Оценка надежности перспективных космических комплексов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.78.017.1

Е. А. Шангина, В. Е. Патраев

АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва»,

г. Железногорск, Красноярский край, Россия

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ КОСМИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Рассмотрены вопросы обеспечения надёжности космических комплексов и приведены возможные модели экспериментальной оценки показателей надежности космических комплексов и составных частей.

Ключевые слова: надёжность, космический комплекс, космический аппарат, коэффициент готовности, срок активного существования, орбитальная группировка.

E. A. Shangina, V. E. Patraev

JCS «Academician M. F Reshetnev» Information Satellite Systems»,

Zheleznogorsk, Russia

RELIABILITY PREDICTION FOR PERSPECTIVE

SPACE systems

The problems of ensuring reliability of space systems were considered and a possible model for the experimental assessment of space systems reliability

and components were provides.

Keywords: reliability, space complex, spacecraft, availability, lifetime, the

orbital group.

В настоящее время в АО «ИСС» в процессе создания находятся перспективные космические системы спутниковой связи и ретрансляции, основными элементами которых являются космические комплексы (КК) с орбитальными группировками (ОГ) космических аппаратов (КА) нового тяжёлого класса со сроком эксплуатации до 15 лет.

Традиционно в проектных документах по вопросам обеспечения и контроля надёжности КК приоритет отдается космическим аппаратам как основным элементам КК, выполняющим целевую функцию. Вместе с тем анализ эксплуатационной надёжности составных частей современных космических и ракетно-космических комплексов (РКК), находящихся в штатной эксплуатации, свидетельствует о недостаточном уровне надёжности изделий ракетно-космической техники, входящих в состав КК. Имеют место отказы и неисправности

© Шангина Е. А., Патраев В. Е., 2015

средств выведения (ракетоносителей, разгонных блоков), технических средств наземной инфраструктуры КК (оборудования технического, стартового комплексов, средств НКУ), частичные и полные отказы космических аппаратов по различным признакам деления в пределах требуемого срока активного существования (САС). Данные отказы сдерживают развёртывание и пополнение орбитальных группировок КА и негативно влияют на имидж отечественной ракетно-космической техники.

Надежность КК является важнейшей эксплуатационно-технической характеристикой и неотъемлемым внутренним свойством КК, которое конструктивно закладывается на этапах проектирования.

КК представляет совокупность ремонтопригодных и неремонтопригодных элементов. Элементы КК призваны обеспечить успешный запуск, эксплуатацию и управление КА. В период одного цикла работ, связанных с запуском единичного КА, данные элементы КК

Е. А. Шангина, В. Е. Патраев

Оценка надежности перспективных космических комплексов

функционируют последовательно в соответствии с циклограммой работы. В отдельные периоды функционирования они могут быть ремонтопригодными (например, для средств выведения до наступления периода необратимых операций). В других случаях относятся к неремонтируемым (для летных этапов).

Таким образом, возникает необходимость не только выбора и оптимизации задаваемых эффективных требований к надёжности для элементов КК и КК в целом в привязке к периодам функционирования [1], но и совершенствования конструктивных методов обеспечения данных показателей надёжности на этапах проектирования и эксплуатации, включая методы их подтверждения.

В статье рассматриваются возможные модели для оценки и подтверждения требуемых показателей надёжности некоторых перспективных КК.

Требования к надежности КК зависят от их назначения и подразделяются на обобщенные, основные и дополнительные [2].

На уровне одиночного КК постоянного, длительного функционирования с орбитальной группировкой из n КА обобщенным показателем надёжности, как правило, является коэффициент готовности КК K ]?К [2].

Для перспективных КК с геостационарными КА основные требования по надёжности составных частей формулируются в виде требуемого:

- коэффициента готовности орбитальной группировки КОГ (вероятность того, что в течение заданного времени поддерживается штатная орбитальная группировка);

- коэффициента готовности НКУ К^^ку;

- показателя готовности НКУ (вероятность выполнения средствами КУ суточного технологического цикла управления КА);

- показателя надёжности РКК (вероятность подготовки ракеты космического назначе-

ния (РКН) к пуску из установленных технических готовностей за время, не превышающее нормативного заданного т) PРКН (т ) • п

- показателя надёжности РКН (вероятность выведения КА в заданную область космического пространства P(Q));

- показателя надёжности РКН (вероятность сохранения работоспособности КА в процессе выведения) рВЫ (твыв);

- показателей надёжности КА (гамма-процентного срока активного существования ГАС и гамма-процентного срока сохраняемости тХР).

Показатели надёжности РКН могут быть заменены одним интегральным - вероятность запуска КА на опорную орбиту, выведения его в заданную область космического пространства и приведения собственными средствами в заданную область орбиты.

Аналитическая структурная схема надёжности такого КК приведена на рисунке.

Учитывая:

- заданные показатели надёжности НКУ и ОГ,

- заданные показатели надёжности РКК и РКН,

- реальные периоды функционирования КК,

- расчетную надёжность задействованных средств выведения,

- хранение КА до запуска,

а также то, что для высоконадежных объектов, каковыми являются элементы КК, отличие коэффициентов готовности от вероятности безотказной работы в целом несущественно [3],

общая модель оценки K жение

КК

]

принимает выра-

*-КК _ ^КА ^ОГ v K Г = K ГХР K Г х

X

PРКН (т ) PРКН (т ) PКА (т )

подг V ‘П/ вывка V выв/ выв V ‘'выв/

РКН

КА

выв КА выв выв выв

(1)

где — коэффициент готовности КА при хранении.

29

Аналитическая структурная модель надёжности космического комплекса

30

Показатели надёжно сти КрКУ и Kf°r связаны между собой выражением

КгОг =(кГА )"кНу, (2)

где КрКУ - коэффициент готовности НКУ при работе со всеми n КА орбитальной группировки; Кг - коэффициент готовности единичного КА, определяемый как

^КА

K Г = n

ОГ

НКУ

Г

(3)

Если известно статистическое количественное значение Кг по результатам эксплуатации КА-аналогов, то выражение (3) можно использовать для определения корректности задаваемых количественных значений К°г и ^?КУ для рассматриваемого КА.

Коэффициент готовности КА при хранении определяется как

КГА =■

—КА

Т 0

ХР

-ка

^ГХР —КА — КА

Т 0ХР + Т ВХР

(4)

где Т оХР - среднее время безотказной работы КА при хранении; ТВхр - среднее время восстановления КА после отказа при хранении.

т ак как значения Т оХР , Т вХР зачастую могут быть неизвестны или потребуются значительные усилия для их определения, то кГА может быть заменён вероятностью безотказной работы КА за время хранения (т хр ),

при этом

хр '

Р*А (Тхр ) = exP(-^хрТхр )’ (5)

где Ххр - интенсивность отказов КА при хранении.

Вероятность подготовки РКН к пуску из установленных технических готовностей за время, не превышающее нормативное заданное тП, определяется выражением

Р ркн

£ подг

(ТП ) = exp( ЛРКНТП ) =

( к \

= exp

i=1 J

ТП,

(6)

где Л - суммарная интенсивность отказов основных элементов РКН; X - интенсивность отказов i-го элемента РКН; k - количество учитываемых элементов РКН (ракета-носитель + космическая головная часть: КА, разгонный блок, головной обтекатель, переходная система).

№ 1 (11) январь-март 2015

Вероятность выведения КА в заданную область космического пространства P(Q) )• • РЫВ (твыв) определяется надёжностью выбранных средств выведения.

Выражения (5) и (6) предполагают экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы оцениваемых объектов.

Вероятность сохранения работоспособности КА в процессе выведения (вероятность безотказной работы) РЫВ (твыв) определяется выражением

где Рвыв - ВБР механических устройств на этапе выведения.

Интенсивность отказов элементов РКН в различные периоды функционирования КК определяется с использованием статистики по результатам эксплуатации КК и пусков большого количества КА разработки АО «ИСС».

Исходя из принятой аналитической модели ССН КК, коэффициент готовности КК можно также определить по формуле

ЖК

K ГК

КК

Т

1---в

Т

КК

(8)

аКК

где Тв - суммарное время восстановления КК при снижении её работоспособности ниже допустимого уровня; ТэКК - период эксплуатации ОГ КК полного состава, определяемый как календарная продолжительность эксплуатации ОГ с момента его полного развертывания до отказа или перехода в предельное состояние любого КА из ОГ.

Суммарное время восстановления КК определяется по формуле

т аа = Т ка + а ог + а нку +

1 в ~ 1 вхр ' 1 в ' 1 в '

. асред.ран | ааАвыв . тка (9)

+ а вПОдГ + а в + Т работ,

7-fKA

где твхр - суммарные потери времени, связанные с восстановлением работоспособности любого КА в случае его отказа при хранении; Гв°Г - суммарные потери времени, связанные с восстановлением орбитальной группировки из n КА (в случае частичных отказов в любом КА восстанавливается за счет резерва оборудования, в случае полного отказа любого КА восстанавливается введением КА из орбитального резерва либо запуском вновь изготовленного КА); 7ВНКУ - суммарные потери времени, связанные с восста-

Е. А. Шангина, В. Е. Патраев

Оценка надежности перспективных космических комплексов

новлением работоспособности средств НКУ для работы с n КА ОГ; - суммарные

потери времени, связанные с восстановлением наземных и космических средств РКН при подготовке любого КА к запуску (ремонт наземных технических средств РКК, ремонт или замена РН или РБ, ремонт КА, ГО, переходной системы); твКАвыв - суммарные потери времени, связанные с повторным запуском КА в случае отказа РН, РБ при выведении КА на орбиту; - суммарные потери

времени, связанные с восстановлением работоспособности любого КА в процессе его выведения.

Восстановление полностью развернутой ОГ из n КА предполагает её восстановление, в случае внезапного полного отказа любого КА в ОГ, запуском другого КА, поэтому время восстановления работоспособности ОГ после её развертывания определяется суммарным временем перерыва в работе любого КА, связанным с восстановлением его работоспособности.

Перерывы в работе любого КА из ОГ могут быть двух видов [4]:

- перерывы из-за внезапных отказов резервированного оборудования, компенсируемые средствами бортовой автоматики путем внепланового перехода на резервный комплект (7^);

- перерывы из-за внезапных отказов оборудования, компенсируемые только с применением средств НКУ (Г2).

Плановый переход на резервный комплект аппаратуры служебных бортовых систем или переход на резерв в случае расчет-

ной нештатной ситуации не приводит к перерывам в работе КА.

Время восстановления ОГ из-за частичных отказов КА определяется как

T ог _

^ n m \

Z КА, 2 Tj

\ >_ м

(10)

где n - штатное количество КА в ОГ; m - коли -чество видов частичных отказов (2); T. - перерыв в работе .-го КА по j-му виду отказа и КК соответственно, связанный с частичными отказами и методами их парирования.

Рассмотренные модели оценки показателей надёжности КК применяются при проектировании перспективных КК с КА различного назначения.

Библиографические ссылки

1. Шангина Е. А., Патраев В. Е., Яковлев А. В. Оптимизация требований по надёжности к перспективным космическим комплексам экспериментального назначения. М. : Научтехлитиздат. «Авиакосмическоеприборостроение», 2014. № 9. C. 36-40.

2. ГОСТ РО 1410-001-2009. Системы и комплексы космические. Порядок задания требований, оценки и контроля надежности.

3. Проектирование надежных спутников связи / под ред. академика М. Ф. Решетнёва. Томск : МГП «РАСКО», 1993. 221 с.

4. Патраев В. Е. Методы обеспечения и оценки надежности космических аппаратов с длительным сроком активного существования : монография / Сиб. гос. аэрокосм. ун-т. Красноярск, 2010. 136 с.

31

Статья поступила в редакцию 03.04.2015 г.