НАДЕЖНОСТЬ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ЕЕ РАСЧЕТА НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

§ 1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Качество летательного аппарата (ЛА) характеризуется в основном его эффективностью и экономичностью. Под эффектив­ностью понимают степень соответствия ЛА его целевому назначе­нию. Экономичность оценивается затратами, ценой которых дости­гается выполнение ЛА его задач.

По непредвиденным причинам отдельные образцы ЛА могут утратить работоспособность и не выполнить своего функционально­го назначения. Однако случайное в единичном приобретает харак­тер закономерного в общем. Для совокупности всех ЛА данной конструкции, изготовленных в одних и тех же условиях производ­ства, можно гарантировать в среднем успешное выполнение задач с некоторой уверенностью. Надежность как характеристика каче­ства ЛА и является объективной мерой уверенности. в сохранении его работоспособности, свойстве, присущем в среднем всей сово­купности ЛА, одинаковых по конструкции.

В узком смысле слова под надежностью понимают безотказ­ность, т. е. свойство изделия [1] (системы, механизма» агрегата, при­бора, узла, детали) сохранять работоспособное состояние в преде­лах заданной наработки в определенных условиях эксплуатации без вынужденных перерывов. Понятие «надежность» [2] включает в себя помимо безотказности такие свойства, как долговечность и ремонтопригодность.

Наработкой называют продолжительность или объем работы изделия. В зависимости от характера функционирования наработ­ка измеряется в часах, циклах срабатывания или других единицах.

Долговечностью называют свойство изделия сохранять работо­способность до предельного состояния в определенных условиях

эксплуатации с возможными перерывами для технического обслу­живания и ремонтов.

Ремонтопригодностью называют приспособленность изделия к предупреждению, обнаружению и устранению неисправностей. В результате устранения неисправностей во время технического обслуживания и ремонтов работоспособность изделия восстанав­ливается.

Любое изделие может находиться либо в безотказном (работо­способном), либо отказовом (неработоспособном) состоянии. Пе­реход из первого состояния во второе, т. е. полная или частичная утрата работоспособности, называется отказом.

Причинами отказов являются дефекты, имеющиеся в изделии с момента его изготовления или появляющиеся в процессе эксплуа­тации под воздействием окружающей среды. Дефекты — это по­вреждения (неоднородности материала, поломки, трещины, износ, обрыв проводов) или разрегулирование, т. е. отклонение парамет­ров функционирования изделия от номинальных значений. Нали­чие дефектов обусловлено просчетами, допущенными при проекти­ровании, погрешностями технологии изготовления и отклонениями от установленных норм эксплуатации изделия. Дефекты как слу­чайные отклонения по тому или иному признаку данного изделия от идеального вообще неизбежны.

Дефекты проявляются как неисправности. Неисправностью на­зывают отклонение от норм, установленных техническими условия­ми (ТУ). Понятия «дефект» и «неисправность» не тождественны. Изделие может удовлетворять всем требованиям ТУ и в то же вре­мя содержать скрытые дефекты, которые лишь с течением времени в определенных условиях могут привести к появлению неисправно­стей, а могут и совсем не проявиться. Естественно, что отказ, как утрата работоспособности является неисправностью. Однако из этого еще не следует, что любая неисправность означает отказ. Невыполнение какого-либо из второстепенных требований ТУ, на­пример растрескивание лакокрасочного покрытия, вмятины на тру­бопроводах, нарушение контровки болтов, чаще всего не сказы­вается на работоспособности изделия, хотя должно расцениваться как неисправность.

С точки зрения надежности, дефекты и неисправности как их проявления следует подразделять на существенные, влияющие на работоспособность изделия, и несущественные, не оказывающие такого влияния. Отказы — это существенные неисправности.

Заметим, что указанное деление условно. Дефекты, несущест­венные в одних условиях, могут стать существенными в других. Так, нарушение контровки болтов, не представляющее опасности при статических нагрузках, может привести к самоотвинчиванию бол­тов под действием вибраций, а это в свою очередь может быть при­чиной отказа. Кроме того, несущественные дефекты могут развить­ся под неблагоприятным воздействием окружающей среды и со временем превратиться в существенные (усталостные трещины, коррозия, износ трущихся поверхностей).

Определение безотказности приобретает конкретный смысл лишь с раскрытием содержания понятия «работоспособность». Ис­ходя из функционального назначения изделия, необходимо сформу­лировать признаки его работоспособного состояния и отказов. При формулировании понятия отказа необходимо полнее рассмотреть вероятные неисправности и их влияние на работоспособность из­делия.

Наличие тех или иных дефектов в конкретном единичном изде­лии невозможно предвидеть в силу множества разнообразных при­чин случайного характера. Поэтому отказ изделия — случайное со­бытие. Заранее не известно, будет ли оно иметь место, тем более нельзя предсказать точно момент времени его появления. Но, ха­рактеризуя в среднем совокупность однородных изделий, можно оценить вероятность наступления отказа. Таким образом, вследст­вие случайности отказов количественные характеристики надежно­сти изделий являются вероятностными. *’

Если бы физическую картину состояния изделия при изготов­лении, хранении и в процессе функционирования можно было представить во всем ее многообразии, то вероятностный анализ из­менений параметров этого состояния давал бы возможность прогно­зировать зарождение и развитие неисправностей от малейших де­фектов до отказа. Однако механизм возникновения таких неисправ­ностей, как пробой конденсаторов, несрабатывание реле, заклини­вание подвижных деталей, появление негерметичности и т. п., на­столько сложен, что описать его математически с удовлетворитель­ной точностью не представляется возможным. Подобные отказы называют внезапными, так как они обнаруживаются при испыта­ниях или эксплуатации неожиданно.

Иногда удается более или менее полно описать процесс функ­ционирования изделия, отобразить изменения его состояния. Для этого необходимо рассмотреть поведение важнейших физических параметров — параметров состояния изделия, определяющих каче­ство его функционирования (иногда их называют критическими па­раметрами). Уход параметров состояния за допустимые пределы означает нарушение работоспособности изделия. Отказы такого ти­па называют параметрическими. Наряду со случайными флуктуа­циями параметров может иметь место и монотонное необратимое их изменение, обусловленное, например, старением, износом или коррозией,- Такие параметрические отказы называют постепен­ными.

Деление отказов на внезапные и параметрические удобно с ме­тодической точки зрения. Внезапный отказ — это скачкообразный переход из работоспособного состояния в неработоспособное. Ко­личественные характеристики надежности при внезапных отказах находят по числу отказов и времени их появления. Наступление параметрических отказов можно прогнозировать по поведению па­раметров состояния, используя их вероятностные характеристики. Определение количественных характеристик надежности по пара­метрам состояния связано с точностными расчетами и чаще всего

э

основывается на установлении зависимости параметров состояния от других физических параметров — возмущений, случайные от­клонения которых являются первопричиной неисправности, разви­вающейся затем в отказ. Деление отказов на внезапные и парамет­рические условно, оно зависит от того, насколько возможно и ра­ционально математическое описание физической картины состояния изделия.

На этапе проектирования ЛА как изделие существует только в технической документации. Оценить его надежность по результатам испытаний невозможно, поскольку они не проводились. В этих ус­ловиях расчет надежности выполняется па основе структурного анализа ЛА как сложной системы, опыта отработки в аналогичных изделиях элементов, использованных в данном ЛА, а также вероят­ностного анализа процесса функционирования ЛА по математиче­ской модели этого процесса.

Понятия «элемент» и «система» широко используются в теории надежности. Под элементом понимают изделие, рассматриваемое с точки зрения надежности как одно целое и характеризующееся определенными показателями надежности. Системой называют со­вокупность элементов, объединенных общим функциональным на­значением. В отношении системы ставится задача анализа ее на­дежности по надежности элементов и характеру их взаимодей­ствия.

Одно и то же изделие в одних случаях может рассматриваться как элемент, в других — как система. Так, составная баллистиче­ская ракета с ЖРД является элементом ракетного комплекса и в то же время системой, состоящей из таких элементов, как голов­ная часть, двигатели, корпус, системы питания и управления, раз­деления ступеней и отделения головной части. Названные элемен­ты можно в свою очередь рассматривать как системы, расчленяя, например, корпус на отсеки, систему управления — на отдельные подсистемы (автомат стабилизации и др.), систему питания каж­дой ступени — на системы окислителя и горючего, наддува баков и систему одновременного опорожнения баков и т. п. Таким образом, в рассмотрение вводится несколько уровней деления ЛА как систе­мы на элементы.

Степень детализации при делении системы на элементы может быть различной, но в конечном итоге деление должно быть закон­чено на таком уровне, на котором характеристики надежности элементов либо известны по опыту их отработки в аналогичных изделиях, либо найдены по результатам лабораторных или стендо­вых испытаний элементов в достаточно большом объеме, либо мо­гут быть рассчитаны по вероятностным характеристикам парамет­ров состояния. Элементы нижнего иерархического уровня часто называют комплектующими. Характеристики надежности таких ти­повых комплектующих элементов, как радиолампы, конденсаторы, сопротивления, реле, разрывные болты, клапаны, узлы соединения трубопроводов и т. п., известные по опыту отработки, представляют

Ю

собой справочные данные [12, 69, 70, 75, 76]. Некоторые из них приведены ниже.

Чем подробнее деление системы на элементы, тем сильнее про­является типичное, сказывается унификация элементов. Элементы в системе взаимодействуют. Отказы их могут представлять собой зависимые случайные события. Чем подробнее деление системы на элементы, тем заметнее оказывается их взаимосвязь, а это суще­ственно усложняет расчет надежности. В большинстве случаев це­лесообразно ограничиваться таким уровнем деления, на котором оставалось бы справедливым допущение независимости отказов элементов. Отказы называют независимыми, если один из них не влечет за собой другие.

Для целого ряда механических и электрических устройств ха­рактерно несколько видов отказов. Например, отказами электро — пневмоклапана могут быть негерметичпость в закрытом положении и неоткрытие при подаче напряжения, обечайка несущего топлив­ного бака ракеты может разрушиться вследствие потери прочности либо потери устойчивости и т. п. Чаще всего различные отказы одного и того же элемента представляют собой взаимно исключаю­щие друг друга события и являются независимыми. Тем не менее в общем случае следует рассматривать зависимость и независи­мость отказов не только применительно к нескольким элементам системы, но и к каждому элементу, имеющему несколько возмож­ных видов отказов. Для этого можно формально ввести в рассмот­рение структуры системы вместо одного элемента С S возможными видами отказов s фиктивных элементов.

В зависимости от важности фукций, выполняемых элементами в системе, отказы различных элементов по-разному влияют на ра­ботоспособность системы. Одни отказы, называемые полными, не­избежно влекут за собой отказ системы, другие, называемые час­тичными, приводят лишь к некоторому снижению ее эффективно­сти, а в предельном случае вообще не влияют па качество функцио­нирования системы. Степень влияния отказов элементов на работо­способность системы необходимо учитывать при расчете ее надеж­ности.

Для расчетов надежности систем используют следующие моде­ли: структурные (структурные схемы надежности), функциониро­вания, структурно-функциональные схемы надежности. Структур­ная схема надежности отображает деление системы на элементы и влияние отказов элементов на надежность системы без учета в явном виде физических процессов функционирования системы. Мо­дель функционирования — это математическое описание физиче­ских процессов функционирования системы в условиях случайных возмущений. Структурно-функциональная схема надежности — комбинация структурной схемы надежности и модели функциони­рования. В ней воспроизводится изменение состояния системы как вследствие отказов элементов, так и в результате функциониро­вания.

При расчетах надежности различают восстанавливаемые и не-

/

восстанавливаемые системы (элементы) в зависимости от того, про­изводится ли в процессе эксплуатации устранение причин отказов (ремонт) и замена отказавших элементов с целью восстановления работоспособности системы или система работает только до перво­го отказа. ЛА в большинстве случаев, по крайней мере в полете, следует считать невосстанавливаемой системой.

С точки зрения обеспечения требуемой надежности создание ЛА представляет собой процесс последовательного выявления и устра­нения дефектов как реализовавшихся и потенциальных источников отказов. Надежность закладывается при проектировании, реали­зуется в производстве, доводится до требуемого значения и под­тверждается в ходе опытной отработки, поддерживается на требуе­мом уровне в период эксплуатации.