НАДЕЖНОСТЬ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

§ 3.1. ОБЩАЯ МЕТОДИКА И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА

Расчеты надежности отдельных систем ЛА выполняют общими методами (см. гл. I) с учетом специфических особенно­стей каждой конкретной системы, проявляющихся в ее назначении, структуре, составе, характере работы и взаимодействии элементов, физических процессов функционирования. Исходя из назначения системы, следует прежде всего уяснить ее роль в. выполнении ЛА своих задач, сформулировать понятие отказа системы и выделить те выходные определяющие параметры, которые должны быть при­няты в качестве параметров состояния системы.

Разбиение системы на элементы и составление ее ССН выпол­няют по общим правилам (см. § 1.3) в соответствии с принципиаль­ной схемой системы, причем по возможности его доводят до уров­ня комплектующих элементов. Одновременно с этим выявляют степень структурной избыточности, т. е. наличие элементов, являю­щихся резервными, и способ их включения. В ЛА резервирование обычно применяют в системах управления (см. § 3.2); возможности резервирования в других системах невелики из-за ограничения ве­са. Иногда удобно заменять часть системы, содержащую резервные элементы, одним укрупненным элементом, включая последний в об­щую неразветвленную цепочку последовательного соединения эле­ментов системы. Следует обратить внимание на то, что параллель­ное соединение элементов в принципиальной схеме ещё не означает резервирования; необходимо выяснить, какое значение оно имеет в работе системы.

Для каждого элемента, исходя из его назначения в системе, не­обходимо четко сформулировать понятие отказа.

Иногда отказами одного и того же элемента в различных усло­виях являются разные, а порой и противоположные события, напри­мер невключение по команде и самопроизвольное выключение. В таком случае удобно вводить в состав ССН соответствующие «фиктивные» элементы по числу подобных ситуаций взамен одного рассматриЁаемого конструктивного элемента.

После составления ССН выясняют характер работы элементов (одноразовое срабатывание, непрерывное или циклическое функци­ей

онирование), устанавливают по циклограммам наработку (время или число срабатываний) и определяют по справочным данным ли­бо по результатам испытаний количественные характеристики на­дежности элементов. При использовании справочных характеристик надежности следует обратить внимание на конструктивное подобие элементов, по которым эти данные имеются, и элементов, исполь­зованных в проектируемой системе. Для ориентировочной оценки надежности на стадии проектирования используют значения ин — * тенсивностей отказов некоторых типовых комплектующих элемен­тов.

Элементы могут находиться в рабочем режиме или режиме хра­нения. Это обстоятельство, а также внешние факторы (температу­ру, влажность, уровень нагрузки и т. п.) учитывают в исходных данных выбором соответствующих значений характеристик надеж­ности и введением поправочных коэффициенте^.

Обычно для расчета структурной надежности исходят из незави­симости отказов элементов и экспоненциального распределения времени их безотказной работы. При этих допущениях структурная надежность нерезервированной невосстанавливаемой системы, со­держащей элементы всех типов,

-І N^xA, (3.1)

1 = 1 <7=1 J

где Ni, Nj, Ач, Ni, Nq — число однотипных (одинаковых по конст­рукции) Элементов; m, п, k, s — число типов элементов; Я0днї — ве­роятность безотказного срабатывания элементов t-ro типа одноразо­вого действия; PUj — вероятность безотказной работы элементов /-го типа с параметрическими отказами; К, и fa —- интенсивности отказов элементов v-ro типа непрерывного функционирования и 1-го типа циклического функционирования; тч — наработка элемен. тов v-ro типа непрерывного действия в единицах времени; гг — чис­ло циклов срабатывания элементов 1-го типа циклического функци­онирования; f — число всех типов элементов без учета различий характера их работы; — интенсивности отказов элементов q-го типа в режиме хранения; хд — продолжительность нахождения эле­ментов q-ro типа в режиме хранения.

Для анализа надежности системы только в период хранения в выражении (3.1) оставляют лишь последний член; при этом эле­менты конструкции (силовые, несущие элементы) из рассмотрения исключают. Для облегчения прикидочных расчетов заметим, что при достаточно малой интенсивности отказов Я можно принимать е~’~~ 1 — л.

Если в составе системы имеются элементы, отказы которых от­носят к категории частичных, то структурную надежность рассчи­
тывают по зависимости (1.30) с заменой ее первого члена зависи­мостью (3.1). Функции влияния отказов таких элементов фа(/) оп­ределяют с помощью модели функционирования системы, в которой поочередно имитируют их отказы. При наличии элементов, отказы которых существенно зависимы, в выражение структурной надеж­ности вносят соответствующие коррективы на основе формулы пол­ной вероятности.

Модель функционирования системы составляют на базе детер­минированной модели, отображающей физический процесс функци­онирования так, чтобы выходными параметрами были те, которые приняты в качестве параметров состояния системы. Проводят ана­лиз всех остальных параметров с целью установления, в какой ме­ре проявляется их стохастическая природа. Выделяют те из них, которые необходимо рассматривать как случайные возмущения; остальные параметры принимают неслучайными. Решают вопрос о постановке задачи: возмущения рассматривают как нестационар­ные или стационарные случайные функции (или только случайные процессы) либо квазистатически как случайные величины. Выяв­ляют наличие корреляционных связей возмущений и, если возмож­но, модель перестраивают так, чтобы учитываемые возмущения оказались некоррелированными.

В зависимости от сложности модели, постановки задачи, возмож­ностей располагать теми или иными исходными данными и требуе­мой точности расчета надежности избирают тот или иной метод расчета из числа рассмотренных в § 1.5.

В соответствии с постановкой задачи и методом расчета определяют исходные данные — вероятностные характеристики воз­мущений: математические ожидания, автокорреляционные функции и корреляционные функции связи возмущений — случайных функ­ций, законы распределения, а при известных законах — математиче­ские ожидания, дисперсии, коэффициенты корреляции (а иногда, кроме того, эксцесс, асимметрию, параметры усечения) распреде­лений возмущений — случайных величин.

Если параметр состояния —случайная функция, то по результа­там моделирования определяют ее математическое ожидание и кор­реляционную функцию и по этим данным методом теории выбросов находят параметрическую надежность. Возможен и другой подход: непосредственный подсчет числа реализаций, вышедших за установ­ленные пределы, и расчет по выражению (1.1).

В квазистатической постановке в зависимости от выбранного метода по результатам моделирования строят и аппроксимируют каким-либо из известных распределений (см. приложение, табл. 1) гистограмму параметра состояния и находят числовые характери­стики его распределения (при статистическом моделировании в достаточном объеме), либо ограничиваются только нахождением числовых характеристик распределения (при известном законе рас­пределения, ограниченном числе проб или использовании прибли­женных методов). По этим данным с использованием зависимости типа (1.37) вычисляют параметрическую надежность.

Вероятностные характеристики параметра состояния находят по соответствующим вероятностным характеристикам возмущающих параметров и модели функционирования методом статистического моделирования или каким-либо приближенным методом, в частно­сти методом линеаризации. Последний применим, если справедлив принцип суперпозиции, т. е. можно изолированно рассматривать влияние возмущений и получать общий эффект сложением отдель­ных результатов. _

Найденное значение Рп параметрической надежности системы можно включить в число составляющих Рщ выражения (3.1). Тогда вероятность Рс, рассчитанная по этому выражению, будет оконча­тельно характеристикой надежности системы.

При проектировании системы наряду со структурной избыточно­стью может быть заложена параметрическая избыточность, т. е. не­которые параметры состояния могут быть настолько удалены от допустимых пределов, что вероятность их выхода за эти пределы становится как угодно малой. Примером параметрической избыточ­ности является введение средних коэффициентов запаса — в элемен­тах конструкции (см. гл. II). Структурная и параметрическая избы­точность, замена «слабых» комплектующих элементов более надеж­ными, облегчение режимов работы, упрощение конструкции системы и сокращение числа ее элементов являются основными мерами, при­нимаемыми на этапе проектирования для повышения надежности системы.

Расчет надежности системы целесообразно завершать оценкой точности, т. е. нахождением нижнего доверительного предела оцен­ки вероятности безотказной работы системы при выбранной дове­рительной вероятности методами, указанными в § 5.6. Исходными данными для такого расчета являются объемы выборок, по которым определены характеристики надежности комплектующих элемен­тов и вероятностные характеристики возмущений, а основным мето­дом — статистическое моделирование.