CN104317990A - 一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，包括(1)根据飞行任务过程及成功判据，确定关键任务阶段、任务后果状态，以及任务后果状态之间的转换关系；(2)分析关键任务阶段风险特性，应用故障树、动态故障树以及贝叶斯网络方法，建立风险特性模型，收集相关数据确定关键任务失败发生概率及主要风险因素；(3)建立航天器任务过程事件树模型，求解模型得到不同任务后果状态概率，结合主要风险因素，制定可靠性改进措施。该方法能够实现多阶段任务航天器常规失效、冗余备份失效及相关失效建模分析，得到任务后果状态概率和主要风险因素，可为航天器可靠性改进提供技术支撑。

Description

一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法

技术领域

本发明涉及一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，特别是针对结构复杂、任务阶段众多、具有多种风险特性的航天器可靠性设计改进方法。

背景技术

航天器结构和功能的复杂性，任务过程的多阶段性，导致航天器飞行试验过程存在诸多影响任务成功的风险因素，需要在设计初期进行风险识别和量化评价，根据风险量化分析结果采取针对性的设计改进，以提高飞行器的任务可靠性。

国外针对载人探月飞船、航天飞机等多阶段任务复杂航天器开展了风险量化评价技术研究和应用，取得了显著效果，但对任务过程不同任务阶段的风险特征描述、分析和量化尚不够精细。国内传统针对航天器任务风险的评估工作以定性识别和半定量评价为主，缺乏有效的量化评估方法，难以有效支持工程风险决策，难以有效指导设计方案的优化和可靠性设计改进。针对上述问题，迫切需要一种能够在设计初期准确进行任务风险量化评估，有效识别影响任务可靠性风险因素，从而进行航天器可靠性设计改进的方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，该方法首次综合应用FT、DFT及BN方法对任务过程风险特性进行了精细化建模和分析，应用ET对任务风险进行了量化评价，从而为多阶段任务复杂航天器的可靠性设计改进提供技术支撑。

本发明的技术方案是：一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，步骤如下：

1)根据航天器任务过程及成功判据，确定关键任务阶段和任务后果状态；

2)确定关键任务阶段工作模式和任务时间，获取单机、分系统存在的风险特性，运用应用故障树(FT)、动态故障树(DFT)以及贝叶斯网络(BN)方法建立风险特性模型；所述风险特性包括常规失效、冗余备份失效以及相关失效；

3)获取单机、分系统风险评估数据，根据步骤2)建立的风险特性模型进行解算，得到关键任务失败概率，确定导致关键任务失败的主要风险因素；

4)建立任务过程事件树模型；

5)根据步骤3)获得的关键任务失败概率，得到不同任务后果状态概率；

6)根据步骤5)得到的不同任务后果状态概率，以及步骤3)得到的主要风险因素，制定航天器可靠性设计改进措施。

所述步骤2)中建立风险特性模型的具体方法为：

21)若单机、分系统存在常规失效，采用FT方法进行建模；

22)若单机、分系统存在冗余备份失效，采用DFT方法进行建模；

23)若单机、分系统存在相关失效，采用BN方法进行建模；

24)若单机、分系统存在多种风险特性，综合采用FT、DFT及BN方法进行建模。

步骤24)中综合采用FT、DFT及BN方法进行建模的具体方法为：

31)多种风险特性仅存在于单机层次，根据风险特性类型分别建立单机层次风险特性模型；

32)多种风险特性仅存在于分系统层次，根据风险特性类型分别建立分系统层次风险特性模型；

33)多种风险特性同时存在于单机和分系统层次，首先根据分系统风险特性类型选择相应方法建立分系统风险特性模型，其次针对分系统风险特性模型中存在的单机风险特性类型，在分系统风险特性模型框架下，根据单机风险特性类型选择相应方法建立单机风险特性模型。

所述3)得到关键任务失败概率，确定导致关键任务失败的主要风险因素的具体方法为：

41)获取底事件发生概率数据信息，计算获得FT和DFT顶事件发生概率和底事件概率重要度；选取概率重要度数值最大的两个底事件作为主要风险因素；

42)获取叶节点状态概率数据信息，计算获得根节点状态概率和叶节点灵敏度；选取灵敏度数值最大的两个叶节点作为主要风险因素。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明采用FT、DFT及BN方法对复杂航天器关键任务阶段风险特性进行建模和分析，能够准确描述单机、分系统存在的常规失效、冗余备份失效及相关失效风险特性；

(2)本发明应用获取的风险评估数据计算得到关键任务失败概率的同时，能够确定导致关键任务失败的主要风险因素，明确单机、分系统存在的可靠性薄弱环节；

(3)本发明通过ET对航天器任务后果状态进行建模，能够准确表征飞行器多阶段任务特征，同时通过模型解算得到任务后果状态概率，确定航天器任务过程风险薄弱环节；

(4)本发明在任务风险量化评估结果基础上，结合确定的主要风险因素和任务过程风险薄弱环节，能够从任务过程和系统层次两个方面为航天器可靠性改进提供技术支撑。

附图说明

图1为本发明可靠性改进方法示意图；

图2为本发明FT建模示意图；

图3为本发明DFT建模示意图；

图4为本发明BN建模示意图；

图5为本发明任务过程风险建模示意图。

具体实施方式

下面结合图1-图5，以三阶段任务航天器为例对本发明作进一步详细描述：

三阶段任务航天器任务过程包括携带发射、在轨运行及自主返回三个任务阶段。任务成功判据为：三个任务阶段均成功，整个任务成功；“携带发射”阶段任务失败，整个任务失败；“在轨运行”阶段任务失败，整个任务降级；“自主返回”阶段任务失败，整个任务有限成功。

应用本发明所述基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤(一)、任务阶段划分

关键任务阶段：携带发射、在轨运行及自主返回阶段均存在影响任务成功的风险因素，因此上述三个任务阶段均为关键任务阶段；

任务过程后果状态：任务成功、任务降级、任务有限成功、任务失败；

任务后果状态转换关系：若“携带发射”阶段任务失败，任务后果状态由成功转为失败；若“在轨运行”阶段任务失败，任务后果状态由成功转为降级；若“自主返回”阶段任务失败，任务后果状态由成功转为有限成功。

步骤(二)、任务风险特性建模

携带发射阶段，航天器各分系统处于不加电状态，主要承受来自运载的振动、冲击载荷，失效模式为常规失效，应用FT方法建立该阶段的风险特性模型，如图2所示，图中符号含义见表1。

表1 携带发射阶段结构系统故障树模型事件编号及意义

在轨运行阶段，航天器电源、姿轨控以及推进等分系统长期加电工作，其中姿轨控分系统姿态确定进行功能冗余，失效模式为冗余备份失效，采用DFT方法建立该阶段的风险特性模型，如图3所示。

自主返回阶段，航天器的风险主要来自导航方式的失效，其中内部总线共因失效是导致GPS导航和惯性导航失效的主要风险因素，失效模式为相关失效，应用BN方法建立该阶段的风险特性模型，如图4所示。

步骤(三)、任务风险特性分析

根据步骤(二)中建立的风险特性模型解算要求，收集单机、分系统风险评估相关数据，进行模型解算，得到关键任务阶段失败概率，确定导致关键任务失败的主要风险因素。

携带发射阶段FT模型解算数据如表2所示，应用Relex软件获得携带发射阶段系统故障发生概率为0.023，概率重要度数值最大的两个底事件为X₃(结构板损坏)、X₉(振动造成限位锁定装置功能下降)。

表2 FT模型基本事件发生概率

基本事件	发生概率
		X1	0.0152
X2	0.0024
		X3	0.0038
X4	0.0016
		X5	0.0011
X6	0.0014
		X7	0.0009
X8	0.0019
		X9	0.0028

在轨运行阶段DFT模型解算数据如表3所示，应用ReliaSoft软件获得在轨运行阶段系统故障发生概率为0.016，概率重要度数值最大的两个底事件为陀螺故障、地敏故障。

表3 DFT模型基本事件发生概率

基本事件	发生概率
		电源分系统故障	0.0147
陀螺故障	0.1023
		星敏故障(工作)	0.0677
星敏故障(热备)	0.0589
		太敏故障	0.1204
地敏故障	0.117
		推进分系统故障	0.0568

再入返回阶段BN模型解算数据如表4、表5所示，根据BN模型各节点边缘概率分布和条件概率分布,应用软件GeNIe进行贝叶斯网络推理，可获得再入返回阶段系统故障发生概率为0.034，灵敏度数值最大的两个叶节点为惯性导航失效、内部总线共因失效。

表4 BN模型叶节点条件概率分布(0表示发生，1表示不发生)

GPS导航失效	惯性导航失效	内部总线共因失效	再入返回阶段系统状态
				0	0	0	0
0	0	1	1
				0	1	0	1
0	1	1	1
				1	0	0	1
1	0	1	1
				1	1	0	1
1	1	1	1

表5 BN模型根节点状态概率

根节点名称	发生概率
		GPS导航失效	0.00787
惯性导航失效	0.00652
		内部总线共因失效	0.00351

步骤(四)、任务过程风险建模

航天器任务过程顺序发生，关键任务阶段成功或失败的状态组合将导致不同的航天器任务后果状态，应用过程事件树(ET)方法建立航天器任务过程风险模型如图5所示。

步骤(五)、任务风险量化评估

应用软件QRAS进行航天器任务过程风险模型解算，得到系统任务后果状态概率值，如表6所示。

表6 航天器任务后果状态概率

后果状态	概率
		任务成功	0.8956
任务降级	0.0324
		任务有限成功	0.0278
任务失败	0.0442

步骤(六)、设计改进措施建议

从任务后果状态概率角度分析，航天器任务成功概率为89.56％，任务降级概率为3.24％，任务有限成功概率为2.78％，任务失败概率为4.42％，与国外航天器任务失败概率相比较，仍存在较大改善空间，应设法进一步减小任务失败概率；从关键任务阶段角度分析，携带发射、在轨运行以及再入返回阶段任务失败概率分别为2.3％、1.6％和3.4％，因此再入返回阶段是航天器任务过程风险薄弱环节，应充分考虑该阶段航天器飞行速度、防热结构等因素对航天器导航方式的影响，提升导航分系统健壮性；从风险影响因素角度分析，结构板损坏、振动造成限位锁定装置功能下降、陀螺故障、地敏故障、惯性导航失效以及(导航分系统)内部总线共因失效是影响各阶段关键任务成功的主要风险因素，应重点加强结构机构件的可靠性试验验证，对敏感器进行充分的电磁兼容和环境试验，通过改善设计方案降低导航分系统共因失效发生概率。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，其特征在于步骤如下：

1)根据航天器任务过程及成功判据，确定关键任务阶段和任务后果状态；

2)确定关键任务阶段工作模式和任务时间，获取单机、分系统存在的风险特性，运用FT、DFT及BN方法建立风险特性模型；所述风险特性包括常规失效、冗余备份失效以及相关失效；

3)获取单机、分系统风险评估数据，根据步骤2)建立的风险特性模型进行解算，得到关键任务失败概率，确定导致关键任务失败的主要风险因素；

4)建立任务过程事件树模型；

5)根据步骤3)获得的关键任务失败概率，得到不同任务后果状态概率；

6)根据步骤5)得到的不同任务后果状态概率，以及步骤3)得到的主要风险因素，制定航天器可靠性设计改进措施。

2.根据权利要求1所述的一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，其特征在于：所述步骤2)中建立风险特性模型的具体方法为：

21)若单机、分系统存在常规失效，采用FT方法进行建模；

22)若单机、分系统存在冗余备份失效，采用DFT方法进行建模；

23)若单机、分系统存在相关失效，采用BN方法进行建模；

24)若单机、分系统存在多种风险特性，综合采用FT、DFT及BN方法进行建模。

3.根据权利要求2所述的一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，其特征在于：步骤24)中综合采用FT、DFT及BN方法进行建模的具体方法为：

31)多种风险特性仅存在于单机层次，根据风险特性类型分别建立单机层次风险特性模型；

32)多种风险特性仅存在于分系统层次，根据风险特性类型分别建立分系统层次风险特性模型；

33)多种风险特性同时存在于单机和分系统层次，首先根据分系统风险特性类型选择相应方法建立分系统风险特性模型，其次针对分系统风险特性模型中存在的单机风险特性类型，在分系统风险特性模型框架下，根据单机风险特性类型选择相应方法建立单机风险特性模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于风险的多阶段任务航天器可靠性改进方法，其特征在于：所述3)得到关键任务失败概率，确定导致关键任务失败的主要风险因素的具体方法为：

41)获取底事件发生概率数据信息，计算获得FT和DFT顶事件发生概率和底事件概率重要度；选取概率重要度数值最大的两个底事件作为主要风险因素；

42)获取叶节点状态概率数据信息，计算获得根节点状态概率和叶节点灵敏度；选取灵敏度数值最大的两个叶节点作为主要风险因素。