Обеспечение надежности крупногабаритных трансформируемых механических систем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

клонения приводят к потере усиления антенной системы, т. е. потере общей функциональности сложной системы. Для решения этой проблемы разрабатываются сложные электромеханические приводы, предназначенные для принудительного уменьшения отклонений формы рефлектора от идеальной - близкой к параболоиду. Анализ показал, что мировые лидеры в области космической связи (США, Япония) отказываются от чисто механических систем коррекции формы рефлекторов и приходят к использованию распределенных приемно-передающих систем, в которых каналы связи оптимизируются на уровне обработки сигналов.

В настоящем докладе обсуждается возможность программно-аппаратного восстановления функциональных возможностей рефлекторной антенны за счет использования измерений аппаратной функции системы (АФС), т. е. её отклика на искусственный точечный источник. Измерение АФС фактически диагностирует «заболевания» рефлекторной системы - отклонения формы зеркала от идеальной параболиче-

ской формы. После этого остается аппаратно или программно скорректировать отклик системы на реальные сигналы, в результате чего функциональность системы будет восстановлена с минимальными затратами или вообще без них. Фактически это равнозначно работе системы с внесением компенсирующих амплитудно-фазовых предискажений. В нашем случае будет восстановлен высокий коэффициент усиления антенны. Реализация предлагаемого подхода с использованием быстрых алгоритмов допускает его работу в реальном масштабе времени. Кроме того, в работе затрагивается вопрос о перспективности использования для спутниковой связи и дистанционного зондирования плоских зеркал Френеля.

В докладе приводятся конкретные результаты по симуляции предлагаемого решения, а также подтверждающие экспериментальные результаты.

© Пономарев С. В., Шипилов С. Э., Якубов В. П., Величко А. И., Халиманович В. И., 2014

УДК 629.78

ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ

МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Ю. П. Похабов

Специальное конструкторско-технологическое бюро «Наука» КНЦ СО РАН Российская Федерация, 660049, г. Красноярск, просп. Мира, 53 Е-mail: [email protected]

Рассматриваются вопросы обеспечения надежности крупногабаритных трансформируемых механических систем космических аппаратов. Обсуждаются возможности анализа безотказности.

Ключевые слова: надежность, безотказность, крупногабаритные трансформируемые механические системы, уникальные высокоответственные системы.

RELIABLE LARGE TRANSFORMABLE MECHANICAL SYSTEMS

Yu. P. Pokhabov

Special Designed Technological Bureau KSC SB RAS 53, Mira prosp., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation. E-mail: [email protected]

The problems of reliability of large transformable mechanical spacecraft systems are considered. The possibilities of failure-free operation analysis are discussed.

Keywords: reliability, failure-free operation, large transformable mechanical systems, unique systems of high responsibility.

Обеспечение надежности крупногабаритных трансформируемых механических систем (КТМС) космических аппаратов имеет ряд особенностей, которые резко ограничивают использование методов современной теории надежности:

- требование по безотказности выполнения функциональных задач КТМС характеризуется вероятностью безотказной работы (ВБР) на уровне 0,9998 и выше, что находится за пределами доверительного

интервала, при котором распределение отказов подчиняется нормальному закону (правило трех сигм), и, как следствие, не позволяет что-либо предположить о распределении вероятностей отказов;

- производство КТМС осуществляется в единичных экземплярах или мелкими сериями, что не позволяет применять для прогнозирования методы статистической теории надежности;

Решетневскуе чтения. 2014

- функционирование КТМС носит характер одноразового срабатывания, при котором фактор времени не играет ощутимой роли в проявлении свойств надежности;

- несрабатывание функциональных узлов КТМС в космосе, главным образом автоматических космических аппаратов, не предполагает восстановления их работоспособного состояния;

- использование структурного и нагрузочного резервирования критичных элементов для обеспечения заданной безотказности КТМС по большей части невозможно.

Перечисленные особенности обеспечения надежности КТМС дают основания выделить их в самостоятельный класс уникальных высокоответственных систем, для которых еще не созданы теоретические основы надежности - существуют пока лишь концептуальные идеи и предложения по терминологии [1; 2].

Современная практика решения задач надежности КТМС основана на применении общеинженерных принципов и подходов:

- строгое соблюдение правил конструирования механизмов, отражающих прежний опыт отработки и эксплуатации, и общепринятые инженерные нормы [3; 4];

- проведение инженерных анализов и оценок, в том числе расчетов на прочность по детерминированным величинам и расчетов вероятностей срабатывания механизмов в допущении выполнимости теоремы Ляпунова [4; 5];

- всестороннее обоснование и проведение приемо-сдаточных испытаний и наземной экспериментальной отработки [4].

Это позволяет обеспечивать основные параметры функционирования, избегать грубых ошибок и просчетов при конструировании и выявлять технологические дефекты экспериментальным путем, но не гарантирует предупреждения рисков возникновения отказов. Соответственно, результаты верификации и ва-лидации процесса обеспечения надежности не исключают сомнений: все ли конструкторские и технологические требования, обеспечивающие надежность, установлены и выполнены; в какой степени математические модели для оценки надежности соответствуют реальным конструкциям; достаточные ли меры предприняты для исключения антропогенных факторов, оказывающих влияние на надежность, и т. д. Высокая ответственность выполняемых КТМС задач требует скрупулезного учета и анализа буквально всех факторов, способных вызвать отказы, и своевременного принятия соответствующих мер, именно это служит гарантией достижения требуемой надежности. В то же время уникальность создаваемых КТМС несет риски незнания о существовании самих таких факторов, поэтому, разрабатывая новые механические системы, нельзя полностью полагаться только на прошлые знания и опыт.

Необходимы такие методы обеспечения надежности, которые позволяют выявлять возможные аварийные ситуации на ранних стадиях проектирования и конструирования и генерировать конструкторские и технологические требования к конструкциям, не допускающие возникновение отказов.

В основе создания таких методов обеспечения надежности [2; 6] лежит представление о надежности как свойстве стабильности характеристик технических объектов во времени, в заданных условиях и режимах эксплуатации. Любые свойства, проявляющие нестабильность во времени, могут быть обнаружены методами системного анализа, выражены через показатели и/ или параметры и численно определены соответствующими значениями. Стабильность любого из свойств во времени может быть представлена двойным неравенством, ограничивающим верхние и нижние допустимые значения показателей и параметров, при которых система сохраняет свое работоспособное состояние. Это дает возможность выявить и оценить все факторы, влияющие на надежность, на любом из этапов создания КТМС, включая проектирование, конструирование, изготовление, хранение, наземную эксплуатацию и транспортировку, полет, трансформирование. Оценка безотказности КТМС основана на вычислении частных ВБР, связанных с отказами, вызванными нарушением выполнения требуемых функций из-за выхода за пределы значений показателей и параметров, характеризующих свойства критичных элементов, и последующем определении надежности КТМС в целом с использованием методов структурной надежности. Допустимые верхние и нижние значения показателей и параметров назначаются методами конструкторско-технологического обеспечения безотказности [6], основанными на установлении, обосновании, выполнении и контроле требований к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное выполнение ими предписанных функций.

Использование предложенных методов не подвергает сомнению и не исключает существующие инженерные принципы обеспечения надежности, которые составной частью органично вписываются в методологию надежности. В целом это расширяет возможности анализов надежности на ранних стадиях разработки, создавая ряд преимуществ:

- помимо свойств, обеспечивающих функционирование при срабатывании механизмов, возникает возможность дополнительно учитывать и оценивать влияние на надежность свойств, способных проявлять нестабильность на этапах изготовления, хранения, наземной эксплуатации и транспортирования;

- анализы и оценки принимаемых конструкторских и технологических решений могут осуществляться на максимально ранних этапах проектирования и конструирования, а количественные оценки надежности могут служить не только подтверждением правильности принятых решений, но и основанием для принятия решений по повышению безотказности;

- появляется возможность обеспечивать заданные показатели надежности за счет своевременного установления конструкторско-технологических требований без оглядки на прежний опыт, что, в отличие от широко используемых правил конструирования, позволяет работать с неопробованными еще конструкторскими и технологическими решениями;

- конструкторско-технологическое обеспечение надежности в контексте единого подхода к установлению, обоснованию, выполнению и контролю требо-

ваний к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное выполнение ими предписанных функций рассматривается как процесс согласования конструкторских и технологических решений на всех стадиях жизненного цикла от технического замысла до выполнения целевой задачи.

Библиографические ссылки

1. Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. СПб. : БХВ-Петербург, 2006. 704 с.

2. Похабов Ю. П., Ушаков И. А. О безаварийности функционирования уникальных высокоответственных систем // Методы менеджмента качества. 2014. № 11.

3. Bowden M. L. Deployment devices // Space Vehicle Mechanisms - Elements of Successful Design / Ed. by Peter L. Conley. John Wiley & Sons, Inc., 1998. P. 495-542.

4. Шатров А. К., Назарова Л. П., Машуков А. В. Механические устройства космических аппаратов. Конструктивные решения и динамические характеристики / СибГАУ. Красноярск, 2006. 84 с.

5. Надежность механических частей конструкции летательных аппаратов / А. А. Кузнецов, А. А. Золо-тов, В. А. Комягин, М. И. Титов. М. : Машиностроение, 1979. 144 с.

6. Похабов Ю. П. Конструкторско-технологичес-кое обеспечение безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания

космических аппаратов : дис. ... канд. техн. наук: 05.07.02. Красноярск, 2013. 173 с.

References

1. Polovko A. M., Gurov S. V. Osnovy teorii nadezhnosti (Foundations of the theory of reliability). SPb., 2006. 704 p.

2. Pokhabov Yu. P., Ushakov I. A. Metody menedzhmenta kachestva, 2014, no. 11 [Manuscript].

3. Space Vehicle Mechanisms - Elements of Successful Design / Ed. by Peter L. Conley. John Wiley & Sons, Inc., 1998, p. 495-542.

4. Mekhanicheskie ustroiistva kosmicheskikh apparatov. Konstruktivnye resheniya i dinamicheskie kharakteristiki (Mechanical devices spacecraft. Constructive solutions and dynamic characteristics). Krasnoyarsk, 2006. 84 p.

5. Nadezhost' mekhanicheskikh chasteii konstruktsii letatel'nykh apparatov (Reliability of mechanical parts of the aircraft structure). Moscow, 1979. 144 p.

6. Pokhabov Yu. P. Konstruktorsko-tekhnologi-cheskoe obespechenie bezhotkazhnosti transformiro-vaaniya mekhanicheskikh ustroiistv odnorazzhovogo srabatevaniea kosmicheskikh apparatov (Design and Technology support reliability transformation of mechanical devices disposable operation of spacecraft). Krasnoyarsk, 2013. 173 p.

© Похабов Ю. П., 2014

УДК 629.78.086.018

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ИСПЫТАНИЙ ТРАНСФОРМИРУЕМЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ КА ВВЕДЕНИЕМ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ РАСКРЫТИЯ

И. В. Романенко

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

E-mail: [email protected]

Описывается методика проведения анализа динамики раскрытия трансформируемых механических систем космического аппарата. Описаны задачи испытаний трансформируемых механических систем КА, обозначена необходимость в усовершенствовании методики этих испытаний. Проведено сравнение результатов испытаний и результатов расчета, проведена верификация составленной модели. Сделаны выводы о полезных эффектах от введения анализа динамики раскрытия.

Ключевые слова: космический аппарат, наземная экспериментальная отработка, анализ динамики раскрытия.

IMPROVING FOLDED MECHANICAL SYSTEM TEST METHODS BY ENTERING DEPLOYMENT DYNAMICS ANALYSIS

I. V. Romanenko

JSC "Information Satellite Systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation Е-mail: [email protected]

The methods of spacecraft folded mechanical system deployment dynamics analysis are described. The tasks of folded mechanical systems test are identified, also the necessity for improving test methods is focused on. A comparison