CC BY
43УДК 629.784.017
обеспечение отказоустойчивости пилотируемых транспортных кораблей «союз мс»
© 2020 г. милованов в.А., гордяев А.С.
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
Статья посвящена обеспечению безотказности пилотируемого транспортного корабля «Союз МС» и безопасности его экипажа, а также анализу обоснованности требований к отказоустойчивости, предъявленных к кораблю в рамках его участия в работах по Международной космической станции (МКС). Представлены анализ методов и результаты работ по обеспечению устойчивости к отказам кораблей «Союз» на этапах создания и последующей модернизации. Изложена концепция требований к отказоустойчивости, принятая при проектировании и разработке корабля «Союз МС», описаны модификации, проведённые на корабле для обеспечения выполнения этих требований. Рассмотрены задачи наземной экспериментальной отработки и заводских контрольно-проверочных испытаний по предотвращению отказов в полёте кораблей. Предложен подход к статистическому анализу замечаний и отказов, выявленных в процессе полёта корабля, позволяющий дать независимую оценку эффективности испытаний по предотвращению отказов в полёте. Представлены результаты статистического анализа замечаний и отказов, зарегистрированных при полётах кораблей «Союз» к МКС (всего 55 кораблей), на основе которых сделан вывод об обоснованности и достаточности предъявленных требований к отказоустойчивости.
Ключевые слова: пилотируемый транспортный корабль, «Союз», «Союз МС», полёт, модернизация, модификация, отказоустойчивость, надёжность, безопасность, замечание, отказ, статистический анализ, Международная космическая станция, МКС, проектирование, разработка, наземная экспериментальная отработка, заводские контрольно-проверочные испытания.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-4-32-43
assuring fault tolerance
OF THE SOYuZ MS MANNED TRANSpORT SpACECRAFT
Milovanov v.A., Gordyaev A.S.
S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
The paper is devoted to assuring a failure-free operation of the Soyuz MS manned transport spacecraft and the safety of its crew and also to making an analysis of the validity of fault tolerance requirements specified for the spacecraft in the scope of its participation in the International Space Station (ISS) activities. The analysis of methods and the results of work to assure resistance to failures of the Soyuz spacecraft in the development and the subsequent modernization phases are presented. The concept of requirements for fault tolerance adopted in the design and development of the Soyuz MS spacecraft is stated, modifications made onboard
the spacecraft to fulfill these requirements are described. Objectives of the ground development test and the plant check-out tests to present failures in the flight of spacecraft are reviewed. An approach to statistical analysis of comments and failures detected during the flight of the spacecraft is proposed; it allows to give an independent assessment of the efficiency of tests to prevent failures in flight. The results of statistical analyses of comments and failures recorded in flights of the Soyuz spacecraft to the ISS (a total of 55 spacecraft) are presented. Based on the results a conclusion about the validity and sufficiency of requirements for fault tolerance is made.
Key words: manned transport spacecraft Soyuz, Soyuz MS, flight, modernization, modification, fault tolerance, reliability, safety, comment, failure, statistical analysis, International Space Station, ISS, design, development, ground development test, plant check-out tests.
МИЛОВАНОВ B.A. ГОРДЯЕВ А.С.
МИЛОВАНОВ Виктор Александрович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: viktor.milovanov@rsce.ru
MILOVANOV Viktor Aleksandrovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: viktor.milovanov@rsce.ru
ГОРДЯЕВ Александр Сергеевич — начальник отдела РКК «Энергия», e-mail: aleksandr.gordyaev@rsce.ru
GORDYAEV Aleksandr Sergeevich — Head of Department at RSC Energia, e-mail: aleksandr.gordyaev@rsce.ru
Введение
Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва уделяет большое внимание совершенствованию пилотируемого корабля «Союз». Свой первый полёт этот корабль осуществил в ноябре 1966 г. Для решения различных задач было создано несколько вариантов пилотируемых кораблей «Союз», которые затем подвергались неоднократным модернизациям. Практически не отразившись на внешнем облике корабля, они существенно улучшили его тактико-технические характеристики. О работах по модернизации корабля подробно рассказано в статьях [1-3]. Несколько модернизаций корабля было проведено в процессе решения задач по
транспортно-техническому обеспечению Международной космической станции (МКС). Полёты к МКС начал корабль «Союз ТМ». Затем была проведена его модернизация — появился корабль «Союз ТМА», затем — «Союз ТМА-М», и, наконец, корабль «Союз МС».
Одной из задач, которые ставились перед РКК «Энергия» в процессе модернизации корабля, была задача учёта опыта работ по обеспечению надёжности и безопасности полётов стран-партнёров по созданию МКС. Опыт работ стран-партнёров в этой части, в т. ч. принятая в России система качества, был учтён в процессе разработки совместных с NASA документов, которые определили технические требования к модулям и кораблям
Российского сегмента (РС) МКС и применяются при взаимодействии с международными партнерами [4].
К числу основных требований, предъявленных к характеристикам пилотируемых космических аппаратов — ПКА (модулей и кораблей) в составе МКС, относятся особые требования к безотказности ПКА и безопасности экипажа ПКА в процессе полёта. Требования формулируются следующим образом:
• один отказ в системе или ошибка космонавта не должны приводить к нарушению выполнения программы полёта или созданию критичных по безопасности ситуаций;
• два отказа в системе или две ошибки космонавтов, либо один отказ и одна ошибка космонавта в процессе их работы не должны препятствовать спасению экипажа и сохранению основного оборудования РС, позволяющего продолжить программу полета после проведения необходимых восстановительных работ.
Такие требования были сформулированы в совместных документах Российского космического агентства (РКА) и NASA в рамках создания МКС [5, 6], затем были включены в технические задания (ТЗ) на создание модулей РС МКС, а потом — в ТЗ на модификации космических кораблей «Союз» и «Прогресс», созданные после начала полётов на МКС. Наличие этих требований потребовало проведения комплекса работ по их обеспечению, а также подтверждению выполнения этих требований наряду с другими требованиями ТЗ. Вместе с тем анализ корректности требований устойчивости именно к двум отказам применительно к ПКА в отечественной литературе не нашёл должного отражения.
методы и результаты проведения работ по обеспечению устойчивости к отказам кораблей «Союз»
На этапе создания корабля «Союз» основным направлением работ по безопасности полёта являлось обеспечение высокой надёжности. Требование по устойчивости к отказам в явном виде не предъявлялось. Фактически устойчивость к отказам достигалась структурным и функциональным резервированием, применявшимся для обеспечения
надёжности систем корабля. Там, где резервирование было практически невозможным или нецелесообразным (корпус, силовые элементы конструкции, ёмкости, механические агрегаты и т. п.), достижение высокого уровня надёжности обеспечивалось запасами прочности, введёнными впоследствии в действующую в настоящее время нормативно-техническую документацию. Эффективность этих методов была подтверждена многолетней успешной эксплуатацией кораблей. Их достаточность была признана Комиссией по безопасности МКС (SRP).
Однако в 2006 г. РКК «Энергия» приняла решение оценить соответствие корабля «Союз ТМА» приведённым выше требованиям по отказоустойчивости. Проведение такой оценки было признано необходимым с учётом планов по доработкам корабля и по его модернизации для решения новых задач. Были организованы и проведены работы по системотехническому анализу конструкции и систем на предмет соответствия корабля требованиям по отказоустойчивости. Работы были проведены в рамках анализа видов, последствий и критичности отказов, который до этого для корабля не проводился, и оформления результатов такого анализа соответствия корабля требованиям по отказоустойчивости в виде отчёта (работы проводились в соответствии с требованиями документов [7, 8]).
В рамках анализа были выполнены следующие работы:
• для всех систем корабля был проведён анализ свойств их устойчивости к отказам при наихудших видах, сочетаниях и последствиях отказов. При анализе последствий возможных отказов в каждой системе рассматривались, независимо от их вероятности, все возможные виды отказов в элементах системы (приборах, блоках и узлах): потеря работоспособности, несанкционированное срабатывание, короткое замыкание, неоткрытие/незакрытие клапана, потеря герметичности, засорение магистрали, отказ программного обеспечения и т. п. В системах, где они присутствовали, были определены элементы, не обеспечивающие выполнение этих требований. Подразумевалось, что отказы в элементах могут являться следствием ошибок экипажа или наземных служб;
• на основе материалов по отказоустойчивости агрегатов и систем корабля были проведены анализ и оценка выполнения требований к отказоустойчивости на уровне корабля в целом. Были разработаны рекомендации по мерам, направленным на более полное выполнение этих требований, которое оценивалось с учетом функционального резервирования между элементами, в т. ч. — элементами модулей РС МКС, предназначенными для стыковки корабля. Был разработан общий перечень мест в конструкции, схемах всех систем корабля, не удовлетворяющих требованиям к отказоустойчивости для пилотируемых изделий (так называемый перечень критичных элементов);
• для критичных элементов (элементов, по которым было выявлено невыполнение требований) был проведён анализ возможных последствий их отказов, установлены меры, обеспечивающие их безотказность и безопасность в полёте.
Поскольку все выявленные критичные элементы корабля «Союз ТМА» имели большую положительную историю лётных испытаний и высокий уровень показателей безотказности, для них не потребовалось дополнительных мероприятий по повышению их надёжности (в частности, доработок конструкции, проведения дополнительных испытаний, эксплуатационных мероприятий и т. п.). Однако для отдельных случаев были выработаны рекомендации по принятию дополнительных конструктивных мер с целью повышения степени безотказности критичных элементов для их поэтапной реализации в ходе выполнения планов доработки и модернизации корабля.
План мероприятий по выполнению рекомендаций разрабатывался в РКК «Энергия» с учётом того, что в процессе создания и модификаций корабля была достигнута высокая степень отработанности его элементов, в т. ч. в условиях космического полёта. Учитывая достигнутый высокий уровень отработанности и безотказности систем корабля, что подтверждается отсутствием отказов кораблей в процессе эксплуатации, начиная с корабля «Союз Т», реализация корректирующих мер не связывалась с конкретными сроками или номерами изделий. Выбор корректирующих мер и времени/этапа их реализации учитывал:
• оценку уровня повышения надёжности корабля в результате реализации данной меры с учётом особенностей программы полёта дорабатываемого корабля;
• наличие имеющегося задела по конструкторской проработке, экспериментальной отработке новых вариантов;
• материально-технические возможности доработки.
Для корабля «Союз МС» требование устойчивости к отказам реализовалось в виде следующей концепции, принятой при проектировании и разработке корабля:
• программа полёта должна выполняться при любом одном отказе в аппа-ратно или функционально резервированной системе (за исключением отказов, связанных с разгерметизацией отсеков корабля, разгерметизацией гидравлических контуров системы обеспечения теплового режима — СОТР);
• безопасность экипажа и орбитальной станции должна быть обеспечена при любых двух отказах в одной системе или одном отказе в системе, не подлежащей ни аппаратному, ни функциональному резервированию.
Обеспечение устойчивости к отказам в соответствии с упомянутым планом мероприятий было выполнено в числе других мероприятий по модификации корабля. Но ряд систем подвергся модификации именно для обеспечения этого требования:
1. Изменена схема размещения двигателей причаливания и ориентации комбинированной двигательной установки (КДУ). Это сделано в целях обеспечения выполнения программы полёта при отказе одного любого двигателя причаливания и ориентации (ДПО) и обеспечения безопасности экипажа (возможности реализации режима построения ориентации и стабилизации при спуске корабля) при двух отказах в подсистеме ДПО КДУ корабля, включая отказ (разгерметизацию) одного из топливных коллекторов. В состав КДУ корабля «Союз ТМА» входили 28 ДПО: 16 — большой тяги и 12 — малой. На новом корабле вместо 12 двигателей малой тяги ДПО-М установлены 12 двигателей большой тяги ДПО-Б. Таким образом, подсистема ДПО теперь включает два полностью резервированных коллектора по 14 ДПО-Б в каждом (рис. 1).
1
Рис. 1. Космический корабль «Союз МС» в полёте:
1 — бытовой отсек; 2 — спускаемый аппарат; 3 — двигатели причаливания и ориентации; 4 — приборно-агрегатный отсек
2. Для повышения надёжности выполнения режимов стягивания и герметизации стыка после стыковки корабля и станции, начиная с «Союз ТМА-08М», в системе стыковки и внутреннего перехода корабля приводы стыковочного механизма и приводы герметизации стыка заменены на приводы с дублированными электродвигателями (рис. 2).
2
Рис. 2. Система стыковки и внутреннего перехода:
1 — дублированный привод стыковочного механизма;
2 — дублированный привод герметизации стыка
3. Установлен дополнительный блок аккумуляторной батареи в системе электропитания корабля (рис. 3), что обеспечило возможность выполнения программы полета без использования солнечных батарей (при необходимости).
1 2
Рис. 3. Система электропитания корабля: 1 — блоки питания (4 шт.) в корабле «Союз ТМА»; 2 — установленный дополнительно пятый блок питания в корабле «Союз МС»
Других доработок не потребовалось — «Союз ТМА» в части отказоустойчивости обладал хорошими характеристиками.
Анализ видов, последствий и критичности отказов корабля «Союз МС» показал, что проведённые мероприятия повысили устойчивость корабля к двум отказам. При этом модернизация (по сравнению с базовым кораблём) не привела к появлению дополнительных критичных элементов, которые имеют те же функциональные задачи и характеристики, структурные и функциональные связи с другими системами корабля и, соответственно, большую положительную историю лётных испытаний, высокий уровень показателей безотказности, и не требуют дополнительных мероприятий по повышению их надёжности.
Во избежание последствий ошибочных действий операторов наземного комплекса управления и экипажа предусмотрены меры по обеспечению безопасности полётов:
1. Исполнение любой опасной команды на корабле возможно только после выполнения предварительных команд и операций, которые являются блокировками.
2. Выдача команд из Центра управления полётами (ЦУП) осуществляется по предварительно утвержденной программе сеанса связи.
3. Все управляющие воздействия от наземного комплекса управления предварительно отрабатываются на соответствующих наземных моделях.
4. Снятие блокировок на прохождение опасной команды осуществляется по командной радиолинии после положительного результата телеметрического контроля соответствующего процесса в ЦУП.
5. Все функционально опасные команды, выдаваемые экипажем, исполняются в системе управления только после предварительной выдачи нескольких команд, которые снимают соответствующие электрические блокировки. Кроме того, особо опасные команды имеют механическую блокировку.
6. Планирование (по возможности) работы экипажа в ответственных режимах под контролем ЦУП.
эффективность работ по предотвращению отказов в полёте изделия и её влияние на надёжность изделий и безопасность космических полётов
Обеспечение отказоустойчивости ПКА — не единственное направление работ по обеспечению безопасности космических полётов. В общем случае требование устойчивости к одному и двум отказам подразумевает, что в процессе полёта возможно некоторое количество отказов, но оно должно быть ограниченным; прогноз этого количества и должен являться обоснованием требования устойчивости ПКА не более чем к двум отказам.
Резервирование направлено на парирование отказов в полёте, однако их количество — фактор, от которого стремятся избавиться в процессе подготовки изделий к пуску. К мероприятиям по уменьшению количества отказов в процессе полёта относятся следующие:
1. Обеспечение эффективности работ по предотвращению отказов в полёте изделия. В этом основную роль играют экспериментальная отработка корабля в процессе разработки конструкторской документации и контрольно-проверочные испытания (КПИ) кораблей в процессе их изготовления и подготовки к пуску. В процессе экспериментальной отработки подтверждается работоспособность систем и агрегатов изделия в условиях эксплуатации, при этом должны быть выявлены и устранены недостатки документации, из-за которых в полёте могут отказать все или большинство образцов приборов, блоков или узлов, изготовленные
по такой документации (должны быть исключены конструктивные отказы). В процессе КПИ проверяется работоспособность приборов, блоков и узлов изделия и отсутствие в них любых отклонений от требований конструкторской документации — производственных дефектов. Отказавшие в процессе подготовки к пуску или дефектные элементы заменяются на работоспособные или ремонтируются. В полёт допускается корабль с полностью работоспособными приборами, блоками и узлами [9].
2. Обеспечение эффективности работ по устранению причин отказов в изделии, выявленных в полёте. Если в процессе полёта происходят отказы, в обязательном порядке проводится анализ их причин и принимаются меры, исключающие повторение отказа на последующих образцах изделия. Устранение конструктивного отказа проводится корректировкой конструкторской документации с последующим подтверждением эффективности корректировки. Устранение отказов из-за производственных дефектов (производственных отказов) заключается в подтверждении единичности отказа и обосновании отсутствия необходимости доработок рабочей конструкторской документации, а также в выполнении мероприятий, касающихся повышения контроля качества изготовления и эффективности испытаний в части недопуска потенциальных отказов в полёт корабля. Повторное проявление производственного отказа приводит к доработке конструкторской документации, исключающей возможность повторения такого отказа на последующих изделиях (соответственно, отказ уже должен классифицироваться как конструктивный). Такой подход к обеспечению безотказности позволяет отработать документацию и приводит к росту надёжности изделия.
В условиях полностью отработанной документации конструктивных отказов в ходе полёта не происходит. Однако даже после полной отработки конструкторской документации для каждого изготавливаемого изделия будет необходимо обеспечивать эффективность КПИ. Чем выше эффективность КПИ, тем меньше будет в полёте отказов из-за производственных дефектов, тем выше в конечном итоге будет надёжность изделия и тем меньше потребуется применение резервирования.
Пусть q1 — вероятность наличия дефектов в изделии в результате изготовления до проведения КПИ; q2 вероятность невыявления дефектов в изделии в ходе проведения КПИ, тогда q = q1q2 — вероятность наличия дефектов после изготовления и КПИ.
Соответственно, = (1 - q1) — вероятность отсутствия дефектов в изделии в результате изготовления (до проведения КПИ); p2 = (1 - q2) — вероятность выявления дефектов в изделии в ходе проведения КПИ.
Величина p1 является мерой качества изготовления, а величина p2 — мерой эффективности испытаний.
Вероятность Р отсутствия дефектов в изделии после изготовления и испытаний можно представить в виде
Р = 1 - q
или в виде
Р = 1 - (1 - ^(1 - P2). (1)
Выражение (1) по виду аналогично выражению для оценки надёжности дублированной системы. Можно сказать, что испытания дублируют процесс изготовления с точки зрения непропуска дефектов на эксплуатацию. Из выражения (1) следует также то, что чем выше эффективность испытаний, тем выше вероятность непропуска дефектов на эксплуатацию (и тем меньше отказов в изделии в полёте): при p2^1 величина Р^1 даже независимо от величины p Таким образом, получен количественный результат, соответствующий изложенным выше качественным предпосылкам: высокоэффективная система КПИ даёт возможность изготовить изделие с полным отсутствием дефектов. Это позволяет, во-первых, при проектировании изделия рассматривать резервирование как не единственный способ обеспечения высокой надежности изделия и безопасности полёта. Во-вторых, эффективность испытаний должна быть такова, чтобы реально обеспечиваемый системой КПИ уровень числа отказов в полёте изделия на этапе эксплуатации не превышал такого количества отказов, к какому устойчивость изделия к отказам будет достаточной.
оценка эффективности работ по предотвращению отказов в полёте кораблей «Союз»
Мероприятия по уменьшению количества отказов в процессе полёта,
рассмотренные выше, в полной мере реализованы для ТПК «Союз МС». Однако обеспечивать эффективность работ по предотвращению отказов в полёте изделия можно лишь в том случае, если имеется возможность установить наличие отказа и причину каждого произошедшего отказа — это позволяет выявить конкретные работы, в ходе которых была допущена неэффективность, принять меры по локализации возможных последствий и устранить причины отказа, в т. ч. допущенную неэффективность.
Для изделий ракетно-космической техники проведение анализа отказов, произошедших в полёте, является очень сложной задачей. Обусловлено это недоступностью, в большинстве случаев, отказавшего оборудования для проведения детального анализа и наличием факторов космического полёта, которые не всегда можно учесть при проектировании и конструировании. Анализ, как правило, производится на основании телеметрической информации, получаемой в процессе полёта, а также исследований и экспериментов, которые проводятся без наличия отказавшей матчасти. Такой анализ позволяет установить только наиболее вероятную причину отказа.
В качестве примера можно рассмотреть отказ, произошедший на корабле Союз ТМА-17М. 23.07.2015 г. после выведения корабля на орбиту по ТМИ было зафиксировано нераскрытие одного из крыльев солнечной батареи. За 6,5 мин до стыковки после нескольких часов полёта произошло самопроизвольное раскрытие батареи. Отказ раскрытия батареи не повлиял на выполнение программы полёта — корабль продемонстрировал устойчивость к такому виду отказа, продолжил полёт с нераскрывшейся батареей и успешно пристыковался к МКС. Для установления причины отказа в условиях отсутствия необходимых для анализа элементов продолжавшего полёт корабля были рассмотрены проектная, конструкторская и технологическая документации, процессы изготовления, сборки, испытаний, подготовки корабля на техническом комплексе космодрома Байконур, проведены экспериментальные работы. Наиболее вероятной причиной было определено наложение деформаций элементов конструкции корабля при
реальных нагрузках и температурах в условиях космического полёта на недостаточность конструктивных зазоров в элементах конструкции. На всех последующих изделиях необходимые зазоры были увеличены с корректировкой рабочей конструкторской документации и доработкой уже изготовленной матчасти.
Выявление статистических закономерностей по результатам проведения анализа отказов становится также достаточно сложной процедурой. Процесс проведения анализа отказов для ПКА с целью установления статистических закономерностей показан на рис. 4.
Ошибка Несовершенство экипажа документации
(шшлуашциошшй (конструктивным отказ) опж)
Рис. 4. Общий вид проведения анализа отказов
Любые выявленные отклонения контролируемого по ТМИ параметра от установленных пределов, даже если они никак не повлияли на функционирование изделия, рассматриваются как замечание к функционированию изделия. Выявленные замечания, а также замечания космонавтов в обязательном порядке подлежат регистрации с последующим анализом их причин и принятием мер по их устранению.
Замечания, зарегистрированные на совокупности нескольких образцов изделия при испытаниях и эксплуатации, можно рассматривать как поток замечаний. Поток замечаний, зарегистрированных в процессе лётных испытаний ПКА, в рамках решения задачи получения данных по отказам для последующего статистического анализа распределяется на следующие составляющие:
• отказ в изделии отсутствует. К таким должны быть отнесены замечания, которые были зарегистрированы, но в ходе анализа которых было
установлено, что отступления характеристик системы корабля от требуемых (отказ или неисправность) отсутствуют. Система корабля отработала так, как предусмотрено документацией, и никаких мероприятий на корабле по устранению не требуется (сюда должны быть включены также замечания, которые явились следствием отказов в наземном оборудовании, ошибок или несанкционированных действий наземных служб управления, а также отказов в смежных модулях МКС);
• сбой — самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора [10];
• отказ в системе;
• отказы в телеметрической системе бортовых измерений (СБИ).
Замечания вида «Отказ отсутствует», «Сбой», «Отказ в СБИ» должны быть исключены из последующего статистического анализа. Основной задачей СБИ является получение информации о работоспособности изделия. Эта информация необходима для обеспечения возможности установления причины отказа (в случае его проявления) и принятия мер по её устранению, обеспечивая тем самым надёжность последующих образцов изделия. Вместе с тем СБИ и её элементы, не участвующие в управлении изделием, непосредственного влияния на выполнение программы конкретного полёта не оказывают. При этом работы по устранению замечаний к СБИ проводятся так же, как и для других систем. Отказы СБИ согласно методологии, принятой в РКК «Энергия», в оценках надёжности ПКА не учитываются.
Отказы в системах подразделяются по причинам на три части.
Одна из них — отказы из-за ошибок эксплуатации. К ним должны быть отнесены отказы в результате ошибочных действий экипажа. Такие отказы связаны с нарушением установленных правил эксплуатации, поэтому должны быть классифицированы как эксплуатационные согласно ГОСТ [10].
Вторая часть — отказы, которые после проведения анализа были устранены доработкой документации (рабочей конструкторской, эксплуатационной) или программного обеспечения, исключающей их повторение. Такие отказы возникают из-за недостатков документации, зачастую — из-за несовершенства знаний
П ри чиня однозначно не установлена (прочие причипы)
о совместном функционировании систем изделия в условиях космического полёта; они должны быть классифицированы как конструктивные отказы согласно ГОСТ [10].
Третья часть — единичные, неповторяющиеся для разных образцов ПКА отказы, как правило, произошедшие по не установленной по объективным обстоятельствам причине (см. выше), не
приводящей к доработкам конструкторской документации (далее по тексту — прочие причины).
Результаты сводного статистического анализа отказов в системах, зарегистрированных при полётах ТПК «Союз» к МКС (всего 55 кораблей), проведённого РКК «Энергия» в рамках решения задачи анализа технического состояния кораблей, приведены на рис. 5.
а)
б)
в)
г)
Рис. 5. Распределение отказов в системах на кораблях «Союз»: а — распределение всех видов отказов; б — распределение конструктивных отказов; в — распределение эксплуатационных отказов; г — распределение прочих отказов
Как видно из приведённых данных (рис. 5, а), количество отказов всех видов в полётах корабля ограничено по величине. При этом никакое сочетание всех отказов не привело к срыву выполнения программы ни одного из полётов или к опасному отказу изделия. Статистический анализ отказов в полёте кораблей «Союз», летавших к МКС, даёт результаты, приведённые в табл. 1.
Таблица 1
распределение количества всех видов отказов в системах на кораблях «Союз» (до корабля «Союз мС-06» включительно, всего 55 полётов)
Количество отказов комплектующих изделий Частота проявлений (количество изделий) Вероятность Интегральная вероятность
0 6 0,1091 0,1091
1 15 0,2727 0,3818
2 16 0,2909 0,6727
3 11 0,2000 0,8727
4 4 0,0727 0,9454
5 2 0,0363 0,9818
6 1 0,0181 1
7 0 0 1
8 0 0 1
9 0 0 1
Из данных табл. 1 следует, что не более двух отказов всех видов в кораблях происходило в 67% случаев. Всего имело место не более шести отказов.
Распределение конструктивных отказов в системах на кораблях «Союз» представлено на рис. 5, б. Несмотря на проводимые доработки в связи с модернизацией
корабля, количество выявляемых конструктивных отказов не имеет тенденции к существенному росту на кораблях после проведения доработок. Это свидетельствует о правильности выбранной концепции эволюционного совершенствования кораблей на фоне текущей программы работ с МКС. Как было отмечено выше, конструктивные отказы — это отказы, наличие которых свойственно всем или большинству систем, изготовленных по документации, в которой имеются недостатки. Устранение выявленных в полёте недостатков документации приводит к исключению повторения конструктивного отказа в полётах последующих образцов изделия. Можно сказать, что в документации на изделие перед началом лётных испытаний имеется некоторое интегральное количество недостатков. В ходе лётных испытаний и последующих полётов эти недостатки проявляются (в виде отказов), после устранения выявленных в одном полёте недостатков документации их интегральное количество уменьшается, пока в процессе полётов конструктивные отказы перестают проявляться, и отработку конструкторской документации можно считать завершённой (применительно к полётам кораблей «Союз» изложенное представлено на рис. 6).
Как видно из рис. 6, конструктивных отказов на кораблях «Союз ТМ» в полётах к МКС не было. Это свидетельствует о завершенности отработки документации этого изделия. То же можно сказать о корабле «Союз ТМА». На корабле «Союз МС», на котором продолжились доработки, начатые на корабле «Союз ТМА-М», не исключается возможность продолжения отработки
Рис. 6. Динамика изменения интегрального количества конструктивных отказов на кораблях «Союз»
документации, и в последующих полётах ограниченное количество конструктивных отказов может проявляться (см. рис. 5, б).
Распределение эксплуатационных отказов, представленное на рис. 5, в, свидетельствует о высоком уровне подготовки экипажей кораблей. Эксплуатационные отказы являются внешними по отношению к собственно кораблю, поэтому при анализах надёжности корабля их рассмотрение не требуется. При анализе безопасности такие отказы рассматриваются с позиции подтверждения достаточности мер, исключающих случайную выдачу опасной команды. Это отражено в концепции, изложенной выше, принятой при проектировании и разработке корабля, которая исключает в явном виде опасность выдачи несанкционированной команды экипажем корабля.
Распределение количества отказов, доработка по которым не проводилась, приведено на рис. 5, г. Учитывая, что в распределение включены единичные неповторяющиеся отказы, с наибольшей вероятностью можно считать причиной этих отказов производственные причины. Статистический анализ таких отказов в полёте кораблей «Союз», летавших к МКС, даёт результаты, приведенные в табл. 2.
Таблица 2
распределение количества отказов, доработка по которым не проводилась, на кораблях «Союз» (до корабля «Союз мС-06» включительно, всего 55 полётов)
Количество отказов комплектующих изделий Частота проявлений (количество изделий) Вероятность Интегральная вероятность
0 21 0,3818 0,3818
1 19 0,3454 0,7273
2 12 0,2182 0,9455
3 3 0,0545 1
4 0 0 1
5 0 0 1
6 0 0 1
7 0 0 1
Из данных табл. 2 следует, что не более двух отказов происходило в 94% кораблей. Всего отказывало не более трёх приборов.
Как видно из приведённых данных, эффективность работ в процессе изготовления и КПИ по предотвращению отказов в полёте кораблей «Союз» является очень высокой, но не абсолютной. Несмотря на все меры по обеспечению эффективности испытаний и предпринимаемые усилия по предупреждению возможных отказов, в полёте кораблей «Союз» происходят отказы в их системах. При этом надёжность кораблей в полёте свидетельствует о том, что проявляющиеся отказы успешно парируются в ходе полёта отказоустойчивостью корабля — использованием резервных приборов. Таким образом, требование устойчивости корабля «Союз» к двум отказам на этапе эксплуатации является технически корректным — проявление двух отказов в системах в полёте корабля является возможным, однако эффективность работ по предотвращению отказов в процессе полёта кораблей такова, что эта величина не будет превышена в 94% случаев. В результате проявление не более двух отказов в процессе полёта и устойчивость к двум отказам обеспечивает высочайшую надёжность корабля и безопасность полёта.
выводы
Анализ видов, последствий и критичности отказов корабля «Союз ТМА» позволил разработать и выполнить мероприятия, которые обеспечили более полное соответствие ТПК «Союз МС» современным требованиям по отказоустойчивости. Результаты сводного анализа отказов в системах, зарегистрированных при полётах ТПК «Союз» к МКС (всего 55 кораблей) показали, что существующая в РКК «Энергия» система качества при разработке, изготовлении и подготовке к пуску ТПК «Союз», предусматривающая
• подтверждение в ходе экспериментальной отработки работоспособности всех приборов и систем для условий полёта корабля;
• допуск корабля к полёту только при полностью работоспособных приборах;
• выявление и устранение причин всех выявленных в полёте отказов, включая подтверждение эффективности доработок, проведённых для устранения причины отказа,
обеспечивает высокую эффективность непропуска отказов в полёт, в результате чего в процессе полёта проявляется не более двух отказов.
Проявление не более двух отказов в процессе полёта и устойчивость к двум отказам обеспечивают высочайшую надёжность корабля и безопасность полёта. В результате корабль отвечает всем современным требованиям и демонстрирует исключительную надёжность при доставке людей на орбиту и обратно на Землю.
Список литературы
1. Ильин А. «Союз ТМА» стал современным. Интервью с Е.А. Микриным // Новости космонавтики. 2010. № 12. С. 14-17.
2. Красильников А. Новая модификация «Союза» полетит через год // Новости космонавтики. 2015. № 5. С. 29-31.
3. Красильников А. Модернизированный корабль // Новости космонавтики. 2016. № 9. С. 3-5.
4. Деречин А.Г., Жарова Л.Н., Синявский В.В., Солнцев В.Л., Сорокин И.В. Международное сотрудничество в сфере пилотируемых полетов. Часть 2. Создание и эксплуатация Международной космической станции // Космическая техника и технологии. 2017. № 2(17). С. 5-28.
5. SSP 50146. NASA/RSA bilateral S&MA Process Requirements for International Space Station. Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision B, March 2004. 179 p.
6. SSP 41163. Russian Segment Specification International Space Station Program. Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision J, 28 November 2008. 435 p.
7. ГОСТ 27.310-95. Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. М.: Госстандарт России, 1995. 15 с.
8. SSP 30234. Failure Modes and Effects Analysis and Critical Items List Requirements for Space Station. International Space Station Program. National Aeronautics and Space Administration. International Space Station Program Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision F, July 2002. 97p.
9. Надёжность и эффективность в технике. Экспериментальная отработка и испытания. Справочник / Под ред. Ав-дуевского В.С. М.: Машиностроение, 1989. Т. 6. 376 с.
10. ГОСТ 27.002-2015. Межгосударственный стандарт. Надёжность в технике. Термины и определения. М.: Стандарт-информ, 2016. 23 с.
Статья поступила в редакцию 15.11.2019 г. Окончательный вариант — 31.08.2020 г.
Reference
1. Il'in A. «Soyuz TMA» stal sovremennym. Interv'yu s E.A. Mikrinym [Soyuz TMA became modern. Interview with E.A. Mikrin]. Novosti kosmonavtiki, 2010, no. 12, pp. 14-17.
2. Krasil'nikov A. Novaya modifikatsiya «Soyuza» poletit cherez god [A new version of Soyuz will fly in a year's time]. Novosti kosmonavtiki, 2015, no. 5,pp. 29-31.
3. Krasil'nikov A. Modernizirovannyi korabl' [The upgraded spacecraft]. Novosti kosmonavtiki, 2016, no. 9, pp. 3-5.
4. Derechin A.G., Zharova L.N., Sinyavskii V.V., Solntsev V.L., Sorokin I.V. Mezhdunarodnoe sotrudnichestvo v sfere pilotiruemykh poletov. Chast' 2. Sozdanie i ekspluatatsiya Mezhdunarodnoi kosmicheskoi stantsii [International cooperation in the sphere of manned lights. Part 2. Development and operation of the International Space Station]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2017, no. 2(17), pp. 5-28.
5. SSP 50146. NASA/RSA bilateral S&MA Process Requirements for International Space Station. Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision B, March 2004. 179 p.
6. SSP 41163. Russian Segment Specification International Space Station Program. Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision J, 28 November 2008. 435 p.
7. GOST 27.310-95. Nadezhnost' v tekhnike. Analiz vidov, posledstvii i kritichnosti otkazov. Osnovnye polozheniya [Dependability in technics. Failure mode, effects and critically analysis. Basic principles]. Moscow, Gosstandart Rossii publ., 1995. 15 p.
8. SSP 30234. Failure modes and effects analysis and critical items list requirements for Space Station. International Space Station Program. National Aeronautics and Space Administration. International Space Station Program Johnson Space Center. Houston, Texas. Revision F, July 2002. 97 p.
9. Nadezhnost' i effektivnost' v tekhnike. Eksperimentalnaya otrabotka i ispytaniya. Spravochnik [Reliability and effectiveness in technology. Experimental development and tests. Handbook]. Ed. by Avduevskiy V.S. Moscow, Mashinostroenie publ., 1989. Vol. 6, 376p.
10. GOST 27.002-2015. Nadezhnost' v tekhnike. Terminy i opredeleniya [Dependability in technics. Terms and definitions]. Moscow, Standartinform publ., 2016. 23 p.
