РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 4, c. 74–86
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ,
ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ И СИСТЕМЫ ТЕЛЕМЕТРИИ
УДК 62-97
Методика повышения достоверности оценок
показателей надежности системыобеспечения
теплового режима космического аппарата
при наземных испытаниях
В. В.Белова
ОАО «Ракетно-космическаякорпорация“Энергия” имени С. П.Корол¨
e-mail: viktoria.belova@rsce.ru
ева»
Аннотация. В работе рассмотрена автоматизированная методика моделирования и расчета показателя надежности
(вероятности безотказной работы) системы обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля
«Прогресс». Методика базируется на основе логико-вероятностной методологии блок-схем надежности, дерева
отказов, а также марковского моделирования, реализованных в специализированном программном обеспечении
Windchill Quality Solutions версии 10.2 (ранее Relex).
Ключевые слова: логико-вероятностная методология, показатель эффективности, средняя производительность,
расширенные блок-схемы надежности, электрическая модель производительности, потоковая модель производительности
Methodology
for Improving the Reliability
of Parameters Estimates of Spacecraft Thermal Control
System during Ground Tests
V. V.Belova
JSC “Rocket and Space Corporation “Energia” after S.P. Korolev”
e-mail: viktoria.belova@rsce.ru
Abstract. The paper considers the automated technique for modeling and calculation of reliability (probability of failurefree
operation ) system for thermal control system of transport cargo ship “Progress”. The technique is based on the
logical-probabilistic methodology flowcharts reliability, fault tree and Markov modeling implemented in specialized
programs Windchill Quality Solutions software version 10.2 (previously , Relex).
Key words: logical-probabilistic methodology, performance indicator, average capacity, extended reliability block diagram,
electricity network model performance, flow network model performance
Стр.1
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 75
Введение
Новое научно-техническое направление теории
надежности технических систем — надежность изделий
ракетно-космической техники (РКТ) — возникло
благодаря своей специфике: ответственность
и сложность задач, особая среда функционирования
изделий, малые партии поставок продукции.
Анализ причин неудачных запусков и аварий ряда
космических аппаратов (КА) в 2011–2013 гг. [1,2]
показал, что на этом направлении есть еще много
нерешенных проблем. Одна из них — проблема повышения
достоверности оценки надежности технической
системы КА на исследуемом основном этапе
(или фазе основного этапа) жизненного цикла
(ЖЦ) изделия.
Проблема является 1) комплексной, так как
распространяется на все этапы жизненного цикла
КА; 2) мультидисциплинарной, так как требует
привлечения прикладных методов теории надежности,
теории испытаний, математической статистики,
математического моделирования, информационного
и программного обеспечения; 3) многосложной, так
как способствует поиску взаимосвязанного решения
большого количества других проблем, вытекающих
из противоречий, основные из которых:
1. Действующая на предприятиях с начала
1980-х система контроля качества и надежности
РКТ научного, социально-экономического, двойного
и военного назначения, реализует нормативный подход.
В настоящее же время, в условиях масштабной
реформы отрасли, на предприятиях внедряются
различные автоматизированные системы управления
ЖЦ качества изделий, реализуя тем самым
процессный подход в управлении надежностью.
2. Разрабатываемые сегодня современные технические
системы КА характеризуются следующими
особенностями:
• увеличением размерности;
• сложностью связей в структуре (в том числе
немонотонной), ее неприводимостью к типовым
тривиальным структурам (последовательные,
параллельные и их комбинации) — структурно-сложные
технические системы (ССТС);
• разнообразием методов и видов резервирования
(согласно [3]);
• наличием уровней эффективности по функционированию
— функционально-сложные системы;
•
стратегией восстановления;
• стратегией технического обслуживания;
• зависимостью функционирования элементов
как по отказам, так и по восстановлению;
• динамикой процесса отказа.
Учет этих особенностей, а также непрерывное
возрастания требований технического задания
к точности и достоверности показателей надежности
(ПН) проектируемой системы требуют применения
специализированного программного обеспечения
анализа надежности.
3. «Грубые» инженерные методики расчета надежности
системы на этапе проектирования, которые
до сих пор используются в промышленности,
не рассматривают вопросы по повышению точности
и «достоверности» оценки ПН. Принято считать,
что если этапе наземной экспериментальной отработки
(НЭО) объем испытаний мал (или испытания
безотказны), то прогноз надежности вообще теряет
смысл. Однако на практике выводы на основании таких
испытаний делать необходимо. Как следствие,
возникают вопросы по научному обоснованию разработки
методики испытаний на зачетной фазе НЭО
для демонстрации достигнутого уровня надежности.
Таким образом, вопросы по повышению достоверности
надежности ССТС КА на исследуемом
этапе (или фазе этапа) ЖЦ изделия — проектирования,
НЭО, эксплуатации и т. д. — становятся
особенно актуальными.
Важное место в ряду служебных ССТС КА занимает
система обеспечения теплового режима
(СОТР), совершенствование которой позволяет повысить
массовую и энергетическую эффективность
КА. СОТР по массе и потреблению энергии является
существенным звеном в модели надежности КА.
Она обладает всеми признаками сложной системы
и имеет самостоятельную цель функционирования,
согласующуюся с общей целью функционирования
объекта.
В работе предложена полная и непротиворечивая
концепция решения исследуемой проблемы,
заключающаяся в построении расчетно-экспериментальной
«Методики повышения достоверности
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.2
76
В. В.БЕЛОВА
СОТР КА на этапе наземных испытаний», базирующейся
на основе логико-вероятностной методологии
блок-схем надежности, дерева отказов, фазовых
диаграмм, а также марковского моделирования,
реализованных в специализированном программном
обеспечении Windchill Quality Solutions
версии 10.2 (ранее Relex) [4].
Процедура построения «Методики» сводится
к решению четырех задач:
• анализ и оценка надежности СОТР КА;
• проверка адекватности модели надежности
СОТР КА (валидация и верификация);
• оценка надежности СОТР КА на этапе КЭИ;
• повышение достоверности оценки показателя
надежности СОТР КА на этапе КЭИ.
«Методика повышения достоверности СОТР
КА на этапе наземных испытаний» будет продемонстрирована
на примере невосстанавливаемой СОТР
транспортного грузового корабля (ТГК) «Прогресс»
для заключительной фазы НЭО — этапа комплексных
электрических испытаний (КЭИ). В качестве
показателя надежности рассматривается вероятность
безотказной работы(ВБР).Решение вышеупомянутых
задач и интерпретация результатов
приводится на двух вариантах расчета: 1) для
30 суток автономного полета; 2) при продолжительности
функционирования изделия до 200 суток
(в том числе 30 суток автономного полета).
Структура «Методики повышения достоверности
оценок показателей надежности СОТР
ТГК “Прогресс” на этапе КЭИ» приведена на
рис. 1, а и б.
1. Методика анализа и оценки
надежности
Задача анализа и оценки надежности СОТР
КА рассмотрена в [5, 6], где приведено ее решение
— «Методика автоматизированного логиковероятностного
моделирования и расчета вероятности
безотказной работы СОТР ТГК “Прогресс”»
для математической модели анализа надежности:
структурной схемынадежности (ССН).Вышеупомянутая
модель разработана с использованием графического
редактора блочных диаграмм надежности
RBD (Reliability Block Diagram) аналитического модуля
OpSim (Оptimization and Simulation — Оптимизация
и Моделирование) системы Windchill Quality
Solutions (WQS) (до 2013 г. — Relex). Результаты
расчета по методике отражены в техническом отчете
ОАО РКК «Энергия» и использованы для научного
обоснования расчетной оценки ВБР СОТР
ТГК «Прогресс» для двух вариантов расчета: 1) для
30 сут автономного полета; 2) при продолжительности
функционирования изделия до 200 сут (в том
числе 30 сут автономного полета).
Для вариантов 1)–2) показатель ВБР СОТР
ТГК «Прогресс», рассчитанный по инженерной методике
отдела-разработчика, совпал с аналогичным
показателем, рассчитанным по автоматизированной
методике при заданной точности и уровне доверительной
вероятности 0,95.
Структурная схема надежности СОТР ТГК
«Прогресс»
На рис. 2,а–д представлены некоторые ССН
функциональных звеньев СОТР ТГК «Прогресс».
На рис. 2, а приведена ССН СОТР. На рис. 2, б
приведена ССН системы терморегулирования
(СТР). На рис. 2, в приведена ССН контура грузового
отсека (КГО). На рис. 2, в приведена ССН
электронасосного агрегата контура грузового отсека
(ЭНА КГО). На рис. 2, д приведена ССН контура
навесного радиатора (КНР).
На рис. 3 приведены расчеты по методике для
ВБР СОТР ТГК «Прогресс» методом ССН в момент
времени 720 ч (30 сут автономного полета).
Значение ВБР равно 0,9966781.
Значение (1-ВБР) равно 0,003321896. При 95%
доверительной вероятности рассчитаны верхняя
и нижняя границы доверительного интервала ВБР.
Результаты автоматизированного расчета совпали
с аналитическими расчетами по модели
отдела-разработчика (с учетом принятых допущений),
что подтверждает адекватность разработанных
моделей предлагаемой методики. Кроме этого,
рассматриваемая методика имеет ряд новых
возможностей по сравнению с методикой отделаразработчика.
Например, построение новой математической
модели анализа надежности СОТР ТГК
«Прогресс»: дерева отказов (ДО).
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.3
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 77
Рис. 1. Структура «Методики» и схема реализации моделей надежности в общей структуре целевых задач:
а — структура «Методики повышения достоверности оценок надежности СОТР ТГК “Прогресс”» на этапе КЭИ»,
б — структура задачи «Анализ надежности СОТР»
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.4
78
В. В.БЕЛОВА
Рис. 2. Структурная схема надежности СОТР ТГК «Прогресс»
Рис. 3. Результаты аналитического расчета ВБР по методу ССН для СОТР ТГК «Прогресс» на участке автономного
полета 720 ч
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.5
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 79
Рис. 4. Дерево отказов СОТР ТГК «Прогресс» для расчета (1-ВБР) на участке автономного полета 720 ч
Эта модель разработана с использованием аналитического
модуля FTA (Fault Tree Analysis —
Анализ дерева отказов). ДО СОТР ТГК «Прогресс»
для расчета (1-ВБР) на участке автономного
полета 720 ч приводится на рис. 4. Результаты моделирования
показали, что разработанная модель
ДО СОТР ТГК «Прогресс» эквивалентна разработанной
модели ССН СОТР ТГК «Прогресс» по показателю
(1-ВБР).
Результатом расчета по модели ССН является
ВБР=«надежность»=0,9966781. Из этого следует,
что (1-ВБР)=«ненадежность»=0,003321896
(см. рис. 3).
Результатом расчета по модели ДО является
вероятность отказа Φ= 0,003321896 (см. значение
в результирующем событии «Отказ СОТР»
на рис. 4). Таким образом, (1-ВБР)=Φ.
Следует отметить, что отсутствие значимых
дополнительных факторов, которые можно учесть
только в модели ДО, приводит к недостоверной,
часто завышенной оценке показателя ВБР. Например,
показатель ВБР СОТР ТГК «Прогресс», рассчитанный
по методике отдела-разработчика методом
ССН, больше на 3% аналогичного показателя,
рассчитанного по автоматизированной методике
(методом ДО), учитывающей особенности резервирования
и динамики отказа некоторых функциональных
звеньев.
Возможность построения динамической модели
надежности с помощью Динамического дерева
отказов (ДДО) обеспечивается введением
в них четырех специальных вершин: «приоритетное
И»: PAND (Priority AND Gate), «принудительная
последовательность»: SEQ (Sequence Enforcing
Gate), «резервирование»: SPARE (Spare Gate),
«функциональная зависимость»: FDEP (Functional
Dependency Gate) [7]. Общее ДДО СОТР
ТГК «Прогресс» для расчета (1-ВБР) на участке
автономного полета 720 ч приводится на
рис. 5, а.
ДДО отдельных звеньев СОТР ТГК «Прогресс»
на участке автономного полета 720 ч
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.6
80
В. В.БЕЛОВА
Рис. 5. Динамическая модель надежности СОТР ТГК «Прогресс» для расчета (1-ВБР) на участке автономного
полета 720 ч
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.7
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 81
Рис. 5. Продолжение
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.8
82
В. В.БЕЛОВА
Рис. 5. Окончание
и эквивалентные им Марковские модели приведены
на рис. 5, б–д.
Результаты для модели фазовой диаграммы надежности
СОТР ТГК «Прогресс» при продолжительности
функционирования изделия до 200 сут
(в том числе 30 сут автономного полета) приведены
на рис. 6.
Результаты расчета показателей надежности
СОТР ТГК «Прогресс» трех фаз процесса электрических
испытаний на ТК для расчета (1-ВБР)
приведенынарис.7.
2. Оценка надежности СОТР КА
на этапе КЭИ
Объем КЭИ реализуется через последовательное
решение частных задач, определяемых видом
и этапом испытаний. Цель и задачи КЭИ достигаются
выполнением всех установленных этапов испытаний:
этап 1 — ЭИ на контрольной испытательной
станции завода экспериментального машиностроения
(КИС ЗЭМ); этап 2 — электрические испытания
на техническом комплексе (ТК); этап 3 —
подготовка изделия на стартовом комплексе (СК).
Необходимость введения этапов обусловлена требованиями
общего технологического плана подготовки
изделия и особенностями эксплуатации изделия
на заключительных этапах подготовки. КЭИ предусматривают
следующие виды испытаний: защитные
операции изделия (ЗО); проверочные включения систем
изделия (ПВ), комплексные испытания систем
изделия (КИ); совместные испытания (СИ) с другими
изделиями, входящими в состав орбитальной
станции (только на 1 этапе, проводятся на комплексном
стендеМеждународной космической станции
(КС МКС)); заключительные операции перед
отправкой на техническом комплексе (ТК).
Для успешного выполнения задачи комплексных
электрических испытаний СОТР ТГК «Прогресс»
на этапе ТК необходимо успешное выполнениевсехеештатных
проверок вкаждойизтрех
последовательно выполняемых фаз: 1 фаза (5 ч) —
старт (подготовка к работе); 2 фаза (95 ч) — работа;
3 фаза (5 ч) — пуск. В каждой фазе используется
одно и то же оборудование СОТР ТГК «Прогресс»,
соединенное в различные ССН. На рис. 8, a,
б, в и г представлены примеры блок-схем надежности
каждой из фаз.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.9
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 83
Рис. 6. Результаты расчета фазовой диаграммы надежности СОТР ТГК «Прогресс» для расчета (1-ВБР) на участке
совместного полета 200 сут
Рис. 7. Результаты расчета показателей надежности СОТР ТГК «Прогресс» для расчета (1-ВБР) трех фаз процесса
электрических испытаний на ТК
Рис. 8. Фазовая диаграмма
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.10
84
В. В.БЕЛОВА
Рис. 8. Окончание
На рис. 8 также представлены результаты моделирования
фазовой диаграммы для времени испытаний
100 ч.
3. Марковская модель процесса биномиальных
испытаний (Markov)
Результаты расчета ПН на разработанныхМарковских
моделях СОТР ТКГ «Прогресс» (на примере
основного насоса ЭНА3 КГО) в модуле
Markov представляют собой вероятность состояния
(отказ или работа) по результатам биномиальных
испытаний. Агрегирование этих значений
в общую динамическую модель системы дает
расчетно-экспериментальную оценку надежности
на момент времени, определенный заданным
количеством испытаний системы. Результаты моделирования
Марковской модели биномиальных испытаний
(для 5 испытаний) представлены на рис. 8.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.11
МЕТОДИКА ПОВЫШЕНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ОЦЕНОК ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ 85
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Рис. 9. Результаты расчета вероятности состояния (отказ или работа) по результатам биномиальных испытаний показателей надежности
ЭНА3 КГО СОТР ТГК «Прогресс» для 5 испытаний
Стр.12
86
В. В.БЕЛОВА
Заключение
Приведенные результаты позволяют выдать рекомендации
в задаче повышения достоверности
оценки показателя на этапе наземных испытаний.
Для задачи верификации системы на рассматриваемом
этапе даются обоснованные рекомендации
к построению программы-методики испытаний.
Список литературы
1. Российское Космическое Агентство.
http://www.federalspace.ru О работе Межведомственной
комиссии по расследованию причин аварии
РН «Протон-М». Дата обращения 15.12.2014.
2. Российское Космическое Агентство.
http://www.federalspace.ru Основные положения Заключения
Межведомственной комиссии по анализу
причин нештатной ситуации, возникшей в процессе
проведения летных испытаний космического аппарата
«Фобос-Грунт». Дата обращения 15.12.2014.
3. Р 50-54-82-88. Рекомендации. Надежность в технике.
Выбор способов и методов резервирования.
М: Издательство стандартов, 1988. 46 с.
4. Relex 2011. Reference Manual. Relex Software Corporation
41West Otterman Street, Greensburg, Pensilvania
15601 USA, 2011. 3172 p.
5. Белова В. В. Моделирование надежности системы
обеспечения теплового режима космического аппарата
на этапе электрических испытаний // Надежность
и качество сложных систем, 2013, №3, c. 31–40.
6. Белова В. В. Анализ и интерпретация результатов
автоматизированного моделирования и расчета показателей
надежности процесса комплексных электрических
испытаний системы обеспечения теплового
режима транспортного грузового корабля
«Прогресс». В сб. Труды XII Всероссийского совещания
по проблемам управления (ВСПУ 2014). М.:
Изд-во ИПУ РАН, 2014. C. 7553–7563.
7. Викторова В.С., Степанянц А.C. Модели и методы
расчета надежности технических систем. М.:
Ленанд, 2014. 256 с.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 4 2015
Стр.13