Применение имитационной модели надежности при проектировании изделий ракетно-космической техники

Современное развитие отрасли характеризуется созданием космических аппа­ратов (КА) с длительным сроком натурной эксплуатации и сложным алгоритмом функ­ционирования, эксплуатация которых осуществляется в условиях, ограничивающих их техническое обслуживание. Для таких изделий ракетно-космической техники (РКТ) наиболее существенным фактором, приводящим к нарушению свойств, обусловленных тактико-техническим заданием (ТТЗ), являются отказы комплектую­щих их систем и агрегатов. Обеспечение надежности перспективных комплексов ос­новывается:

• Во-первых, на проведении при проектировании технико-экономического обоснова­ния показателей надежности для КА в целом и комплектующих систем в условиях ограничений на стоимостные затраты и массу конструкции с учетом места КА в ие­рархической структуре космического комплекса;

• Во-вторых, на создании программ обеспечения надежности, базирующихся на методических разработках по подтверждению характеристик безотказности и долговечности при ограниченном объеме и продолжительности испытаний на стадии эксперименталь­ной отработки;

• В-третьих, на разработке методов контроля, поддержания и прогнозирования на­дежности на стадии эксплуатации КА.

При эксплуатации стоимостные потери, являющиеся следствием отказов, значи­тельно превышают затраты на поддержание КА в работоспособном состоянии за счет реализации мероприятий по обеспечению надежности. Обеспечение требуемых значений показателей надежности в течение длительного срока функционирования на этапе проектирования комплексов возможно при компромиссном использовании сле­дующих принципов:

• комплектование изделий комплексов системами, адаптивно перестраиваю­щимися в случае возникновения отказа;

• разработка системы эксплуатации, предусматривающей проведение техниче­ского обслуживания изделий, в ходе которого блоки с отказавшими элемен­тами заменяются, и работоспособность изделия восстанавливается.

Каждый из этих вариантов предполагает различное конструктивное исполнение изделия РКТ, его комплектацию системами и их компоновку. Реализация адаптивного прин­ципа предполагает наличие достаточного резервирования элементов, соответствую­щих систем контроля и диагностики, а также систему переключателей на резервные каналы. Проведение восстановительных работ силами операторов делает необходи­мым применение в составе комплекса систем, обеспечивающих доставку, приемку операторов для ремонтно-восстановительных работ и создание условий для поддер­жания их жизнедеятельности. Компоновка изделия и его состав должны обеспечивать доступ к системам, возможность проведения необходимых ремонтно-восстановительных операций и осуществление оперативного тестирования восстанов­ленных систем.

Таким образом, выбор способа обеспечения надежности комплексов с длитель­ным сроком функционирования оказывает непосредственное влияние на конструктив­ный облик изделий комплексов и процесс проектирования. В данной статье рассматриваются во­просы выбора системы эксплуатации изделий, для которых характерен длительный период дежурства и применение по назначению после поступления соответствующей команды (команда поступает в случайный момент времени). Модель эксплуатации комплексов этого класса представлена на рис.1.

Обобщенным показателем надежности таких изделий является коэффициент оперативной готовности К_ОГ.

Под системой эксплуатации понимается совокупность состояний Х(Т), управ­ляющих воздействий U(T), выходов Y(T) и ограничений Ω(Т), действующих на изделие РКТ.

Состояние Х(Т) системы эксплуатации определяются способом и органами управления, технического обслуживания, ремонтов и эксплуатационными свойствами изделия.

Управляющие воздействия U(T) - воздействия внешней среды и управляющие воздействия.

Выходы Y(T) системы определяются ее целями и задачами.

Ограничения Ω (T) включают экономические затраты, допускаемые на поддержа­ние работоспособности изделия.

Рис. 1. Структура имитационного моделирования процесса изменения надежности КА

Первая задача оптимизации системы эксплуатации состоит в определении опти­мальных по некоторому критерию экономических затрат на поддержание работоспо­собного состояния изделия РКТ. В качестве критерия оптимальности принимается макси­мальное значение К_ОГ.

Вторая задача оптимизации системы эксплуатации заключается в том, что если найдены требуемые оптимальные значения Y(T)=Y_ОПТ выходов, то затем определяют­ся оптимальные значения вектора состояний Х(Т). В качестве критерия оптимальности здесь принимается минимум или максимум одной из составляющих компонент вектора Х(Т), а остальные составляющие выступают как ограничения. Как показывают прове­денные исследования в качестве составляющих компонент вектора состояний Х(Т) могут быть приняты следующие факторы:

• Ресурс основных систем, агрегатов и узлов изделия;

• Интенсивность отказов систем изделия;

• Глубина резервирования изделия, характеризуемая отношением количества резер­вируемых систем к общему количеству систем изделия;

• Вид контроля систем изделия (автоматический или с пункта управления);

• Ресурс систем контроля;

• Периодичность контроля систем КА, характеризуемая временем между двумя по­следовательными моментами контроля;

• Вид обслуживания КА (по состоянию, т.е. обслуживание после возникновения отка­за, или обслуживание по плану);

• Вид восстановления КА, характеризуемый способом парирования возникшего отка­за - переключением отказавшего элемента системы на резервный или ремонтом этой системы группой операторов, доставляемых на КА;

• Вероятность доставки операторов на КА для ремонта отказавших систем;

• Влияние помех на радиотелеметрические системы КА.

Первые пять факторов характеризуют конструктивные особенности КА, осталь­ные - эксплуатационные.

Решение второй задачи оптимизации системы эксплуатации основывается на определении таких значений показателей надежности комплектующих систем , которые при заданном алгоритме функционирования, а также заданных ограничениях на стои­мостные и массовые характеристики, обеспечивают выполнение требований к надеж­ности КА.

В современной литературе описаны следующие основные методы норми­рования надежности:

• нормирование требований к надежности систем при заданных требованиях к на­дежности КА в целом на основе минимизации функций затрат при наличии огра­ничений методом нелинейного программирования;

• нормирование требований к надежности систем изделия на основе использова­ния метода неопределенных множителей Лагранжа;

• универсально-комбинированный метод нормирования показателей надежности для последовательного соединения элементов Кана основе минимизации функ­ции затрат;

• равномерное распределение надежности между последовательно соединенны­ми системами для обеспечения требуемого уровня надежности изделия;

• нормирование надежности систем, соединенных последовательно, на основе весовых множителей, которые являются функциями интенсивности отказов;

• нормирование требований к надежности, основанное на учете сложности эле­мента или системы (метод Консультативной группы по вопросам надежности ра­диоэлектронной аппаратуры ВВС США).

Недостатком указанных методов является ограничения на их применение для нормирования надежности только систем, составляющих последовательную структуру изделия. Нормирование же надежности элементов более низкого иерархического уровня (подсистем, агрегатов, узлов), составляющих разветвленную структуру, в рам­ках упомянутых методов представляет существенную сложность. Кроме того, в этих методах не учитывается динамическая перестройка структуры изделия в случае воз­никновения отказа и влияние на надежность систем различных режимов эксплуатации изделия.

Для решения первой задачи оптимизации системы эксплуатации комплекса - определение максимального значения К_ОГ при определенных ограничениях на стоимо­стные затраты, и второй задачи оптимизации - определение показателей надежности комплектующих систем комплекса, обеспечивающих выполнение требований к надеж­ности комплекса в целом - предлагается применять метод имитационного моделиро­вания, основанный на статистическом исследовании функционирования модели на­дежности комплекса с помощью ЭВМ.

Исходные данные, необходимые для работы, формируются в виде трех больших групп:

• модель функционирования комплекса (набор данных, характеризующих систе­му эксплуатации в целом: циклограмма работы систем КА, вероятность постановки комплекса на дежурство, распределение плотности команды на целевое применение, интенсивности ремонтно-восстановительных работ и т.д.);

• характеристики безотказности элементов основных изделий комплекса (ресурс работы, интенсивности отказов: при циклической работе, при хранении, при непрерыв­ной работе);

• матрица функционально-логических отношений, в которых указываются виды резервирования элементов на различных режимах эксплуатации комплекса.

Центральный программный блок (Диспетчер) обрабатывает получаемые дан­ные и в соответствии с заложенным алгоритмом работы подключает другие блоки про­граммы, в которых проводится формирование структуры изделия на текущем режиме эксплуатации комплекса, ведется учет наработки задействованных элементов, моде­лируется появление отказа и осуществляется подключение исправных элементов (если они есть в структуре) или моделируется проведение ремонтно-восстановительных работ.

Моделирование прекращается по достижению заданного срока эксплуатации, если отказов элементов не было или они были парированы за счет резервирования или проведения ремонтно-восстановительных работ, или досрочно, если смоделиро­ван отказ элемента, не имеющего резерва и который невозможно восстановить ремон­том.

Одновременно ряд подпрограмм формирует из матрицы функционально-логических отношений структурные схемы надежности изделий комплекса на различ­ных режимах эксплуатации, и выдают их в виде законченной чертежной документации.

Применение данной структуры имитационного моделирования при проектирова­нии позволяет решать следующие задачи:

• на основе характеристик надежности комплектующих элементов оценить на­дежность изделий в целом и обосновать необходимость резервирования от­дельных элементов с целью выполнения требований по надежности;

• исходя из требований по надежности к изделию, рациональным образом за­дать нормативные требования к надежности комплектующих элементов (с учетом режимов эксплуатации, стоимостных и массовых ограничений) для их включения в ТЗ на разработку;

• выбрать соответствующую модель эксплуатации комплекса, обеспечиваю­щую выполнение требований по надежности за счет проведения ремонтно-восстановительных работ или своевременной замены отказавшего изделия.

Дальнейшие исследования представляется целесообразным проводить в сле­дующих направлениях:

• завершение создания структуры имитационного моделирования надежности для класса комплексов длительного функционирования;

• разработка и обоснование критериев оптимизации надежности комплексов;

• разработка методики оценивания адекватности и точности предлагаемой структуры имитационного моделирования.

Создание целостной структуры имитационного моделирования надежности по­зволит на стадии проектирования комплексов проводить глубокое и полное технико-экономическое обоснование показателей надежности КА, комплектующих их систем, а также конструктивного облика и компоновку КА.

Литература:

1. Надежность и эффективность в технике: Справочник в 10 т. Т. 6. Экспериментальная отработка и испытания / Под ред. Р.С. Судакова и О.И. Тескина. - М.: Машиностроение, 1989.

2. Байхельт Ф., Франкен П. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход: Пер. м нем. – М.: Радио и связь, 1988. – 392 с.

3. http://aerospace.org