Надежность и анализ отказов и аварийных режимов

В двух предыдущих параграфах была обоснована необходимость высокой надежности систем и были описаны различные методы и способы ее повышения. Высокие исполнительные характеристики, надежность, низкая стоимость – это основные требования, предъявляемые к разработке любой системы. Полная надежность системы зависит от надежности входящих в нее элементов, блоков, подсистем. Ниже приведен пример расчета надежности типичного регулятора, а также рассмотрен анализ отказов и аварийных режимов (АОАР) систем электропитания космических летательных аппаратов, предназначенный для идентификации и устранения, если это возможно, единичных отказов. При невозможности устранения единичного отказа основной целью является ограничение его распространения по системе и минимизация его последствий.

5.6.1. Система электроснабжения космического летательного аппарата. Поскольку для иллюстрации анализа надежности и АОАР выбрана система электроснабжения космического аппарата, необходимо дать ее краткое описание, что облегчит понимание АОАР. На рис. 5.14 изображена структурная схема типичной системы электроснабжения спутника, предназначенного для работы на геосинхронной орбите.

 

Рис. 5.14. Схема типичной системы электроснабжения космического летательного аппарата (стабилизированная шина):

СБ – солнечная батарея; ПС – параллельный стабилизатор; РЗ – регулятор заряда; РР – регулятор разряда; АБ – аккумуляторная батарея; СП – самописец; ППН – преобразователи постоянного напряжения; СТТ – система телеметрии

и телеуправления; СКПО – система контроля положения и орбиты

Системы такого типа известны как нерассеивающие системы со стабилизированной шиной. Общий блок управления контролирует силовые каскады параллельного стабилизатора и регуляторы заряда-разряда. Регулятор заряда, в частности, поддерживает напряжение на шине на заданном фиксированном уровне и контролирует процесс заряда аккумуляторной батареи.

Когда батарея полностью заряжена, включается параллельный стабилизатор, а регулятор заряда переводится в режим компенсационного подзаряда аккумулятора. Теперь стабилизация напряжения на шине осуществляется параллельным стабилизатором. На теневом участке орбиты регулятор разряда батареи, являющийся преобразователем повышающего типа, увеличивает напряжение на батарее до напряжения на шине и стабилизирует его на этом уровне.

Некоторые потребители могут питаться непосредственно от стабилизированной шины, а для ряда систем, а именно системы телеметрии и телеуправления, системы контроля положения и орбиты, системы контроля силовой установки и др., необходимы дополнительные преобразователи постоянного напряжения или инверторы. Некоторые потребители, например самописец, питаются непосредственно от аккумуляторной батареи.

Регулятор заряда. Поскольку для иллюстрации расчета надежности выбран регулятор заряда аккумуляторной батареи, необходимо привести его краткое описание. На рис. 5.15 представлены подробная схема регулятора заряда и управляемая им часть системы электроснабжения.

 

 

Рис. 5.15. Схема регулятора заряда:

ПКСУК – предварительный каскад схемы управления ключом; ОУ – операционный усилитель; Н – нагрузка

Регулирование осуществляется путем сравнения части напряжения на шине со стабильным опорным напряжением. Усилитель рассогласования усиливает разность этих сигналов, корректирует ее и через аттенюатор подает на широтно-импульсный модулятор.

Модулятор синхронизируется с частотой тактовых сигналов, а длительность его выходных сигналов пропорциональна усиленному и скомпенсированному сигналу рассогласования и ограничивается аттенюатором. Эти сигналы используются для отпирания-запирания ключа Q.

Зарядный ток батареи регулируется таким образом, что напряжение на шине поддерживается на постоянном уровне U ₀. Когда ключ Q отперт, в дросселе L запасается энергия, обеспечивающая протекание непрерывного тока в батарею при запертом ключе.

Расчет надежности регулятора заряда. Для определения надежности регулятора заряда необходимо провести анализ надежности. Примем следующие допущения:

а) все элементы схемы одинаково важны для выполнения ею своих функций;

б) влияние отказа одного элемента на другие элементы схемы не рассматривается. Параметры элементов, используемые при расчетах, приведены в табл. 5.1.

Надежность определяется по формуле где е – основание натурального логарифма; λ – интенсивность отказов; t – время в часах.

Для расчета надежности примем время работы один год. Расчет будем проводить стандартными методами.

Для последовательного соединения элементов

R _ПС = R ₁ R ₂ R ₃… R_n,

а для параллельного соединения

R _ПР = 1 – (1 – R ₁) (1 – R ₂) (1 – R ₃) … (1 – R_n),

где R ₁, R ₂,… R_n – собственные надежности используемых элементов (схем) блоков, включенных последовательно или параллельно.

В табл. 5.2 приведены исходные данные для расчета, а также итоговое расчетное значение надежности регулятора заряда за один год. Коэффициенты качества и интенсивности отказов различных элементов взяты из табл. 5.1.

Таблица 5.1

Интенсивности отказов элементов, используемых в регуляторе заряда

 

Элемент	Технология	Тип	Обозначение по MIL-SPEC	Коэффициент качества	λ
Маломощный резистор     Конденсаторы неполярный     полярный   Полупроводниковые приборы: транзистор диод стабилитрон интегральная микросхема   Дроссель	Композицион. Пленочный   Слюдяной с посеребрянными обкладками Тантоловый     Кремниевый Кремниевый - -   -	RCR RNR   CMR CSR     n-p-n - - -   -	MIL-R-39008 MIL-R-55182   MIL-C-39001 MIL-C-39003     MIL-S-19500 MIL-S-19500 MIL-S-19500 MIL-M-38510   -	S = 0.01 S = 0.01   S = 0.01 S = 0.01     JANTXV=0.1 JANTXV=0.1 JANTXV=0.2 JAN(класс А)*   -	0.45 2.80   0.30 11.0     28.0 12.0 17.0 12.0   7.50

 

* JAN=1.0; JAN (класс А)=0.5; JAN (класс B)=1.0

 

 

 

Таблица 5.2

Расчет надежности регулятора заряда

 

Элементы	Интенсивн. отказов	Коэффициент снижения	Коэффициент элементов	Эффективн. интенсивн. отказов
Резисторы: композиционный – 1 тип – 2 тип пленочный – 1 тип – 2 тип Конденсаторы: тантоловый слюдяной с посеребрянными обкладками   Полупроводниковые приборы: диод стабилитрон кремниевый n-p-n транзистор микросхема (ОУ) микросхема (предкаскад)   Дроссель   Полная интенсивность отказов	0,0045 0,0280 0,0280 0,0280   0,1100   0,0030     1,2000 1,7000 2,8000 6,0000 6,0000   7,5000   -	0,20 0,10 0,20 0,50   0,30   0,25     0,50 0,20 0,40 0,60 0,75   0,60   -	-	0,001800 0,002800 0,028000 0,014000   0,066000   0,002250     0,600000 0,340000 1,120000 7,200000 4,500000   4,500000   18,374850·10 -9 1/ч

 

Примечание. Надежность R = e^{(-18,,37485·10-9) (8760)} = 0,999839.

 

Интенсивность отказов в табл. 5.2 приведена с учетом коэффициентов качества. Коэффициент снижения равен отношению прикладываемого электрического воздействия на элемент к максимально допустимому воздействию. Каждая цифра из пятой колонки таблицы является произведением соответствующих ей значений из второй, третьей и четвертой колонок.

 

5.6.2. Анализ отказов и аварийных режимов (АОАР). Как уже отмечалось, главной целью АОАР является идентификация критичных одиночных отказов. Однако если такой отказ не может быть устранен, то необходимо уменьшить возможность его распространения и минимизировать его последствия.

Критичными одиночными отказами являются отказы, которые делают систему электроснабжения неспособной питать некоторые критичные бортовые подсистемы.

Для выполнения поставленной задачи космическому аппарату необходимы все его подсистемы. Не исключены случаи, когда некоторая часть бортового оборудования может выйти из строя без заметного влияния на систему в целом и на решение задачи, выполняемой космическим аппаратом.

Анализ отказов выполняется на уровне подсистем и блоков, и по каждому блоку проводится анализ всех возможных отказов и аварийных режимов. Конструктивные и пассивные элементы, такие как шины питания, соединительные провода и др., не включаются в анализ. Основными отказами и аварийными режимами являются обрыв, короткое замыкание и деградации.

В табл. 5.3 представлены данные АОАР применительно к космическим летательным аппаратам. Из таблицы видно, что для предотвращения единичных отказов параллельного стабилизатора и регуляторов заряда-разряда необходимо прибегать к резервированию.

Аккумуляторная батарея должна иметь отводные («байпасные») схемы, защищающие от обрыва накопительных элементов, и рассчитываться с запасом емкости для предотвращения влияния КЗ элементов. Самописец, подключенный непосредственно к аккумуляторной батарее, следует также подключить к стабилизированной шине.

Таблица 5.3

Анализ отказов и аварийных режимов системы электроснабжения космических летательных аппаратов

 

Подсистема/блок	Отказ	Влияние отказа на работу систем
Секция солнечной батареи     Параллельный стабилизатор     Регулятор заряда   Регулятор разряда     Аккумуляторная батарея     Преобразователь постоянного напряжения	Обрыв   Короткое замыкание Обрыв   Короткое замыкание   Обрыв или деградация   Короткое замыкание   Обрыв   Короткое замыкание     Обрыв   Короткое замыкание     Обрыв Короткое замыкание	Поскольку солнечная батарея состоит из секций, включенных через разделительные диоды, обрыв одной секции снижает выходной ток батареи на 1/ n -ю часть Аналогично случаю обрыва Напряжение на шине не стабилизируется. Для потребителей, подключенных к шине непосредственно, изменение напряжения на шине, которое теперь становится равным напряжению на солнечной батарее, неприемлемо Короткое замыкание солнечной батареи, сгорают предохранители многих элементов. Напряжение на шине не стабилизируется Аккумуляторная батарея не может зарядится. Эффект аналогичен отсутствию батареи Напряжение фиксируется на уровне аккумулятора. Заряд батареи не контролируется. Пока батарея заряжается, потребители не работают Аккумуляторная батарея не может разряжаться, потребители не работают в условиях тени Напряжение на батарее не может повыситься до уровня напряжения на шине, и напряжение на шине фиксируется на уровне напряжения на аккумуляторе. Батарея не отключается Невозможна работа самописца. Невозможно функционирование космического корабля в условиях тени Энергия уходит в «землю». Батарею необходимо отключить. Невозможна работа самописца. Невозможно функционирование космического корабля в условиях тени Автоматический переход на резервный блок Автоматический переход на резервный блок