Расчет надежности бортовой аппаратуры комплекса управления космического аппарата разработанного фгуп мокб «марс» с применением метода чистой гибели

Рассмотрим метод графов на примере БКУ КА, структурная схема которого представлена на рисунке. Прекращение функционирования любого из блоков приводит к прекращению функционированию системы в целом, поэтому на структурной схеме все блоки соединены последовательно.

БЦВС - бортовая цифровая вычислительная система, основная функция – выполнение циклограммы штатного функционирования бортового комплекса управления космического аппарата. БЦВС состоит из четырех граней, каждая из которых содержит ЦПР (центральный процессор), ПВВ (процессор ввода, вывода), ИП (источник питания), УФЦ (устройство формирования цикла). Все грани равнонадежны. Способ резервирования комбинированный: одна грань - основная, две грани в горячем резерве, одна грань в холодном резерве.

БУК-1 – блок управления и коммутации. Основная функция блока – коммутирование питания, а также управление режимами работы блоков управления БУ3…БУ7. Состоит из четырех одинаковых граней, каждая из которых содержит КБУК, ВС БУК (вычислительная система БУК), ИП БУК (источник питания БУК)

БУ-3… БУ-7 – блоки управления, каждый из которых выполняет предназначенную функцию. Структура блоков управления условно представлена типовым трехканальным устройством, входящим в БУ, количество которых учитывается при расчете безотказности каждого блока. Метод повышения надежности мажоритарное резервирование.

СДП – солнечный датчик положения, дублированная система.

АД – астродатчик.

Применение в одном бортовом комплексе управления и СДП и АД является примером функционального резервирования, при отказе СДП система перейдет на ориентацию по АД.

Рисунок 6. Структурная схема надежности БКУ КА в условиях

эксплуатации на орбите. Структура ИП БУК и блоков БУ3–БУ7 показана условно: ИП БУК и блоки управления состоят из устройств, имеющих 3-канальное исполнение с мажоритированием

На базе этой структуры сформирована структурная схема надежности блока БЦВС, приведенная на рисунке 7.

 

Рисунок 7. Направленный граф состояний резервированных блоков БЦВС и ВС БУК-1 в режиме эксплуатации на орбите

Структура блоков управления БУ3, БУ4, БУ5, БУ6, БУ7 условно представлена типовым трехканальным устройством, входящим в БУ, количество которых учитывается при расчете безотказности каждого блока.

Методика расчета безотказности входящих в состав БКУ подсистем (составных частей) как многоканальных структур с «холодным резервом» основана на применении направленных графов состояния системы. Учет всех возможных путей выхода в отказ рассматриваемой структуры позволяет учесть порядок следования отказов и изменения характеристик надежности при переходе из одного состояния в другое (из «холодного резерва» в рабочее состояние) в процессе выхода системы в отказ.

Вероятность перехода системы из полностью исправного состояния в неработоспособное состояние по одной из веток графа описывается формулой

    

где  – число работоспособных состояний или число переходов на пути в отказ;

– коэффициент работоспособного состояния (суммарная интенсивность отказов в состоянии i;

 – коэффициент переходов из состояния «i» в состояние «».

Для n веток (путей в отказ) графа состояний структуры суммарная вероятность отказа подсистемы (составной части) рассчитывается по формуле:

Вероятность безотказной работы, соответственно, составляет:

Сомножитель  в формулах при  практически не влияет на расчетное значение  (ошибка менее 1%) и в этих случаях может быть исключен.

Примененный метод направленных графов эквивалентен функционально-табличному методу (ОСТ 100132–84).

В условиях эксплуатации на орбите вероятность безотказной работы в соответствии с графом равняется

 

где  – полнота контроля.

Формула справедлива также для вычислителя ВС БУК-1, который имеет такую же структуру.

Направленный граф состояний резервированной подсистемы из 2-х солнечных датчиков положения СДП-1 (оба в рабочем режиме) приведен на рис..

Для резервированной подсистемы из 2-х солнечных датчиков положения СДП-1 (оба в рабочем режиме) в условиях работы на орбите по штатной циклограмме вероятность безотказной работы рассчитывается по формуле

 

Направленный граф состояний приведен на рис.

Рисунок 8. Направленный граф состояний резервированных датчиков СДП-1 в режиме работы на орбите

Вероятность безотказной работы в режиме ожидания:

Вероятность безотказной работы подсистемы из 2-х датчиков в условиях эксплуатации на орбите определяется по формуле

Направленный граф состояний в режиме работы трех астродатчиков АД-1 (два рабочих, третий – в «холодном резерве») приведен на рис 8, в соответствии с которым вероятность безотказной работы трех астродатчиков АД-1 в режиме работы рассчитывается по формуле (3–11)

Рисунок 9. Направленный граф состояний трех астродатчиков АД-1

в режиме работы на орбите

 

Вероятность безотказной работы трех астродатчиков АД-1 в режиме ожидания:

Вероятность безотказной работы трех астродатчиков в условиях эксплуатации на орбите определяется по формуле

     

Блоки БУ3, БУ4, БУ5, БУ6, БУ7 и исполнительные платы блока БУК-1 (ИП БУК-1) являются с точки зрения надежности последовательным соединением трехканальных устройств с мажоритированием по схеме «2 из 3-х». Такую же структуру имеет преобразователь последовательного кода (ППК) в подсистеме ВС БУК-1. Расчет безотказности устройства описанного типа производится по формулам:

- вероятность безотказной работы устройства в рабочем режиме (формирование управляющего сигнала):

- вероятность безотказной работы устройства в облегченном режиме (ожидание команды на формирование управляющего сигнала):

- вероятность безотказной работы устройства в условиях эксплуатации (рабочем и облегченном режимах):

     

Вероятность безотказной работы БКУ.

В соответствии со структурной схемой надежности БКУ в условиях эксплуатации вероятность безотказной работы БКУ равняется

 

Средняя наработка на отказ в условиях наземной эксплуатации.

Средняя наработка на отказ БКУ в условиях наземной эксплуатации равняется

где  – суммарная интенсивность отказов j-й составной части БКУ

в условиях наземной эксплуатации (см. таблицу 7 исходных данных).

Если показатель «вероятность безотказной работы» является тактическим показателем, характеризующим работоспособное состояние системы в орбитальном полете при выполнении штатной программы, то показатель «средняя наработка на отказ в условиях наземной эксплуатации» является техническим показателем, характеризующим исправное состояние системы при наземной эксплуатации. Этот показатель наиболее удобен при контроле надежности на этапе изготовления и испытания опытных образцов.

Исходные данные и результаты расчета показателей безотказности составных частей БКУ приведены ниже в таблице 7.

По формулам (3–5)÷(3–16) рассчитываются вероятности безотказной работы (ВБР) всех составных частей БКУ и записываются в графу 9 таблицы 7.

В графу 1 вносится весь перечень составных частей, включая комплекты кабелей.

В качестве обозначения в графе 2 указывается децимальный номер составной части (СИЯМ и далее восьмизначное число, обозначающее место в иерархии видов аппаратуры).

Полнота контроля (графа 3) определяется исходя из принятого метода контроля, структуры (резервирования) и критерия отказа составной части. Например, устройства блоков 3-канальные (3-гранные). Метод контроля – мажоритирование, критерий отказа: отказ устройства – отказы 2-х каналов из 3-х. Количество граней/каналов видно в схеме для расчета надежности (рис. 6).

Для аппаратуры, работающей под током в течение всего полета время работы (графа 8) равно времени , заданного в ТЗ на БКУ. Время работы аппаратуры, включаемой циклами, определяется суммарной наработкой в режимах коррекции по солнечным датчикам или в режиме астрокоррекции. Короткое время (не более 24 часов) работают под током устройства управления пиропатронами (выпуск солнечных батарей на начальном участке полета КА, включение системы электроснабжения, СЭС). До этого электропитание шло от бортовых генераторов.

Источниками информации являются заимствованные блоки из других систем, рассчитанные на другое время, или аппаратура смежных предприятий (КУДМ, ГИВУС) с возможными пересчетами на нужное время.

Наиболее трудоемкой является работа по расчету интенсивности отказов для граф 5, 6, 7.

Таблица 7

Полное и сокращенное наименование составных частей БКУ (подсистем и блоков)	Полнота контроля отказов (η)	Кол-во граней (каналов), приборов	Интенсивность отказов при орбитальном полете на одну грань, канал, прибор* 10^61/ч		Интенсивность отказов при наземной эксплуатации и *10^61/ч (суммарная)	Время работы под током	Вероятность безотказной работы	Источник информации
			Рабочий режим	Режим ожидания
1	3	4	5	6	7	8	9	10
1. БЦВС – бортовая цифровая вычислительная система		3 – раб., 1 – в «хол. резерве»				Для БЦВС – 87600 ч.
2. Три астродатчика АД-1		2 – раб., 1 – в «хол. резерве»
3. Два солнечных датчика положения СДП-1		1 – раб., 1 – в «хол. резерве»
4. КУДМ – комплекс управляющих двигателей-маховиков		4 УДМ				87600 ч.
5. КИНД34-020 (ГИВУС) – гироскопический измеритель вектора угловой скорости	Отказ ГИВУС – контр. Отказы 2-х изм. каналов из 4-х	3 приборные оси формируются 4-мя измер. каналами				87600 ч.
6. БУК-1 – блок управления и контроля						87600 ч.
6.1. ВС БУК-1 вычислитель + преобразователь последовательного кода (ППК)						87600 ч.
6.2. ИП БУК-1		4 грани – вычислители 3 грани –исполнит. платы				87600 ч.
7. Блоки силовой автоматики БУ3-БУ7		3 грани (кан.)
8. БУ-4 – блок управления		3 грани (кан.)				24 ч
12. Комплект кабелей	1	1				87600 ч.

Примечание. Внутриблочные соединения учтены за счет увеличения интенсивностей отказов граней, каналов, приборов составных частей БКУ на 5%.

§7 Перечень исходных данных для расчета интенсивностей отказов отечественных и зарубежных ЭРИ

Перечень исходных данных представляет собой анализ (схемный анализ) ЭРИ, комплектующих элементы систем, и содержащий сведения, необходимые для расчета интенсивности отказов ЭРИ и самих элементов систем с использованием автоматизированной системы расчета надежности (АСРН) ФГУП 22 ЦНИИ МО и справочника «Надежность электрорадиоизделий» разработки 22 ЦНИИ МО при участии РНИИ «Электростандарт» и АО «Стандартэлектро».

Сведения (исходные данные), необходимые для расчета интенсивностей отказов элементов систем, подробно изложены ниже в «Перечне исходных данных для расчета интенсивностей отказов ЭРИ отечественного и зарубежного производства в соответствии со справочником «Надежность электрорадиоизделий» ЦНИИ 22 2004 года».

Примечание: в дальнейшем по тексту будут применяться сокращенные наименования: «Перечень исходных данных для расчета интенсивностей отказа ЭРИ» или «Перечень исходных данных».

Структурные схемы устройств, блоков, подсистем содержат элементы этих структур, для которых формируются исходные данные для расчета их интенсивностей отказов.

Указанные структурные схемы и интенсивности отказов элементов этих структур являются исходными данными для последующих расчетов показателей безотказности устройств, блоков, подсистем и систем в целом.

Пример структурной схемы для расчета надежности приведен на рис. 6 настоящего раздела. Важной характеристикой схемы для расчета надежности является наличие (или отсутствие) контроля. Такая схема позволяет в дальнейшем устанавливать критерий отказа составных частей системы.

Основными источниками информации по формированию исходных данных для расчета интенсивностей отказов ЭРИ являются ТУ на ЭРИ, карты режимов в составе комплекта карт по оценке правильности применения ЭРИ в радиоэлектронной аппаратуре и автоматизированная система расчета надежности (АСРН) 22 ЦНИИ МО РФ 2004.

Исходные данные для импортных ЭРИ формируются следующим образом: по типу ЭРИ зарубежного производства, который указан в перечне исходных данных для микросхем, конденсаторов и резисторов, а для остальных ЭРИ в графе «Наименование» перечня исходных данных присваивается соответствующий номер группы, указанный в графе «Позиционное обозначение». Зная номер группы конкретного импортного ЭРИ, формируются необходимые исходные данные для этого ЭРИ, перечень которых указан в графе «Примечание» перечня исходных данных. Таким образом, создается «образ» ЭРИ зарубежного производства, не вводя наименование этого импортного ЭРИ в программу расчета интенсивности отказа, т.к. в ней нет перечня ЭРИ зарубежного производства. При невозможности дать точный параметр исходных данных этот параметр берется с максимально приближенным значением.

Носителями исходных данных для расчета интенсивностей отказов ЭРИ являются карты рабочих режимов. Исходные данные для расчета интенсивности отказов ЭРИ записываются в графе «Примечание» карт рабочих режимов.

 

§8 Расчет надежности аппаратуры системы управления разгонного блока «Бриз-М» разработанного ФГУП МОКБ «Марс»

Бортовая система управления разгонного блока «Бриз-М» (в дальнейшем БСУ) является многофункциональной резервированной системой. В блоках БСУ преобладает трехканальная структура. Блок коммутации питания БКП имеет 2-канальную структуру.

Расчет интенсивностей отказов комплектующих ЭРИ и структурных элементов (каналов) блоков проводится по методикам РНИИ «Электронстандарт» и 22 ЦНИИ МО с использованием автоматизированной системы расчета надежности (АСРН) разработки РНИИ «Электронстандарт» и 22 ЦНИИ МО.

Перечень исходных данных для расчета интенсивностей отказов отечественных и зарубежных ЭРИ.

Методика расчета безотказности блоков БСУ как сложных резервированных структур основана на применении формул полных вероятностей отказных состояний или состояний безотказной работы.

3-канальные блоки контролируются по мажоритарному принципу. После 2-х одноименных отказов в каналах блока блок теряет работоспособность.

Вероятность отказа блока рассчитывается по формуле

Вероятность отказа грани (канала) блока:

Приближенная форума при  имеет ошибку не более 1%.

Вероятность безотказной работы (ВБР) блока рассчитывается по формуле

Для 2-канальной структуры вероятность отказа узла блока рассчитывается по формуле

 

Вероятность безотказной работы БСУ РБ «Бриз-М» является произведением вероятностей безотказности работы блоков, комплектующих БСУ:

где  – количество блоков,  – ВБР i -го блока.

Бортовой вычислительный комплекс (БЦВК) и комплекс командных приборов (ККП) как самоконтролируемые узлы связаны между собой «гамачным» кворум-элементом и через релейный кворум передают команды на бортовые исполнительные элементы (ИЭ) разгонного блока «Бриз-М» (см. рисунок 10).

«Гамачный» кворум обеспечивает безотказную работу связки БЦВК–ККП: при отказах 2-х каналов БЦВК или ККП оставшийся работоспособный канал БЦВК передает информацию в 3 канала ККП и оставшийся работоспособный канал ККП передает информацию в 3 канала БЦВК, что существенно повышает надежность (безотказность) БЦВК и ККП.

Рисунок 10. «Гамачный» кворум-элемент

§9 Методика подтверждения требований по долговечности и сохраняемости радиоэлектронного оборудования аппаратуры системы управления беспилотных летательных аппаратов

Наименования и обозначения рассматриваемых в методике показателей долговечности и сохраняемости по ГОСТ В 20.39.401, ГОСТ В 20.39.403,               ГОСТ РВ 20.39.413, ГОСТ 27.002, ГОСТ 27.003, ГОСТ РВ 15.702, ГОСТ РВ 20.39.303, ОСТ4.012.013-84.

При анализе долговечности СУ БПЛА необходимо учитывать вероятность ненаступления деградационных отказов радиоэлектронного оборудования, вызывающих наступление предельного состояния системы до окончания срока активного существования КА.

Возможность реализации назначенного ресурса рассчитывают исходя из минимальных или гарантийных наработок ЭРИ. Ресурс будет определяться наименьшим значением минимальной/гарантийной наработки.

Технические условия и другие стандарты устанавливают требования и справочные данные на изделия электронной техники (ЭРИ, КИМП) в виде следующих показателей надежности:

- минимальная наработка/минимальное число срабатываний;

- гамма-процентный ресурс/гамма-процентное число срабатываний;

- минимальный срок сохраняемости;

- минимальный срок службы;

- интенсивность отказов.

Толерантным значением (в процентах) для вероятности ненаступления деградационных отказов согласно ОСТ4.012.013-84 является значение ɣ =99.9%, при котором определяются значения минимальной наработки ЭРИ.

Для подтверждения ресурса радиоэлектронного оборудования необходимо провести анализ достаточности минимальных (гарантированных) наработок или гамма-процентных ресурсов ЭРИ (при ɣ =99.9%), комплектующих оборудование: минимальная наработка или гамма-процентный ресурс ЭРИ с наименьшим значением должен быть не меньше общего (назначенного) ресурса рассматриваемого оборудования, заданного в ТЗ.

Значение минимальной наработки Т_н.м, ч и/или гамма-процентного ресурса Т_рɣ, ч, для ЭРИ отечественного производства приведены в соответствующих ТУ и получены по результатам испытаний на ресурс. При этом для ЭРИ с относительно большим ресурсом значение ɣ =95%, а для ЭРИ с ограниченным ресурсом ɣ =90%.

Значение гамма-процентного ресурса устанавливают не менее 2 Т_н.м по ГОСТ В 20.39.403.

Если гамма-процентный ресурс ЭРИ по ТУ приведен для значений ɣ, отличных от того, для которого ведется расчет системы управления, то гамма-процентный ресурс ЭРИ для требуемых значений пересчитывается в часах по формуле

,

где θ₁,θ₂ – квантили нормального распределения при вероятностях ɣ₁, ɣ₂ соответственно.

Некоторые значения θ для соответствующих ɣ

ɣ,%	Квантиль θ
99,9	3,09
95	1,645
90	1,282

 

Для ЭРИ импортного производителя, для которых в соответствующей документации не приведены значения минимальной наработки и /или гамма-процентного ресурса необходимо получить оценку гамма-процентного ресурса при ɣ =99.9%.

Приравнивая вероятность безотказной работы ЭРИ к вероятности ненаступления деградационных отказов для данного ЭРИ можно получить нижнюю границу оценки для гамма-процентного ресурса ЭРИ как квантиль экспоненциального распределения:

,

где Р(Т_рɣ)- экспоненциальная функция для вероятности безотказной работы ЭРИ;

λ_Э – эксплуатационная интенсивность отказов для ЭРИ, определяемая по справочникам или предоставляемой фирмой поставщиком.

Выражение для гамма-процентного ресурса:

, при ɣ =99.9%       .

Формула может быть применена также для оценки минимальной наработки Т_н.м ЭРИ отечественного производства.

Для всех ЭРИ, имеющих значения гамма-процентного ресурса меньше требуемого назначенного ресурса электронного оборудования, заданного в ТЗ, необходимо вычислить уточненный гамма-процентный ресурс по ОСТ4.012.013-84:

,

Т_рɣ - гамма-процентный ресурс по ТУ;

К_И – коэффициент использования;

К_Н – коэффициент нагрузки в аппаратуре (по критическому параметру).

 

Обоснование выполнения требования к аппаратуре по назначенному сроку службы

Требование по назначенному сроку службы может быть подтверждено соблюдением условий применения комплектующих ЭРИ в аппаратуре, т.е. условия применения ЭРИ по сроку службы (минимальный срок службы  по ГОСТ В 20.39.403–81 или срок службы  по ГОСТ РВ 20.39.413–97) должны соответствовать назначенному сроку службы аппаратуры в комплекте карт правильности применения ЭРИ.

 

Срок службы – календарная продолжительность эксплуатации от начала ее эксплуатации объекта или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.

Расчет гамма-процентного срока службы производится после расчета гамма-процентного ресурса при том же значение ɣ.

Расчет гамма-процентного срока службы проводится по формуле

 лет,

К_И – коэффициент использования;

В случае если значения ресурса и срока службы, найденные по изложенной методике превышают или равны назначенному ресурсу и сроку службы соответственно, то делается вывод о соответствии требуемым значениям.

 

Обоснование выполнения требования к аппаратуре по сохраняемости

Соответствие требований к аппаратуре по сохраняемости условиям применения ЭРИ по этому показателю (минимальному сроку сохраняемости  и по ГОСТ В 20.39.403–81, или гамма-процентному сроку сохраняемости  по ГОСТ РВ 20.39.413–97) устанавливается прямым сравнением этих показателей в ТЗ на аппаратуру и в ТУ на ЭРИ, записанных в соответствующих графах карты контроля правильности применения ЭРИ.

 

Срок сохраняемости – календарная продолжительность хранения и (или) транспортирования объекта, в течение которой сохраняются в заданных пределах значения параметров, характеризующих способность объекта выполнять заданные функции.

 

Если в техническом задании на аппаратуру записаны показатели «вероятность безотказного хранения P()» или «вероятность непоявления отказа в межрегламентный период P()», то эти требования подтверждаются расчетным способом по методикам расчета безотказности аппаратуры.