CC BY
36
ЛОГИСТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОРГАНИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА
РАЗРАБОТКА ЛОГИСТИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ДЛЯ ОБЪЕКТОВ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ НА ПРИМЕРЕ СВЕРХМАЛОГО
КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА «ПАРУС-МГТУ» А.Е. Бром, д-р техн. наук, профессор, Н.В. Евстифеева аспирант
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Статья посвящена вопросам возможности применения концепции интегрированной логистической поддержки (ИЛП)для космической техники на примере студенческого сверхмалого космического аппарата (СКА) «Парус-МГТУ».В статье рассмотрена специфика поддержки космической техники на этапе эксплуатации. Выделена проблема снижения стоимости производства космических аппаратов за счет применения в конструкции электрорадиоизделий (ЭРИ) коммерческого и индустриального назначения. Предложен подход к решению этой проблемы на основе стандартных процедур инжиниринга, общепринятых в практике проектирования и конструирования. Представлена реализация этих процедур для ИЛП СКА на примере космического аппарата «Па-рус-МГТУ». Для СКА были разработаны классификации уровней критичности отказов и уровней вероятности возникновения отказа. Описан алгоритм проведения анализа видов, последствий и критичности отказов (АВПКО) для СКА. Разработаны рекомендации по обеспечению надежности электрорадиоизделий. Статья будет полезна специалистам в областях организации производства и инжиниринга, РЬМ, логистики, менеджмента
В последнее десятилетие активно развивается концепция управления жизненным циклом продукции (РЬМ), охватывающая все процессы жизненного цикла (ЖЦ) технической продукции. В области инжиниринга инструменты РЬМ достаточно хорошо и успешно разработаны, а в части эксплуатации техники основным подходом стала инте-грированнаялогистическая поддержка (ИЛП) изделия. Интегрированная логистическая поддержка - это методология оптимизации стоимости жизненного цикла (ЖЦ) изделия с учетом наилучшей пригодности объекта техники к поддержке эксплуатации. Пригодность к поддержке эксплуатации - это соответствие конструкторских характеристик изделия и его информационно-логистической системы требованию постоянной готовности к работе [1]. Поэтому в рамках ИЛП особую актуальность представляют процедуры и методы мониторинга и контроля соответствия фактических показателей в реальных условиях эксплуатации на различных этапах ЖЦ изделия проектным требованиям.В виду ярко выраженной специфики космических аппаратов несомненный интерес представляет возможность применения технологий ИЛП в данной отрасли, особенно учитывая форми-
рующийся мировой тренд в сторону оптимизации затрат инжиниринговой деятельности.
В последние пятнадцать лет в спутниковой индустрии сформировалось новое научно-технологическое направление - разработка сверхмалых космических аппаратов (КА). В то время как спутниковая индустрия традиционно поддерживается большими, высокопроизводительными спутниками, новое направление открыло новые возможности для осуществления космических полетов и его доля постоянно растет. Сверхмалые КА обеспечивают радикальное уменьшение стоимости, как разработки, производства и испытаний, так и запуска: сроки разработки проектов уменьшаются с 4-5 лет до 1 года, требования к испытательному и производственному оборудованию в связи с уменьшением размерности так же кардинально снижаются, в связи с чем уменьшаются общая стоимость проектов.
Всем объектам космической техники (КТ) присущи общие особенности, влияющие на структуру логистического обеспечения процессов производства и эксплуатации объектов:
- сложность и высокая стоимость изделий;
- единичное производство продукции, следовательно, уникальность изделий;
- разнообразие и сложность технологических процессов, требующих проведения предшествующих им экспериментальных и научно-исследовательских работ;
- непрерывное повышение требований к качеству, надежности, ресурсу изделий
- требование обеспечения максимальной надежности и качества на предпроизвод-ственных и производственных этапах без дальнейшего технического обслуживания и ремонта на последующих этапах жизненного цикла;
- как правило, длительный срок эксплуатации техники (эффективная эксплуатация объекта КТ должна быть обеспечена в течение ограниченных сроков его активного существования). На сегодняшний день он составляет для разных образцов КТ от 3 до 20 лет;
- ограниченные возможности утилизации, которые должны осуществляться средствами самой КТ;
Анализируя вышеизложенные особенности и принимая во внимание существующие тренды, можно сделать вывод - обеспечение максимальной надежности изделия при минимизации стоимости его разработки являются одними из самых важных задач космической промышленности. И применение интегрированной логистической поддержки может дать ощутимый результат в решении этих проблем.
На первый взгляд, полноценная реализация концепции ИЛП невозможна, поскольку для объектов космической техники, как было сказано, сильно ограничена возможность технического обслуживания. Однако элементы концепции ИЛП можно и нужно применять и к космической технике, и здесь можно сослаться на руководство «Intemationalproce-durespecificationforLogisticsSupportAnalysis», изданное европейской ассоциацией производителей аэрокосмической техники (ASD)[2].
Применение стандартизированных методологий ИЛП - функционального анализа и анализа видов и последствий критичности отказов (АВПКО/FMECA) - к изделиям КТ решит следующие задачи:
• Обеспечение "функциональной полноты и неизбыточности" изделия
• Обеспечение максимальной надежности изделия в процессе работы
• Обеспечение необходимой и достаточной номенклатуры и количества МТО производственной стадии
• Обеспечение выполнения миссии изделия
• Обеспечение снижения стоимости жизненного цикла изделия
В отличие от продукции гражданского назначения, для космической техники акцент со стоимости изделия переносится на его надежность и безотказность. Первейшей задачей является обеспечение безотказной работы в процессе активной работы аппарата, только в этом случае будет выполнена цель создания космического аппарата - выполнен научный эксперимент (в случае научного аппарата), окупится стоимость производства (в случае коммерческого аппарата).
Снижение стоимости изделия возможно за счет применения в конструкции электро-радиоизделий (ЭРИ) коммерческого и индустриального назначения. К ЭРИ коммерческого и индустриального назначения все чаще прибегают производители космической техники за рубежом.
Использование этих ЭРИ может существенно снизить стоимость производства. Дело в том, что до 2000-х годов в производстве космической технике участвовали изделия в основном только космического применения. Они отличаются высокой степенью надежности: надежностные характеристики наиболее высокого класса изделий (космического применения) отличаются от соответствующих показателей коммерческих примерно в 80-100 раз. Приблизительно такими же цифрами оценивается различие в стоимости между ЭРИ космического и коммерческого применения.
Применение в космических системах элементов индустриального класса вместо дорогих и труднодоступных зарубежных ЭРИ космического класса возможно за счёт реализации широкой программы отбраковочных, ВОДСТВА. 2014. № 2 91
сверхотбраковочных и диагностических испытаний на основе анализа методов неразру-шающего контроля, а также конструкционного контроля и физического анализа представительных выборок от каждой партии [3].
Грамотная процедура отбора позволяет существенно повысить качество и в среднем в 10-30 раз снизить интенсивность отказов в партиях за счет исключения из них ЭРИ со скрытыми дефектами.
Использование алгоритмов функционального анализа и АВПКО для космической техники позволит определить, для выполнения каких функций изделия допускается использование элементов индустриального класса, а какие элементы необходимо доводить до уровня более высокого класса надежности.
Применение вышеупомянутых алгоритмов будет показано на примере студенческого сверхмалого космического аппарата «Па-рус-МГТУ».
Проект «Парус-МГТУ» стартовал в сентябре 2009 г. в МГТУ им. Н.Э. Баумана в Учебно-научном молодёжном космическом центре, главной задачей его является создание сверхмалого космического аппарата с солнечным парусом. Основной идеей проекта является использование в качестве светоотражающей поверхности солнечного паруса двух узких лент, которые могут быть просто намотаны на катушки [4].
В настоящий момент данный проект принят Федеральным космическим агентством (Роскосмос) в программу научных экспериментов на Международной космической станции (МКС). Перед проектной группой стояла задача создания опытно-конструкторской разработки сверхмалого космического аппарата «Парус-МГТУ».
В ходе космического эксперимента планируется осуществить сначала раскрытие тонкопленочной конструкции в виде двух лент под действием центробежных сил с борта СКА в непосредственной близости от МКС, затем протестировать работу бортовых систем в режиме полета в течение всего сро-
ка активного существования КА. При этом планируется решить следующие задачи:
• демонстрация технологии развертывания длинных лент из тонкой пленки под действием центробежных сил;
• демонстрация работы бортового оборудования на основе электрорадиоизделий неспециализированного назначения (микроконтроллеров, датчиков температуры, давления и угловых скоростей, радиомодулей, элементов питания) в условиях космического полета;
• верификация математической модели динамики тонкоплёночной конструкции в ходе космического полета.
СКА «Парус-МГТУ» имеет нестандартный способ запуска - ручной запуск космонавтом во время внекорабельной деятельности (ВКД) на Международной космической станции. Поэтому на этапе орбитального полета СКА находится в двух состояниях: в состоянии хранения в составе МКС и в состоянии активной работы, после запуска с МКС.
В виду ограничения объема статьи затруднительно привести полностью разработанные процедуры для СКА «Парус-МГТУ» -функциональный анализ (ФА) и анализ видов, последствий и критичности отказов (АВПКО). Для понимания логики проведенной работы в статье представлены фрагменты, т.к. эти процедуры являются стандартизированными методологиями и проблема заключается не в сути алгоритмов, а в их приложении к конкретным объектам. Фрагмент функционального анализа представлен в таблице 1.
Из проведенного функционального анализа СКА был сделан вывод об оптимальности конструкции изделия и о возможности дальнейшей его разработки. В аппарате нет дублирования функций разными элементами, все функции перекрыты конструктивными элементами. В результате функционального анализа получен состав функций и конструкторский состав изделия для проведения процедуры АВПКО.
Количественную оценку надежности элемента можно провести, используя в каче-
стве показателя вероятность безотказной ра- ющей формуле: боты (ВБР). ВБР рассчитывается по следу-
Таблица 1
_Функциональный анализ СКА «Парус-МГТУ»_
Функции Перечень подсистем
F0: Раскрытие тонкопленочной конструкции и передача информации о раскрытии на Землю Сверхмалый космический аппарат «Парус-МГТУ» (СКА)
F1: Развертывание исследуемой конструкции солнечного паруса Система развертывания бескаркасной тонкопленочной конструкции
F11:Хранениеленты Катушка с лентой
F12: Развертываниеленты Двигатель шаговый
F13: Раскрутка СКА Двигатель-маховик
F131: Преобразование электрической энергии в механическую энергию вращения Двигатель бесколлекторный
F132: Накопление механической энергии вращения Маховик
F14: Выдача команд управления экспериментом Микроконтроллер
F2: Получение и хранение данных Система управления бортовым комплексом
F21: Измерение угловых скоростей СКА по трем осям МЭМС-гироскоп
F22 : Фоторегистрацияпроцессаразвертывания Фотокамера
F23: Выдача информации о текущем времени Часы реального времени
F24: Измерение температуры составных частей СКА Датчик температуры
P(t) = е
-
(1)
где Я - интенсивность отказа элемента, 1/час; I - длительность работы элемента, час. При этом вероятность возникновения отказа является величиной обратной вероятности безотказной работы.
В АВПКО для каждого элемента структуры изделия необходимо задать значение интенсивности отказа. Интенсивность отказа рассчитывается отдельно для каждого вида элемента. Значения интенсивностей отказа для ЭРИ приводятся в справочной литературе и документации производителя, поэтому является целесообразным проводить АВПКО до уровня функций каждого отдельного ЭРИ. Поскольку СКА будет находиться в
двух состояниях, необходимо рассчитать ре-з ул ьтирующую ВБР. Учитывая, что последовательные события являются независимыми, можно рассчитать по формуле:
р(о = пит,
(2)
где п- количество состояний системы. Алгоритм проведения АВПКО для СКА представлен на рисунке 1 .
Далее для СКА были разработаны классификации уровней критичности отказов -категории тяжести последствий отказов КТПО (табл. 2) и уровней вероятности возникновения отказа (УВВО) (табл. 3).
Структура функций и структура изделия
О--=
1. Задание видов отказов и категорий тяжести последствий отказов (КТПО) по всем
элементам структуры изделия
^- =
2 Задание интенсивностей отказов для всех элементов в режиме активного использования
(Яа) и в режиме хранеитяО-х)
^- =
3 Расчет вероятностей отказа для всех элементов и задание уровней вероятностей
возникновения отказа (УВВО)
^- =
4 Составление матрицы критичности
^- =
? Выработка рекомендаций по обеспечению надежности
^- =
6 Получение номенклатуры и количества закупаемых изделий для МТО производства
Рис. 1. Алгоритм проведения АВПКО для СКА
Таблица 2
Классификация уровней критичности_
Уровень критичности Категория Последствия отказа
1 Катастрофическая Отказ элемента приводит к невозможности выполнение двух задач полета спутника
2 Критическая Отказ элемента приводит к невозможности выполнение одной задачи полета спутника
3 Значительная Отказ элемента приводит к снижению объема получаемых научных данных
4 Незначительная Отказ элемента не приводит к потере эксплуатационных характеристик системы, но приводит к снижению уровня надежности (уровня резервирования)
Таблица 3
Уровни вероятности возникновения отказа_
Уровень вероятности возникновения отказа Описание
A Частый отказ. Вероятность возникновения отказа за заданное время работы превышает : ■ .'.':
B Вероятный отказ. Вероятность возникновения отказа за заданное время составляет от г ■ : ■ И"1.
с Возможный отказ. Вероятность возникновения отказа за заданное время составляет от 5 ■ 1!"1до г ■ 1!" \
D Редкий отказ. Вероятность возникновения отказа за заданное время составляет от _ ■ .'.': до ■ - '.':.
Е Маловероятный отказ. Вероятность возникновения отказа за заданное время ниже - ■ .'.':.
Затем элементы СКА заносятся в матрицу критичностей, где они ранжируются в соответствии с вероятностью возникновения
отказа и категорией критичности тяжести последствия отказа (рис. 2). Матрица кри-тичностей для СКА «Парус-МГТУ»:
КТПО
УВВО
IV
III
II
I
А
Преобразователь UART-USB
Фотокамера
Контроллер заряда/разряда аккумулятора, микросборка_приемопередатчик_
Микроконтроллер
В
Линейный стабилизатор напряжения
С
МЭМС-гироскоп
Соединитель ^В
Б
Датчик температуры
Часы реального времени,
память ББРЯОМ,
Катушка с лентой, двигатель шаговый, реле, корпус
Печатная плата
Е
Антенна приемная технологическая, светодиод
Антенна дипольная передающая, плёночный нагреватель, двигатель бесколлек-_торный,маховик_
Аккумуляторная батарея, солнечный элемент,
тумблер, микропе-_реключатель_
Темно-серым цветом выделена область первого приоритета, светло-серым - зона второго приоритета, белым зона третьего приоритета.
Рис. 2. Матрица критичности для СКА «Парус-МГТУ»
Исходя из полученной в результате АВПКО информации были разработаны рекомендации по обеспечению надежности
СКА в соответствии с полученными областями приоритетов (рис. 3).
Рис. 3. Элементы СКА в соответствии с полученными областями приоритетов
Для зоны первого приоритета необходима серия отбраковочных испытаний по доведению уровня надежности до военного класса [5].
Элементы ЭРИ индустриального класса надежности имеют коэффициент качества К
= 10. Их можно довести до уровня качества, соответствующего военной технике (К = 1), применяя комплекс дополнительных отбраковочных испытаний (табл. 4).
Отбраковочные испытания
Таблица 4
Рекомендуемые дополнительные испытания Ожидаемое для ЭРИ улучшение качества
Измерение электрических параметров по ужесточенным нормам для нормальной, положительной и отрицательной температур 1,9
10 термоциклов с измерением электрических параметров 1,6
Термотренировка (ТТ) в течение не менее 168 час. При максимальной рабочей для данного элемента температуре 2
Измерение информативных параметров после ТТ 1,5
Рассчитаем количество закупаемых изделий зоны первого приоритета. Для этого используем формулу определения объема выборки, которая позволила бы оценить долю брака в партии продукции (10000 единиц) с точностью до 2% при доверительной вероятности Р = 0,95. То есть, если истинная доля брака составляет к%, то с вероятностью 0,95 мы хотим получить долю брака к'% лежащую в интервале к% + 2% < к'% < к% - 2%.
где п - количество элементов в выборке, ^ - коэффициент доверия, определяется по таблице значений функции Лапласа БО), при условии известной исследователю доверительной вероятности.
р - доля брака в выборочной совокупности. д - доля качественной продукции в выборочной совокупности. Л - заданная точность. Значение доли брака рассчитано как среднеарифметическое значение долей брака в испытаниях ЭРИ для разных изделий компанией ОАО «РНИИ «Электронстандарт», специализирующейся на отбраковочных испытаниях и повышении уровня надежности ЭРИ. Для остальных элементов количество закупаемых элементов равно одной штуке.
Таким образом, выполнив вышеизложенный алгоритм применения инструментов ИЛП, получаем четкую номенклатуру и количество закупаемых элементов изделия для материально-технического обеспечения про-
изводственного этапа для КА. При этом можно достичь значительного снижения цены изделия за счет использования ЭРИ индустриального класса надежности при обеспечении требуемого уровня надежности изделия.
Вышеизложенные методики позволяют обеспечить качество изделия при минимизации его стоимости, что играет определяющую роль при создании космической техники. Кроме того, успешное внедрение опыта, полученногов процессе анализа логистической поддержки сверхмалого космического аппарата «Парус-МГТУ», в учебный процесс позволит существенно повысить практическую составляющую образовательной компоненты учебных программ магистерской подготовки по направлениям «Организация и управление наукоемкими производствами» и «Менеджмент», а также дисциплин «Логистическая поддержка инновационных проектов», «Интегрированная логистическая поддержка наукоемкой продукции», «Организация и управление жизненным циклом наукоемкой продукции».
Литература
1. Судов, Е. В. Технологии интегрированной логистической поддержки изделий машиностроения [Текст] / Е. В. Судов, А. И. Левин, А. В. Петров, Е. В. Чубарова. - М.: ООО Издательский дом «ИнформБюро», 2006. - 232 с.
2. International procedure specification for Logistics Support Analysis. S3000L. ASD, 2010.
3. Данилин, Н. С. Информационные технологии и сертификация элементной базы
новых российских космических телекоммуникаций [Текст] / Н. С. Данилин. - М.: РТА ГТК, 2000. - 76 с.
4. D. Rachkin, S. Tenenbaum, A. Dmitriev, N. Nerovniy, O. Kotsur, A. Vorobyov. 2-blades deploying by centrigugal force solar sail experiment (IAC-11.E2.3.8) // Proceedings of 62nd International Astronautical Congress. - Cape Town, SA, 2011.
5. Евстифеева, Н. В. Специфика интегрированной логистической поддержки объекта космической техники на примере сверхмалого космического аппарата «Парус-МГТУ» [Текст] / Н. В. Евстифеева, А. Е.
Бром, В. И. Майорова, Д. А. Рачкин // Гуманитарный вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. -2013. - Выпуск № 10 (12). http://hmbul. bmstu.ru/catalog/econom/.
® +7(916)9751701
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: интегрированная логистическая поддержка; космическая техника; сверхмалый космический аппарат; надежность; функциональный анализ; анализ видов и последствий отказов; электро-радиоизделия.
DEVELOPMENT OF LOGISTIC SUPPORT FOR SPACE EQUIPMENT ON THE BASE OF THE «SAIL-BMSTU» MIDGET SPACECRAFT A.E. Brom, N.V. Evstifeeva
The article is devoted to the possibility of applying integrated logistic support conception (LSC) for space equipment on the base of the student's «Sail BMSTU» midget spacecraft (mission) (MS) example. The peculiarities of space equipment logistic support in operation phase are considered. The problem of decrease in production expenses for spacecrafts due to application in electro radio products (ERP) design of commercial and industrial appointment is emphasized. The paper suggests that the solution of this problem should be based on standard engineering procedures generally accepted in the practice of design and construction. Implementation of these procedures is presented on the example of LSC (MS) spacecraft "Sail-Bauman." Classifications of criticality of refusals and refusal emergence probability levels were developed for MS. It is described an algorithm for the analysis of types, consequences and criticality of refusals (ATCCR) for (MS). Recommended guidelines providing reliability of electro radio products are elaborated. The article will be useful for professionals in engineering, PLM, logistics, management, for research, teaching and private study purposes
Key words: the integrated logistic support (ILS); space equipment; space satellite; reliability; failure modes, effects and criticality analysis (FMECA); electro radio products.
Literatura
1. Sudov, E. V. Tehnologii integriro-vannoj logisticheskoj podderzhki izdelij mashinostroenija [Tekst] / E. V. Sudov, A. I. Levin, A. V. Petrov, E. V. Chubarova. - M.: OOO Izdatel'skij dom «InformBjuro», 2006. - 232 s.
2. International procedure specification for Logistics Support Analysis. S3000L. ASD, 2010.
3. Danilin, N. S. Informacionnye tehnologii i sertifikacija jelementnoj bazy novyh rossijskih kosmicheskih telekommunikacij [Tekst] / N. S. Danilin. - M.: RTA GTK, 2000. - 76 s.
4. D. Rachkin, S. Tenenbaum, A. Dmitriev, N. Nerovniy, O. Kotsur, A. Vorobyov. 2-blades deploying by centrigugal force solar sail experiment (IAC-11.E2.3.8) // Proceedings of 62nd International Astronautical Congress. - Cape Town, SA, 2011.
5. Evstifeeva, N. V. Specifika integ-rirovannoj logisticheskoj podderzhki ob#-ekta kosmicheskoj tehniki na primere sverhmalogo kosmicheskogo apparata «Parus-MGTU» [Tekst] / N. V. Evstifeeva, A. E. Brom, V. I. Majorova, D. A. Rachkin // Guma-nitarnyj vestnik MGTU im. N.Je. Baumana. - 2013. - Vypusk № 10 (12). http://hmbul.bmstu.ru/catalog/econom/.
