Формирование подхода к оценке надежности наземной подготовки ракет-носителей на основе определения полноты наземных проверок и результата выполнения поставленной задачи пуска

В настоящей статье авторами проведен анализ применяемого в настоящее время метода оценки подготовки ракет-носителей типа «Союз». По результатам анализа выявлены недостатки метода и выбраны предложения по изменению подхода к оценке надежности подготовки ракет-носителей, на основании оценки полноты наземных проверок и результата выполнения поставленной задачи пуска ракеты-носителя.

АНАЛИЗ МЕТОДА ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ НАЗЕМНОЙ ПОДГОТОВКИ

РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ТИПА «СОЮЗ»

Применяемый в настоящее время методы оценки надежности наземной отработки и подготовки ракет-носителей типа «Союз» разработаны на основе подхода к подготовке боевых баллистических ракет, которые послужили прототипом современных космических ракет-носителей. В различных методических документах, регламентирующих порядок оценки вероятности подготовки ракеты-носителя к пуску за заданное время, существуют различные подходы к учету времени на поиск и устранение неисправностей, времени на выполнение дополнительных работ по техническим заданиям и бюллетеням.

Для ракет-носителей космического назначения главным является запуск в заранее заданный момент времени.

Различие задач, поставленных перед ракетами баллистического и космического назначения,

привело к тому, что применяемые в настоящий момент в ракетно-космической отрасли методы оценки надежности подготовки ракет-носителей не отражают качества этих работ.

Основной проблемой в сложившейся ситуации является оценка и прогнозирование надежности подготовки для серийных ракет-носителей среднего класса.

Предметом исследования является серийная ракета-носитель типа «Союз». Структурная схема взаимодействия составных частей ракеты-носителя, обеспечивающих выведения полезного груза на заданную орбиту приведена на рис. 1. На схеме не приведены система внешне траекторных измерений и система измерений, в связи с тем, что их основная задача - контроль и передача данных о функционировании остальных систем.

Ракета-носитель состоит из ряда систем, проверка функционирования которых на техническом и стартовом комплексе направлена на обеспечение выведения полезного груза на заданную орбиту.

Каждая из составных частей ракеты-носителя при наземной отработке проходит следующие этапы:

• -    подготовка на заводе-изготовителе;

• -    подготовка на техническом комплексе;

• -    подготовка на стартовом комплексе;

• -    выполнение задачи пуска ракеты-носителя (полет).

Основным требованием, предъявляемым к надежности ракеты-носителя, является безотказное функционирование каждой ее составной части (и в целом ракеты) в полете. Надежность ракеты-носителя при подготовке Ррн не может быть выше расчетной надежности полностью исправной ракеты-носителя (или подтвержденной большой статистикой пусков). Расчетная надежность РН определяется надежностью ее составных частей и определяется по формуле:

Рис. 1. Структурная схема серийной ракеты-носителя типа «Союз»

• ^Р РН = ^Р СУ ^{. Р} Кон ^{. Р} ДУI ^{. Р} ДУII ^{. Р} ДУIII ^{. Р} СОББ ^{. Р} СОЦБ ^{. Р} СОПХО ^{. Р} СОПН ,(1) где Р_СУ – это вероятность безотказной работы системы управления;

РКон – вероятность безотказной работы конструкции;

РДУI – вероятность безотказной работы двигательной установки первой ступени;

РДУII – вероятность безотказной работы двигательной установки второй ступени;

РДУIII – вероятность безотказной работы двигательной установки третьей ступени;

РСОББ – вероятность безотказной работы средств отделения боковых блоков;

РСОЦБ – вероятность безотказной работы средств отделения центрального блока;

РСОПХО – вероятность безотказной работы средств отделения хвостового отсека;

РСОПН – вероятность безотказной работы средств отделения полезной нагрузки.

Для ракеты-носителей типа «Союз» показатель РРН = 0,985.

На сегодняшний день в соответствии с требованиями действующих в отрасли методик оценка надежности подготовки ракеты-носителя к пуску осуществляется путем оценки вероятности подготовки ракеты-носителя к пуску из различных степеней готовности за время, не превышающее нормативное значение.

При серийной эксплуатации оценка осуществляется статистическим методом (при достаточно большом количестве испытаний) на основе представления результатов испытаний в схеме испытаний Бернулли и методами оценивания на основе сетевых моделей процесса подготовки ракеты-носителя к запуску.

Основным показателем надежности подготовки ракеты-носителя за заданное время является вероятность ее подготовки к пуску из соответствующей готовности за время, не превышающее нормативное значение.

Для оценки вероятности подготовки ракеты-носителя к пуску из соответствующих готов- ностей за время, не превышающее нормативно заданное, используются следующие исходные данные:

• -    результаты подготовок ракет-носителей в предыдущие периоды (количество подготовок, число успехов и число отказов);

• -    технологические графики подготовки ракеты-носителя на техническом и стартовом комплексах космодрома;

• -    расчетные оценки продолжительности выполнения операций технологического графика подготовки ракеты носителя на техническом и стартовом комплексах космодрома;

• -    результаты хронометража в процессе летных испытаний, выполнения операций технологического графика подготовки ракеты-носителя на техническом и стартовом комплексах космодрома.

На сегодняшний день, когда ракеты-носители типа «Союз» находятся на этапе серийной эксплуатации, время их пуска определяется задолго до фактической даты пуска, разрабатывается и утверждается график подготовки для обеспечения запланированного времени пуска при 8 часовом рабочем дне. В случае возникновения отказов увеличивается рабочий день, используются выходные и резервные дни, что, как правило, обеспечивает пуск в заданное время.

Существующие методы определения времени подготовки на техническом и стартовом комплексах используют традиционные сетевые графики и метод графической оценки и обзора GERT.

Традиционные сетевые графики являются частным случаем GERT-сетей, когда все узлы сети реализуют логическую функцию «И», а работы (ветви) сетевой модели имеют лишь один аддитивный параметр - время выполнения, которое в данном случае является детерминированным.

Возможные работы по поиску и устранению неисправностей и связанные с ними повторения операций контроля невозможно описать традиционными сетевыми графиками, в связи с этим было предложено использовать метод GERT, где вероятности реализации таких операций учитываются мультипликативными параметрами.

Для описания технологических процессов с учетом влияния перечисленных случайных факторов применяется аналитический метод оценки параметров сетевых моделей GERT [2, 3, 4]. В методе GERT исследуемый технологический процесс также представляется в виде сети как при использовании стандартного метода, но работы (ветви), представляющие сеть, могут иметь передаточные функции с двумя параметрами: аддитивным (время выполнения, которое может быть случайным) и мультипликативным (вероятность выполнения ветви или работы).

Показатель надежности ракеты-носителя в период подготовки на космодроме Р( т _г) представляет собой вероятность того, что ракета-носитель будет подготовлена к запуску из соответствующей готовности за время, меньшее или равное заданному.

Основным недостатком данного показателя является акцент на время проведения работ по испытаниям на техническом и стартовом комплексе, без учета влияния результата подготовки на проявление неисправности в полете. То есть традиционный метод оценки надежности подготовки не учитывает:

• -    влияние результата подготовки на надежность самой подготовки ракеты-носителя;

• -    причины проявления отказа или неисправности в полете;

• -    случаи переносов пусков и их причины.

Анализ статистики пусков ракет-носителей типа «Союз» за последние 20 лет показывает, что зафиксировано 7 случаев переноса пуска на 1-2 суток и 1 случай снятия ракеты-носителя со стартового комплекса.

Авторами предлагается заменить существующий метод оценки вероятности подготовки ракеты-носителя к запуску из соответствующей готовности за время, не превышающее нормативное значение, на метод оценки вероятности запуска ракеты-носителя в заданный момент времени.

ОПИСАНИЕ ПРЕДЛАГАЕМОГО ПОДХОДА К ОЦЕНКЕ НАДЕЖНОСТИ НАЗЕМНОЙ

ПОДГОТОВКИ РАКЕТЫ-НОСИТЕЛЯ

Для оценки показателя вероятности запуска ракеты-носителя в заданный момент времени необходимо комплексно оценивать как процесс подготовки к пуску, так и результат его проведения (успешное выполнение задачи выведения ракеты-носителя). Наиболее важными являются причины возникновения отказов составных частей ракеты в полете и эффективность наземных проверок.

В связи с этим, авторами предлагается при оценке вероятности запуска РН в заданный момент времени использовать следующие исходные данные:

• -    оценка надежности составных частей ракеты-носителя;

• -    объем испытаний при подготовке ракеты-носителя на техническом и стартовом комплексах космодрома;

• -    замечания и отказы систем, выявленные при подготовке на техническом и стартовом комплексах космодрома;

• -    результаты пусков ракет-носителей.

Алгоритм оценки вероятности пуска в заданный момент времени приведен на рис. 2 и содержит следующие этапы.

Первый этап. Провести сбор данных по результатам пуска ракеты-носителя (данные должны содержать описание отказов и неисправностей при подготовке к пуску и в полете, причины их возникновения).

Второй этап. Проанализировать результат пуска на предмет своевременности проведения пуска в заданное время t₁.

Пуск произведен в заданное время t1 - пуск проведен в установленное время с учетом допустимого времени задержки заложенного в полетном задании.

Если пуск произведен в установленное время t1 –«ДА», то перейти к третьему этапу.

Если пуск не проведен в установленное время t1, а перенесен на время t2 – «НЕТ», перейти к девятому этапу.

Третий этап. Провести анализ возникновения отказов и (или) неисправностей элементов ракеты-носителя в полете. Если отказов и (или) неисправностей бортовой аппаратуры ракеты-носителя в полете не было – «НЕТ», вероятность подготовки Р _подг определить по формуле:

^пр . (2)

подг подг .

Если в полете были отказы и (или) неисправности бортовой аппаратуры ракеты-носителя, перейти к четвертому этапу.

Четвертый этап. Провести анализ на предмет влияния отказа и (или) неисправности на выведение полезной нагрузки на заданную орбиту. В случае, когда отказы и (или) неисправности не повлияли на результат выведения и полезная нагрузка выведена на заданную орбиту (например, отказ температурного датчика) – «НЕТ», перейти к пятому этапу.

Если отказы повлияли на результат выведения полезная нагрузка на заданную орбиту – «ДА», перейти к шестому этапу.

Пятый этап. Проанализировать на предмет проверки отказавшего прибора на техническом и (или) стартовом комплексе, условий проводимой проверки, средств и квалификации проверяющего персонала. Если прибор проверялся

Рис. 2. Алгоритм оценки надежности подготовки РН по результатам пуска

– «ДА», вероятность подготовки P подг определить по формуле:

пр подг = подг 1 .                  (3)

Если прибор проверен в недостаточном объеме, уточнить объем проверки данного прибора и оценить вероятность подготовки P _подг по формуле:

пр подг = подг 2 .                ()

Шестой этап. Провести анализ пуска на предмет возникновения аварии по причине проявления отказов и (или) неисправностей бортовой аппаратуры ракеты-носителя. Если аварии не было – «НЕТ», перейти к седьмому этапу.

Если произошла авария ракеты-носителя – «ДА», перейти к десятому этапу.

Седьмой этап. Провести анализ на предмет выведения полезной нагрузки на заданную орбиту. Если полезная нагрузка выведена на заданную орбиту – «ДА», перейти к восьмому этапу.

Если полезная нагрузка не выведена на заданную орбиту – «НЕТ», перейти к девятому этапу.

Восьмой этап. Проанализировать на предмет проверки отказавшего прибора на техническом и стартовом комплексах, условий проводимой проверки, средств и квалификации проверяющего персонала. Если прибор проверялся – «ДА», вероятность подготовки Pподг определить по формуле: пр подг = подг 4 .                 (5)

Если объем проводимой проверки не достаточен для предотвращения отказа в полете, то необходимо увеличить объем проверки данного прибора и оценить вероятность подготовки P _подг по формуле:

пр подг = подг 3 .                 (6)

Девятый этап. Проанализировать объем проверки отказавшего прибора на техническом и стартовом комплексах, средств и квалификации проверяющего персонала. Если объем проверки достаточен для предотвращения возникновения отказа в полете – «ДА», вероятность подготовки P _подг определить по формуле (5).

Если объем проводимой проверки не достаточен для предотвращения отказа в полете, то необходимо увеличить объем проверки данного прибора и оценить вероятность подготовки P _подг по формуле (6).

Десятый этап. Проанализировать на предмет достаточности объема проверки отказавшего прибора на техническом и стартовом комплексах, средств и квалификации проверяющего персонала. Если объем проверки достаточен для предотвращения возникновения отказа в полете– «ДА», вероятность подготовки P подг определить по формуле:

пр подг = подг 5 .                 (7)

Если объем проводимой проверки не достаточен для предотвращения отказа в полете, то необходимо увеличить объем проверки данного прибора и оценить вероятность подготовки Pподг по формуле:

пр подг подг 6 .

Одиннадцатый этап. Проанализировать причину переноса пуска с момента времениt2. Если пуск произведен во время t2 - «ДА», то перейти к третьему этапу.

Если пуск не состоялся в установленное время t2 - «НЕТ», перейти к двенадцатому этапу.

Двенадцатый этап. Провести анализ причины отмены пуска ракеты-носителя. Если пуск отменен по причине неисправности полезного груза, погодным условиям и (или) отказов и неисправностей, возникших на техническом и стартовом комплексах, определить вероятность подготовки Pподг по формуле (2).

Если пуск отменен по причине неисправности ракеты-носителя – «ДА», перейти к тринадцатому этапу.

Тринадцатый этап. Провести анализ на предмет, проверки отказавшего прибора на техническом и стартовом комплексах, условий проводимого объема проверок и квалификации проверяющего персонала. Если элемент проверялся на техническом и стартовом комплексах в полном объеме– «ДА», вероятность подготовки P _подг определить по формуле (3).

Если прибор не проверялся, то выяснить причину отсутствия проверки данного прибора и оценить вероятность подготовки P _подг по формуле:

пр подг = подг 7 ,               ()

где k7 - коэффициент эффективности подготовки.

Приведенные выше коэффициенты (k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7) получены экспертным путем при учете влияния следующих параметров:

• -    время проведения запуска (переносился ли пуск и на сколько);

• -    причины отказа и (или) неисправности выявленной в полете;

• -    причины отказа и (или) неисправности выявленной на техническом и стартовом комплексах;

• -    влияние возникшего в полете отказа и (или) неисправности на результат выполнения пуска;

• -    проверялся ли отказавший в полете элемент в полном объеме на техническом и стартовом комплексах (элементы проверяются на рабочих режимах) или в усеченном,для соблюдения требований безопасности и отсутствия возможности реализации реальных условий полета (проверка пиросредств на обтекание цепи, линии высокого давления – пониженным давлением, отсутствие проверок всех каналов резервирования на техническом и стартовом комплексах, т.к. они проверяются на более ранних стадиях);

• -    результат пуска (наличие аварии, невыполнение поставленной задачи пуска).

• -    влияние внешних воздействия при подготовке на техническом и стартовом комплексах (транспортировка, хранение, такелажные работы, монтаж систем).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Авторами предложен новый подход к оценке надежности подготовки ракет-носителей, основанный на оценке полноты наземных проверок и результате выполнения поставленной задачи пуска, позволяющий оценить качество проведения подготовки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный метод позволяет оценить надежность подготовки ракеты-носителя на техни- ческом и стартовом комплексах с учетом влияния результата подготовки на надежность составных частей ракеты-носителя в полете.