CC BY
85
УДК 629.7.017.1 ББК 39.62
МОДЕЛИ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ В РАБОТЕ БОРТОВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ: ЧАСТНЫЙ ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ПРИ ОЦЕНИВАНИИ НАДЕЖНОСТИ ВЫВЕДЕНИЯ НА
ОРБИТУ
1 2 Андриенко А. Я. , Тропова Е. И.
(Учреждение Российской академии наук
Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова
РАН, Москва)
По результатам анализа статистики эксплуатационных замечаний к работе бортовой системы управления (типа СОБИС) ракеты-носителя (РН) «Союз-У» проведено атрибутирование стационарного потока аномалий в действии емкостных уровнемеров, входящих в состав СОБИС. Построена модель возможных нештатных ситуаций при выведении РН, порождаемых этими аномалиями, и проведено оценивание их влияния на надежность выведения РН «Союз-У».
Ключевые слова: бортовые системы управления, эксплуатационные аномалии, надёжность выведения.
1. Введение
Тридцать пять лет назад (18 мая 1973 г.) был произведен первый пуск трехступенчатой ракеты-носителя «Союз-У» (РН 11А511У) среднего класса [2], созданной в Филиале №3
1 Анатолий Яковлевич Андриенко, заведующий лабораторией, доктор технических наук, профессор (vladguc@ipu.rssi.ru).
2 Елена Ивановна Тропова, научный сотрудник (тел. (495) 334-88-71).
ЦКБЭМ1 на базе предыдущих вариантов Р-7А (таких, как РН 11А57 и 11А511). Эта ракета стала самым надежным в мире средством выведения полезных грузов (ПГ) на низкие орбиты, если судить по совокупности двух показателей: частоты успешных пусков (97,5%) и количества длительных (свыше 50 пусков) серий безотказных пусков (восемь серий).
В основе высокой надежности РН «Союз-У» и ее модификаций лежит, в частности, удачная организация работы эксплуатационных служб РКТ, позволившая выявлять и устранять многообразные причины возникновения аварийных ситуаций в упреждающем порядке по отдельным симптомам, проявляющимся на отдельных этапах жизненного цикла РН: на этапах производства, хранения, предстартовой подготовки и пуска. Один из рядовых примеров такой работы, выполненной в 20042006 гг. с участием Института проблем управления (ИПУ), приводится в данной публикации.
2. Атрибутирование эксплуатационных аномалий в работе ёмкостных уровнемеров топлива на борту РН
В качестве системы управления расходованием топлива (СУРТ) боковых и центрального блоков первых двух ступеней РН «Союз-У» используется система, имеющая аббревиатуру СОБИС, - практически без изменений заимствованная из прото-типных Р-7А. В состав этой системы входят емкостные чувствительные элементы (ч.э.) уровнемеров топлива (32 ч.э. в каждом баке каждого блока), фиксирующие моменты времени прохождения поверхностями компонентов топлива заданных пороговых уровней; по информации об этих моментах производится формирование управляющих сигналов СОБИС.
В процессе многолетней эксплуатации СОБИС проявились довольно частые аномалии в работе ее серийных приборов,
1 Так до 1974г. назывался Самарский ГНПРКЦ «ЦСКБ- Прогресс». 224
нашедшие отражение во вполне представительной статистике замечаний к работе системы, сделанных по результатам пусков. По физической природе своих проявлений эти аномалии разделяются на две группы.
Регулярные аномалии (в 6,0% пусков) - аномалии в работе уровнемеров СОБИС, многократно повторяющиеся в многолетней истории запусков РН типа Р-7А, несмотря на принимавшиеся меры по их устранению.
Эпизодические аномалии (в 0,5% пусков) - весьма разнообразные, но неповторявшиеся, в частности, из-за проведенных производственно-эксплуатационных мероприятий, аномалии в работе бортовых приборов и приводов системы.
По характеру воздействия на процессы управления расходованием топлива, т. е. на процессы внутриблочного регулирования опорожнения баков и межблочной синхронизации опорожнения, можно выделить два типа регулярных аномалий.
Тип 1. Такие аномалии, как несрабатывание чувствительных элементов уровнемеров, ложные сигналы на входе уровнемерных трактов, приводящие к возникновению дополнительных ошибок измерения положения уровней жидкостей и к отключению алгоритмической защитой уровнемерного канала либо четных, либо нечетных ч.э. Величина ложного сигнала Д^- (по текущему временному рассогласованию объемов жидкостей), пропущенного в систему перед отключением уровнемерного канала, составляет по модулю 4,0±1,5 с на боковых и 5,8±2 с на центральном блоках РН.
Тип 2. Такие аномалии, как ложные срабатывания и многократные подрабатывания ч.э., приводящие к возникновению дополнительных ошибок измерения положения уровней жидкостей без отключения уровнемерных каналов. Ложный сигнал Д^-, поступающий в систему при реализации таких аномалий, составляет по модулю 2,0±1,5 с.
И хотя в проведенных пусках проявившиеся в работе СОБИС аномалии никак не сказались на решениях задач выведения ПГ на орбиты, регулярные ее составляющие (типа 1 и 2)
следует считать симптомами возможного возникновения аварийных ситуаций на борту РН «Союз-У».
Для атрибутирования регулярных аномалий в работе уровнемеров использовались представленные ЦСКБ данные о замечаниях к работе СОБИС, сделанных с 1964 по 2004 г. Учитывая уникально большой для ракетно-космической техники объем статистики пусков РН типа Р-7А в эти годы, в качестве вероятностей Р1 и Р2 проявления аномалий типа 1 и 2 можно принять статистическую частоту реализаций аномалий в проведенных пусках:
Р1 = 3,6%, Р 2 = 2,4%.
Сопоставление «выборок» замечаний, относящихся к различным достаточно продолжительным периодам эксплуатации СОБИС и анализ экспериментальных зависимостей частоты возникновения аномалий в работе ч.э. от номера - этого ч.э. позволили сделать важный вывод:
- эксплуатационные потоки регулярных аномалий типа 1 и
2 оказываются вполне стационарными (по времени эксплуатации СОБИС) с вероятностными распределениями р\(-), р2(-) уровнемерных аномалий (по чувствительным элементам), представленными в виде графиков на рис. 1 и 2.
Рис. 1. Зависимость вероятности возникновения аномалии типа 1 от номера і ч.э. уровнемера СОБИС
Р2, %
Рис. 2. Зависимость вероятности возникновения аномалии типа 2 от номера і ч.э. уровнемера СОБИС
3. Методика оценивания влияния аномалий в работе уровнемеров на точностные характеристики СОБИС и на надежность выведения РН
1. Для оценивания точностных характеристик СОБИС с учетом аномалий в работе ее бортовых приборов использовалась компьютерная программа статистического моделирования совместной работы СОБИС и системы регулирования кажущейся скорости (РКС). В состав этой программы были введены программные блоки, имитирующие, во-первых, возникновение дополнительных (внепроектных) возмущений на процесс управления из-за аномалий в работе уровнемеров, а во-вторых, действие релейно-логических средств защиты.
2. Непосредственно получить статистические оценки точности СОБИС при статистическом моделировании ее работы с использованием компьютерной программы (п. 1) и с воспроизведением аномалий 1 и 2 (рис. 1 и 2) не представилось возможным. Дело в том, что для достижения удовлетворительной достоверности статистического оценивания точности СОБИС по методу Монте-Карло с имитацией как редких событий, таких как возникновения аномалии типа 1 на і-ом ч.э. уровнемера (і > 20) с вероятностью 0,024% и проч. (см. рис. 1), так и частых,
необходимо при статистическом моделировании реализовать, т. е. рассчитать на ПЭВМ, не менее 100 тыс. процессов управления. Каждая реализация применительно к СОБИС требует использования около 300 случайных чисел, а статистическое моделирование - свыше 30 млн. случайных чисел.
3. Положение, описанное в п. 2, усугубляется при попытке непосредственного использования компьютерной программы (п. 1) для определения вероятности ра& возникновения аварийной ситуации на борту РН. Дело в том, что вероятностное распределение остатков топлива в баках ракеты при воздействии уровнемерных аномалий на процессы управления расходованием топлива заведомо отлично от нормального; если в качестве оценки вероятности рав, принять частоту фиксируемых при моделировании случаев преждевременного (до набора заданного значения кажущейся скорости ступени РН) израсходования компонента топлива в каком-либо из баков, то для достижения необходимой точности (до 0,001%) оценивания рав, следует на порядок увеличить по сравнению с п. 2 число S имитируемых пусков РН.
4. Поэтому использовался другой подход, предусматривающий выделение из генеральной совокупности моделируемых процессов трех групп выборок случайных процессов управления:
а) основная группа Г0, состоящая из одной выборки случайных процессов штатного управления расходованием топлива ракетных блоков двух нижних ступеней РН - при отсутствии аномалий в работе приборов СОБИС; в результате моделирования процессов управления группы Г0 определяются математическое ожидание т0 и среднеквадратическое отклонение с0 каждой из регулируемых координат СОБИС;
б) первая группа Г1, составленная из 1= 32 выборок случайных процессов управления СОБИС, систематическим образом возмущаемых в каждой --й (- = 1, 2, ..., I) выборке действием аномалий типа 1 на --ом ч.э. уровнемера СОБИС; в результате моделирования процессов управления группы Г1 определяются математические ожидания т1(-), - = 1, 2, ..., I, и среднеквадрати-
ческие отклонения оі(і), і = 1, 2, ..., I, каждой из регулируемых координат СОБИС;
в) вторая группа Г2, отличающаяся от Г1 тем, что в ней вместо аномалий типа 1 действуют аномалии типа 2.
В результате свертки
2 32
(1) т = (1 -Рі -Р2)т0 +УУ Рк(0тк(/) ,
к=1 і =1
(2) о =
2 32
(1 - Рі - Р2) о02 Рк (0 о-2 (/)
к=1 і=1
с учетом вероятностей Р1(і), Р2(і) возникновения аномалий на і-ом ч.э. (см. графики на рис. 1 и 2) определяются точностные характеристики СОБИС в виде статистически предельных значений |т| + За регулируемых координат СОБИС.
Объем каждой из используемых выборок групп Г0, Г1, Г2 может быть ограничен без заметных потерь в точности оценивания тк(і), ак(і) одной тысячью реализаций случайных процессов управления, формируемых с использованием одного и того же статистически корректного [1] набора 300 тыс. псевдослучайных чисел.
Результаты статистического моделирования работы СОБИС для групп Г0, Г1, Г2 выборок случайных процессов управления представлены в таблице 1.
5. Каждая из выборок, входящих в состав групп Г1 и Г2, обладает тем свойством, что ее выходные координаты, в частности, остатки компонентов топлива в момент выключения двигателей, с той же достоверностью, что и координаты выборки основной группы Г0, имеют гауссово-нормальное распределение вероятностей1. Поэтому вполне правомерно на основе оценивания статистически предельных значений остатков компонентов
1 Однако объединение этих выборок - генеральная совокупность моделируемых с учетом проявления аномалий в работе СОБИС про-
цессов управления - таким свойством не обладает.
топлива (см. таблицу 1) и сопоставления их с гарантийными запасами топлива определять условные вероятности рав.к(-) преждевременного израсходования топлива в случаях проявления аномалии типа к (к = 1, 2) на --ом ч.э., - = 1, 2, ..., 1(так же, как и вероятность рав.0 преждевременного израсходования топлива при отсутствии аномалий в работе СОБИС).
Таблица 1. Статистически предельное значение регулируемой координаты СОБИС______________________________________
Регулируемая координата СОБИС При отсутствии аномалий При возникновении в каждом процессе регулирования аномалии из
группы 1 группы 2
Временное конечное рассогласование объёмов компонентов топлива, с 0,290 0,476 0,36S
Временное конечное рассогласование объёмов окислителя бокового и центрального блоков, с 0,270 0,36S 0,332
Относительное отклонение от номинала соотношения объёмных расходов компонентов топлива, % 6,94 S,3S 7,90
Оценки вероятности возникновения аварийных ситуаций на борту РН, рассчитываемые для возможных вариантов эксплуатации РН и построения алгоритмической защиты СОБИС по формуле
2 32
(3) рае = (1 - А - р 2) рае.0 + 22 рк (О рав.к О'К
к=1 -=1
позволяют проводить сопоставительный анализ этих вариантов. 230
4. Основные результаты оценивания влияния уровнемерных аномалий на точностные характеристики СОБИС и на надежность выведения РН
1. Статистическое моделирование работы серийных приборов СОБИС и РКС, проведенное на основе изложенной в разделе 3 методики, позволило установить, что статистически предельные значения |т| + 3 а регулируемых координат СОБИС при действии уровнемерных аномалий удовлетворяют требованиям ТЗ, предъявляемым к точностным характеристикам системы.
2. Малозаметное изменение точностных характеристик СОБИС при действии уровнемерных аномалий сопровождается, однако, вполне ощутимым возрастанием вероятности возникновения аварийной ситуации на борту РН - на АРав. = 0,090%. Формально это объясняется тем, что уровнемерные аномалии мало сказываются на первых двух вероятностных моментах выходных координат СОБИС, но сильно деформируют нормальность распределения вероятностей этих координат.
3. По согласованию с ГосНИИП, осуществляющим совместно с ИПУ авторское сопровождение эксплуатации СОБИС, принято решение при модернизации элементной базы бортовых приборов СОБИС провести совершенствование алгоритмической защиты системы, так что потери в надежности выведения, вызванные уровнемерными аномалиями, снизятся до АРав, = 0,032%.
Литература
1. БУСЛЕНКО Н.П., ШРЕЙДЕР Ю .А. Метод статистических испытаний (Монте-Карло) и его реализация в цифровых машинах. - М.: Физматгиз, 1961. - 226с.
2. ВАРФОЛОМЕЕВ Т. Универсальный «Союз» // Новости космонавтики. - 2002. - №12 (239). - С. 48-49.
MODELS OF ABNORMAL SITUATIONS IN OPERATION OF ONBOARD CONTROL SYSTEMS: PRIVATE
EXPERIENCE USING OF MODELS AT ESTIMATING OF THE LAUNCHING RELIABILITY.
Anatolii Andrienko, Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, Laboratory Head, Doctor of Science, professor (Moscow, Prof-soyuznaya st., 65, (495) 334-SS-71, vladguc@ipu.rssi.ru).
Elena Tropova, Institute of Control Sciences of RAS, Moscow, researcher ((495) 334-SS-71).
Abstract: By results of the analysis statistics of operational remarks to work of the onboard control system launching vehicle “Soyuz-U” it is made specifying a stationary stream of anomalies in operation the capacitor level gauges, which are a part control system. The model of possible abnormal situations at launching generated by these anomalies is constructed. Estimation of their influence on the launching reliability is made.
Keywords: onboard control systems, operational anomalies, launching reliability.
Статья представлена к публикации членом редакционной коллегии Р. Т. Сиразетдиновым
