возможность построения динамических моделей надежности с помощью ДДО обеспечивается введением в них четырех специальных вершин: «приоритетное И»: PAND (Priority AND Gate), «принудительная последовательность»: SEQ (Sequence
Enforcing Gate), «резервирование»: SPARE (Spare Gate), «функциональной зависимости» FDEP
(Functional Dependency Gate). Список вершин и событий модуля ДО ПК Relex приведен в таблице 1. Некоторые примеры построения ДДО с использованием модуля ДО ПК Relex приведены в работе [3].
таблица 1 - Список вершин и событий модуля ДО ПК Relex
5
вершина (пиктограмма Relex) название описание модель дерева отказов
ф AND логическое И монотонная (когерентная)
L OR логическое ИЛИ монотонная (когерентная)
NAND логическое И-НЕ
т NOR логическое ИЛИ-НЕ
X NOT логическое НЕ немонотонная (некогерентная)
, А , 1 М:2:3 | VOTING(m/n) m/n голосование (мажоритарный выбор)
INHIBIT логическое И с запрещающим входом (ингибиторное И)
4 XOR исключающее ИЛИ немонотонная (некогерентная)
ж PAND (Priority AND ) приоритетное И (динамический оператор) динамическая
♦ FDEP (Functional Dependency Gate) функциональная зависимость (динамический оператор) динамическая
SPARE резервирование учитывает состояние резерва, в частности, нагруженности (динамический оператор) динамическая
i SEQ (Sequence Enforcing Gate) принудительная последовательность, учитывает последовательность возникновения событий (динамический оператор) динамическая
Логика работы функционального блока системы определена в программе-методике испытаний системы и принципиальной схеме системы. Тип отказа функционального элемента моделируется динамическим оператором. На рисунках 12-14 приводятся некоторые результаты моделирования ДДО СУ СОТР ТГК «Прогресс». На рисунке 12 приведено ДО блока УКН-85. Назначение элемента: коммутация питания на секции электронагревателя ЖЭН в зависимости от температуры теплоносителя в зоне установки ДТЖ. Тип резервирования: нагруженный, схема голосования «2 из 3-х». Последствия отказа для системы: 1-й отказ - потеря резервирования; 2-й отказ - потеря автоматического управления ЖЭН. Переход М:2:3 моделирует схему мажоритарного голосования.
6
Рис. 12 Дерево отказов блока УКН-85
На рисунке 13 приведено ДДО КУ ЖЭН. Отказом КУ ЖЭН является отказ одного из трех элементов канала, включающего: исполнительный орган ЖЭН, усилитель-коммутатор УКН-85, термометр ДТЖ. ЖЭН состоит из трех секций, подключаемых по схеме голосования «2 из 3-х».
Рис. 13 Динамическое дерево отказов канала управления ЖЭН
На рисунке 14 приведено ДДО КУ ЭНА. Первая динамическая вершина SEQ моделирует отказ БАП-01. Назначение элемента: автоматическое отключение основного ЭНА при его отказе и включение резервного, контроль работоспособности ЭНА в полете и на земле. Тип резервирования: ненагруженное дублирование. Последствия отказа для системы: 1 отказ (канал управления основным ЭНА) - снижение уровня резервирования, переход на резервный канал; 2-й отказ (канал управления резервным ЭНА) - отказ СТР ТГК. Вторая динамическая вершина SEQ моделирует отказ ЭНА - сменную панель агрегатов. Назначение элемента: обеспечение циркуляции теплоносителя в контуре СТР. Тип резервирования: внутреннее дублирование (два ЭНА); ненагруженное резервирование (на борту имеются резервные панели). 1 отказ - переход на резервный ЭНА; 2-й отказ - отказ СОТР на этапе автономного полета. Третья динамическая вершина SEQ моделирует нештатную ситуацию (из последовательности двух расчетных событий).
7
Рис. 14 Динамическое дерево отказов канала управления ЭНА Заключение
Данные моделирования с помощью ССН и ДДО предлагается использовать для построения инженерной методики программы отказов СОТР КА на этапе КЭИ. При дальнейшем развитии предложенного подхода предлагается использовать метод обзора данных по эксплуатации (FRACAS) [4]. Результаты модуля FRACAS необходимы для объединения данных моделирования и результатов испытаний. Имитация отказа с его контролем по данным телеметрической информации может быть реализована в форматах оперативного отображения [6].
ЛИТЕРАТУРА
1. Сайт Российского Космического Агентства. 2013 [Электронный ресурс]. URL: http://www.federalspace.ru (дата обращения 24.03.2013).
2. Викторова В.С., Степанянц А.С. Динамические деревья отказов // Надежность. 2011. № 3.
С. 20-32.
3. Общие ресурсы PTC: сайт Parametric Technology Corporation.2011 [Электронный ресурс].
URL: http:// www.relex.com (дата обращения 20.08.2012).
4. ГОСТ Р 51901.5-2005 (МЭК 60300-3-1:2003) Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности. М.: Стандартинформ, 2005. 44 c.
5. ГОСТ Р 27.302-2009 (IEC 61025:2006, NEQ) Надежность в технике. Анализ дерева неисправностей. М.: Стандартинформ, 2011. 22 c.
6. Белова В.В. Оперативный контроль телеметрических параметров системы теплового режима транспортных грузовых и пилотируемых кораблей на этапе комплексных электрических испытаний // Вестник ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина». 2012. № 1. C. 50-58.
8
