Оценка надежности перспективных космических комплексов

В настоящее время в АО «ИСС» в процессе создания находятся перспективные космические системы спутниковой связи и ретрансляции, основными элементами которых являются космические комплексы (КК) с орбитальными группировками (ОГ) космических аппаратов (КА) нового тяжёлого класса со сроком эксплуатации до 15 лет.

Традиционно в проектных документах по вопросам обеспечения и контроля надёжности КК приоритет отдается космическим аппаратам как основным элементам КК, выполняющим целевую функцию. Вместе с тем анализ эксплуатационной надёжности составных частей современных космических и ракетно-космических комплексов (РКК), находящихся в штатной эксплуатации, свидетельствует о недостаточном уровне надёжности изделий ракетно-космической техники, входящих в состав КК. Имеют место отказы и неисправности

средств выведения (ракетоносителей, разгонных блоков), технических средств наземной инфраструктуры КК (оборудования технического, стартового комплексов, средств НКУ), частичные и полные отказы космических аппаратов по различным признакам деления в пределах требуемого срока активного существования (САС). Данные отказы сдерживают развёртывание и пополнение орбитальных группировок КА и негативно влияют на имидж отечественной ракетно-космической техники.

Надежность КК является важнейшей эксплуатационно-технической характеристикой и неотъемлемым внутренним свойством КК, которое конструктивно закладывается на этапах проектирования.

КК представляет совокупность ремонтопригодных и неремонтопригодных элементов. Элементы КК призваны обеспечить успешный запуск, эксплуатацию и управление КА. В период одного цикла работ, связанных с запуском единичного КА, данные элементы КК

Оценка надежности перспективных космических комплексов функционируют последовательно в соответствии с циклограммой работы. В отдельные периоды функционирования они могут быть ремонтопригодными (например, для средств выведения до наступления периода необратимых операций). В других случаях относятся к неремонтируемым (для летных этапов).

Таким образом, возникает необходимость не только выбора и оптимизации задаваемых эффективных требований к надёжности для элементов КК и КК в целом в привязке к периодам функционирования [1], но и совершенствования конструктивных методов обеспечения данных показателей надёжности на этапах проектирования и эксплуатации, включая методы их подтверждения.

В статье рассматриваются возможные модели для оценки и подтверждения требуемых показателей надёжности некоторых перспективных КК.

Требования к надежности КК зависят от их назначения и подразделяются на обобщенные, основные и дополнительные [2].

На уровне одиночного КК постоянного, длительного функционирования с орбитальной группировкой из n КА обобщенным показателем надёжности, как правило, является коэффициент готовности КК K _Г ^КК [2].

Для перспективных КК с геостационарными КА основные требования по надёжности составных частей формулируются в виде требуемого:

• -    коэффициента готовности орбитальной группировки K _Г ^ОГ (вероятность того, что в течение заданного времени поддерживается штатная орбитальная группировка);

• -    коэффициента готовности НКУ K НКУ ;

• -    показателя готовности НКУ (вероятность выполнения средствами КУ суточного технологического цикла управления КА);

• -    показателя надёжности РКК (вероятность подготовки ракеты космического назначе-

• ния (РКН) к пуску из установленных технических готовностей за время, не превышающее нормативного заданного τ )

РКН                                      ^п

' иод ^{( Т} П ) ^;

• -    показателя надёжности РКН (вероятность выведения КА в заданную область космического пространства P ( ^ ) );

• -    показателя надёжности РКН (вероятность сохранения работоспособности КА в процессе выведения) ^р вКА ^{( т} в_Ыв );

• -    показателей надёжности КА (гамма-процентного срока активного существования Т ^С и гамма-процентного срока сохраняемости T _γ ^ХР ).

Показатели надёжности РКН могут быть заменены одним интегральным - вероятность запуска КА на опорную орбиту, выведения его в заданную область космического пространства и приведения собственными средствами в заданную область орбиты.

Аналитическая структурная схема надёжности такого КК приведена на рисунке.

Учитывая:

• -    заданные показатели надёжности НКУ и ОГ, - заданные показатели надёжности РКК и РКН, - реальные периоды функционирования КК, - расчетную надёжность задействованных средств выведения,

• -    хранение КА до запуска,

а также то, что для высоконадежных объектов, каковыми являются элементы КК, отличие коэффициентов готовности от вероятности безотказной работы в целом несущественно [3], общая модель оценки K КК принимает выражение

K ^КК = к А к О^Г X ^{Г      Г}ХР ^Г

\Рркн(т^Рркн (т  КА^и  Я"

^ подг ^{( Т} П Л* вывкА ^{( Т} выв ^^ выв ^{( т} выв ) J ’    ⁽¹⁾

где K _Г ^К _Х ^А _Р - коэффициент готовности КА при хранении.

Аналитическая структурная модель надёжности космического комплекса

U ИССЛЕДОВАНИЯ

Havko-

Ж ГРАДА

Показатели надёжности K _Г ^НКУ связаны между собой выражением

и

_{K Г}ОГ

K _Г ^ОГ = ( K КА ) " к _Г ^НКУ

,

где K _Г ^НКУ – коэффициент готовности НКУ при работе со всеми n КА орбитальной группировки; K Г - коэффициент готовности единичного КА, определяемый как

КА

K _Г = n

K Г^ОГ

НКУ ^, K _Г

Если известно статистическое коли

КА чественное значение KГ по результатам эксплуатации КА-аналогов, то выражение (3) можно использовать для определения корректности задаваемых количественных значений KГОГ и KГНКУ для рассматриваемого КА.

Коэффициент готовности КА при хранении определяется как

Вероятность выведения КА в заданную область космического пространства P ( Q ) )• • Р вКА ( т _выв) определяется надёжностью выбранных средств выведения.

Выражения (5) и (6) предполагают экспоненциальный закон распределения времени безотказной работы оцениваемых объектов.

Вероятность сохранения работоспособности КА в процессе выведения (вероятность безотказной работы) Р ^ЫА ( т _выв) определяется выражением

рвКА к,.,)=е (т_ы„) с, (7)

КА

КА       Т 0ХР л ГХР  —КА  —КА ,

Т 0ХР + ^Т ВХР

КА где T 0ХР – среднее врКеАмя безотказной работы КА при хранении; ТВХР - среднее время восстановления КА после отказа при хранении.

КА КА

Так как значения T о_ХР , Т в_хр зачастую могут быть неизвестны или потребуются значительные усилия для их определения, то K _Г ^К _Х ^А _Р может быть заменён вероятностью безотказной работы КА за время хранения Р^ ( т _хр ) , при этом

Рхр (тхр ) = ехР(-^хртхр )      (5)

где Х х - интенсивность отказов КА при хранении.

Вероятность подготовки РКН к пуску из установленных технических готовностей за время, не превышающее нормативное заданное τ _П , определяется выражением

МУ где Pвыв – ВБР механических устройств на этапе выведения.

Интенсивность отказов элементов РКН в различные периоды функционирования КК определяется с использованием статистики по результатам эксплуатации КК и пусков большого количества КА разработки АО «ИСС».

Исходя из принятой аналитической модели ССН КК, коэффициент готовности КК можно также определить по формуле

КК ккк=1 - ТКК,            (8)

1 э

КК где Tв – суммарное время восстановления КК при снижении её работоспособности ниже допустимого уровня; ТКК - период эксплуатации ОГ КК полного состава, определяемый как календарная продолжительность эксплуатации ОГ с момента его полного развертывания до отказа или перехода в предельное состояние любого КА из ОГ.

Суммарное время восстановления КК определяется по формуле

КК КА ОГ НКУ

T в    = T вхр ^{+ Т} в ^{+ Т} в ⁺

, тСред.РКН , тКАвыв , ТКА

⁺ Т впОДГ    ^{+ Т в      + Т} ра^бот ’

Л юдг ^{( Т} П ) = ^CXp^{( Л} РКН ^Т П

( к

=exp -£ хi

V i = 1

\

Т П, 7

где Л - суммарная интенсивность отказов основных элементов РКН; Х . - интенсивность отказов i- го элемента РКН; k – количество учитываемых элементов РКН (ракета-носитель + космическая головная часть: КА, разгонный блок, головной обтекатель, переходная система).

КА где ТвХР - суммарные потери времени, связанные с восстановлением работоспособности любого КА в случае его отказа при хранении; TвOГ – суммарные потери времени, связанные с восстановлением орбитальной группировки из n КА (в случае частичных отказов в любом КА восстанавливается за

счет резерва оборудования, в случае полного отказа любого КА восстанавливается введением КА из орбитального резерва либо запуском вновь изготовленного КА); Т ВНКУ - суммарные потери времени, связанные с восста-

Оценка надежности перспективных космических комплексов новлением работоспособности средств НКУ для работы с n КА ОГ; TвСПрОед.ГРКН – суммарные потери времени, связанные с восстановлением наземных и космических средств РКН при подготовке любого КА к запуску (ремонт наземных технических средств РКК, ремонт или замена РН или РБ, ремонт КА, ГО, переходной системы); TвКАвыв – суммарные потери времени, связанные с повторным запуском КА в случае отказа РН, РБ при выведении КА на орбиту; TрКабАот – суммарные потери времени, связанные с восстановлением работоспособности любого КА в процессе его выведения.

Восстановление полностью развернутой ОГ из n КА предполагает её восстановление, в случае внезапного полного отказа любого КА в ОГ, запуском другого КА, поэтому время восстановления работоспособности ОГ после её развертывания определяется суммарным временем перерыва в работе любого КА, связанным с восстановлением его работоспособности.

Перерывы в работе любого КА из ОГ могут быть двух видов [4]:

• -    перерывы из-за внезапных отказов резервированного оборудования, компенсируемые средствами бортовой автоматики путем внепланового перехода на резервный комплект ( Т ₁);

• -    перерывы из-за внезапных отказов оборудования, компенсируемые только с применением средств НКУ ( Т ₂).

Плановый переход на резервный комплект аппаратуры служебных бортовых систем или переход на резерв в случае расчет ной нештатной ситуации не приводит к перерывам в работе КА.

Время восстановления ОГ из-за частичных отказов КА определяется как

^ n m

TO = Ё КА- Ё Tj k-=1      j=1 7

где n - штатное количество КА в ОГ; m - количество видов частичных отказов (2); T j - перерыв в работе i -го КА по j -му виду отказа и КК соответственно, связанный с частичными отказами и методами их парирования.

Рассмотренные модели оценки показателей надёжности КК применяются при проектировании перспективных КК с КА различного назначения.