Основные методы оценки надежности бортового радиоэлектронного оборудования современных гражданских судов перед этапом серийного производства

Методы оценки надежности, используемые в ходе разработки, условно можно разделить на два основных направления обеспечения безопасности разработки БРЭО: количественная и качественная оценка.

Количественная оценка базируется на методиках прогнозирования интенсивности отказов, статистических методах контроля надежности и ресурсных испытаниях, таких как эквивалентно-циклические, испытания на долговечность и сохраняемость, регламентированных различными справочниками (таблица 1) и базой нормативно-технических документов (НТД).

Однако в ходе анализа таких справочников, при практическом применении, были определены некоторые расхождения в данных, получаемых с использованием математических моделей по оценке надежности:

• -    завышенная интенсивность отказов;

• -    критически малые показатели надежности, по сравнению с реально полученными экспериментальными значениями в период эксплуатации, или наоборот, завышенные показатели надежности, при периодических отказах на борту.

Одной из причин этого является отсутствие своевременной актуализации справочников синхронно, с постоянным обновлением электронной продукции на рынке, в связи с длительностью испытаний при различных внешних воздействующих факторах (ВВФ). Недостоверная оценка показателей надежности явилась причиной расхождения заявленных тактико-технических характеристик истребителя F-22 Raptor и вертолета RAH-66 Comanche с полученными значениями в ходе летных испытаний и эксплуатации [6].

Таблица 1. Справочники и стандарты

Наименование НТД	Разработчик	Год разработки
Надежность ЭРИ	МО РФ	2006
MIL-HDBK-217 F	МО США	1995
MIL-HDBK-781	МО США	1996
SR-332 (Issue 4)	Telcordia, США	2016
Siemens SN 29500	Siemens, Германия	2013
217 Plus	МО США	2007
IEC TR 62380	ЕС	2007
FIDES 2009	Франция	2009

В основе качественной оценки лежат методы априорного анализа, состоящего из следующих процессов [4,5]:

Оценка функциональных опасностей (ОФО / FHA);

Предварительная оценка безопасности системы (PSSA):

• -    Анализ дерева неисправности (FTA);

• -    Анализ логической схемы (DD);

• -    Марковский анализ (MA).

Оценка безопасности систем (SSA):

• -    Список отказных состояний и их классификация (FНA, PSSA);

• -    Качественный и количественный анализ отказных состояний (FTA, DD, MA, FMEА(S));

• -    Анализ общих причин отказов (CCA);

• -    Верификация учета требований предварительной оценки безопасности в проекте и испытаниях;

• -    Испытания.

Анализ общих причин отказов (CCA):

• -    Анализ общих режимов (СМА);

• -    Анализ зонной безопасности (ZSA);

• -    Анализ специфических рисков (PRA).

Достоверность данных качественной оценки определяется множеством факторов:

• -    зависимостью от экспоненциального распределения, несвойственного периоду разработки и начальному этапу эксплуатации, при максимальном потоке отказов;

• -    последовательностью появления отказных событий, при этом не учитывается независимость (параллельность) появления отказных состояний;

• -    трудоемкостью анализа отказных событий БРЭО с большим количеством составных частей с учетом степени важности и исключении менее вероятных отказных состояний.

Статистические методы расчета показателей надежности предполагают наличие достаточного объема информации об изделиях аналогах и элементах, что не всегда доступно при разра- ботке новых изделий, не имеющих какой-либо значимой статистической информации. Первоисточником данных о показателях надежности и оценки безопасности разработанного БРЭО являются испытания на ВВФ и надежность [3,7].

Таким образом, можно с достаточной степенью точности предположить, что наиболее действенными и достоверными являются ресурсные испытания БРЭО на этапе опытно-конструкторских работ, проводящиеся в настоящее время по методикам ускоренных испытаний, результатом которых является актуальная оценка надежности разработки и принятых технических решений, способности ПО обрабатывать и выдавать информацию в условиях внешних воздействий близких к эксплуатационным. Наиболее широкое применение в авиации получили методы эквивалентно-циклических испытаний (ЭЦИ), основанные на процедурах стресс-скрининга. Продолжительность таких испытаний для изделий из состава БРЭО МС-21 указана в таблице 2.

Концепция процедур стресс-скрининга ESS базируется на том факте, что разработанное вновь изделие изначально имеет конструктивные, схемотехнические и производственные недостатки.

Процедуры стресс-скрининга предполагают превышение (форсирование) уровней внешних воздействующих факторов, приводящих к более раннему проявлению результатов, как процесса деградации (старения), так и к отказным состояниям изделия, в максимально короткие периоды времени, решая тем самым обширный круг задач:

• -    по выявлению значимых недостатков разработки;

• -    по компенсации этапа приработки изделия в эксплуатации в ходе производственного цикла;

• -    по обнаружению потенциальных отказов.

При проведении современных процедур стресс-скрининга отсутствует имитация рабочих условий эксплуатации, изделие испытывается в максимально возможных приложенных внеш-

Таблица 2 . Продолжительность ЭЦИ БРЭО МС-21

Обозначение	Функциональное назначение	Продолжительность, ч (сут)
БУК-17	Управление системой кондиционирования воздуха	4526 (189)
БЗК-1	Коммутация электропитания БРЭО	1951 (82)
БУОС-1	Управление обогревом стекол кабины пилотов	5707 (238)
БВК-12	Вычислитель бортовой	5707 (238)
БПС-14	Преобразователь сигналов	1985,1 (83)

ESS

MIL-HDBK 344А	Термоциклирование	Диапазоны ВВФ, либо соответствуют предельным значениям эксплуатационных диапазонов в НГДна изделие, либо превышают их. Каждая процедура выполняется отдельно.
	Повышенная температура Пониженная Термический удар (Shock)
	Термоэлектротренировка (Burn-in)
	Случайная вибрация

IEC 62506:2013

Высокофорсированные предельные испытания (HALT, Elefants tests) Высокофорсированные отбраковочные испытания/аудит (HASS/HASA) Комбинированные испытания (Shake and Bake test, Proof of screen и др.)

Диапазоны ВВФ не ограничены НТД изделия. Процедуры выполняются в комплексе с комбинированным воздействием.

Рис. 1. Развитие нормативно-технической базы в части ESS-процедур них режимах работы, за счет чего и происходит интенсификация отказного состояния [10].

На рисунке 1 изображен процесс развития в нормативно-технической документации таких подходов. На первом этапе был выпущен стандарт ВМФ США NAVMAT Р-9492 регламентирующий порядок проведения таких испытаний, с накоплением статистической информации и экспериментального опыта эксплуатации, прошед- шей ESS-процедуры, были выпущены стандарты MIL-STD-2164 и DOD-HDBK-344, применяемые в настоящее время в комплексе с MIL-STD-810 (методы 514.3 и 502.2). Однако в настоящее время наблюдается широкое развитие тенденций к комплексному подходу в части внешних воздействий в процессе проведения процедур.

Отличительной чертой таких изменений в процедурах ESS является концепция высоко- форсированных испытаний c нерегламентиро-ванными уровнями ВВФ.

Компания Commercial Aviation Electronics (США) определила следующие требования к ВВФ в зависимости от типов применения электронной аппаратуры (таблица 3).

Современное использование процедур стресс-скрининга в авиационной промышленности западных стран, таких как HALT (High Accelerated Life Tests) отличается от методов, используемых в настоящее время в отечественной электронной промышленности. Испытания не предназначены для количественной оценки показателей надежности, основной целью является повышение качества разработки и технологии производства изделия, за счет определенной выработки ресурса в сжатые сроки и пролонгации периода гарантийного износа, за счет максимального воздействия ВВФ, перекрывающих область прочности изделия.

Испытания HALT состоят из нескольких отдельных процедур [11]:

• -    ступенчатое изменение повышенной и пониженной температуры;

• -    термоциклирование со скоростью набора температуры 10-60°C/мин на уровнях воздействий, превышающих на 10-20 % диапазон предельных значений эксплуатации;

• -    широкополосная случайная вибрация (ШСВ) с равномерным спектром для определения предела разрушения;

• -    комплексного воздействия циклического изменения температуры и ШСВ.

В таблице 4 приведены предельные значения для высокофорсированных испытаний HALT для различных типов аппаратуры.

Основным недостатком использования высокофорсированных отбраковочных испытаний HALT является малое количество методик поко-личественной оценки их результатов и высокая стоимость оборудования [7, 11].

В настоящее время методики перевода результатов HALT предполагают физико-статистический подход с использованием, как нейронных сетей, так и законов, основанных на процессе деградации. Однако не всегда возможно использовать имеющиеся методы в новых разработках бортового электронного оборудования в связи с отсутствием экспериментальных и статистических данных для получения достоверной оценки наработки на отказ.

Результаты проведения процедур ESS по методике HALT показывают, что большинство выявленных несоответствий (суммарно около 60%) связано с некачественной пайкой соединений и отказом ЭРИ (таблица 5), а деградация элементов происходит только в 2% случаев, поэтому использование моделей основанных на эмпирических законах старения (физико-статистический подход), по мнению автора является нецелесообразной применительно к бортовой электронике. Анализ надежности эксплуатации после завершения опытно-конструкторских работ и серийного выпуска блока-концентратора EIU-100, разработанного в соответствии с [1-5], из состава самолета RRJ-95B показал следующее [9]:

• -    50% отказов выявлено в процессе входного контроля перед постановкой заводом-изготовителем на воздушное судно;

• -    44% отказов связано с производственными дефектами (паяные соединения по бессвинцо-

• Таблица 3. Уровни воздействия ВВФ в ESS-процедурах

Тип применения	Требования по температуре	Требования по вибрации
Бытовая	От 0 до +40 °C	Отсутствует
Транспортная	От -40 до +75 °C	1-2 Grms, 0-200 Гц
Военная	От -40 до +60 °C	Отсутствует
Авиационная	От -40 до +75 °C	1-2 Grms, 0-500 Гц

Таблица 4. Уровни ВВФ при процедурах HALT для различных видов аппаратуры

Тип применения Температура,°С ШСВ, Grms •рРаб 1 lim(-) грРазр 1 lim(-) •рРаб 1 lim(+) гр Разр 1 lim(+) гр Раб 1 lim(Grms) гр Разр lim(Grms) Бытовая -62 -80 92 118 46 52 Транспортная -69 -78 116 123 121 124 Военная -66 -81 106 124 66 69 Авиационная -60 -90 110 128 18 29 вой технологии микросхем в BGA-корпусах, нарушения при электромонтажных операциях);

• -    14% отказов связано с конструктивными ошибками, допущенными в ходе ОКР;

• -    15% отказов связано с электронными компонентами и установкой несоответствующих версий ПО;

• -    26% изделий, забракованных в 2016 году, отказало с наработкой более 1000 часов, 26% с наработкой более 3000 часов.

Необходимо обратить внимание, что 14% отказов, связанных с конструктивными ошибками, допущенными в ходе ОКР, не были выявлены не в ходе испытаний, не в ходе серийного освоения и производства, а проявились только на этапе продолжительной эксплуатации ВС.

Основными внешними воздействующими факторами, провоцирующими большинство отказных состояний, включая паяные соединения, и выход из строя бракованных ЭРИ являются:

• -    широкополосная случайная вибрация (ШСВ);

• -    повышенная температура;

• -    комплексное воздействие ШСВ и термоциклирования (более 70%).

Как видно из таблицы 5, статистика выявленных отказов при проведении процедур ESS коррелируется с результатами, полученными из эксплуатации, где контроль разработки и испытания проводились по методикам, основанным на принципах форсирования уровней внешних воздействующих факторов [14].

Основываясь на полученных данных, актуальной является задача по разработке нового метода ЭЦИ с количественной оценкой показателя наработки на отказ БРЭО. Решение задачи предполагает:

• 1)    сокращение времени проведения испытаний за счет применения следующих методов:

• -    интенсификации уровней воздействия режимов ВВФ (температуры, вибрации);

• -    комплексного (одновременного) воздействия ВВФ: циклического изменения температуры и ШСВ.

• 2)    разработку модели эквивалентности режимов ВВФ базовому году эксплуатации воздушного судна (ВС);

• 3)    выявление конструктивных и электронных элементов изделий БРЭО, ограничивающих надежность и долговечность (ресурс) изделия;

• 4)    определение возможности установления требуемого ресурса и оценка мероприятий по его увеличению;

Программа испытаний основана на классическом подходе, состоящем из следующих этапов:

Этап 1. Предварительные исследования.

Этап 2. Разработка и обоснование модели испытаний.

Этап 3. Оценка результатов испытаний и их достоверности.

Для решения поставленной задачи предполагается такая модель испытаний, включающая в себя следующие параметры комплексного воздействия внешних факторов, исходя из базового

Таблица 5. Результаты испытаний с использованием процедур ESS (HALT)

Отказ изделия или его компонентов Температура шсв Комплексное воздействие вибрации и температуры «-» «+» Термоцикл Пайка 62 - - - 48 14 Отказ ЭРИ 28 9 11 1 3 4 Разрушение механического крепления 9 - - - 9 - Ошибки разработки 8 3 4 - - 1 Отказ соединителей блока 12 - - 1 12 - Деформация печатной платы 4 - - - 4 - Выход за допустимое отклонение параметров 4 - - - 4 - Плавающий отказ ЭРИ 3 1 1 1 Различные предельные значения у 2-х испытываемых изделий 3 3 - - - - Отказ в соединителях на плате 2 - - 1 1 - Деградация ЭРИ 2 - 2 - - - Короткое замыкание ЭРИ 3 - - - 2 1 Разрыв в печатном проводнике платы 1 - - - - 1 Прочее 8 - 1 - 5 2 Итого 149 16 18 4 89 23 % 100 11 12 3 60 14 цикла эксплуатации ВС за 1 год:

• -    размах термоцикла на уровнях превышающих заданные в технических требованиях, от -100 до +100 ⁰С, при скорости изменения температуры в цикле 60-70 ⁰С в минуту;

• -    ШСВ с уровнем 50-70 Grms.

В ходе экспериментальной отработки методик форсированных испытаний HALT были проведены предварительные исследования комбинированного воздействия на трех образцах цифрового графического индикатора, проверка прочности жидкокристаллического экрана, используемого в БРЭО гражданской авиации, к многоуровневым термическим и вибрационным воздействиям.

Индикаторы были подвергнуты одновременному воздействию 5 циклов циклической смены температуры в диапазоне от –75 до +100 °С и вибрации, как показано на рисунке 2.

Для первого температурного цикла уровень вибрации был установлен в 10 Grms со ступенчатым повышением на 10 Grms перед каждым следующим циклом. При температуре -27°C по- требление тока увеличилось с 0,38 А до 1,8 А, замерзание жидкокристаллического экрана выявлено на минус 80 0С.

В результате тестирования подтвердилось соответствие конструкции и технологии производства жестким условиям эксплуатации, были определены предельные параметры эксплуатации (таблица 6), а также вектор дальнейших исследований [13].

При серийном выпуске продукции перспективным направлением, по мнению автора, является использование методов испытаний HALT для процедур технологической приработки и тренировки в целях снижения потока отказов и обнаружения скрытых дефектов при производстве, а также проведение входного контроля импортной электронной компонентной базы, используемой в БРЭО.

На следующем этапе прорабатывается модель эквивалентности влияния ВВФ на базовый цикл эксплуатации воздушного судна и ее апробация по программе ЭЦИ для определения наработки на отказ БРЭО за счет комплексного

Рис. 2. Комбинированное воздействие циклического изменения температуры и ШСВ

Таблица 6. Результаты: Предел работоспособности (ОL) и предел разрушения (DL)

Условие воздействия Параметр OL при низких температурах -75 °C OL при высоких температурах +100 °C OL при вибрации 60 G DL при низких температурах Отказов не выявлено DL при высоких температурах Отказов не выявлено DL при вибрации Отказов не выявлено воздействия циклического изменения температуры и широкополосной вибрации на предельных уровнях за счет применения испытательного оборудования и методик HALT.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    В статье изложены методы оценки надежности БРЭО применяемые в современной авиационной промышленности для гражданских воздушных судов, проведен их краткий анализ и результаты эксплуатации.

• 2.    Изложена концепция процедур стресс-скрининга ESS, а также статистические результаты испытаний HALT.

• 3.    Приведены результаты апробации испытаний HALT при комбинированном воздействии термоциклирования и ШСВ. Подтвержден метод испытаний на уровнях превышающих температурное и вибрационное воздействие, заложенное в технических требованиях на изделие на примере цифрового графического индикатора.

• 4.    Определено направление развития дальнейших исследований в части разработки математической модели эквивалентно-циклических испытаний на предельных уровнях за счет применения испытательного оборудования и методик HALT.