Оценка эффективности оптимизации экспериментальной отработки космических аппаратов навигации и связи

В условиях повышения требований к показателям качества перспективных космических аппаратов (КА) навигации и связи со сроками активного существования 10 лет и более, а также ужесточения требований к срокам и стоимости создания КА оптимальное планирование наземной экспериментальной отработки (НЭО) является важным фактором обеспечения качества отработки. Длительное время в НПО ПМ реализуются перспективные подходы к оптимизации объемов отработки КА с использованием таких направлений оптимизации, как[1;2]:

• -    сокращение номенклатуры изготавливаемой материальной части для отработки КА и составных частей за счет комплексирования различных видов испытаний на одной материальной части;

• -    снижение стоимости разработки за счет замены физических отработочных моделей КА программными моделями и использования оборудования и программного обеспечения, разработанных по различным проектам (межпроектная унификация);

• -    снижение стоимости и сокращение сроков разработки за счет сокращения этапов автономной отработки оборудования (например, этапа лабораторных отработочных испытаний оборудования, специальных и ресурсных испытаний оборудования, если это подтверждено расчетами);

• -    совмещение части отработочных испытаний с контрольными испытаниями штатных образцов.

В связи с этим актуальна задача разработки методов количественной оценки эффективности различных вариантов оптимизации (комплексирования) испытаний КА на различных уровнях отработки и при различных видах испытаний в целях сравнения е с базовым или допустимым уровнем эффективности.

Известно, что при оптимизации процесса создания КА, включая оптимизацию объемов НЭО за счет комплексирования, рассматриваются три критерия: показатели качества, обеспечиваемые при отработке, стоимость отработки, сроки отработки.

Варианты оптимизации объемов НЭО по критериям «требуемые показатели качества-стоимость отработки- сроки отработки» могут быть представлены выражениями, приведенными в таблице.

Выбор критерия эффективности НЭО для КА может производиться для различных вариантов оптимизации объемов НЭО в зависимости от назначения КА. Если имеет место ограничение по стоимости z -го этапа испытаний и НЭО в целом, приемлемым представляется вариант оптимизация-минимизация срока НЭО КА при заданных стоимости НЭО и качестве КА. Формула задачи оптимизации программы испытаний КА при этом имеет вид

Т = min Т , W. >  W C   <А С .

нэо         ( v ) ^, i треб ^, план i           факт i .

Показатель качества КА - количественная характеристика одного или нескольких свойств КА, например таких, как показатели надежности (безотказность, долговечность, сохраняемость), энерговооруженность, энергопотребление, относительная масса полезной нагрузки к начальной массе КА, рассматриваемая применительно к определенным условиям его создания и эксплуатации.

Общий показатель качества КА ( К _КА ) можно определить формулой вида

Kn

^К ка = Z ^М-А ^ ^m у ^а у ,          (1)

i = 1            у = 1

где М i m_у - коэффициенты весомости z -ой бортовой системы и z -го вида оборудования, комплектующего z -ую бортовую систему характеризующих в количественном отношении степень влияния показателей качества z -ой бортовой системы ( A i ) и z -го вида оборудования ( а_у ) , входящего в состав z -ой бортовой системы на качество КА и бортовой системы соответственно; K - количество бортовых систем КА; n - количество видов оборудования, комплектующего К -ую бортовую систему

Критерий эффективности испытаний. Космический аппарат навигации или связи является сложной технической системой, поэтому для оценки качества экспериментальной отработки КА может быть использована такая общая характеристика сложной системы, как эффективность Q , т.е. степень соответствия КА своему назначению.

Обобщенные схемы НЭО КА по этапам разработки и квалификации (рис. 1) с учетом составляющих процесса НЭО (рис. 2), позволяют рассматривать НЭО КА как процесс с обратными связями на каждом уровне отработки, направленными на обеспечение текущей эффективности ( W i ) НЭО КА по результатам видов испытаний на всех уровнях отработки.

В качестве технического критерия эффективности испытаний можно принять выражение

W

Q = 1/ ^реб - ——i— ,             (2)

КА i                             , план i       факт i где QКА. - выходной эффект по результатам z-го этапа (вида) испытаний; WTpe6 -требуемая эффективность КА; Wi - текущая эффективность z-го этапа (вида) испытаний; СплаHi - планируемая стоимость z-го этапа (вида) испытаний; СфакTi - фактические затраты на достижение выходного эффекта по результатам z-го этапа испытаний.

Текущую эффективность W i НЭО КА на z -ом этапе испытаний для единичного показателя качества можно определить по формуле

W =---- ,                   (3)

i АДоп где афакт - фактическое значение показателя качества КА на z-ом этапе испытаний; Ai4™ - допустимое значение показателя качества КА на z-ом этапе испытаний.

Все виды ресурсных затрат на отработку КА в общем виде можно представить системой выражений

С = У (С + ДС ), АС = ДС (и); к планi         фактi         факт,         фактД э i=1

N

] т = Е t(n , );                                    (₄)

i ^{= 1}

W = W [ n , W - 1 , A ];

,Ai = Ai (Спла,), где С, Т - суммарная стоимость и длительность реализации комплексной программы экспериментальной отработки КА; N - число этапов отработки КА; ti - продолжительность испытаний на z-ом этапе отработки; ni - количество видов испытаний на z-ом этапе отработки; Wi - эффективность на z-ом этапе отработки; Ai - параметры качества, определяющие структуру процессов испытаний на z-ом этапе и характеризующие изменение эффективности на z-ом этапе отработки; СпЛaHi, АCфакTi - планируемые и текущие затраты на z-ом этапе отработки.

Оптимизационными параметрами в зависимости от постановки задачи могут являться также базовые C _{плаH i} и текущие А C ф_{акT i} затраты, отдельные параметры моделей изменения эффективности A i , а также сами значения эффективности W i , определяющие возможность перехода на следующий уровень отработки или вид испытаний.

Для определения количественных оценок эффективности отработки с элементами комплексирования необходимо иметь зависимости, связывающие текущую эффективность W i и выходной эффект по результатам каждого вида испытаний со временем и стоимостью испытаний. Как правило, они являются случайными величинами или функциями времени.

Каждый этап испытаний КА [3] направлен на выявление отказов и дефектов. Устранение причин отказов и дефектов приводит к повышению эффективности КА. Наиболее часто при планировании и управлении НЭО используется экспериментальная модель роста эффективности вида

W = a - ( a - W ₀) exp(-6 i ) ,          (5)

где 6 -интенсивность обнаружения дефектов.

Оценка эффективности оптимизации (комплексирования) испытаний при НЭО КА. Возможный алгоритм оценки эффективности оптимизации (комплексирования) испытаний на примере решения одной из частных задач оптимизации испытаний можно представить последовательностью и содержанием следующих пяти этапов.

• 1.    Постановка задачи оптимизации испытаний - требуется оценить целесообразность оптимизации (комплексирования) НЭО КА на уровне отработки КА путем исключения отработочного изделия для ЭРТИ (08РТИ) и включения этапа ЭРТИ изделия 08РТИ в программу испытаний первого летного КА №11.

• 2.    Исходные данные, используемые при оценке эффективности оптимизации испытаний:

• -    нормативный объем отработки КА на уровне КА (ГОСТ В 22571);

• -    базовый объем испытаний отработочного изделия 08рти - , ;

• -    базовый объем испытаний КА № 11Л С _0пл ;

• -    комплексированный объем испытаний V = V + V

^{11 л} КОМ        ⁰ 11Л       ⁰ 08РТИ ^;

• -    базовая стоимость отработки 08РТИ, включая стоимость матчасти С 0_08РТИ ;

• -    базовая стоимость отработки КА № 11Л C _{0 11Л} ;

• -    стоимость комплексированной отработки КА №11Л ^{КА С} 11Л ком ^;

• -    базовая продолжительность испытаний изделия 08РТИ ^т , ;

• -    базовая продолжительность испытаний изделия КА №11Л ^то„ л ;

• -    продолжительность комплексированных испытаний КА№ 11 ^т 11Л ком ;

• -    нормативные показатели качества ^ 0вр'_ТИ , А ”°Л ;

• -    методики оценки текущих показателей качества по результатам испытаний на различных уровнях НЭО.

• 3.    Модели ресурсных затрат и оценки эффективности испытаний ( т i , T , С ₀, A C i , W i ( т i ), Q ).

• 4.    Сравнительные оценки ресурсных затрат и показателей качества:

  
  
  

Рис 1. Обобщенная схема НЭО КА по этапам разработки и квалификации НЭО

Варианты оптимизации объемов НЭО космических аппаратов

Вариант оптимизации объема НЭО	Функция оптимизации объема (V ) НЭО	Критерий ограничения
Минимизация стоимости НЭО при заданных показателях качества	С = min С , 1      ( V ) где С - суммарная стоимость; min C - минимальная стоимость НЭО при объеме НЭО (V )	А >  А доп , где А - показатель качества; А доп - минимально допустимое значение показателя качества
Максимизация качества КА при заданной стоимости НЭО	А = max А ( V )	С 1 — С 1 доп , где С 1 доп - суммарная допустимая стоимость НЭО
Минимизация затрат на НЭО КА при заданных показателях качества и сроках НЭО	С = min С 1      ( V ) 1	Т — т д°" нэо      нэо А = А доп
Максимизация качества КА при заданных стоимости и сроке НЭО	А = max А ( V )	/-Г /Г1 доп С 1 <  С 1 т < т доп нэо — нэо
Минимизация срока НЭО КА при заданных стоимости НЭО и качестве КА	Тю о = min Г ( V )	/-- /Г1 доп С 1 <  С 1 А = А доп

Рис. 2. Обобщенная схема НЭО КА с учетом составляющих процесса НЭО

• -    ^д ^ 08рти_11Лком - ^ о^ (объем ЭРТИ в комплексиро-ванном объеме испытаний КА № 11 не меньше базового объема ЭРТИ отработочного изделия 08РТИ);

• -    С ц-Л™ >  ^_Оц_Л (стоимость комплексированных испытаний КА №11 выше базовой стоимости испытаний КА№ 11);

• -    ^д C 08рти_11Л <<  C 0_08РТИ (стоимость проведения перенесенных ЭРТИ изделия 08РТИ в составе комплексированных испытаний КА №11 значительно меньше базовой стоимости испытаний изделия 08РТИ вследствие исключения стоимости матчасти изделия 08РТИ);

• -    • ^{- А} КА^П , ^ ка_1Ш ^- ^ КА" (фактические показатели качества КА №11по результатам испытаний и эффективность комплексированных испытаний КА №11 соответствуют допустимым показателям);

• -    ^тил_кОм >Ч _Л (продолжительность комплексирован-ного объема испытаний КА № 11 выше базовой продолжительности испытаний КА № 11);

• -    ^т 0_08РТИ >>  ^Т 08рти_кОм (базовая продолжительность испытаний отработочного изделия 08РТИ значительно выше продолжительности перенесенных ЭРТИ изделия 08РТИ в составе комплексированных испытаний КА № 11).

• 5 . Заключение о целесообразности оптимизации (ком-плексирования) испытаний: стоимость и продолжительность комплексированных испытаний КА № 11 значительно меньше суммарных базовых затрат С о_О8РТИ + С о_11л при наличии отработочного изделия 08 РТИ, при этом обес

печивается требуемая эффективность комплексированных испытаний КА № 11.

Итак, предложенный подход к оценке эффективности оптимизации отработки КА как задачи оценки и обеспечения текущей эффективности ( W i ) НЭО КА по результатам видов испытаний на всех уровнях отработки позволяет продолжить разработку научно-методических основ оптимизации отработочных и производственных испытаний КА.