Рисковые ситуации в космической отрасли и их анализ при производстве тепловых труб Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Проектирование и производство летательных аппаратов, космические исследования и проекты

УДК 629.78.086

Г. В. Двирный, В. В. Двирный ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева», Россия, Железногорск

В. В. Голованова

ФГУП «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М. В. Фрунзе», Россия, Санкт-Петербург

Т. С. Третьякова

Филиал Сибирского федерального университета, Россия, Железногорск

РИСКОВЫЕ СИТУАЦИИ В КОСМИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ И ИХ АНАЛИЗ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ТЕПЛОВЫХ ТРУБ

Рассмотрены и проанализированы рисковые ситуации в космической отрасли при производстве тепловых труб.

Всплеск аварийности в отечественной космонавтике в последние годы говорит об актуальности анализа проблемы рисков при производстве космических аппаратов (КА) и их эксплуатации.

Так, в декабре 2010 г. ракета-носитель (РН) «Про-тон-М» из-за перелива топлива «утопила» в Тихом океане три спутника «Глонасс-М». Ущерб составил около 4 млрд руб.

Отказ в системе управления РН «Рокот» привел к потере геодезического спутника «Гео-ИК-2» в феврале 2011 г. Ущерб порядка 1 млрд руб. В августе

2011 г. из-за ошибки в расчете разворота гиростаби-лизированной платформы РН «Протон-М» спутник «Экспресс-АМ4» оказался на нерасчетной орбите, ущерб огромный. Затем были неудачи с запуском межпланетной станции «Фобос-грунт», авария с РН «Союз-У» при выводе телекоммуникационного спутника «Меридиан» и др. Последний случай в августе

2012 г.: из-за неполадок с разгонным блоком «Бриз-М» потеряно два спутника, ущерб порядка 5 млрд руб.

Очевидно, самые большие риски и потери - на окончательном этапе при вводе в эксплуатацию космического аппарата.

Потери и соответственно риски меньше при подготовке на полигоне, испытаниях и сборке. Еще меньше при наземной отработке, тщательность и полнота которой уменьшает риски, производстве и проектировании, например тепловых труб (ТТ) для КА. Подходы в анализе рисков для сложных систем терморегулирования (СТР) приемлемы и для других систем.

Спутники производства ОАО «Информационные спутниковые системы им. академика М. Ф. Решетне-ва» в своем составе имеют порядка ста ТТ при размещении бортовой аппаратуры в открытом космическом пространстве.

При производстве ТТ также могут быть негативные события в виде отказов и имеются способы уменьшения вероятности их наступления с помощью мероприятий, например: введением в технологический процесс приработки с заменяемым рабочим телом, длительным термостарением при повышенной температуре с высокоточным контролем массы и па-

раметров теплопередачи, а также расчетами вероятности безотказной работы (ВБР), которая должна быть на уровне 0,999 8.

Рассмотрим типичные требования к тепловым трубам в КА.

В основном ТТ предназначены для отвода тепла от тепловыделяющих приборов к радиационным поверхностям и выравнивания поля температур. ТТ устанавливаются внутри сотовых панелей в заправленном состоянии после подтверждения их работоспособности.

ТТ должны обеспечивать передачу тепловой мощности от зоны испарения к зоне конденсации в определенном диапазоне рабочих температур с требуемой разностью температур между ними.

Основным параметром ТТ является теплопередача заданной мощности при равномерном подводе тепловой нагрузки к зоне испарения и при отводе тепла от зоны конденсации.

Критерием отказа ТТ является выход заданных параметров за пределы допустимых значений.

Ресурс работы ТТ для современных КА порядка 100 000 часов.

Типичные требования к средствам выведения КА заключаются в основном в выполнении поставленной задачи по доставке полезной нагрузки на заданную орбиту в расчетную точку. Приведенная статистика показывает большую величину вероятности отказов с большими потерями материальных средств. Таким образом, выведение КА с помощью РН, например «Протон-М», и РБ «Бриз-М», имеет высокие риски, несмотря на большую положительную статистику, которую можно обработать по нормальному закону распределения Гаусса.

Возникает прежде всего вопрос, какие мероприятия целесообразно провести. Негативная статистика пусков за рубежом сопоставима с российской, т. е. вопрос актуален в мировом масштабе.

На наш взгляд, к таким мероприятиям независимая экспертиза высококвалифицированным опытным техническим персоналом, причем наиболее важна она при предстартовой подготовке.

Решетневскце чтения

Необходим тщательный технический анализ всех технологических операций и математического обеспечения.

Полезно вспомнить, что при С. П. Королеве, М. К. Янгеле отказов не было в таком количестве, благодаря техническому профессионализму и огромным административным ресурсам, позволяющим привлекать к заданной проблеме любого специалиста в стране, хотя и пусков было меньше.

Что касается производства ТТ, то благодаря вышеуказанным мероприятия в ОАО «ИСС» отказов ТТ при эксплуатации за всю историю не наблюдалось. Это подтверждается технически при испытаниях профилей из алюминиевых сплавов на максимальное (внутреннее) давление, совместимость материалов с рабочим телом на образцах и длительными ресурсными испытаниями в наземных условиях, а также принятому в ОАО «ИСС» методу испытаний ТТ на начальных этапах в условиях космического полета в виде экспериментальных модулей в составе КА, сданных в эксплуатацию. Так, впервые в мире были испытаны контурные ТТ на трех спутниках «Горизонт» и впервые в стране - газорегулируемые ТТ в составе спутника «Луч».

Расчет вероятности безотказной работы ТТ проводится следующим образом [1; 2]:

P = F (^), (1)

U

W - S

X -1

где

1 z

F <г)=wJ

V/2

d < y );

V(swTSf) ~ VX V+V2

(2)

где F (г) - табулированная нормальная функция рас-

W

пределения; X = — - коэффициент запаса прочно-

£ 5

сти; ¥ш = ~ V - коэффициенты вариации

прочности и нагрузки; 5К, - средние квадратиче-ские отклонения прочности и нагрузки соответственно.

Согласно характеристикам и таблицам нормальной функции распределения, вероятность безотказной работы конструкции ТТ производства ОАО «ИСС» составляет:

Рр = F (г) = 0,999 999 6.

Таким образом, вероятность отказа ТТ разработки ОАО «ИСС» на три порядка выше требуемой, соответственно риски сведены к минимуму и практически отсутствуют.

Библиографические ссылки

1. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М. : Мир, 1980.

2. Вероятностные характеристики прочности авиационных материалов и размеров сортамента / А. А. Кузнецов [и др.]. М. : Наука, 1970.

G. V. Dvirny, V. V. Dvirny JSC «Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems», Russia, Zheleznogorsk

V. V. Golovanova

Federal state unitary enterprise «Arsenal» Design bureau named after M. V. Frunze»,

Russia, Saint Petersburg

T. S. Tretiykova Branch Siberian Federal University, Russia, Zheleznogorsk

ANALYSIS OF CRITICAL SITUATIONS DURING HEAT PIPE MANUFACTURING IN SPACE INDUSTRY

The critical situations during heat pipe manufacturing in space industry and their analysis are considered.

© Двирный Г. В., Двирный В. В., Голованова В. В., Третьякова Т. С., 2012