Часть II

Содержание работ по обеспечению гарантии безотказности РКТ.

Требования, предъявляемые к надежности РКТ, могут быть обеспечены путем проведения полного цикла экспериментальной отработки (ЭО).

В общем случае отработку изделия можно представить как процесс обнаружения неисправностей и их устранения. Он продолжается до тех пор, пока не будут удовлетворены требования, предъявляемые к надежности.

При рассмотрении характера изменения надежности в процессе ЭО ЛА необходимо различать реальный уровень и оценку надежности данного изделия на конкретном этапе отработки. Реальная надежность на всех этапах разработки изделия имеет тенденцию к возрастанию, за исключением случаев внесения отдельных ошибок при доработке. Примерный характер изменения реальной надежности представлен на рис.4.

 

 

 

Возрастание надежности на этапе проектирования объясняется уточнением проектно-конструкторской документации по мере углубления и уточнения проектных расчетов. На этапах экспериментальной отработки рост надежности объясняется устранением неисправностей, выявляемых в процессе испытаний. Формально процесс повышается надежности в процессе экспериментальной отработки можно описать с помощью диаграммы Венна. С этой целью представим совокупность источников отказа, содержащихся в устройстве перед началом экспериментальной отработки, в виде множества Ε (рис. 2.2). Полное множество источников отказа Е подразделяется на отдельные подмножества, соответствующие различным этапам отработки. Подмножество е₁ содержит источники отказа, отрабатываемые на этапе наземных автономных испытаний (НАИ). На этапе автономных испытаний оценивается работоспособность отдельных элементов, узлов, агрегатов и систем, входящих в состав изделия. При этом основной упор делается на выявление потенциальных возможностей устройства и слабых мест проекта. Это позволяет уже на ранних этапах отработки прогнозировать пути совершенствования изделия. Для оценки потенциальных возможностей систем испытания проводят при более тяжелых по сравнению со штатными режимами функционирования изделия. Эти испытания дают представление о ресурсах конкретных систем. К ним относятся разрушающие испытания отсеков конструкции аппарата, граничные испытания элементов в системе управления, испытания на определенные области работоспособности двигательных установок и другие. Подмножество е₂ соответствует источникам отказа, отрабатываемым в процессе наземных комплексных испытаний (НКИ). Наземные комплексные испытания проводят с целью проверки совместного функционирования опытных образцов, уже прошедших автономную отработку. Укрупненный перечень мероприятий, проводимых на отдельных этапах испытаний, представлен на рис. 2.3

Подмножество е₃ соответствует этапу летно-конструкторских испытаний (ЛКИ), в процессе которых контролируют работоспособность всех систем в реальных условиях функционирования.

Наземные комплексные испытания в составе ступени с запуска ДУ

При рассмотренном подходе вероятность безотказной работы изделия, характеризующая его реальную надежность, будет равна Н^р = 1 - Q^р, (2.1)

где Q^р = Р{Е} = Р{е₁Uе₂Uе₃}.

По мере проведения автономных испытаний происходит устранение источников отказа путем проведения доработок, и множество сужается до размера е_1К, определяемого количеством источников отказа, не устраненных на этапе автономной отработки.

Таким образом после завершения автономных испытаний в изделии будут содержаться только источники отказа, соответствующие множествам е_1К,е₂ и е₃ . Уменьшение числа неисправностей приведет к изменению реального уровня надежности изделия, который можно представить в виде

Н^р_НАИ = 1 - Р{е_1КUе₂Uе₃}. (2.2)

Проводя аналогичные рассуждения для этапов НКИ и ЛКИ, получим выражения для оценки реального уровня надежности после завершения комплексных Н^р_НКИ и летных Н^р_ЛКИ испытаний:

Н^р_НКИ = 1 - Р{е_1КUе_2КUе₃}, (2.3 )

Н^р_ЛКИ = 1 - Р{е_1КUе_2КUе_3К}, (2.4)

где е_2К ,е_3К – множества источников отказа, оставшихся не устраненными соответственно после наземных комплексных и летных испытаний.

Несколько другой характер имеет изменение оценки надежности на отдельных этапах ЭО изделия (рис. 2.4). Вид кривой объясняется особенностями получения оценок надежности на рассматриваемых этапах. Проектная оценка надежности рассчитывается на основе информации, соответствующей конкретному этапу проектирования. По мере конкретизации проектных разработок уточняются исходные данные и расчетные модели, функциональные и структурные схемы агрегатов и систем, что приводит к повышению оценки проектной надежности. Однако в процессе проектирования невозможно предусмотреть все факторы, приводящие к отказу изделия. Фактически проектный уровень Н_ПР , достигаемый при проектировании, характеризует надежность изделия при условии отсутствия источников отказа, задаваемых множеством Ε. Поэтому проектная оценка надежности достаточно высока. Однако уже при автономных испытаниях начинают проявляться отказы, задаваемые множеством е₁. Это приводит к скачкообразному падению оценки надежности на величину ΔН_НАИ (см. рис.2.4). При этом начальная надежность Н_НАИ.Н характеризует вероятность безотказной работы на этапе автономных испытаний при условии отсутствия неисправностей на этапе комплексных и летных испытаний, т.е.

 

Н_НАИ.Н = 1 - Р{е₁}. (2.5)

По мере устранения неисправностей оценка надежности будет расти до некоторой величины, соответствующей моменту окончания НАИ, а именно:

Н_НАИ.К = 1 - Р{е_1К}. (2.6)

Таким образом оценка Н_НАИ.К характеризует надежность изделия, достигаемую после завершения автономной отработки при условии отсутствия неисправностей на этапах НКИ и ЛКИ.

При переходе к комплексной отработке оценка надежности снова падает на величину ΔН_НКИ ввиду появления новых источников отказа, обусловленных совместной работой опытных образцов в стендовых условиях. Очевидно, оценки начального и конечного уровней надежности, соответствующие комплексным испытаниям, будут равны

Н_НКИ.Н = 1 - Р{е₂}, Н_НКИ.К = 1 - Р{е_2К} (2.7)

На этапе летных испытаний характер измерения оценки надежности повторяется. При этом скачок надежности ΔН_ЛКИ будет определяться отличием реальных режимов функционирования систем ТА в полете от стендовых условий. Соответственно оценки начального и конечного уровней надежности примут вид

Н_ЛКИ.Н = 1 - Р{е₃}, Н_ЛКИ.К = 1 - Р{е_3К} (2.8)

Проведенный анализ показывает, что экспериментальная отработка аппаратов укрупнено подразделяется на ряд этапов, включающих наземные автономные испытания, наземные комплексные испытания и летно-конструкторские испытания.

Конкретные особенности проведения экспериментальной отработки, определяются комплексной программой экспериментальной отработки (КПЭО). Разработка КПЭО предполагает обоснование рациональной стратегии экспериментальной отработки, объемов испытаний, состава и характеристик необходимой экспериментальной базы. Основной задачей экспериментальной отработки является обеспечение требований к показателям надежности ЛА. Обеспечение надежности связано с реализацией многочисленных организационных и технических мероприятий, предусматриваемых программой обеспечения надежности (ПОН). Эта программа определяет перечень работ, проводимых на всех стадиях жизненного цикла системы для достижения требуемого уровня надежности.

В программу включаются следующие типовые мероприятия:

Этап: Проектирование.

1. Разработка и согласование требований по надежности.

2. Исследование надежности методом математического моделирования, обоснование видов резервирования, нормирование надежности.

3. Составление перечня возможных отказов и определение критических элементов.

4. Анализ данных по надежности аналогов и обоснование возможности выполнение требований к надежности.

5. Разработка проекта методики оценки надежности и обоснование объема испытаний.

Этап: Разработка рабочей документации.

1. Экспертиза программ испытаний в части соблюдения требований по надежности.

2. Экспертиза и согласование частных программ обеспечения надежности.

3. Организация и проведение защиты конструкторской документации на надежность.

4. Уточненный анализ возможных отказов и выпуск перечня критических элементов.

Этап: Автономные и комплексные испытания.

1. Анализ результатов испытаний.

2. Работа по устранению причин отказов и дефектов при испытаниях и изготовлении.

3. Контроль выполнения мероприятий ПОН.

4. Проведение оценки надежности по результатам испытаний составных частей.

5. Разработка программы летных испытаний.

6. Разработка методики оценки надежности системы.

7. Выпуск итогового отчета о готовности системы к летным испытаниям с оценкой ее надежности.

Этап: Летные испытания.

1. Анализ результатов испытаний и устранению замечаний и неисправностей.

2. Разработка при необходимости программ повышения надежности, обеспечение и контроль их реализации.

3. Выпуск периодических отчетов по надежности системы.

4. Выпуск отчета о результатах летных испытаний с оценкой надежности и результатов выполнения программ повышения надежности.

2.2. Модель подтверждения надежности по результатам испытаний типа «успех-отказ».

В общем случае отработку можно представить как процесс обнаружения неисправностей и их устранения. Он продолжается до тех пор, пока не будут удовлетворены требования, предъявляемые к надежности изделия. Расчетные соотношения для оценки надежности будут определяться особенностями функционирования объекта испытаний и возможностями измерительных средств. В одних случаях в процессе отработки фиксируется только факт отказа или успешного функционирования изделия, в других – в каждом испытании производят измерение целой группы параметров, характеризующих работоспособность изделия. При проведении испытаний по первой схеме (схеме «отказ-успех») в качестве точечной оценки надежности принимается вероятность безотказного функционирования изделия, рассчитываемая по соотношению

Ĥ = d / k,

где k – общее число испытаний, d – число безотказных испытаний.

Для иллюстрации в табл. 1.1 представлены статистические данные по результатам пусков зарубежных ракет-носителей.

При ограниченных объемах испытаний эта оценка не даст гарантированный результат. В частности при проведении безотказных испытаний (k = d) точечная оценка будет равна 1 для всех k, в том числе и для k = 1. Очевидно, доверие к этой оценке мало. Поэтому для получения гарантированного результата необходимо переходить к интервальным оценкам. Согласно определению доверительного интервала, имеем

Р = { |Ĥ - Н| < ε } = γ (2.9)

При подтверждении надежности нас, в основном, интересует вероятность того, что истинное значение надежности Н будет не ниже некоторого уровня Н_н, то есть

Р = { Н_н < Н} = γ (2.10)

Это соотношение определяет одностороннюю нижнюю границу Н_н. Можно показать, что односторонняя нижняя граница Н_н является корнем уравнения

(2.11)

 

Для упрощения расчетов по соотношениям (2.11) были рассчитаны таблицы [13], позволяющие по заданным значениям d, k и γ определять значения Н_н , являющиеся корнями уравнения (2.11). Фрагмент таблицы представлен ниже.

Значения нижней границы доверительного интервала надежности для

 

Число испытаний k	Число отказов
	0,55	0,34	0,19	0,08	0,01
	0,74	0,61	0,50	0,40	0,30	0,22
	0,82	0,72	0,64	0,56	0,49	0,42	0,40
	0,86	0,78	0,72	0,66	0,60	0,54	0,50	0,44

 

Границы доверительного интервала для некоторых ракет-носителей представлены на рис. 1.3.

Аналитическое решение для Н_н удается получить только в случае безотказных испытаний. Тогда, полагая d = k, из соотношения (2.11) получим

Н^к = 1 – γ.

Отсюда _____

Н_Н = ^к√1 – γ. (2.12)

Эта формула находит широкое применение на практике при подтверждении работоспособности высоконадежных систем, так как в этом случае испытания, как правило, безотказные. Результаты расчета показывают, что для подтверждения высоких уровней надежности Н требуется очень большое число испытаний. Для примера ниже представлены объемы испытаний k и соответствующие им значения нижней границы Н_Н при безотказных испытаниях (γ = 0,95).

 

K				104
НН	0,74	0,97	0,997	0,9997

 

Очевидно, проведение большого количества испытаний для целого ряда уникальных дорогостоящих объектов не представляется возможным. Для указанных систем объем испытаний, как правило, предопределен возможностями технологической базы, стоимостью или сроками отработки. В связи с этим возникает задача подтверждения высоких уровней надежности при малом числе испытаний, рассматриваемая ниже.

Трудность статистического подтверждения высокого уровня надежности изделий при малом числе испытаний заключается в том, что во всех рассмотренных выше случаях в процессе испытаний получаем очень скудную информацию о вероятностных свойствах изучаемого объекта. Действительно, в формулах (2.11), (2.12) используется минимальный объем информации типа «да – нет» и этот недостаток информации, получаемый при каждом испытании, нужно компенсировать увеличением количества самих испытаний. Следовательно, для подтверждения высокого уровня надежности при малом числе реализаций необходимо в каждом испытании получать более полную информацию о вероятностных свойствах объекта. Очевидно для этого необходимо знание самой модели функционирования объекта, исходя из чего можно определить параметры, характеризующие условия его безотказной работы.