Анализ показателей качества и надежности при эксплуатации современных космических аппаратов

По оценкам Futron Corp. за период с 1996 по 2008 гг. на 43 эксплуатируемых спутниках отмечено 47 существенных неисправностей и отказов, при этом 74 % из них произошли за последние 5 лет. Отмечается, что по общей статистике только 25 % неисправностей в последнее время приходится на полезную нагрузку, а остальные отказы относятся к спутниковым платформам, которые, как правило, являются унифицированными или рекуррентными с других программ т. е. более отработанными, при этом новые по характеру неисправности во многом свя- заны как с повышением энерговооруженности отдельных каналов связи, так и всего спутника в целом, а также усложнением бортовых систем и электроники.

Анализ показателей качества отечественных КА связи. Проблемы надежности зарубежных КА при эксплуатации могут, видимо, частично коррелироваться с подобными проблемами современных космических аппаратов отечественной разработки.

В [2; 3] рассмотрены некоторые статистические срезы, характеризующие качество и вытекающие из сравнительного анализа неисправностей КА связи типа «Эксп-ресс-А», «Экспресс-АМ», условно относящихся к одному модельному ряду КА-аналогов герметичного исполнения разработки ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева». Технические характеристики и наработки данных космических аппаратов приведены в табл. 2.

Проведеный анализ количества неисправностей на один КА при эксплуатации по признакам деления показывает, что превалируют неисправности КА, либо не классифицированные, либо связанные с отказами электрорадиоизделий (ЭРИ).

Отказы зарубежных КА связи в период 1998–2001 гг.

Таблица 1

Наименование спутниковой платформы	Фирма-изготовитель	Запущенные спутники	Количество отказов и получение страховки	Процент отказов
BSS-376	Boeng	55	6	11
А-2100	Lockheed Martin	23	3	13
LS-1300	Space System Loral	41	8	20
BSS-601	Boeng	62	14	23
Spacebus 3000	Alcatel	18	5	28
Eurustar E2000	EADS Astrium	19	6	32
BSS-702	Boeng	8	6	75

Таблица 2

Технические характеристики и наработки космических аппаратов

Индекс КА и номер	Дата пуска	Гарантийный срок активного существования (ресурс), лет	САС фактические, мес.
			на 01.12.06	на 01.12.07	на 01.12.08	на 01.12.09
Экспресс-А № 2	12.03.00	5 (7)	81,7	93,7	105,7	117,7
Экспресс-А № 3	24.06.00	5 (7)	78,2	90,2	102,2	114,2
Экспресс-А № 4	10.06.02	5 (7)	54,4	66,4	78,4	90, 4
ЭкспрессАМ № 22	29.12.03	10,25 (12)	35,5	47,5	59,5	71,5
Экспресс-АМ № 1	30.10.04	«–»	25,3	37,3	49,3	61,3
Экспресс-АМ № 2	30.03.05	«–»	20,2	32,2	44,2	56,2
Экспресс-АМ № 3	24.06.05	«–»	17,4	29,4	41,4	53,4
Экспресс-АМ № 33	28.01.08	«–»	0	0	9,3	21,3

Отказы полезной нагрузки в КА «Экспресс-А» и «Экспресс-АМ» составляют 7 и 23 % от общего количества выявленных неиспраностей [3]. Их количество на КА «Экспресс-АМ» сравнимо с зарубежными КА (25 %).

Введем коэффициентные показатели качества КА определенных серий A_i , сравнение которых могло бы характеризовать динамику качества условных КА-аналогов различных серий с учетом наработок:

Д =

R

‘ 2

T i 2

n

2 ' j T AC-

A      j = 1

или A =------ in

2 j j = 1

где Ri2 - суммарное количество неисправностей по признакам деления на один КА i-ой серии; Ti2 - суммарное количество отработанных нормативных гарантий- ных сроков активного существования (ГСАС) или сроков службы всеми КА i-ой серии; rji – количество неисправностей по признаку деления j на один КА i-ой серии (табл. 3); tji – наработка j-ой КА i-ой серии на момент оценки; n – количество КА i-ой серии на момент оценки; TАСi – гарантийный срок активного существования (ГСАС) КА i-ой серии.

Сравнителчый аналв качесгванекоторых современ ных космических атарагсвпо показателю свидртегьству-ет, что поденному показателю КА серии «Экспресс-АМ» пока уступают условным КА-ачагогам «Экспресс-А», которыеуже выработали свои гарачтийныесроки активного существования, сдчакодинамика «улучшения» денного показателя с ростом наработок выше у КА «Экспресс-АМ». Прогнозная оценка показывает, что при дзс-тижечии денными КА требуемых ГСАС показатегь (от-ношениесуммЕрного количества неисправностей по признакам дргечия на один КА i-ой серии к количеству отработанных ГСАС всеми КА i-ой серии будет ниже у КА «Экспресс-АМ», т. е. качество КА серии «Экспресс-АМ» выше, чем у КА серии «Экспресс-А» [3].

Анализ показателей эксплуатационной надежности. Рассмотрим расчетные значения ряда основных показателей эксплуатационной надежности в виде вероятности безотказной работы (ВБР) за ГСАС, средних сроков активного существования (САС) до закрытия и первого ограничения в работе рассматриваемых КА для различных уровней доверительных вероятностей на 01.12.09 (табл. 3). Для оценки показателей надежности КА по текущим наработкам использована программа расчета, основанная на условном плане испытаний [N, U, z] цензурированных выборок [4], где N – объем выборки изделий (КА), предназначенных для испытаний; U – планы испытаний, в которых отказавшие изделия не заменяются и не восстанавливаются; z – признак окончания испытаний (наработка zi каждого изделия), zi = min (ti, Ti), i = 1, N , где ti - наработка до отказа i-ого КА (его бортовой аппаратуры); Ti - наработка i-ого КА (его БА) до момента проведения оценки (цензурирования) и объем статистики по рассматриваемым КА. При расчете статистических показателей надежности КА «Экс-пресс-А» использованы дополнительные данные по общим лидерным наработкам на момент закрытия условных КА-аналогов «Экспресс» и «Галс».

Расчетные показатели эксплуатационной надежности КА «Экспресс-АМ», которые еще не выработали свой ГСАС, лучше аналогичных показателей КА «Экспресс-А» и с ростом наработок ожидается их дальнейший рост. Они демонстрируют не только обеспечение требуемых по ТУ на КА показателей надежности, но и динамику их роста , что в первую очередь свидетельствует о высоких ресурсных возможностях соответствующих платформ КА.

Общие статистические данные по разным КА позволяют сделать вывод о целесообразности комплектации перспективных КА импортной полезной нагрузкой, а также модулей служебных систем отдельной аппаратурой зарубежной разработки, что позволит, в совокупности с высокими ресурсными возможностями отечественных перспективных базовых платформ негерметичного исполнения («Экспресс-1000» и модификаций, «Экспресс-2000» и др.) разработки ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева», создавать конкурентоспособные КА.

Сравнительный анализ количества классифицированных отказов ЭРИ при эксплуатации современных КА типа «Экспресс-АМ», при производстве которых полностью внедрена система дополнительных испытаний партий ЭРИ, предназначенных для комплектации в летные образцы аппаратуры (отбраковочные испытания, диагностический неразрушающий контроль, выборочный разрушающий анализ) [5; 6] с более ранними КА разработки ОАО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева», типа «Горизонт», эксплуатация которых началась с 1980 г., по-

Показатели эксплуатационной надежности космических аппаратов

Таблица 3

Индекс КА Гарантийный СА, мес. Требуемая ВБР за ГСАС Доверительная вероятность Точечное значение ВБР за ГСАС Нижняя доверии-тельная граница ВБР за ГСАС Общий средний САС до закрытия, мес. Нижняя доверии-тельная граница среднего САС до закрытия, мес. Средний САС до первого ограничения, мес. Нижняя доверии-тельная граница среднего САС до первого ограничения, мес. Экспресс-А 60 0,63 0,8 0,877551 0,64939 95,721428 90,903869 50,25 33,927125 Экспресс-А 60 0,63 0,9 0,877551 0,565119 95,721428 88,392102 50,25 25,416742 Экспресс-АМ 123 0,7 0,8 0,91701 0,79331 61,74 47,641823 61,74 47,641823 Экспресс-АМ 123 0,7 0,9 0,91701 0,71768 61,74 40,291349 61,74 40,291349 казывает, что доля классифицированных отказов ЭРИ на некоторых типах современных КА не падает, что связано с частными случаями комплектования КА партиями ЭРИ недостаточного качества, недостаточно совершенными объемами дополнительных испытаний и общими проблемами электронной компонентной базы.

Обеспечение качества и требуемой эксплуатационной надежности современных отечественных КА-пробле-ма многоплановая. Анализ эксплуатационной надежности современных отечественных КА показал, что по признакам деления превалируют отказы ЭРИ, устранить которые полностью не удается даже с помощью дополнительных процедур обеспечения качества ЭРИ, и не классифицированные по признакам деления отказы и неисправности (в основном производственного происхождения) по причине невозможности однозначного установления причин их появления из-за недостаточности объема телеметрической информации, используемой для анализа технического состояния КА.

Для перспективных КА, находящихся в разработке, выявлена необходимость решения ряда задач. По результатам опыта работы ОАО «ИСС» имени М. Ф. Решетнева» к ним можно отнести следующие:

• –    комплектование бортовой аппаратуры КА отечественными перспективными квалифицированными ЭРИ повышенной надежности, изготавливаемыми в соответствии с Российскими нормативными требованиями;

• –    комплектование бортовой аппаратуры КА ЭРИ иностранного производства только космического или близкого к нему уровня качества, изготавливаемыми по требованиям, контролируемым ино странными национальными космическими агентствами;

• –    разработку более эффективных программ и методик дополнительных испытаний партий ЭРИ отечественного изготовления в испытательных технических центрах;

• –    совершенствование комплекса отраслевых нормативных документов, регламентирующих приобретение и применение электронной компонентной базы в КА длительного функционирования;

• –    необходимость проведения более раннего и глубокого анализа видов, последствий и критичности отказов (АВ-ПКО) бортовой аппаратуры на этапах проектирования с целью разработки более эффективной программы их контроля и определения достаточности диагностики для наиболее критичных узлов и блоков бортовой аппаратуры;

• – разработку более эффективных, информативных и достоверных методов испытаний, контроля надежности бортовой аппаратуры перспективных КА, норм отработочных и приемочных испытаний бортовой аппаратуры, в особенности для КА негерметичного исполнения, включая увеличение количества термоциклов и термовакуумных циклов при наземной экспериментальной отработке и приемке;

  – разработку более жесткой программы контроля качества КА и составных частей при изготовлении в целях снижения производственных отказов и отказов ЭРИ при

эксплуатации и повышении эффективности системы и конкретных процедур гарантирования качества изготовления бортовой аппаратуры на заводах изготовителях;

– разработку метода технически обоснованного назначения продолжительности и режимов электротермотренировки (ЭТТ) бортовой аппаратуры при изготовлении в целях получения, после их завершения, приемлемого показателя надежности в виде интенсивности отказов, обеспечивающей требуемую вероятность безотказной работы КА на конец нормативного САС.

Таким образом, по результатам анализа показателей качества и эксплуатационной надежно сти, а также проблем обеспечения надежности современных отечественных и зарубежных КА можно сделать вывод о их коррелированности и необходимости решения ряда задач, обеспечивающих эксплуатационную надежно сть, эффективность и конкурентоспособность перспективных отечественных КА длительного функционирования (12–15 лет).