ИЗМЕНЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ В ПРОЦЕССЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА

§ 4.1. ПРИНЦИПЫ И ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Важнейшим показателем качества системы эксплуатации является обобщенный показатель надежности ЛК [см. (3.16)]

R = Р(тс) /CT. nP(r,.c)P(Tj Р (тш)Р(т3). (4.1)

Выражение (4.1) включает в себя коэффициент технического исполь­зования Лт. и и вероятности безотказной работы ЛК на различных временных интервалах (см. рис. 3.1), поэтому обобщенный показатель

R =* /Ст. иР, (4.2)

где Р = Р(тс) Р (тл. с) Р (тп) Р(тпл) Р (т3).]

Введем упрощающие запись обозначения: Р(тс) = Р4; Р(тл. с) = = Ръ Р(Тц) = Рз; Р(тпл) = Р^ Р(т3) = РВ, Т. е.

Р = П Рр (4.3)

/=і

где Pj — вероятность (условная вероятность) безотказной работы комплекса на /-м интервале (при условии, что на предыдущих интерва­лах отказа не было).

Входящие в показатель Р вероятности безотказной работы в различ­ных условиях пуска ЛА могут быть найдены в результате расчетов надежности ЛК как системы с использованием методов, изложенных в § 2.5.В принципе, функционирование ЛК на каждом из перечисленных выше временных интервалов можно всегда свести к схеме с последо­вательным соединением kj (/ = 1, 2, …, kj) элементов, т. е. в соответ­ствии с (2.137) получить

‘ ki

Pj-UPji, (4.4)

i=1

где Рн — вероятность безотказной работы 1-го элемента в /-х условиях (на у-м временном интервале при пуске ЛА).

Подставляя (4.4) в (4.3), получим

5 к] р= П П Рц. (4.5) 1=11=1 С учетом (3.24) для ЛК имеем Кт. и RnRr. (4.6)

Величину коэффициента готовности ЛК как системы с последова­тельным соединением k элементов при определенных допущениях, сформулированных в § 2.5, в соответствии с (2.156) можно представить в виде

KP=UKri, * (4.7)

«=1

где Кгі — коэффициент готовности /-го элемента, составляющего ЛК.

С учетом выражений (4.2), (4.5)—(4.7) обобщенный показатель надежности ЛК

R = Kn П Кг; П ГЇ Рп — (4.8)

і і / і і=і

Структурные схемы надежности ЛК нетрудно привести, напри­мер объединением некоторых элементов, к такому виду, когда все kj будут равны k, т. е. ССН будут содержать одинаковое количество элементов. При этом (4.8) упрощается:

R = Кп П П КпРц = КпП Кгі П Рц. (4.9)

/=і і і (=і /= і

Можно ввести показатель Кп1 = К(к, отражающий снижение готов­ности ЛК за счет планового обслуживания одного элемента, а произ­ведение Кпк1п рассматривать формально как коэффициент техни­ческого использования /-го элемента, т. е.

Кт. ві = К1„,кКгі. (4.10)

С учетом (4.10) зависимость (4.9) принимает вид

п К,.ні П Рц. (4.11)

/=і /=і

Введем еще одно обозначение — обобщенный показатель надеж­ности /-го условного элемента ЛК

Ri — К-і. и і П Pjt, (4.12)

/=|

определяющий вероятность того, что в произвольный момент времени эксплуатации ЛК его 1-й элемент находится в работоспособном состоя­нии и будет работать безотказно в составе ЛК на интервалах времени тс, тл. с, тд, тпл, т3 при пуске ЛА. При этом полагаем, что ЛК представ­ляет собой систему с k последовательно соединенными элементами. В соответствии с (4.12) обобщенный показатель надежности ЛК

R=URi. (4.13)

i=i

Приведенные выше преобразования понадобились для того, чтобы продемонстрировать возможность описания изменения обобщенного показателя надежности ЛК через надежности его элементов и состав­ных частей, что далее будет неоднократно использовано.

С учетом этого рассмотрим причины и характер изменения обобщен­ного показателя надежности в ходе жизненного цикла ЛК. Жизнен­ный цикл ЛК (см. § 1.3) можно разделить на этапы создания и эксп­луатации, а этап создания, в свою очередь, на периоды проектирова­ния, наземной и летной отработки комплекса. Еще раз оговоримся, что такое деление этапа создания ЛК неоднозначно, но отражает его характерную структуру.

На всех перечисленных периодах и этапах, образующих жизненный цикл, надежность ЛК претерпевает существенные изменения. Прежде чем рассмотреть причины изменения надежности ЛК, еще раз обратим­ся к определению надежности любого объекта, данному в § 2.1. Из него следует, что для оценки надежности необходимо четко устано­вить: объект, свойство которого исследуется; режимы и условия его использования; эксплуатационные показатели и допустимые пределы их изменения для каждого режима (условий) использования.

Рассмотрим, как изменяются эти факторы в процессе жизненного цикла ЛК и как вслед за ними меняется его надежность. В период проектирования (интервал Тпр на рис. 4.1) объектом, надежность которого определяют величиной обобщенного показателя Rup, являет-

Рис. 4.1. Изменение надежности ЛК в процессе соз­дания и эксплуатации

ся проект ЛК — Естественно, что надежность ЛК отражает проектируе­мые режимы и условия работы, соответствующие структурные схемы надежности ЛК Для этих режимов, & также показатели надежности комплектующих элементов этих схем, найденные по справочным дан­ным или результатам лабораторных испытаний, отражающим работу подобных комплектующих элементов в каких-то осредненных типовых условиях при производстве их по типовой технологии. При проекти­ровании обычно используют данные о постоянных интенсивностях отказов элементов, а также рассчитывают параметрическую надеж­ность объектов методами, рассмотренными в гл. 2.

В процессе проектирования часто улучшают принятые функцио­нальные и структурные схемы конструкции, выбирают элементы, имеющие большую безотказность, совершенствуют режимы работы ЛК, добиваясь в целом его более высокой надежности, пока она не станет равной требуемой Rn,. Поскольку надежность ЛК при проектирова­нии официально оценивают лишь один раз — гфи представлении эскиз­ного проекта, то на рис. 4.1 повышение надежности на интервале времени Тпр показано пунктиром.

В следующий период Уд. о наземной отработки ЛК проводят авто­номные стендовые испытания отдельных агрегатов и систем комплек­са, т. е. его составляющих и основных элементов, а затем комплекс­ные стендовые испытания объектов, включающих несколько агрега­тов и систем, т. е. основных элементов и некоторых составных частей ЛК. Наземной отработке (см. § 1.3) подвергают двигатели и двигатель­ные установки ЛК, конструкцию корпуса ЛА, бортовую систему управ­ления ЛА и систему управления ЛК в целом, основные агрегаты и системы наземного оборудования и т. д.

В этих условиях объектами, надежность которых определяется, являются составляющие и основные элементы ЛК. а иногда и его со­ставные части, изготовленные по опытной технологии, причем эти объекты работают в стендовых режимах, которые конечно же не пол­ностью моделируют реальные условия эксплуатации ЛК — Обобщенный показатель надежности ЛК в период наземной отработки может быть определен также с использованием структурных схем надежности, но включающих уже не комплектирующие, а составляющие или основные элементы ЛК.

Таким образом, при расчете надежности ЛК для периодов проекти­рования Rrw и наземной отработки 7?н. о не совпадают объекты (проект ЛК с ССН, в которых в качестве элементов заложены проектируемые комплектующие элементы и опытные образцы составляющих или основ­ных элементов ЛК, входящих в укрупненные ССН) и режимы работы (проектируемые и моделируемые при наземных стендовых испытаниях).

Из-за этих несовпадений начальное значение обобщенного пока­зателя надежности Дн. 0, которое рассчитывают с учетом результатов первых стендовых испытаний основных или составляющих элементов ЛК, оказывается часто близким к нулю и всегда значительно ниже величины Яд, (рис. 4.1). Действительно, достаточно только в одном испытываемом на стенде агрегате допустить хотя бы один конструк­торский или технологический просчет, из-за которого систематически

возникают его отказы, как надежность такого объекта будет равна нулю, и если он входит в ССН комплекса последовательно, то и надеж­ность всего комплекса будет равна нулю.

В ходе конструкторско-доводочных стендовых испытаний прово­дят доработки конструкции и технологии изготовления опытных образ­цов агрегатов и систем. При этом повышают их надежность, а следова­тельно, и надежность всего ЛК. После конструкторско-доводочных проводят серию зачетных испытаний с целью контроля достигнутого уровня надежности объектов. Если наземная отработка включает в себя не только наземные автономные испытания отдельных агрегатов и систем, но и комплексные испытания, то описанная выше картина повторяется: надежность ЛК в начале комплексных испытаний будет ниже, чем достигнутая к концу автономных, так как усложнились режимы работы, да и сам объект (комплекс автономно отработанных систем и агрегатов) содержит источники дополнительных отказов, возникающих из-за неотработанности взаимодействия отдельных си­стем в составе комплекса. Для наглядности на рис. 4.1 показана только одна кривая роста надежности ЛК в период наземной отработки, от­вечающая, допустим, наземным автономным испытаниям.

При летной отработке объектом, надежность которого оценивается экспериментально, является опытный ЛК, содержащий, как правило, большое количество нештатного оборудования, с которого проводят пуски опытных образцов Л А. При этом создают облегченные режимы работы ЛК и ЛА при пуске в условиях полигона, в особенности в начале летных испытаний (неполная дальность полета, хорошие метео­рологические условия, дополнительный контроль и отбраковка ап­паратуры перед пуском и т. п.). Однако объект и режимы летной от­работки значительно сложнее и ближе к натурным, чем при наземных испытаниях, поэтому начальная надежность ЛК R„.0 оказывается ниже, чем достигнутая RII O к концу наземной отработки.

В процессе летно-конструкторских испытаний, для которых, так же как и для стендовых конструкторско-доводочных, одной из главных задач является улучшение качества объектов за счет проведения до­работок, надежность ЛК повышается до величины Ял, отвечающей моменту окончания летной отработки.

На этапе эксплуатации определяют надежность головного и серий­ных ЛК — Производство этих ЛК, включая строительно-монтажные и пусконаладочные работы, а также автономные и комплексные испы­тания в позиционном районе, проводят по штатной (серийной) техно­логии с учетом всех требований эксплуатационной документации. После ввода в эксплуатацию и первого приведения в готовность серий­ные ЛК эксплуатируют в течение срока гарантии Тг или принятого срока эксплуатации Тэ (последний может быть и больше величины Тг). Таким образом, на этапе эксплуатации объект, надежность которого оценивают, впервые представлен натурными образцами. Режимы и условия работы ЛК обычно также штатные, однако следует отметить, что для ЛК военного назначения даже при проведении учебных или опытных пусков ЛА с комплексов, находящихся в состоянии ГОТОВ­НОСТИ, не удается полностью имитировать режимы, отвечающие услови­ям применения по назначению. Так, обычно не обеспечивается внезап­ность прихода команды на пуск ЛА и срок проведения пуска известен заранее. Перед проведением пуска комплекс подвергают тщательному контролю, не предусмотренному эксплуатационной документацией для условия применения ЛК по назначению.

За счет усложнения объектов и режимов их работы при переходе от периода летной отработки к этапу эксплуатации начальная эксплуа­тационная надежность ЛК R0 меньше, чем достигнутая R;l к оконча­нию опытных пусков ЛА на полигоне. Затем, проводя доработки кон­струкции, технологии производства и эксплуатации, постепенно увеличивают надежность ЛК.

В процессе эксплуатации надежность комплекса уменьшается из-за старения и выработки ресурса агрегатов и систем ЛК — Проводя пе­риодические проверки, устраняют обнаруженные неисправности, восстанавливая" готовность ЛК по данным постоянного контроля. Замена или полное восстановление отдельны*- приборов, агрегатов и систем приводит, естественно, к повышению надежности ЛК в целом. Кроме того, по мере обучения и накопления опыта персонал, ведущий эксплуатацию ЛК, повышает качество выполнения всех видов работ, а значит, и надежность комплекса.

Таким образом, на этапе эксплуатации действуют четыре группы факторов, приводящих к изменению надежности ЛК:

1) проведение его доработок;

2) техническое обслуживание, восстановление готовности и работо­способности по данным контроля;

3) повышение качества выполнения работ на ЛК за счет обучения персонала и накопления опыта эксплуатации;

4) старение и выработка ресурса.

Первые три группы факторов повышают надежность, четвертая — приводит к ее снижению. Однако, как показывает опыт, после дорабо­ток на большей части срока гарантии наблюдается заметный рост на­дежности ЛК. Особенно заметен этот рост в первые годы эксплуатации ЛК после проведения первых периодических и регламентных проверок, в ходе которых вскрывают большое количество конструктивных, тех­нологических и эксплуатационных просчетов. В последние годы эксп­луатации, особенно после окончания гарантийного ресурса доработки практически не проводятся, и восстановлениями готовности ЛК пол­ностью не удается парировать падение надежности, вызванное старе­нием и выработкой ресурса агрегатов и систем комплекса.

Представленный на рис. 4.1 характер изменения надежности ЛК в процессе его жизненного цикла более подробно будет проанализиро­ван ниже, что позволит полнее раскрыть особенности изменения надеж­ности, представленные пока на каждом интервале осредненными глад­кими кривыми.

Таким образом, надежность ЛК, оцениваемая в различные моменты его жизненного цикла, претерпевает существенные изменения: скачко­образные падения (Rup — RH_0, RH — Дл.0, #л — R0) из-за утяже­ления режимов работы и укрупнения (приближения к натурным) объектов, надежность которых оценивается экспериментально; по­

степенные повышения за счет проведения доработок конструкции, тех­нологии производства и эксплуатации, накопления персоналом опыта эксплуатации комплексов.

Проанализируем в целом процесс изменения надежности ЛК. Величины «провалов» функции R(() в моменты переходов от одного периода к другому отражают несоответствие объектов и режимов отработки или эксплуатации. Если бы удалось обеспечить выполнение условия Rap = то это привело бы к бесполезности этапа назем­ной отработки для повышения надежности ЛК. Другими словами, условие Rnp = Rн. о означает, что при проектировании так точно учи­тываются особенности работы в стендовых условиях образцов, изго­товленных по опытной технологии, что их наземная отработка не дает никакой новой информации о несовершенстве агрегатов и систем. Следовательно, при R„р = RH.0 можно сразу же после проектирова­ния переходить к летной отработке ЛК, при R„ = Rn-0 можно после наземной отработки перейти к созданию и эксплуатации серийных ЛК, при Rn = R0 нет необходимости в накоплении опыта эксплуата­ции на головном ЛК, а также в проведении доработок на серийных ЛК-

Изменение функции R(t) при переходах от одного периода к другому не обязательно приводит «к провалам» надежности. Можно создать такие утяжеленные режимы испытаний объектов, при которых переход на следующем периоде отработки к штатным условиям приведет к повышению проявляемой объектом надежности, например американ­ская программа «Аполлон». При ее выполнении наземные испытания ракеты-носителя «Сатурн» проводились на специальном, хорошо осна­щенном стенде высотой более 100 м с практически натурными образца­ми ракеты, работавшими в значительно более тяжелых режимах, чем штатные. Такая наземная отработка позволила практически исключить летные испытания ракеты-носителя. После нескольких контроль­ных пусков ракеты «Сатурн» космонавты были успешно высажены на Луну.

Таким образом, при некоторых условиях, о которых речь пойдет далее, целесообразно обеспечивать такие режимы отработки ЛК, при которых не возникает падения надежности с переходом к следую­щему этапу. Анализ функции R(i), изменение которой представлено на рис. 4.1, показывает, что требуемое значение обобщенного показа­теля надежности R,[p, задаваемое обычно в ТТ на вновь разрабаты­ваемый комплекс, недостаточно информативно для контроля качества ЛК.

Представляет интерес надежность серийного ЛК при его примене­нии в произвольный момент эксплуатации штатным персоналом в условиях, определенных эксплуатационной документацией. Требова­ния к такой надежности, по-видимому, и должны быть заложены в ТТ. Однако после начала эксплуатации ЛК за период Т, р его надежность существенно изменяется [от R0 до Rr и далее до R(T3) на рис. 4.1]. Поэтому целесообразнее вместо обычного требования обеспечения к концу периода гарантии выполнения условия Rr > RTP задавать допустимые значения £?0тр> Rr. тр> а также время Гг0тр, в течение ко­торого должно быть достигнуто значение Rг. тр. Следует также четче

определять в ТТ условия окончания периодов наземной и летной отра­ботки описаниЄіМ процедуры приемочного контроля, подтверждающего достижения требуемой надежности Ян. тр И Яп. тр — При этом необходи­мо определить объекты, подвергающиеся испытаниям, а также режимы их функционирования и правила подтверждения результатами испыта­ний достигнутой надежности. С учетом того, что разность между на­дежностью ЛК Ял, показанной при летной отработке, и начальной надежностью R0 в условиях эксплуатации значительна, можно рекомен­довать для контроля величины R0 проводить контрольные пуски ЛА с головного ЛК и по их результатам решать вопрос о выполнении фир­мами — разработчиками ЛК требований ТТ.

Наконец, анализ изменения надежности R(t), представленного на рис. 4.1, позволяет ставить и решать задачу об оптимизации процесса создания и эксплуатации ЛК. Известно, что повышение надежности ЛК путем доработок его конструкции, технологии производства и эк­сплуатации обходится дешевле, требует меньших затрат сил и средств, если проводится на ранних стадиях создания. Так, расходы на проведение одной доработки на стадиях проектирования, наземной отработки, летных испытаний и эксплуатации можно приблизительно характеризовать соотношением 1 : 10 : 100 : 1000, т. е. устранить один дефект на всех введенных в эксплуатацию ЛК в 1000 раз дороже, чем внести соответствующие изменения в проектную документацию на стадии проектирования. С другой стороны, чтобы вскрыть те или иные дефекты ЛК, необходимо иметь соответствующее испытательное оборудование, системы контроля и телеметрии, центры обработки опытной информации, а также провести достаточное количество раз­рушающих испытаний опытных образцов, т. е. в конечном счете за­тратить определенное количество сил и средств.

Следовательно, варьируя затраты на каждом периоде, можно управ­лять процессом изменения надежности R(t) как на стадии создания комплекса, так и при эксплуатации группы ЛК, причем характер изме­нения надежности R(t) во время эксплуатации во многом предопре­деляется процессом создания ЛК, т. е. изменение важнейшего пока­зателя качества системы эксплуатации ЛК — обобщенного показателя надежности R(t) в условиях эксплуатации — зависит от того, как проведен процесс создания ЛК. Так, при малых затратах на создание ЛК можно длительное время дорабатывать группу ЛК, находящихся в эксплуатации, теряя при этом большие средства, а главное — снижая их эффективность применения по назначению; при больших же затра­тах на опытную отработку, в первую очередь на наземную, можно добиться высокой начальной надежности R0 в условиях эксплуатации и свести к минимуму доработки эксплуатируемых комплексов. Таким образом, с учетом ограничений на время создания системы можно опти­мизировать процесс R(t) по экономическим показателям.

Для того чтобы управлять изменением надежности ЛК, необ­ходимо найти аналитическое описание процесса R(t), в первую очередь повышения надежности комплекса за счет его доработок. Возможности получения аналитических зависимостей, описывающих рост надеж­ности, рассмотрим в следующем параграфе.