7553

УДК 629.7.018+629.7.017.1

АНАЛИЗ И ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА

ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ

ПРОЦЕССА КОМПЛЕКСНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

СИСТЕМЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТЕПЛОВОГО

РЕЖИМА ТРАНСПОРТНОГО

ГРУЗОВОГО КОРАБЛЯ «ПРОГРЕСС»

В.В. Белова ОАО РКК «Энергия» им. C.П. Королева Россия, 141070, Королев, Ленина ул., 4а E-mail: [email protected] Ключевые слова: показатель надежности, методика оценки показателей надежности, универсальный программный комплекс Relex, логико-вероятностное моделирование, блок-схема надежности, фазовая (поэтапная) диаграмма надежности, структурносложная техническая система, система обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля, этап комплексных электрических испытаний, космический аппарат Аннотация: В работе приведена модель надежности система обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля «Прогресс» на этапе комплексных электрических испытаний, разработанная с использованием аналитических модулей универсального программного комплекса Relex (США). Проведен анализ и интерпретация результатов моделирования для выработки практических рекомендаций по уточнению методики испытаний (по критерию максимальной надежности функционирования) 1. Введение Анализ причин неудачных запусков и аварий ряда космических аппаратов (КА) в 2011-2013 гг. показывает, что в ракетно-комической отрасли остается актуальной «вечная» проблема надежности [1]. Так как номенклатура показателей надежности (ПН), как правило, инвариантна относительно жизненного цикла (ЖЦ) изделий, подтверждение требований к надежности КА проводится поэтапно на основных стадиях ЖЦ: проектирования, испытаний и эксплуатации. Оценка надежности КА на одной из промежуточных стадий ЖЦ (в сумме составляющих одну из основных), является рекомендательной и не нормируется в техническом задании (ТЗ) или спецификации (выбор ПН представляет отдельную самостоятельную задачу).

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

Испытания являются основным источником информации для определения надежности КА [2]. Необходимый и достаточный план испытаний КА для основных стадий ЖЦ определен комплексной программой экспериментальной отработки (КПЭО), которая включает наземную и летную составляющую. Комплексные электрические испытания (КЭИ) являются завершающим этапом наземных испытаний КА в КПЭО. Необходимость и оригинальность рассмотрения именно этого этапа на предмет оценки ПН заключается в том, что КЭИ:

решают основную задачу автономных и комплексных проверок работоспособности всех технических систем полномасштабного КА в условиях штатного режима функционирования и не являются испытаниями на надежность;

определены методикой испытаний систем КА и технологией испытаний КА в части достаточности объема проверок, временной последовательности и длительности фаз выполнения штатных задач и технических характеристик применяемого испытательного оборудования и систем контроля;

ограничены ресурсом приборов и суммарной длительностью испытаний КА (Ти), которая много меньше длительности штатной эксплуатации (Тэ);

должны констатировать принцип работоспособности структурно-сложных технических систем (ССТС) полномасштабного изделия (КА) по критерию максимальной надежности функционирования;

представляют собой автоматизированные испытания и являются источником дополнительной информации для уточненной оценки надежности;

являются заключительным этапом перед летными испытаниями (ЛИ), для которых в ТЗ требуется подтверждение оценки ПН с заданной достоверностью;

интерпретируются как промежуточный этап наземных испытаний;

являются, как правило, безотказными испытаниями;

рекомендуется рассматривать в рамках теории надежности технических средств (а не общей теории надежности, где учитываются отказы по вине человека).

С ростом размерности и структурной сложности современных технических систем КА, ограничений на время испытаний, возможности натурного эксперимента резко падают. Поэтому, основным средством оценки надежности остается моделирование. Существующие пути построения необходимых математических моделей надежности ССТС КА на этапе проектирования основываются на неавтоматизированной (ручной) процедуре. Анализ современного состояния автоматизированных методов моделирования и расчета надежности показал, что на данный момент только логико-вероятностные методы (ЛВМ) позволяют строить математические модели, которые в полной мере позволяют учесть современные особенности функционирования ССТС КА и условия их испытаний. На сегодняшний момент времени программная реализация ЛВМ осуществлена в универсальном программном комплексе (ПК) Relex [3]. В связи с внедрением в ОАО РКК «Энергия» программного обеспечения Relex (Windchill Quality Solution, ver.10.1), представленного на российском рынке компанией PTC [4] для управления качеством, надежностью и рисками на протяжении всего жизненного цикла информационной поддержки изделий корпорации поставлена и решена задача анализа автоматизированного моделирования и расчета ПН процесса КЭИ системы обеспечения теплового режима (СОТР ТГК) транспортного грузового корабля «Прогресс».

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ВСПУ- Москва 16-19 июня 2014 г.

2. Модель надежности системы обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля «Прогресс»

на этапе комплексных электрических испытаний 2.1. Модель надежности системы обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля «Прогресс»

Разнообразие перспективных СОТР КА, в первую очередь, определяется их целевым применением, многообразным структурным составом и способом резервирования.

Традиционные методики по определению проектной надежности СОТР КА основываются на применении общих расчетных аналитических методов, и не отражают особенности реализации способов резервирования, функционирования систем, динамику отказа. СОТР КА является ССТС и обладает рядом особенностей в реализации разнообразных способов резервирования (структурного, нагрузочного, временного, информационного, алгоритмического, функционального), особенностей функционирования. В качестве основных показателей надежности рассматривается вероятность безотказной работы (ВБР) и вероятность отказа (1-ВБР). Рассматривается случай отказа элемента типа «обрыв», когда ССН полностью соответствует электрической схеме системы.

Расчетная оценка ВБР СОТР ТГК «Прогресс» приводится для продолжительности функционирования изделия 200 суток, в том числе 30 суток автономного полета изделия. Оценка проводилась по ВБР агрегатов и элементов, входящих в состав СOTP.

Данные по характеристикам ВБР взяты из ТЗ, отчетов по оценке надежности.

Структурный состав, функциональная схема и характеристики надежности элементов определены для каждого этапа испытаний КЭИ: контрольная испытательная станция (КИС), технический комплекс (ТК), стартовый комплекс (СК). Разработана методика оценки ВБР СОТР ТГК «Прогресс» методом структурных схем надежности (ССН), что естественно при близости функциональной схемы и схемы надежности. На рис. 1-11 приведены ССН функциональных элементов СОТР ТГК «Прогресс», построенные в графическом редакторе модуля OpSim ПК Relex [5].

В состав СОТР входит активная система терморегулирования (СТР) и средства пассивного терморегулирования (СПТР). ССН СОТР показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема надежности СОТР.

Гидросистема СТР объединяет два замкнутых гидравлически несвязанных контура:

контур грузового отсека (КГО) и контур навесного радиатора (КНР); вентиляционные устройства ее теплообменных агрегатов. ССН СТР показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема надежности СТР.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

КГО определяется группой элементов электронасосного агрегата (ЭНА), обеспечивающей циркуляцию теплоносителя в контуре, и группой элементов, образующих контур и сохраняющих его герметичность.

ССН КГО показана на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема надежности КГО.

ССН ЭНА КГО показана на рис. 4.

Рис. 4. Группа ЭНА КГО.

Общий вид ССН группы ЭНА показан на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема надежности группы ЭНА.

ССН группы сохранения герметичности КГО показана на рис. 6.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 6. Структурная схема надежности группы сохранения герметичности КГО.

КНР имеет в своем составе внутреннюю и наружную магистрали, Внутренняя магистраль (ВМ) обеспечивает температурный режим в приборном отсеке (ПО) и агрегатном отсеке (АО) через регулятор расхода жидкости (РРЖ) и осуществляет тепловую связь с теплоносителем КГО через свои теплообменные устройства. Наружная магистраль (НМ) осуществляет транспортировку избыточного тепла к навесному холодному радиатору (НХР) для сброса его в окружающее пространство, средства вентиляции герметичных отсеков изделия предназначены для обеспечения направленной общей циркуляции газа в отсеках, средства управления обеспечивают управление агрегатами СОТР в соответствии с принятой логикой работы системы. ССН КНР показана на рис.

Рис. 7. Структурная схема надежности КНР.

ССН группы ЭНА КНР показана на рис. 8.

Рис. 8. Структурная схема надежности ЭНА КНР.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

ССН группы герметичности КНР показана на рис. 9.

Рис. 9. Структурная схема надежности группы герметичности КНР.

ССН группы РРЖ показана на рис. 10.

Рис. 10. Структурная схема надежности группы РРЖ.

ССН средств вентиляции показана на рис. 11.

Рис. 11. Структурная схема надежности средств вентиляции.

Основные показатели надежности СОТР КА «Прогресс» для участка автономного полета (720 часов) по результатам расчета модуля OpSim ПК Relex приведены на рис.

12.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 12. Основные показатели надежности СОТР ТГК «Прогресс» для участка автономного полета (720 часов) по результатам расчета модуля OpSim ПК Relex.

Основные показатели надежности СОТР КА «Прогресс» для участка 200 суток (4800 часов) по результатам расчета модуля OpSim ПК Relex приведены на рис. 13.

Рис. 13. Основные показатели надежности СОТР ТГК «Прогресс» для участка 200 суток (4800 часов) по результатам расчета модуля OpSim ПК Relex.

Значения ВБР СОТР ГТК «Прогресс» по расчетной методике отдела-разработчика сравнивались с результатами расчета по предложенным моделям с использованием модуля Opsim ПК Relex. Значения по аналитическим методам: точным и приближенным (с заданной погрешностью) совпали c точностью до знака. График зависимости ВБР СОТР ТГК «Прогресс» от времени (час) для метода ССН приведен на рис. 14.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 14. График зависимости ВБР СОТР ТГК «Прогресс» от времени (час). Метод ССН.

Результаты расчета на разработанных моделях СОТР ТКГ «Прогресс» в модуле Opsim ПК Relex представляют собой значения ПН в определенный, статичный момент времени, и не позволяют рассчитывать ПН на заданный интервал. В этом случае требуется разработка динамических моделей надежности системы с использованием модуля Дерево Отказов (ДО) ПК Relex. Для уточнения методики испытаний системы по критерию максимальной надежности функционирования могут быть предложены следующие рекомендации:

учет динамики отказа с разработкой динамических моделей функционирования;

составление программы отказов (или плана активного эксперимента) на основе моделирования динамических моделей надежности.

2.2. Модель надежности процесса комплексных электрических испытаний системы обеспечения теплового режима транспортного грузового корабля «Прогресс»

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 стенде Международной космической станции (КС МКС); заключительные операции перед отправкой на ТК [6].

КЭИ испытания СОТР КА рассматриваются как технологический процесс выполнения задания с последовательными во времени фазами заданной длительности, в кажXII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ дой из которой СОТР КА принимает различную структуру согласно ее режиму работы в данной фазе.

Под Глобальным Заданием понимается выполнение всех частных задач, определенных на всех этапах и видах испытаний. Под Локальным Заданием понимается выполнение одной частной задачи (штатной проверки) ССТС КА, определенной методикой испытаний для конкретного этапа и вида испытаний. В дальнейшем, для примера, рассматривается задача выполнения Глобального Задания.

Для решения задачи моделирования надежности СОТР ТГК «Прогресс» на этапе КЭИ предлагается использовать расширение модуля Relex RBD – фазовые (поэтапные) диаграммы (Phase Block Diagram – PBD).

Для успешной работы СОТР необходимо успешное выполнение ее назначения в каждой из шести последовательно выполняемых фаз (определяется технологией испытаний). В каждой фазе используется одно и то же оборудование СОТР, соединенное в различные структурные схемы надежности, с различными характеристиками надежности. Характеристики определяются режимом работы оборудования СОТР на данном этапе. Используются структурные схемы надежности, которые рассматривались в предыдущем параграфе.

Для учета в модели надежности СОТР наличия системы контроля (с заданной достоверностью для конкретной фазы), необходимо рассматривать объединенную систему (СОТР+Система Контроля). Наличие системы контроля (встроенной или внешней) обязательно требует учета в моделировании надежности последовательности возникновения отказов, что реализуемо в модуле ДО ПК Relex. На рис. 14 показана поэтапная схема СОТР ТГК «Прогресс» на этапе КЭИ для КИС и ТК.

Рис. 14. Поэтапная схема СОТР КА на этапе КЭИ для КИС и ТК.

На рис. 15 показана поэтапная схема СОТР ТГК «Прогресс» на этапе СК.

Рис. 15. Поэтапная схема СОТР КА на этапе CК.

Результаты расчета RBD для исходных данных «Поэтапной схемы СОТР КА на этапе СК» (см. рис. 15) представлены на рис. 16-17.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 16. Основные показатели надежности СОТР КА на этапе СК по результатам расчета модуля OPSim ПК Relex.

Рис. 17. Основные показатели надежности СОТР КА на этапе СК по результатам расчета модуля OPSim ПК Relex.

2.3. Модель КЭИ по схеме биномиальных испытаний Рассмотрим КЭИ с позиций теории испытаний на надежность. Оценим надежность КЭИ ССТС КА по биномиальной схеме [6]. Предлагаемая гипотеза: представить биномиальную схему испытаний процесса КЭИ как цепь Маркова.

Результаты расчета модуля Markov ПК Relex для исходных данных ЭНА3 КГО (см.

рис. 4): ВБР основного насоса ЭНА3 КГО = 0.99208; Tи=720 час; проведено 5 испытаний, представлены Марковской моделью (стационарный процесс, независимые испытания) представлены на рис. 19.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ

Рис. 19. Основные показатели надежности ЭНА3 КГО на этапе КЭИ по результатам расчета модуля Markov ПК Relex.

Результаты расчета ПН на разработанных Марковских моделях СОТР ТКГ «Прогресс» в модуле Markov ПК Relex представляют собой вероятность состояния (отказ или работа) по результатам биномиальных испытаний системы. Агрегация этих значений в общую динамическую модель системы даст расчетно-экспериментальную оценку надежности на момент времени, определенный заданным количеством испытаний системы.

Задача анализа надежности СОТР ТГК «Прогресс» на этапе КЭИ относится к классу прикладных задач, представляющих большой практический интерес. Результаты моделирования с использованием модуля RDB и PBD ПК Relex предлагается использовать для априорной оценки уровня надежности СОТР ТГК «Прогресс» на этапе КЭИ. В результате решения поставленной задачи разработана математическая модель надежности СОТР ТГК «Прогресс» (метод ССН) в ПК Relex, что позволяет применять автоматизированную технологию логико-вероятностного моделирования надежности системы и проводить оценку основных показателей надежности.

1. Российское Космическое Агентство. http://www.federalspace.ru 2. ГОСТ 27.002-89.Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М: Издательство стандартов, 1990.

3. Relex 2011. Reference Manual. Relex Software Corporation 41 West Otterman Street, Greensburg, Pensilvania 15601 USA. 3172 p.

4. Общие ресурсы PTC. http://www.relex.com 5. Викторова В.С., Степанянц А.С. Использование модулей Relex при анализе надежности и безопасности систем // Надежность. 2004. № 2 (9). C. 64-71.

6. Белова В.В. Контроль надежности системы средств обеспечения теплового режима исследовательского модуля Международной космической станции на этапе комплексных электрических испытаний // Известия РАН. Энергетика. 2011. № 3. C. 42-52.

XII ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ