CN112699494A - 载人航天器维修支持下的可靠性预计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种载人航天器维修支持下的可靠性预计方法，包括以下步骤：S1、对载人航天器部件进行方案设计；S2、对载人航天器部件进行定义；S3、建立可靠性框图；S4、建立可靠性数学模型；S5、搜集载人航天器部件的失效率数据；S6、对载人航天器部件进行寿命分析，并确定维修周期；S7、确定载人航天器部件在所述维修周期内的工作时间；S8、计算得到可靠性预计值。本发明考虑了维修对长寿命期间系统可靠性的恢复和维持作用，并且在工程上有效、易实施。

Description

载人航天器维修支持下的可靠性预计方法
技术领域
本发明涉及一种载人航天器维修支持下的可靠性预计方法。
背景技术
载人航天器的寿命要求和可靠性要求越来越高，空间站是长期飞行载人航天器的典型，对空间站寿命要求是在轨飞行不小于10年，并可在寿命评估后延寿，同时10年期间在维修支持下，任务可靠度不低于0.97。长期运行过程中，有可能会发生各种故障，严重影响任务完成和系统安全。进行在轨维修是一种预防和消除故障，保障载人航天器长寿命高可靠度的有效手段。如和平号空间站原设计寿命5年，但是通过在轨维修支持(据统计，站上航天员75％的工作时间用于在轨维修)和维修资源保障，使实际寿命延长到了15年；国际空间站上也进行了大量的维修操作，国际空间站的寿命预计将达到15年。
空间站长寿命高可靠的设计策略是：长寿命设计攻关是基础，最大限度解决限寿问题；在此基础上加强可靠性设计，解决少出故障和可维修的问题；最后补充在轨维修，恢复并维持长寿命期间的可靠性。复杂可修(可在轨维修)载人航天器系统的性能指标，从可靠性向可用性转变，提出了一个之前所有航天部件未曾遇到过的问题——维修支持下的可靠性定量设计问题。
根据可靠性理论，可用性是用来描述可靠性和维修性的综合参数。可用性若定量描述，为可用度。如果按照可靠性理论，空间站的可靠性性能指标采用可用度衡量，并从工程角度，可用度在建模、分配、预计与评估方面存在以下问题：
1、在空间站之前的所有航天器型号，可靠性定量指标要求均为任务可靠度，配套设计单位在可靠度的建模、分配和预计方面积累了经验，有工作基础，如果采用可用度这一设计指标，需要贯彻一套方法，增加了工作难度。
2、可用度建模复杂，作为设计指标无法逐级传递。可用度建模需要采用马尔可夫过程方法，计算复杂，很难作为设计指标，由系统向分系统、单机设备传递。
3、可用度分配困难。如果直接向分系统、单机分配可用度，就会有前述第一条的困难，如果将可用度指标在系统层面先分配为可靠性指标和维修性指标，又面临新的困难。可用度可以分为可靠度和维修度两个指标，但是维修度不是一个可以分配的设计指标，此思路不可行；按照使用可用度的定义，还可以分为MTBM、RT和MDT，MTBM是综合了可靠性设计和维修性设计的一个指标，同样很难向分系统和单机直接分配MTBM。
综上所述，由于前述可用度建模与分配的困难，可用度指标也很难直接有效验证。因此，从工程实施角度，可用度并不是一个很好的设计指标，需要研究另外一种综合了维修因素的可靠性定量分析和设计方法。而目前很多可靠性预计方法中，均未考虑到维修对于航天器可靠性的影响，因此不能准确反映设计方案能达到的可靠性水平。
发明内容
本发明的目的在于提供一种考虑了维修对航天器系统可靠性影响的载人航天器的可靠性预计方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种载人航天器维修支持下的可靠性预计方法，包括以下步骤：
S1、对载人航天器部件进行方案设计；
S2、对载人航天器部件进行定义；
S3、建立可靠性框图；
S4、建立可靠性数学模型；
S5、搜集载人航天器部件的失效率数据；
S6、对载人航天器部件进行寿命分析，并确定维修周期；
S7、确定载人航天器部件在所述维修周期内的工作时间；
S8、计算得到可靠性预计值。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S1)中，所述方案设计包括长寿命设计、可靠性设计和可维修性设计。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S6)中，若在寿命分析过程中发现寿命不满足航天器长寿命要求的部件，则对其进行可维修性设计。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S6)中，对于限寿部件，维修周期为其寿命；
对于非限寿可维修部件，在可靠度可接受且能支持实现系统可靠度的前提下确定其维修周期；
对于非限寿不可维修部件，其满足可靠度要求且在航天器的全寿命期间均可工作。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S7)中，限寿部件的工作时间为定期更换周期内的工作时间；
非限寿可维修的部件的工作时间为在规划的维修周期内的工作时间；
非限寿不可维修部件的工作时间为航天器全寿命期间的工作时间。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S2)中，所述定义的内容包括部件的目的、用途、任务、性能参数、容许极限、结构基线参数、功能接口、成功判据/故障判据、寿命剖面、任务剖面以及确定系统建立模型所需的最低层次。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S3)中，确定完成载人航天器部件功能所需的组成单元；
明确载人航天器部件与各组成单元之间的可靠性关系，包括串联、并联或表决；
在所述可靠性框图中标明组成单元名称或代号，并附加说明假设条件。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S4)中，利用概率法、布尔真值法或蒙特卡洛法建立所述可靠性数学模型。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S5)中，电子部件的失效率数据通过查阅标准和在设计、研制以及在轨飞行积累的数据中获取；
非电部件的失效率数据根据试验信息、相似部件信息和非电部件数据获取。
根据本发明的一个方面，在所述步骤(S8)中，将所述失效率数据和所述工作时间输入至所述可靠性数学模型中，得到可靠性预计值。
根据本发明的方案，采用标准方法建立可靠性模型，搜集失效率数据，然后结合维修方案和维修周期，确定维修周期内部件的工作时间，然后根据可靠性数据模型预计出载人航天器系统维修支持下的任务可靠度。这一方法由于考虑了维修对长寿命器件系统可靠性的恢复和维持作用，更能准确反映包括维修性设计在内的设计方案能达到的可靠性水平。并且更好利用在先期载人航天型号上积累的可靠性定量分析、设计经验。符合目前航天型号系统-分系统-设备的分层设计定量指标传递现状，指标易分解、能验证，具有良好的工程可实施性。而且方法整体较为简单、直观。
附图说明
图1示意性表示本发明的一种实施方式的载人航天器维修支持下的可靠性预计方法的流程图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
参见图1，本发明的载人航天器维修支持下的可靠性预计方法，首先对载人航天器部件进行方案设计。具体的，部件方案设计根据功能性能指标开展，包括了根据标准和规范要求开展的长寿命设计、可靠性设计和可维修性设计。经此步骤得到的设计方案作为后续可靠性建模与预计的依据。然后，本发明对载人航天器部件进行定义，明确载人航天器部件的构成及任务功能要求。部件定义的主要内容包括部件的目的、用途、任务、性能参数、容许极限、结构基线参数、功能接口、成功判据/故障判据、寿命剖面和任务剖面。最后，还要规定分析层次，系统下属有分系统、设备等层次，因此需要确定系统建立模型所需的最低层次。
对部件进行定义之后，则建立可靠性框图。本发明中，首先根据部件功能明确完成其功能所需的组成单元，然后根据所确定的组成单元绘制部件的可靠性框图。在可靠性框图中，需要明确部件与各组成单元之间的可靠性关系(串联、并联或表决等)，框图中标明单元名称或代号。当然，框图中需附加说明有关假设条件，例如对于结构件而言，其在航天器全寿命期间基本不会发生故障，因此对其的假设条件可为无故障。在框图建立完成后，选用数学方法来建立可靠性数学模型，并对有关假设进行说明。本发明的可靠性数学模型可选用概率法、布尔真值法或蒙特卡洛法建立。
根据本发明的构思，以航天器中使用的各种部件的失效率为基础，预计可靠性。因此，在分析预计可靠性之前，需要搜集航天器中使用的不同类别部件失效率数据。载人航天器部件可分为电子部件和非电部件。电子部件又可分为通用元器件和特制元器件。对于通用元器件而言，其失效率数据可直接查阅相关标准获取。而对于特制元器件，则可以在设计、研制和在轨飞行积累的数据中获取。非电部件的失效率数据可以根据该部件试验信息、相似部件信息和非电部件数据中获取。
在可靠性预计过程中，不仅需要失效率数据，还需要各部件在维修周期内的工作时间。根据本发明的构思，各部件的工作时间考虑到维修因素，在获取各部件的工作时间之前，需要先确定维修周期。具体的，首先对航天器部件进行寿命分析，对于寿命达不到长寿命要求的部件，应进行可维修性设计，通过在轨更换延续功能，既实现整个航天器型号的长寿命要求，也维持了长寿命期间系统的高可靠度。航天器部件可分为限寿部件和非限寿部件。如图1所示，对于限寿部件而言，其必须是可维修更换的，因此若在寿命分析的过程中发现其寿命短于航天器整器寿命，则应重新对其进行方案设计，即返回方案设计步骤。对于此类部件，其维修周期即为其寿命。非限寿部件即为没有寿命限制的部件，如大部分电子部件，其可能在长期运行过程中发生随机故障，也需要通过维修来恢复系统可靠性。由于故障随机发生，并不可预见准确的故障发生时间。因此，如图1所示，对于非限寿可维修部件(即在方案设计步骤中进行了可维修性设计)，则可以类比相似部件的可靠性数据，在可靠度可以接受，并且能支持实现系统可靠度的前提下，确定维修周期。即如果按照规划的维修周期对非限寿部件更换，则能使系统可靠性保持在可以接受的水平之上。对于非限寿同时又不可维修的部件，则必须满足航天器从发射至有控坠毁整个寿命期内都能工作，并满足可靠度要求。
经过上述方案可获得各类部件的维修周期，随后可结合上述确定的维修方案(可理解为维修周期)，确定部件在维修周期内的(开机)工作时间。如图1所示，对于限寿部件而言，其工作时间即为定期更换周期内的工作时间。非限寿可维修的部件的工作时间即为在规划的维修周期内的工作时间。非限寿不可维修部件的工作时间为航天器全寿命器件的工作时间。这些部件的工作时间则可作为后效可靠性预计的输入参数。
工程上认为复杂系统服从指数分布，因此，可将上述方法中获得的失效率数据和工作时间(或称有效工作时间)输入至上述建立的可靠性数学模型中，计算得到整个载人航天器系统在维修支持下的可靠性预计值。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种载人航天器维修支持下的可靠性预计方法，包括以下步骤：
S1、对载人航天器部件进行方案设计；
S2、对载人航天器部件进行定义；
S3、建立可靠性框图；
S4、建立可靠性数学模型；
S5、搜集载人航天器部件的失效率数据；
S6、对载人航天器部件进行寿命分析，并确定维修周期；
S7、确定载人航天器部件在所述维修周期内的工作时间；
S8、计算得到可靠性预计值。
2.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S1)中，所述方案设计包括长寿命设计、可靠性设计和可维修性设计。
3.根据权利要求2所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S6)中，若在寿命分析过程中发现寿命不满足航天器长寿命要求的部件，则对其进行可维修性设计。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S6)中，对于限寿部件，维修周期为其寿命；
对于非限寿可维修部件，在可靠度可接受且能支持实现系统可靠度的前提下确定其维修周期；
对于非限寿不可维修部件，其满足可靠度要求且在航天器的全寿命期间均可工作。
5.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S7)中，限寿部件的工作时间为定期更换周期内的工作时间；
非限寿可维修的部件的工作时间为在规划的维修周期内的工作时间；
非限寿不可维修部件的工作时间为航天器全寿命期间的工作时间。
6.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S2)中，所述定义的内容包括部件的目的、用途、任务、性能参数、容许极限、结构基线参数、功能接口、成功判据/故障判据、寿命剖面、任务剖面以及确定系统建立模型所需的最低层次。
7.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S3)中，确定完成载人航天器部件功能所需的组成单元；
明确载人航天器部件与各组成单元之间的可靠性关系，包括串联、并联或表决；
在所述可靠性框图中标明组成单元名称或代号，并附加说明假设条件。
8.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S4)中，利用概率法、布尔真值法或蒙特卡洛法建立所述可靠性数学模型。
9.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S5)中，电子部件的失效率数据通过查阅标准和在设计、研制以及在轨飞行积累的数据中获取；
非电部件的失效率数据根据试验信息、相似部件信息和非电部件数据获取。
10.根据权利要求1所述的可靠性预计方法，其特征在于，在所述步骤(S8)中，将所述失效率数据和所述工作时间输入至所述可靠性数学模型中，得到可靠性预计值。
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