СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОЦЕНИВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В ПРОЦЕССЕ ОПЫТНОЙ ОТРАБОТКИ
§ 5.1. ИЗМЕНЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
В ПРОЦЕССЕ ЕГО СОЗДАНИЯ
Надежность системы ЛА и всех ее составляющих частей или основных элементов можно рассчитать на каждом этапе создания с использованием структурных или структурно-функциональных схем. Некоторые приемы расчетов были предложены в гл. I, поэтому здесь рассмотрим возможности определения надежности любого изделия, будь то деталь или ЛА в целом, как элемента по той проектной или опытной информации, которая имеется на различных этапах его создания.
В § 1.2 были даны количественные характеристики, которыми можно определять надежность любого изделия как элемента. В общем случае все эти характеристики в той или иной форме отражали вероятности возникновения отказов или восстановления изделия в процессе его функционирования, т. е. зависели от времени или других аргументов, связанных с продолжительностью действия изделия. При этом надежность заданной совокупности изделий предполагалась неизменной. Однако при разработке системы ЛА, как любой сложной системы, имеет место и другой процесс. За счет доработок, вносимых в конструкцию и технологию производства каждого изделия, изменяется его качество и, в частности, надежность; естественно, что изменения надежности отдельных изделий приводят к изменениям надежности системы, которую они составляют.
Рассмотрим некоторые принципиальные особенности изменения надежности ЛА в процессе его разработки. На этапе ПАИ легко выделить два характерных периода: проведение конструкторско — доводочных и зачетных испытаний. Основная задача КДИ— совершенствование конструкции и технологии опытного производства изделия с целью улучшения его характеристик и надежности. Следовательно, изменение надежности изделия в ходе КДИ является принципиальной особенностью, иногда даже основной целью этого этапа создания. При проведении зачетных испытаний ставится задача, сохраняя неизменными характеристики надежности изделия,
оценить их по опытным данным. Таким образом, в ходе НАИ надежность изделия сначала целенаправленно изменяется, а затем поддерживается постоянной.
Аналогичную картину наблюдают при наземных комплексных испытаниях, наземной полигонной отработке комплекса и его летных испытаниях. Этап летной отработки четко разделен на два периода: летно-конструкторские испытания, при проведении которых существенно изменяется надежность Л А (комплекса), и зачетные испытания, при которых надежность остается постоянной. При НКИ летательного аппарата и наземной полигонной отработке комплекса такого резкого разделения задач испытаний, как правило, не существует. Чаще всего в эти периоды надежность соответствующих изделий, являющихся объектами испытаний, претерпевает заметные изменения, если при проведении испытаний не ставят задачу дополнительного контроля достигнутых уровней.
На этапе производства системы ЛА для каждой ее составляющей части или основного элемента может быть выделей период выпуска установочной партии. При этом также изменяется надежность соответствующих изделий в основном за счет отработки технологии. В остальное время серийного производства, как известно, предпринимают целый комплекс мер, обеспечивающих стабильность всех характеристик товарной продукции, в том числе и надежности. В процессе эксплуатации надежность снижается за счет процессов старения и выработки изделиями ресурсов.
В принципе можно считать, что и на этапе проектирования изменяется надежность изделий за счет разработки новых конструктивных решений, совершенствования схем на основе анализа данных моделирования и лабораторных испытаний. Однако чаще всего надежность соответствующих изделий рассчитывают лишь в конце этого этапа при завершении эскизного процесса. Поэтому при проектировании надежность изменяется как бы в скрытом, не выраженном количественно виде.
Следует отметить, что в ходе зачетных испытаний при наземной или летной отработке и в процессе серийного производства возможны изменения надежности изделий. Это связано с доработками, проводимыми для улучшения характеристик, и необходимостью устранения установленных причин отказов, которые иногда вскрываются при зачетных испытаниях или контроле выпускаемой продукции.
Таким образом, можно считать, что в процессе создания системы ЛА надежность формирующих ее изделий претерпевает многочисленные изменения и лишь на отдельных интервалах остается постоянной. Следовательно, представление о характеристиках надежности как о мерах множества изделий с неизменным качеством является довольно приближенным. Постоянная надежность отражает качество изделия лишь в определенный момент или на узком временном интервале процесса его создания.
Понятие надежности изделия, как известно, неразрывно связано с условиями его работы. Так. например, увеличение нагрузок,
действующих на агрегат, может привести к потере его работоспособности. Однако если нагрузки не будут лежать в пределах, характеризующих нормальные заранее оговоренные условия работы, то потерю работоспособности нельзя рассматривать как отказ. Другими словами, при изменении условий функционирования один и тот же объект может иметь разную надежность.
Важно также отметить, что проявление надежности зависит от объектов, работоспособность которых проверяют. Совсем не безразлично с точки зрения проверки количественных характеристик
надежности, испытывают ли, например, опытные или серийные образцы изделия.
В конечном итоге нужно, чтобы серийно изготовленные образцы ЛА после некоторого периода нормальной эксплуатации персоналом, имеющим соответствующую подготовку, в реальных условиях, установленных соответствующими документами, показали требуемую надежность.
В процессе создания ЛА на всех рассмотренных этапах происходит изменение образцов, подвергающихся проверке, а также условий их испытаний. Так, при проведении НАИ проверяют функционирование опытных образцов отдельных агрегатов и систем ЛА в стендовых условиях. На комплексных испытаниях контролируют совместную работу опытных образцов при более сложных режимах, но также неполностью моделирующих реальные условия. В ходе ЛКИ в условиях полигона испытывают опытные образцы ЛА, а при переходе к зачетным испытаниям — штатные ЛА. Аналогично, и при отладке серийного производства объекты испытаний могут претерпевать изменения.
Следовательно, в процессе создания ЛА можно выделить этапы проектирования, НАИ, НКИ и летной отработки, на которых контроль (проявление) надежности осуществляется в различных условиях. Между этими этапами происходит смена объектов испытаний (отдельные агрегаты, комплекс агрегатов, ЛА в целом). Надежность ЛА, проявляемая им в процессе создания и эксплуатации, может быть представлена сложной функцией P(t) (рис. 5.1). На рисунке показаны периоды: проектирования (t0, U) НАИ (tx, t3), включающий КДЙ {tu t2) и зачетные испытания (t2, ts); НКИ (t^ £4); ЛКИ (f4, ?5)и летных зачетных испытаний (t5, t6) испытаний установочной партии серийного производства (te, t7), экспулатации в течение гарантийного срока Тг (t7, ts).
Падение функции P{t) при переходе от проектной надежности Рп к начальному значению Рсо в условиях стендовых испытаний вызвано изменением объектов и условий испытаний. При отработке
первых опытных образцов агрегатов и систем ЛА, как правило, не подтверждается высокая проектная надежность Яп, обычно совпадающая с требуемой Ятр, поэтому скачок функции надежности в момент ti достаточно большой. В результате внесения доработок и устранения причин отказов надежность каждого агрегата и системы, а следовательно и ЛА в целом, повышается до величины Яс. При переходе к НКИ за счет утяжеления режимов работы и возникновения дополнительных источников отказов при совместном действии автономно отработанных агрегатов надежность ЛА уменьшается до величины Яко — Затем при проведении доработок надежность возрастает до величины Як. Переход к летным испытаниям опытных образцов ЛА сопровождается снижением функции надежности до значения Ял0. В процессе дальнейших доработок конструкции изделия надежность в летных условиях Ял растет. Аналогичный скачок надежности Я имеет место и при начале испытаний образцов установочных партий, так как принтом технологию опытного производства заменяют новой технологией серийного производства. В процессе эксплуатации ЛА его надежность Я з падает из-за старения и износа элементов.
Анализ представленной на рис. 5.1 качественной картины изменения надежности позволяет сделать ряд практических выводов. Так, если выполняется условие ЯП=ЯС0, то процесс стендовой отработки агрегатов и систем ЛА с точки зрения обеспечения надежности оказывается излишним, так как в этом случае при проектировании полностью учитывают и исключают причины отказов, связанные с конструктивными и технологическими просчетами, а следовательно, можно сразу же проводить НКИ. К сожалению, несовершенство моделей, как аналитических, так и физических, с которыми имеют дело проектанты, а также слабое отражение м этих моделях особенностей технологии производства приводят обычно к большому падению функции надежности в момент t.
Аналогично, при Яс=ЯКо можно полагать, что НКИ не дают новой информации о надежности ЛА. Это может быть вызвано неудачным выбором режимов комплексных испытаний, а также отсутствием дополнительных источников отказов за счет взаимодействия отдельно отработанных агрегатов ЛА. Если бы удалось получить Як=Яло, то, с точки зрения обеспечения надежности ЛА, можно было бы отказаться от летных испытаний. Такой путь представляется основным при создании дорогостоящих тяжелых ракет — носителей космических аппаратов. Наконец, при ЯЛ = Я0 нет необходимости в организации испытаний ЛА установочной партии.
Таким образом, скачки функции надежности характеризуют степень несоответствия объектов и режимов испытаний, а также качество отработки ЛА на предыдущих этапах. Рост надежности в ходе однотипных испытаний отражает эффективность усилий персонала, ведущего отработку Л А.
Анализ характера изменения надежности ЛА позволяет если не решить, то хотя бы поставить еще один важный практический вопрос. На рис. 5.1 показано пунктиром значение требуемой надежности. Нетрудно понять, что на различных этапа)? создания ЛА величина Ятр может существенно изменяться, поэтому требуемую — надежность нужно задавать вместе с указанием условий ее подтверждения и характеристикой объектов, к которым ее относят. В конечном итоге желательно обеспечить требуемую надежность ЛА в условиях эксплуатации серийных образцов. Следовательно, для контроля надежности на каждом этапе необходимо уметь пересчитывать полученные количественные характеристики на другие условия и объекты испытаний. Так, например, часто принимают, что интенсивности отказов электронной аппаратуры в полете в тысячу раз больше, чем при лабораторных испытаниях, а при режиме хранения — в тысячу раз меньше, чем во время работы.
Проведенный выше анализ характера изменения надежности относится к ЛА. Однако также обстоит дело и с надежностью опытного комплекса или системы Л А. Такой подход можно распростри’-• нить и на изменение критерия эффективности системы ЛА в процессе создания опытного комплекса. Кроме того, функции изменения соответствующих показателей надежности йлй критериев эффективности можно построить и для этапа эксплуатации, в процессе которого происходит старение техники (уменьшение надежности и эффективности), а также повышение надежности и эффективности за, счет ее восстановления при плановом и внеплановом обслуживании.
Таким образом, для контроля качества отработки и полноты выполнения требований ТТЗ необходимо получить аналитическую модель изменения надежности как отдельных агрегатов, так и ЛА (опытного комплекса) на всех этапах создания. Функция надежности ЛА, представленная на рис. 5.1, включает в себя: участки1 изменения (роста) надежности (to, tx), (th t2), (t3, tA), (14, £5)„ (to, t7); интервалы, на которых надежность остается постоянной (t-г, t3), (/5, г6); скачки при переходе к новому этапу отработки в сечениях t, t3, /4, te. Следовательно, для описания всей функции необходимо найти модели, которые бы отражали эти три характерных проявления надежности. Далее будут рассмотрены вопросы, связанные с разработкой и применением аналитических моделей роста надежности.