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.