Методы обеспечения надежности бортовой аппаратуры космических аппаратов длительного функционирования

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОТРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ

СЛУЖЕБНЫХ СИСТЕМ

УДК 629.78.051.017.1

В. Е. Патраев, Ю. В. Максимов

Научно-производственное объединение прикладной механики им. акад. М. Ф. Решетнёва

Железногорск

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ БОРТОВОЙ АППАРАТУРЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ДЛИТЕЛЬНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Рассмотрен комплекс методов поэтапного обеспечения надежности бортовой аппаратуры космических аппаратов длительного функционирования на этапах проектирования, наземной экспериментальной отработки, летных испытаний и штатной эксплуатации.

Введение. Срок активного существования (САС) космических аппаратов (КА), входящих в состав современных космических систем и комплексов — 10—15 лет. Это позволяет существенно сократить количество запусков КА для развертывания и поддержания орбитальных группировок.

Важным показателем надежности КА является безотказность функционирования. В рамках современных стандартов бортовая аппаратура (БА) для данных КА должна удовлетворять следующему требованию: „высокая надежность при минимальных массе, габаритах и стоимости". Отечественные стандарты, регламентирующие вопросы обеспечения надежности КА, и отчасти научная и производственная базы, в настоящее время слабо ориентированы на КА с САС, составляющим 10—15 лет. Поэтому разработка научно-технических основ, стандартизация передового опыта, обоснование новых и совершенствование действующей систем (и методов) обеспечения надежности БА на различных этапах жизненного цикла КА (проектирование, разработка рабочей документации, наземная отработка опытных образцов, летные испытания и эксплуатация) приобретают актуальное значение.

В настоящей статье обобщен опыт работы НПО ПМ по созданию КА с САС 10—15 лет, а также проанализированы результаты разработок, полученные в рамках международного сотрудничества.

Этапы проектирования и разработки. Проектирование аппаратуры космических систем начинается с формирования технических заданий (ТЗ) на разработку.

Вероятность безотказной работы (ВБР) бортовых систем в течение срока эксплуатации по целевому назначению должна соответствовать „нормативному бюджету надежности" КА (см. таблицу, где номенклатуру и значения требуемых показателей надежности отразим на примере разрабатываемых КА связи со сроком активного существования 15 лет).

Элементы бортовой системы ВБР*, не менее

Полезная нагрузка (ретранслятор) 0,91

Бортовой комплекс управления 0,958

Система ориентации и стабилизации 0,951

Система электропитания 0,962

Система коррекции 0,930

Система терморегулирования 0,992

Механические устройства солнечной батареи 0,9998

Механические устройства антенн 0,9999

Платформа в целом 0,8

КА в целом 0,72

*на конец САС 15,25 года.

БА должна проектироваться с необходимым уровнем резервирования, обеспечивающим требуемую ВБР, при этом любой единичный отказ элемента или соединительной цепи или несанкционированная выдача любой последовательности команд не должны приводить к отказу БА и КА.

Показатель отказа БА — невыполнение (при использовании всех резервных комплектов, блоков, цепей) каких-либо функций из приведенных в ТЗ.

Требования к долговечности КА следующие: САС КА должен составлять не менее 15,25 лет, из них:

— испытания и приемка на орбите — 0,25 года (2160 ч);

— эксплуатация по целевому назначению (эксплуатационный САС) — 15 лет (131 490 ч).

Требования к долговечности (ресурсу) БА приводятся в ТЗ и включают требования к ресурсу БА в дежурном или сеансном режиме функционирования с указанием ресурса работы (для дежурного режима запас — 10 %) с учетом количества включений (для сеансного режима) при эксплуатации по целевому назначению в течение САС КА и проведения испытаний на заводе-изготовителе, при регламентных работах и на техническом комплексе.

БА должна соответствовать требуемым техническим и эксплуатационным характеристикам („сохранять" их) в течение 18,75 лет с момента приемки и обеспечивать:

— срок „сохраняемости" (3,5 года), включающий производственный цикл изготовления КА (1,5 года) и хранение принятого КА (в течение 2 лет);

— ресурс на все виды испытаний оборудования в течение его срока „сохраняемости" — 4380 ч;

— САС в составе КА по целевому назначению — 15,25 лет.

Необходимые показатели надежности в условиях минимума затрат на создание аппаратуры обеспечивают:

— разработка и реализация требований к качеству комплектующих электрорадиоизде-лий (ЭРИ);

— применение перспективных с точки зрения современной методологии анализа и гарантии надежности БА проектных решений.

Обеспечить качество применяемых партий ЭРИ возможно путем их отбора для предстоящего использования с помощью испытаний, проводимых в испытательных технических центрах (ИТЦ) в целях снижения интенсивности отказов за счет исключения изделий со скрытыми дефектами [1].

Для обеспечения надежности БА проводятся функциональный анализ, анализ (расчет) надежности, видов последствий и критичности отказов, анализ худшего случая, анализ электрических и тепловых нагрузок комплектующих и мер по снижению этих нагрузок, ресурса и сохраняемости; анализ безопасности [2].

По результатам исследований разрабатывается программа контроля критичных элементов.

На этапах проектирования возможно заложить, обосновать и оценить будущую надежность БА, поэтому на этих этапах особое внимание уделяется моделям подтверждения требуемой безотказности БА.

БА КА длительного функционирования относится к сложным системам, обладающим структурной избыточностью. Для таких систем можно использовать двоичную переменную для состояния БА [3]:

il, если аппаратура (система) сохраняет работоспособность

S (ТБА ) = j в течение ^ба ;

[0 — в противоположном случае.

Здесь Тба — срок службы бортовой аппаратуры.

Основной показатель надежности БА — безотказность в течение требуемого САС. При анализе вероятности безотказной работы конкретной БА рассматривают структурные схемы надежности (ССН), образованные из конечного набора последовательных и параллельных ССН определенного типа. Таким образом, характер БА с параллельными структурами определяется способом и схемой включения резерва.

Для схем с нагруженным резервом функция ВБР бортовой аппаратуры имеет вид

Р(Тба; 0) = 1-P{maxN(X(1), X(2), ..., X(N))<Тба; в), где N — количество параллельных элементов в бортовой аппаратуре; — случайная величина срока службы j-го элемента (цепи) бортовой аппаратуры j = 1, 2, ..., N); max N (X(1), X(2), ..., X(N)) — функция надежности, соответствующая максимальному значению из N величин; 0 — параметрический вектор (набор параметров, определяющий вид

распределения времени безотказной работы).

Для БА, в которой применяется резервирование замещением, общая функция ВБР при абсолютной надежности работы переключателей и индикатора отказов принимает вид

Р(Тба ; в) = Р jl X( j) > ТБА ; в|

Комплекс вариантов соединения элементов в ССН БА включает различные виды последовательного и параллельного соединения элементов (цепей) БА. Наибольшее распространение получили математические модели расчета надежности БА и ее электронных комплектующих (функциональных устройств, блоков, цепей), которые могут находиться в активном режиме или в пассивном (ненагруженном) состоянии. При этом применяется экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы.

Для расчета надежности P(t) БА с такими комплектующими можно использовать следующие соотношения:

— нерезервированный блок или последовательная цепь элементов

p(t)=^;

— резервированный по схеме m/n „блок со всеми блоками в активном (нагруженном) режиме"

P(t) = IC (1-^ ) ( );

г=1

— резервированный по схеме m/n „блок c наличием блоков в ненагруженном режиме"

РЦ) = в~ти

п—т (1-е хр ) ¿-1 ( х Л

п

¿=1 1 • }=0

]+т

Х хр 1

где I — время работы блока; X — интенсивность отказов в активном режиме; X хр — интенсивность отказов блока в режиме хранения (Xхр = X /10); п — количество одинаковых параллельных блоков; т — количество работающих блоков, определяющих работоспособность схемы, и тех, которые зарезервированы остальными п - т блоками.

Применение высоконадежных ЭРИ позволяет использовать понижающие коэффициенты для базовых значений интенсивности отказов ЭРИ, комплектующих БА [4]. Один из подходов количественной оценки понижающего коэффициента Китц, уточняющего значение

эксплуатационной интенсивности отказов Хэ ЭРИ при проведении предварительных испытаний перед установкой в БА, предложен в работах [5, 6].

Этапы наземной экспериментальной отработки. Наземная экспериментальная отработка (НЭО) БА и КА должна обеспечивать отработку и верификацию заданных в ТЗ требований к техническим характеристикам и надежности в условиях, близких к эксплуатационным. Методика отработки предполагает:

— ужесточенные режимы отработки и приемки;

— строгую последовательность при отработке (от простого к сложному) уровней элементов КА: оборудование (узлы, агрегаты, бортовая аппаратура) ^ бортовая система ^ КА (платформа и модуль полезной нагрузки), а также этапность отработки (автономные, комплексные, предварительные, межведомственные, летные испытания);

— ступенчатость норм отработки и испытаний (под ступенчатостью норм обработки понимается следующее: чем выше уровень отработки, тем ниже квалификационные запасы для норм дестабилизирующих факторов, применяемых при отработке (температура, количество термоциклов, продолжительность испытаний, механические воздействия и др.). Таким образом, максимальным нормам и режимам отработки по воздействующим факторам подвергается оборудование КА).

В соответствии с комплексными программами экспериментальной отработки (КПЭО) на уровне автономной отработки БА проходит следующие виды испытаний:

— лабораторно-отработочные (ЛОИ);

— конструкторско-доводочные (КДИ);

— предварительные (ПрИ);

— испытания на специальные воздействия (при необходимости);

— ресурсные (при необходимости).

Требования к нормам испытаний. Тестируемый комплект БА КА разработки НПО ПМ с САС 10—15 лет подвергают отработочным и предварительным испытаниям на внешние воздействия:

— механические (режимы в соответствии с ТЗ);

— температурные (термовакуумные), в том числе циклические, в расширенном на ±10 оС относительно эксплуатационного диапазоне температур, количество термоциклов не менее 20, из них не менее 4 в вакууме;

— трехкратное воздействие холодного старта (при минимальной отрицательной температуре с запасом 10 °С);

— уменьшение давления для БА с напряжением 100 В и более, при этом холодный старт и спад давления могут совмещаться с температурными (термовакуумными) испытаниями.

В дальнейшем штатные комплекты БА в процессе изготовления и приемки подвергают-

ся следующим видам испытаний:

— электротермотренировке длительностью не менее 300 ч, включая 10 термоциклов в диапазоне температур, расширенном на ±10 °С;

— механическим воздействиям (режимы в соответствии с ТУ);

— температурным (термовакуумным) воздействиям в расширенном на ±5 оС температурном диапазоне;

— на спад давления для БА с напряжением 100 В и более (на этапе приемосдаточных испытаний для первого штатного комплекта БА, последующие штатные комплекты испытывают при необходимости исходя из условий доработок);

— однократным на холодный старт (при минимальной отрицательной температуре с запасом 5 °С);

— на подтверждение безотказной работы БА во включенном состоянии в течение последних 100 ч работы.

В целом наземная отработка БА представляет собой процесс с обратными связями на каждом уровне, направленными на обеспечение текущей эффективности отработки БА по результатам всех видов испытаний на всех уровнях отработки [7]. Структурная схема процесса разработки КА и его составных частей с учетом этапности отработки и применяемых моделей для нее приведена на рисунке.

Современные КА с заданными показателями качества, в том числе надежности, создают в сжатые, определенные контрактом, сроки с минимальными финансовыми затратами, поэтому необходимо постоянно оптимизировать объемы наземной отработки. К реальным вариантам оптимизации можно отнести:

— минимизацию затрат на объем НЭО (V) КА и БА ( Су = min Су ) при заданных пока-

зателях качества A и сроках отработки T ( Тнэо < Т^, А = Адоп );

— минимизацию срока НЭО КА и БА ( Тнэо = min Т ) при заданных стоимости отработки

и показателях качества (Су < Судоп, А = Адоп).

В НПО ПМ реализуются перспективные подходы к оптимизации объемов отработки КА и БА [8, 9] с использованием таких направлений оптимизации, как:

— сокращение номенклатуры изготавливаемой материальной части аппаратуры для отработки БА и составных элементов за счет комплексирования различных видов испытаний на одной материальной части;

— снижение стоимости работ за счет замены физических отработочных моделей БА программными моделями и использования оборудования и программного обеспечения, разработанных в рамках различных проектов (межпроектная унификация);

— снижение стоимости и сроков разработки за счет сокращения этапов автономной отработки БА (например, этапа ЛОИ БА, специальных и ресурсных испытаний БА, если это подтверждено расчетами);

— совмещение части отработочных испытаний с контрольными испытаниями штатных образцов;

— оптимизация этапов разработки и производства (исключение малоинформативных видов испытаний на основе оценки особенностей конструктивного исполнения БА; совмещение видов испытаний, имеющих близкие характеристики результатов воздействия на БА или дающих при совмещении более высокую информативность результатов; исключение дублирующих испытаний — выявляющих одни и те же свойства БА при различных видах воздействия; замена испытаний аппаратуры в целом испытаниями ее составных частей, фрагментов или макетов; сокращение продолжительности испытаний (оптимизация времени воздействия),

в том числе с применением ускоренных методов; эквивалентная замена одного вида испытаний другим; замена категорий испытаний: квалификационных, периодических, типовых — отбраковочными).

Критерий обоснованности любой оптимизации — сравнительная оценка исходных и оптимизированных показателей. В [10] предложен подход к количественной оценке эффективности оптимизации отработки БА как оценке и обеспечению текущей эффективности наземной отработки БА по результатам всех видов испытаний на всех уровнях отработки, основанной на сравнении ее с базовым или допустимым уровнем эффективности.

Надежность БА в процессе заводских испытаний и при эксплуатации характеризуется выявленными отказами, относящимися к различным признакам деления. Виды отказов БА подразделяются на конструктивные, производственные, эксплуатационные, отказы ЭРИ.

Показатель безотказности типа БА по любому виду отказов можно оценить по модели, отражающей структуру заводских испытаний БА, а также по количеству отказов вследствие конкретной причины возникновения (кроме эксплуатационных) на этапах заводских испытаний.

Заводские испытания БА и их комплектующих включают:

— входной контроль и дополнительные испытания партий ЭРИ в ИТЦ;

— первое включение БА после изготовления и регулировку;

— электротермотренировку;

— предъявительские испытания;

— приемосдаточные испытания;

— ресурсные, типовые, периодические (при необходимости);

— испытания в составе бортовых систем;

— испытания в составе КА (расстыкованного и состыкованного).

Для определения безотказности по отказам ЭРИ в число испытаний дополнительно включают результаты входного контроля и дополнительных испытаний ЭРИ в ИТЦ (отбраковочные, диагностический неразрушающий контроль, выборочный разрушающий физический анализ).

Общая функция надежности БА по результатам наземной отработки для случайных величин дискретного типа (т.е. количества отказов БА вследствие различных причин на различных этапах испытаний) имеет вид

г

РБА = П ¥г (К, М, , «ИТЦ, пу , Р/, Р*ИТЦ ) , /=1

где // — функция безотказности по /-му виду причины отказа; К — количество изготовлен*

ных БА определенного типа; М — количество видов заводских испытаний БА; Ыо — объемы исходных партий ЭРИ определенных типов, поступивших на входной контроль в ИТЦ

*

(для отказов ЭРИ); п^щ — количество дефектных и потенциально ненадежных ЭРИ кон*

кретной партии, отбракованных в ИТЦ (для отказов ЭРИ); Ритц — эффективность испытаний партий ЭРИ в ИТЦ (для отказов ЭРИ); пу — количество отказов БА по /-му виду причины на у'-м виде испытаний; ру1 — эффективность у'-го вида испытаний по /-му виду отказа;

г — количество видов причин отказов (конструктивные, производственные).

Методы определения общей надежности БА и доверительных интервалов для случая независимых испытаний и отказов БА по разным причинам возникновения предложены в работе [11].

Этапы летных испытаний и штатной эксплуатации. Общий процесс верификации требуемых характеристик БА и КА включает летные испытания и проверку БА в процессе приемки КА на орбите. При этом должны обеспечиваться успешность летных проверок на соответствие характеристик БА требованиям ТЗ и отсутствие конструктивных и производственных отказов и неисправностей, связанных с принципиальными конструкторскими ошибками и недостаточной проработанностью технологии изготовления и испытаний БА. Дополнительно учитываются:

— результаты функционирования БА на орбите (отказы, наработка, перерывы, значения определяющих параметров);

— расчетные и расчетно-экспериментальные оценки надежности БА и ее элементов, полученные на этапах проектирования и уточненные по результатам испытаний и эксплуатации;

— объемы отработочных испытаний (число образцов, наработка, отказы БА);

— виды и режимы отработочных испытаний БА и КА в целом;

— результаты нормальных и ускоренных ресурсных испытаний БА;

— результаты диагностического и прогнозирующего контроля ЭРИ, используемого в БА КА.

Для оценки и прогнозирования показателей надежности БА при летных испытаниях и штатной эксплуатации разработан программно-методический комплекс [12, 13], включающий систему анализируемых и прогнозируемых показателей надежности и технического состояния БА и КА, алгоритмы и методы анализа и прогнозирования их работоспособности при орбитальном полете с использованием параметрических, непараметрических и гибридных моделей обработки разнотипных статистических данных малого объема.

Рассмотренный комплекс методов поэтапного обеспечения надежности БА на различных этапах жизненного цикла реализован при создании КА БЕБАТ, Экспресс-АМ, ГЛОНАСС-К, платформы Экспресс-1000, на которых подтверждена возможность создания аппаратов со сроком активного существования 10—15 лет и показателями безотказности на уровне лучших отечественных и зарубежных образцов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Урличич Ю. М., Данилин Н. С. Управление качеством космической радиоэлектронной аппаратуры в условиях глобальной открытой экономики. М.: Макс ПРЕСС, 2003. 204 с.

2. МУ 154-24-2001. Проведение анализов по обеспечению надежности оборудования, систем и космических аппаратов. Железногорск: НПО ПМ, 2001. 35 с.

3. Патраев В. Е. Модель надежности космического аппарата // САКС-2004. Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. Красноярск: СибГАУ, 2004.

4. Надежность ЭРИ: Справочник. М.: Изд-во 22 ЦНИИ МО, 2002.

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. 2006. № 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. 2008. № 1. С. 37—40.

7. Система менеджмента качества. Этапность наземной экспериментальной отработки изделий предприятия. Виды отработочных и контрольных испытаний. Общие требования. Железногорск: НПО ПМ, 2007. 52 с.

8. РД В 319.02.25-2000. КСКК. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы оптимизации испытаний на этапах разработки и производства.

9. Патраев В. Е., Максимов Ю. В. Оптимизация объемов отработки космических аппаратов со сроком активного существования 10—15 лет // Двойные технологии. 2004. № 3. С. 66—80.

10. Патраев В. Е., Максимов Ю. В. Оценка эффективности оптимизации экспериментальной отработки космических аппаратов навигации и связи // Мат. Всеросс. науч.-техн. конф., посвящ. 40-летию запуска первого КА „Глонасс". Красноярск: СибГАУ, 2007. С. 35—40.

11. Патраев В. Е., Федосов В. В. Оценка надежности бортовой аппаратуры по результатам дополнительных отбраковочных испытаний комплектующих электрорадиоизделий и заводских испытаний бортовой аппаратуры // Авиакосмическое приборостроение. 2006. № 8. С. 46—49.

12. Максимов Ю. В., Патраев В. Е. и др. Технический отчет №510-4951-02 по ОКР „Надежность КА". Железногорск: НПО ПМ, 2002. 163 с.

13. Патраев В. Е., Копелев В. Б. Отчет о НИР „Потеха". Железногорск: НПО ПМ, 2003. 237 с.

Рекомендована Поступила в редакцию

НПО ПМ 12.01.08 г.