система информации о надежности

Система информации о техническом состоянии и надёжности

Система информации о техническом состоянии и надёжности объектов наземной космической инфраструктуры и входящих в их состав изделий. Проблемы и предложения

Докладчик: А.М. Глазачев, ведущий специалист по надёжности ФГУП ЦЭНКИ

Нашёл свой старый доклад от 2013 года. Публикую, чтобы не потерялся.

В течении 2013 года на космодроме Байконур проводился сбор информации об отказах агрегатов и систем комплексов технологического оборудования и средств подготовки, и проведения пуска. В конце 2013 года данные об отказах были переданы в Москву и проведён их статистический анализ.

В процессе проведения анализа информации об отказах агрегатов и систем комплексов технологического оборудования и средств подготовки и проведения пуска на космодроме Байконур было выявлено, что в 2013 году Акты об устранении рекламаций были составлены только для 20 % отказов, а Акты исследования – для 10 % отказов.
Можно сделать вывод о недостаточной эффективности рекламационной работы.

В соответствии с ГОСТ РО 1410-001-2009 Система информации о техническом состоянии и надёжности космических комплексов и входящих в их состав изделий. Основные положения:
— уведомление о выявленной неисправности изделия и вызове представителей промышленности для устранения неисправности и составления рекламационного акта или сообщения о неисправности должно быть предъявлено в течении 24 часов с момента неисправности;
— заключение межведомственной экспертной группы о результате исследования причины отказа изделия в течении 5 суток;
— рекламационный акт на изделие КК – не позднее 3 суток;
— акт удовлетворения рекламации или акт устранения неисправности – не позднее 3 суток.

Можно сделать вывод о невыполнении ГОСТ РО 1410-001-2009.
Основными причинами неустранения отказов были следующие:
— отсутствие ЗИП и как следствие невозможность провести замену вышедшего из строя оборудования;
— отсутствие завода-изготовителя и как следствие невозможность отправить оборудование на ремонт.

Эти причины неустранения характерны для оборудования наземной космической инфраструктуры, поскольку агрегаты и системы наземной космической инфраструктуры зачастую выпускались в единичных экземплярах. Заводы, выпускавшие это оборудование либо уже не существуют, либо перепрофилированы под другую продукцию.
Предложение: откорректировать ГОСТ РО 1410-001-2009.

Варианты редактирования:
— изменить область распространения ГОСТ РО 1410-001-2009, исключив оттуда НТИ;
— ввести дополнительный раздел с другим порядком предоставления информационных документов и другими к ним требованиями для наземной космической инфраструктуры.

Иногда проблему с поставками комплектующих решают с помощью коммерческих фирм предлагающих необходимое оборудование, когда-то выкупленное у заводов. При этом возникают две проблемы:
— негодность купленного оборудования, несмотря на действительный гарантийный срок.
Причина – несоблюдение условий хранения.
— невозможность предъявить рекламацию фирме-посреднику в случае покупки некачественного оборудования.

Предложение: многие предприятия КТ ведут собственные базы недобросовестных поставщиков. Имеет смысл объединить эти базы для сокращения издержек.
Также в процессе проведения анализа информации об отказах агрегатов и систем комплексов технологического оборудования и средств подготовки и проведения пуска на космодроме Байконур было замечено, что в графе «вид отказа» эксплуатационные службы часто писали причиной отказа срок службы или деградационный отказ.

В соответствии с ГОСТ 51030-97 Комплексы ракетные и космические. Порядок организации и проведения рекламационной работы. Существует три типа отказов:
— конструкционный;
— производственный;
— эксплуатационный.

Предложение: учитывая большой процент такого рода отказов (45% от общего количества), имеет смысл ввести в ГОСТ такой вид отказов.

определение объема испытаний

Определение объема испытаний

Определение объема испытаний | areliability.com блог инженера по надежности

Определение необходимого объема испытаний для подтверждения заданного уровня надежности — важнейшая работа, связывающая надёжность техники и экономику.

Достаточно очевидно, что малый объём испытаний не позволяет сделать вывод о надёжности техники (смотри Байесовскую статистику), поскольку у нас слишком мало данных. С другой стороны, так же совершенно очевидно, что каждое проведённое испытание это время и деньги и если мы не хотим потратить астрономическую сумму на разработку новой техники, объём испытаний должен быть по возможности минимальным.

Экспериментальная оценка показателей надежности надёжности проводится по ГОСТ РО 1410-001-2009 — Системы и комплексы космические. Порядок задания требований, оценки и контроля надежности. Сам ГОСТ я не выкладываю, поскольку не хочу проблем. Ищите его в своем отделе стандартизации.

При экспериментальной отработке нового оборудования на надежность, согласно формуле, Ж.4 ГОСТ РО 1410-001-2009 можно провести определение объема испытаний для подтверждения требуемых значений ВБР (вероятности безотказной работы) при условии отсутствия зачетных отказов.

расчет количества испытаний

где P — это вероятность безотказной работы, а n — необходимый объём испытаний.

Чтобы было удобнее работать, я создал компактный онлайн-калькулятор, позволяющий сделать расчет необходимого количества испытаний. Для проведения расчёта введите требуемое значение ВБР в следующем формате без запятой, например так 0.993
0,993 — неверный формат.

P - требуемая вероятность безотказной работы
n - потребный объем испытаний для подтверждения ВБР

Минимальный необходимый объем испытаний необходимо учитывать при планировании длительности экспериментальной отработки на следующих этапах разработки.

Иногда важно оценить нижнюю доверительную границу Pн для ВБР при заданной доверительной вероятности γ.

Для этого в ГОСТ ГОСТ РО 1410-001-2009 есть формула И.9.

нижняя доверительная вероятность

Но на практике куда важнее сделать обратный расчёт, а именно определить необходимое число испытаний для подтверждения нижней доверительной границы для ВБР при заданной доверительной вероятности γ. Обычно в требованиях ТЗ γ прописывают как 0.9 реже 0.95

Доверительная вероятность γ
Нижняя доверительная граница Pн
Необходимое число испытаний

Для проведения расчёта введите требуемое значение и γ в следующем формате без запятой, например так 0.993
0,993 — неверный формат.

Надежность в технике. История и значения

Надежность в технике| areliability.com блог инженера по надежности

Надежность в технике. Надежность. Какие мысли рождаются у вас в голове, когда вы слышите это слово? Надежный друг? Надежный мужчина? Надежный банк? Надежный автомобиль?

Представьте, что некий человек, который учит русский язык, спросил вас, а что такое надежность? Наверняка вы используете такие слова как прочность, верность, стабильность, уверенность, добропорядочность, ответственность. И все они будут правильные!

Надежность в технике

Ниже расскажу про надежность в технике, а сейчас давайте посмотрим откуда вообще взялось слово надежность.

Интересно, что самое первое, зафиксированное на письме, употребление слова «надежный» встречается у «наше всё» Александра Сергеевича Пушкина:

Зовёт он слуг надёжных,
Своих проворных сердюков.

А.С. Пушкин, «Полтава», Песнь вторая, 1828 г.

Разумеется, тут же возникнет вопрос, а кто такие эти сердюки?

Сердюки (от тур. sürtük «проводник, соглядатай», или сердитые, злые) — казаки наёмных пехотных полков на Правобережной, позже на Левобережной Украине в XVII—XVIII веке.

Надежность происходит от существительного надежда, от праславянского na-dedi̯a, от которой в том числе произошли: древнерусское «надежа» (кстати один наш инженер обожал называть надежность именно надежой), белорусское «надзёжа», болгарское «наде́жда», устаревшее польское nadziewać в значении «надевать на себя».

В настоящее время у термина «надежность» есть вполне конкретное определение. ГОСТ 27.002-2015 гласит, что надежность это «Свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования».

Определение достаточно громоздкое, мне нравится другое, более простое и ёмкое. Надежность — это качество во времени. Расшифровка здесь простая — чем больше времени работает технический объект, тем ниже его надежность. Как говорят арабы: «Всё боится времени, в время боится пирамид».

В настоящее время надежность, как ключевое свойство технического объекта принято подразделять на четыре составляющие: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.

надежность техники

Надежность как свойство объекта сохранять свои свойства в течении времени волновала людей с самых ранних времен.

надежность история

Интересно, что самый древний свод законов в мире — законы Хаммурапи (древний Вавилон) уже содержал в себе параграфы, регламентирующие надёжность. Например, 229 параграф «Законов…» гласит: «Если строитель построил человеку дом и свою работу сделал непрочно, а дом, который он построил, рухнул и убил хозяина, то этот строитель должен быть казнен».

А вот как Петр I боролся за качество вооружения и организовывал испытания на надежность:

«Приказываю ружейной канцелярии из Петербурга переехать в Тулу и денно и нощно блюсти исправность ружей. Пусть дьяки и подьячие смотрят, как олдерман клейма ставит, буде сомнения возьмет, самим проверять и смотром, и стрельбою. А два ружья каждый месяц стрелять, пока не испортятся».

Когда я работал в космической отрасли, то слышал такую байку про надёжность. За правдивость не ручаюсь, расскажу как слышал. Когда создавалась отечественная ракета Н-1, для полётов на Луну, то на этапе проектирования никто не делал ни одного расчёта надежности. Результат известен: все четыре пуска Н-1 были неудачными и закончились падениями и взрывами ракет. Когда разработчика каждой системы ракеты спрашивали: «надежна ли ваша система?», то каждый отвечал: «да, конечно надежна». В итоге, когда после четвертого подряд неудачного пуска решили посчитать надежность ракеты, оказалось, что её надежность, характеризуемая таким показателем как ВБР (вероятность безотказной работы) составляет всего лишь 0,5! Для сравнения, у современных ракет надежность составляет 0,985.

надежность ракеты Н-1

Когда я знакомлюсь с новыми людьми, естественно, что меня спрашивают о моей профессии. И когда я говорю, что я инженер по надежности, делаю анализ и расчеты надежности, многие удивляются. Многие не знают, что надежность можно посчитать. Не только можно, но и нужно! Многие вещи можно понять интуитивно. Например, все мы знаем, что одна голова хорошо, а две лучше. Две системы управления лучше чем одна. Если одна откажет, другая сможет её заменить. Это называется резервирование.

А если мы поставим три системы управления, насколько это будет более надежно чем две? А если у нашего спускаемого аппарата предусмотрено четыре парашюта, и мы допускаем в них два отказа. Насколько это схема надежнее, чем спускаемый аппарат с тремя парашютами, но при это ни один из них не может отказать. Всё это и многое другое — задачи анализа надежности. Задача поиска компромисса между высокой надежностью изделия и ограничениями на габариты, массу и энергопотребления могут быть очень и очень интересными.

Поставим на беспилотный летательный аппарат три системы управления. Надежно? Да! Но мы заняли весь объем отсека с полезной нагрузкой и теперь наш беспилотник не сможет доставить груз до клиента, или сможет, но очень маленький. Значит надо найти разумный компромисс между надежностью, габаритами и массой. Все это — задачи инженера по надежности.

Без анализа надежности нельзя грамотно спроектировать ни одно техническое устройство. А ошибки при разработке обходятся дороже всего. Думаю вы прекрасно понимаете, что низкая надежность техники ведет к потерям денег, времени, экономическому и экологическому ущербу, но самое грустное — к ранениям и гибели людей. Чем больше людей будет разбираться в надежности, тем удобнее, приятнее и безопаснее будет мир вокруг нас.

Если вы хотите хорошо понимать надежность в технике и стать высокооплачиваемым специалистом, приглашаю вас пройти мой курс по обучению надёжности.

лямбда интенсивность отказов

Связь древней Спарты и интенсивности отказов

Порой, крайне интересно проследить путь появления и развития тех или иных явлений, которые кажутся хорошо знакомыми и изученными.

Любой специалист по надёжности хорошо знаком с греческой буквой Лямбда λ, обозначающей интенсивность отказов того или иного устройства, например диода, конденсатора или электроклапана. λ часто задаётся в размерности 10 в минус 6 степени отказов в час (отказов на миллион часов работы), а для размерности 10 в минус 9 степени отказов в час (отказов на миллиард часов работы) в англоязычной литературе принято понятие 1 фит.

Но откуда взялась сама лямбда? Очевидно, это буква греческого алфавита Λ (заглавная) или λ (строчная), которая затем превратилась в букву L,l латиницы и букву Л, л кириллицы.

Самым интересным оказалось то, что щиты с нанесённой лямбдой носили храбрые воины древней Спарты — греческого города-государства. Спарта, в отличие от других греческих полисов, за исключением, пожалуй, Афин широко известна в массовой культуре. Во многом благодаря успехам в военном деле, мужеству и храбрости спартанских воинов. Сложно встретить человека, который бы не знал о подвиге легендарных 300 спартанцев. Лямбда могла быть не только нарисована, но и вычеканена. Но почему Λ, если речь идёт о Спарте? Всё просто. Лямбда это начальная буква исторической области Лакония, столицей которой и по сей день является Спарта. А сами суровые спартанские воины звали себя лакедомоняне…Где-то рядом спряталась история и про лаконичность — умение говорить кратко и по существу. Но про это поговорим в другой раз:)

лямбда интенсивность отказов спарта

Вот такой парадокс судьбы или игра сил случайности (или же нет в этом никакой случайности). Лямбда на щитах воинов, превыше всего ценивших стойкость, решимость и надёжность («со щитом или на щите») стала показателем надёжности техники.

программа обеспечения надёжности

Программа обеспечения надёжности

Программа обеспечения надёжности (ПОН) — документ, устанавливающий комплекс взаимосвязанных организационных и технических мероприятий, методов, средств, требований и норм, подлежащих вы­полнению на стадиях жизненного цикла изделий и направленных на выполнение заданных в нормативной документации на изделие требований к надежности. Так гласит ГОСТ РВ 27.1.02-2005.

В авиации принято разрабатывать комплексную программу БНКТ (безопасность полёта, надёжность, контролепригодность, эксплуатационная и ремонтная технологичность). Комплексная программа БНКТ разрабатывается согласно ГОСТ В 20436-88.

Помимо этого ГОСТ, есть ещё один, более адаптированный под нужды космической промышленности, а именно ГОСТ РО 1410-003-2015, поэтому при разработке изделий ракетно-космической техники, рекомендуется использовать именно его. По вполне понятным причинам этот ГОСТ я не выкладываю в открытый доступ. На самом деле отличия между ГОСТ РВ 27.1.02-2005 и ГОСТ РО 1410-003-2015 минимальные и, по большому счёту, несущественные. Поэтому если на вашем предприятии нет ГОСТ РО 1410-003-2015, и вы напишите ПОН по ГОСТ РВ 27.1.02-2005, ничего страшного не произойдет, тем более ГОСТ РВ 27.1.02-2005 по-прежнему является действующим.

Согласно этому ГОСТ на каждой стадии жизненного (разработка, производство, эксплуатация) цикла разрабатывается свой ПОН.

Самое главное, что должно быть в ПОН, то, ради чего собственно ПОН пишется — это перечень конкретных мероприятий по обеспечению надёжности изделия на каждой стадии жизненного цикла.

Программа обеспечения надёжности, типовая структура.

— Титульный лист
— Содержание
— Нормативные ссылки
— Обозначения и сокращения
— Введение
— 1. Общие положения
— 1.1 Основание для разработки ПОН
— 1.2 Состав комплекса согласно схеме деления
— 1.3 Основные эксплуатационно-технические характеристики комплекса и его составных частей
— 1.4. Номенклатура показателей надежности комплекса и их количественные значения в соответсвии с ТТЗ
— 1.5 Условия применения комплекса и его изделий, совокупность воздействующих факторов
— 1.6 Перечень ПОН на СЧ комплекса, на которые выданы ТЗ
— 2 Основные принципы обеспечения надежности комплекса и его изделий
— 3 Перечень и содержание конкретных мероприятий по обеспечению надежности на каждом этапе создания — соль земли, то, ради чего пишется ПОН.
— 4 Порядок корректировки ПОН и контрольные этапы по завершении которых рассматривают ход реализации ПОН и порядок контроля

Если вы хотите лучше разобраться в том, как написать программу обеспечения надёжности и скачать пример ПОН, рекомендую купить мой видеоурок: «Программа обеспечения надёжности. Особенности». Сразу хочу предупредить, в своём видеоуроке я не пересказываю ГОСТ РВ 27.1.02-2005, его я настоятельно рекомендую прочитать перед выполнением ПОН.

В своём уроке я на примере конкретного ПОН покажу ключевые моменты, на которые стоит обратить внимание, вещи, на которые обращает внимание военная приёмка и дам ссылку на скачивание образца ПОН.

Ошибка в ГОСТ Р 51901.14-2007

Сообщаю, что в ГОСТ Р 51901.14-2007 «Менеджмент риска. Структурная схема надежности и булевы методы», подготовленным ОАО Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем, допущена серьёзная ошибка, которая, при использовании данным стандартом, может повлиять на точность расчётов надёжности техники и может привести к конструктивным отказам.

На странице 7 данного ГОСТ указано:

«В общем случае для вероятности безотказной работы последовательной системы из n элементов справедливо выражение»

Приведённая формула (см. прикрепленные изображения — скриншот ГОСТ Р 51901.14-2007) справедлива для параллельной, но никак не для последовательной системы.

В подтверждение моих слов прикрепляю скриншот стандарта IEC 61078:2006 (стр. 27), на основе которого был подготовлен ГОСТ Р 51901.14-2007.

Как видим, в нём нет никаких слов про последовательную систему, а формула относится к разделу 7.2.2 Parallel models (параллельные модели), что позволяет сделать однозначный вывод о том, что данная формула справедлива для параллельной, но никак не для последовательной системы.

Учитывая вышесказанное, ГОСТ Р 51901.14-2007 требует корректировки.

Это сообщение было направлено на официальный адрес ОАО Научно-исследовательский центр контроля и диагностики технических систем.

вероятность успеха

Вероятность успеха

вероятность успеха | areliability.com

Про блондинку, динозавра, преподобного Томаса Байеса и вероятность успеха при малой выборке – нехватке статистической информации (например пусков новых ракет или удачных свиданий)

Часто можно услышать довольно известный анекдот, который в разных вариантах звучит следующим образом: Блондинка сдаёт экзамен по теории вероятности и профессор, периодически поглядывая на её декольте, жадно вопрошает: «Скажите, голубушка, а вот какая вероятность того, что выйдя после экзамена из института на улицу вы встретите, ну, ну скажем динозавра?». Блондинка томно хлопает ресницами, поджимает сочные губки и тихо отвечает: «50/50».

Профессор закашливается:
— Что вы имеете в виду?
— Ну как что, или встречу или нет!

На этом месте полагается смеяться, радостно клеймя блондинок позором. Но так ли это?

Одна из хитростей и сложностей теории вероятности — это вопрос, что нам делать и как определить вероятность успеха, когда размер выборки не очень велик или, иными словами, у нас крайне мало статистической информации. Предположим, у новой ракеты был только один пуск и этот пуск был успешный. Насколько безопасным будет следующий пуск? Какая вероятность успеха второго пуска?

Далёкий от теории вероятности и наивный адепт частотного подхода скажет примерно так: «Был один пуск, был один успех, следовательно, разделив одно на другое мы получим вероятность успеха равную 1», полностью исключая возможность каких-либо отказов.

вероятность успеха

И умом, и чутьём мы понимаем, что рассуждать так полностью неверно. Предположим, у вас есть выбор: полететь на ракете, у которой было 99 успешных запусков и один сбой или на ракете, у который был всего 1 пуск, и он был успешный. Что бы вы выбрали? К гадалке не ходи (а обратись лучше ко мне за консультацией), скорее всего вы выберете ракету, которая уже слетала 100 раз, и ваша вера в неё основана на бо́льшем количестве информации.

Простая статистика не работает должным образом, когда мы имеем дело с небольшим объёмом выборки. Нам нужна формула, которая будет учитывать тот факт, что мы практически ничего не знаем. Нам поможет Байесовская статистика!

Удивительно, но сельский священник, преподобный Томас Байес в перерывах между литургией и булочками с маслом вывел в буквальном смысле душеспасительную формулу, которая помогает в XXI веке оценивать вероятность успеха космических пусков.

преподобный Томас Байес

В отчёте о космических пусках я нашёл формулу Байеса для того, чтобы правильно оценить вероятность успеха при малой выборке:

P= (k+1)/(n+2)

Где P — вероятность успеха следующей попытки, k — количество успешных событий на данный момент, а n — общее количество событий на данный момент. Формула называется «Байесовская оценка первого уровня средней прогнозируемой вероятности успеха». Следовательно:

Для новой ракеты: k = 1, n = 1, поэтому P = 0.67
Для многократно слетавшей ракеты: k = 99, n = 100, поэтому P = 0.99

Для новой ракеты вероятность успеха составляет 2/3, что следующий полет будет удачным. Это более объективная оценка нашего недостатка информации относительно новой ракеты. Да, у нас был один успешный полёт, и это хорошо, но мы все ещё мало что знаем о новой ракете. Для многократно слетавшей ракеты формула предсказывает вероятность успеха в 0,98, что почти соответствует обычной оценке вероятности. Если мы разделим 99 успехов на 100 пусков мы получим 0,99.

А что, если пусков вообще ещё не было? Давайте воспользуемся формулой. Тогда k = 0 и n = 0. Байес говорит, что вероятность успеха составляет 0,5. Шанс пятьдесят на пятьдесят, в этом есть смысл. Мы ещё ничего не пробовали, и у нас нет никакой информации, так что ещё мы можем сказать?

Этот последний пункт поднимает сложную проблему с байесовскими рассуждениями. Мы должны сделать начальное предположение о вероятности. Шанс 50-50 звучит разумно, но это все ещё предположение.

Блондинка была права?

Конечно, формула относится не только к ракетам. Это формула позволяет оценить вероятность успеха для всего, что является успехом / неудачей, истиной / ложью.
С помощью формулы Байеса мы можем, например, оценить вероятность счастливого свидания, вероятность удачной доставки пиццы и многого другого.


Попробуйте посчитать на досуге Байесовскую вероятность успеха с помощью моего калькулятора:

k - количество успешных событий
n - общее количество событий
P - вероятность успеха

ГОСТы по надёжности и безопасности

ГОСТы по надёжности | areliability.com блог инженера по надёжности

ГОСТы по надёжности

ГОСТы по надёжности

ГОСТЫ по надёжности — то, что совершенно необходимо каждому инженеру по надёжности. Здесь я выкладываю свою коллекцию. Обратите внимание! Новые ГОСТы появляются каждый год, поэтому рекомендую проверять актуальные ГОСТы на сайте http://docs.cntd.ru/gost Военные и ГОСТы и ОСТы не выкладываю по вполне понятной причине.

Если вы хотите хорошо разбираться в вопросах надежности техники и стать высокооплачиваемым специалистом, приглашаю вас пройти мой курс по обучению надёжности.

Итак, поехали:

1. ГОСТ 27.002-2015 Надёжность в технике. Термины и определения — тут на мой взгляд всё понятно.

2. ГОСТ 27.003-2011 Задание требований к надёжности — полезен при написании раздела по надёжности в ТЗ (техническом задании).

3. ГОСТ 27.301-95 Надёжность в технике. Расчет надёжности. Основные положения — один из самых нужных и полезных ГОСТ по надёжности. Содержит формулы, по которым проводится расчёт надёжности. Мой калькулятор сделан на основе этого ГОСТ.

4. ГОСТ 27.310-95 Надёжность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения — нужен для выполнения АВПКО и АВПО.

5. ГОСТ 21964-76 Внешние факторы. Номенклатура и характеристики — это уже больше к безопасности. Но если будете делать анализ безопасности, этот ГОСТ необходим.

6. ГОСТ Р 51901.12-2007 Метод анализа рисков и последствий отказов — ГОСТ сильно похож по смыслу на 27.310-95. Что интересно, оба действующие. Можно пользоваться тем, что по душе ближе.

7. ГОСТ Р 27.001-2009 Надёжность в технике. Система управления надёжностью. Основные положения

8. ГОСТ Р 27.004-2009.Надёжность в технике. Модели отказов

9. ГОСТ Р 27.302-2009 Надёжность в технике. Анализ дерева неисправностей

10. ГОСТ Р 51901.5-2005 Руководство по применению метода анализа надёжности

11. ГОСТ Р 51901.14-2007 Менеджмент риска. Стуктурная схема надёжности и булевы методы

12. ГОСТ Р МЭК 62502-2014 Менеджмент риска. Анализ дерева событий

13. ГОСТ Р МЭК 61511-1-2011 Безопасность функциональная. Системы безопасности

14. ГОСТ Р МЭК 61508-2-2012 Функциональная безопасность электронных систем

15. ГОСТ ISO 13849-1-2014 Элементы систем управления связанные с безопасностью

16. ГОСТ Р МЭК 60605-6-2007. Надёжность в технике. Критерии проверки постоянства интенсивности отказов и параметра потока отказов

17. ГОСТ Р ИСО 13381-1-2016 Прогнозирование технического состояния

18. ГОСТ Р 56526-2015 Требования надёжности и безопасности космических систем, комплексов и автоматических космических аппаратов единичного изготовления с длительными САС

19. ГОСТ Р 56524-2015 Системы космические. Соединители борт-земля. Предотвращение случайных неправильных соединений

20. ГОСТ Р 56523-2015 Программа обеспечения безопасности эксплуатации. Общие требования

21. ГОСТ Р 56516-2015 Порядок и правила обеспечения контроля надежности и безопасности космических систем

22. ГОСТ Р 54317-2011 Комплексы стартовые и технические. Требования безопасности

23. ГОСТ Р 51143-98 Стартовые комплексы. Общие требования к испытаниям и приёмке

24. ISO 14620-2 Космические системы — Требования безопасности. Операции на стартовом комплексе. Переводов на русский язык не обнаружено, поэтому сделал перевод сам.

25. ГОСТ РВ 27.1.02-2005 Программа обеспечения надежности. Общие требования. Основной документ для написания программы обеспечения надежности.

Если вы хотите хорошо разбираться в вопросах надежности техники и стать высокооплачиваемым специалистом, приглашаю вас пройти мой курс по обучению надёжности.

агрегат экстренной эвакуации Буран

Обеспечение безопасности посадки экипажа многоразовых суборбитальных ракет-носителей

Система аварийного спасения | areliability.com сайт инженера по надёжности

Ключевые слова: надёжность, безопасность, система аварийного спасения, САС, система аварийной эвакуации, стартовый комплекс, взрыв на стартовом столе, многоразовые средства выведения, суборбитальные ракеты, космический туризм.

САС

Автор: инженер по надёжности Алексей Глазачев.

Введение:

Многоразовые суборбитальные космические комплексы (МСКК) – относительно новая, но крайне перспективная и интересная ветвь развития космонавтики. В настоящее время сразу несколько стран имеют проекты разработки МСКК, разной степени реализации.

МСКК разрабатывают следующие компании:

— «Blue Origin» с их ракетой «New Shepard» (США);
— «Starchaser» с их ракетой «Skybolt 2» (Великобритания).

По некоторым данным работы по созданию МСКК ведутся в России и Китае.

МСКК имеют значительный коммерческий потенциал.

МСКК могут быть использованы:

— для космического туризма;
— для медицинских экспериментов, экспериментов в области материаловедения, электроники, биотехнологии в условиях невесомости;
— для производства предметов с уникальными характеристиками в условиях невесомости.

Возможны новые, пока неизвестные направления использования МСКК, например такие как реабилитация и лечение парализованных людей в условиях невесомости.

Преимущество МСКК состоит в том, что время полёта суборбитальной ракеты является относительно небольшим (15 минут), поэтому полученные результаты экспериментов или производства доступны для учёных или покупателей сразу после посадки.

Отличительные особенности МСКК:

— относительно небольшая высота подъема многоразовой суборбитальной ракеты (МСРН) и многоразового суборбитального космического аппарата c экипажем (МСКА) (150-200 км);
— небольшое время пребывание МСКА в невесомости (около 5 минут);
— высокая частота пусков (не менее одного пуска в неделю);
— высокая или полная многоразовость МСКК.

Перечисленные особенности предъявляют высокие требования к надёжности и безопасности МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды.

Описание проблемы:

Одним из самых опасных этапов эксплуатации МСКК является этап посадки экипажа в МСКА. В настоящем исследовании рассматривается опасность возгорания и взрыва двигателя первой ступени МСРН. Взрыв ракеты на старте гибелен для всего живого в радиусе нескольких сотен метров от эпицентра.

Предполагается, что произошла утечка топлива и началось возгорание вблизи двигателя. Эта ситуация близка аварии на старте космического корабля (КК) «Союз Т-10-1» в 1983 году [2], и является самым опасным вариантом, так как мощность возможного взрыва будет самой высокой, так как количество топлива в баках максимальное.

Прямое моделирование взрыва затруднено, так как механизм его протекания чрезвычайно сложный и требует колоссальных вычислительных мощностей. С точки зрения обеспечения безопасности, наиболее опасным воздействующим фактором рассматривается взрывная ударная волна (ВУВ), а именно волна давления, вызванная взрывом, поскольку ее характеристическое время имеет порядок около миллисекунды.
ВУВ может вызвать разрушение МСРН и МСКА, создать слишком высокое ускорение или вызвать переворот МСКА, что тем самым исключит, например, возможность выхода тормозных парашютов. Всё это приведёт к гибели экипажа. По сравнению с ВУВ, огненный шар (температурное поражение) и поражение осколками являются значительно более медленными событиями [3].

Результаты моделирования, представленные на рисунке 1, показали, что при взрыве двигателя первой ступени МСРН ударная волна имеет веретенообразную, а не сферическую форму [3].

Рисунок 1. Форма ВУВ при взрыве двигателя первой ступени
профиль распространения ударной волны при взрыве на стартовом комплексе

Взрыв придаёт МСКА дополнительное ускорение, что может привести к гибели экипажа, даже если она успела отойти на безопасное расстояние с точки зрения давления ударной волны. Данное условие должно быть отражено при проектировании двигателей системы аварийного спасения (САС) [3].

В настоящее время основным средством доставки космонавтов на МКС (международную космическую станцию) является пилотируемый космический корабль «Союз», отправляемый в космос на ракете семейства «Союз».

Вот как происходит посадка космонавтов в КК «Союз»:

«…автобусы везут космонавтов на гагаринский старт, где стоит дымящаяся ракета-носитель. Дым — а точнее пар — появляется от того, что в ракету заправляют сжиженный кислород (он служит окислителем топлива). При обычных температурах жидкий кислород испаряется и превращается в газ, поэтому дозаправка кислородом длится вплоть до момента старта. Михаил Корниенко, Александр Скворцов и Трейси Колдуэлл-Дайсон на специальном лифте поднимаются к люку и залезают внутрь. Оставшееся время до старта космонавты проведут в «Союзе» (КК), и единственная связь с внешним миром будет осуществляться по радио». [4]

Из этого фрагмента выделим ключевые особенности:

— космонавты приезжают на стартовую площадку на автобусе;
-ракета «парит», следовательно, она уже находится в заправленном состоянии;
— подпитка (дозаправка) ракеты продолжается вплоть до момента старта;
— космонавты подходят к заправленной ракете, поднимаются на лифте, садятся в космический корабль, пристыкованный к заправленной ракете, когда масса топлива в баках максимальна. Мощность возможного взрыва также максимальна.

В настоящее время во время посадки космонавтов существуют так называемые «мёртвые зоны». Если в эти моменты начнётся пожар МСРН, ведущий к взрыву, спасение космонавтов и обслуживающего персонала практически невозможно. Эти «мёртвые зоны»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК;
3) вход в ракету, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности;
4) закрытие люка КК.

Космонавты летают к МКС редко (не более 5 раз в год), поэтому такая рискованная схема посадки приемлема.
Для частых полётов МСКК необходимо придумать что-то более эффективное.

Статистика взрывов ракет на стартовых комплексах:
статистика взрывов на стартовом комплексе

Вероятность катастрофической ситуации, последствия которой это гибель людей, должна быть близка к вероятности погибнуть в авиакатастрофе. В настоящее время вероятность погибнуть в авиакатастрофе составляет около 0,00000015 [1]. Это почти в 100 раз менее вероятно, чем гибель в ДТП.

Задача: обеспечить безопасность МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды во время «мёртвых зон».

Обзор существующих средств спасения:

О необходимости спасения космонавтов в случае возникновения аварийной ситуации задумывалась с самого начала космической эры.

Функционально можно выделить две системы, обеспечивающие спасение экипажа:

1) Система аварийного спасения (САС). Реализуется как средства, позволяющие быстро увести капсулу с экипажем на безопасное от ВУВ расстояние и дальнейшую безопасную посадку. Так же реализуется в виде кресла-катапульты.

2) Система экстренной эвакуации (CЭЭ) экипажа со стартового стола. Реализуется в виде труб для скатывания, скоростных лифтов, фуникулёров.

Существуют две основные конфигурации САС, представленные на рисунке 2.

Первый тип САС «Тягач», который широко применялся в прошлом на КК «Джемини», «Меркурий», «Аполлон» и применяется настоящем на КК «Союз».

Другой тип, «Толкатель», который активно испытывают компании «SpaceX» и «Blue Origin».

САС, реализованные в виде кресла-катапульты использовались на КК «Восток» и КК «Буран».

Производительность двигателей, а именно начальное ускорение, является наиболее важным параметром САС, так как если ускорение слишком мало, МСКА не успеет выйти из опасной зоны, однако, если ускорение, развиваемое двигателями САС слишком высокое, экипаж погибнет из-за разрывов внутренних органов. Зависимость влияния ускорения на человеческую жизнь показано в директиве NASA. Human Integration Design Handbook. NASA Handbook. NASA/SP-2010-340 [8].

Рисунок 2. Возможные конфигурации САС
конфигурации системы аварийного спасения

На рисунке 3 показано число Маха для разных конфигураций САС, а на рисунке 4 показана зависимость ускорения от числа Маха для разных конфигураций САС. Ускорение вычисляется путем суммирования как давления, так и вязких сил на поверхности САС, в том числе внутри двигателей САС.

Ускорение конфигурации «Тягач» (Tractor) меньше, чем ускорение конфигурации «Толкатель» (Pusher). Шлейф двигателя САС влияет на МСКА, и это является одним из основных источников снижения ускорения. В дополнение к этому, коэффициент расширения сопла является небольшим в САС типа «Тягач», так как двигатели должны быть размещены на мачте САС небольшого диаметра. Поэтому использование конфигурации «Толкатель» более предпочтительно [3].

Рисунок 3. Числа Маха для разных конфигураций САС
числа Маха для разных конфигураций САС

Рисунок 4. Зависимость числа Маха и ускорения для разных конфигураций САС
Зависимость числа Маха и ускорения для разных конфигураций САС

Следует отметить, что САС КК «Союз», реализованная по типу «Тягач», первый раз в мире обеспечила спасение космонавтов со стартового стола в 1983 году.

Не смотря на свои сильные стороны, обе конфигурации САС не обеспечивает спасение экипажа и обслуживающего персонала в следующих «мёртвых зонах»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК;
3) вход в ракету, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности;
4) закрытие люка КК.
Существует несколько разных вариантов реализации СЭЭ.

КК «Восток», «Восход», «Меркурий» и «Джемини» не имели СЭЭ.
КК «Союз» не имеет СЭЭ, хотя до сих пор находится в эксплуатации.
КК «Буран» имел СЭЭ. Это был так называемый агрегат экстренной эвакуации (АЭЭ) в виде труб, подведенных к кабине корабля, по которым космонавты могли скатиться в безопасное место. АЭЭ представлен на рисунке 5.
КК «Спейс Шаттл» имел СЭЭ в виде корзин-кабинок, в которых космонавты могли эвакуироваться в безопасное место. Аналогичная система была у КК «Аполлон».
Для разрабатываемого КК «Орион» предполагалась СЭЭ в виде тележек, в которых космонавты могли эвакуироваться в безопасное место как на «американских горках».
Достоверно неизвестно, будет ли использоваться СЭЭ в пилотируемых проектах «Blue Origin» и «SpaceX».

Рисунок 5. «Буран». Хорошо видны трубы АЭЭ
агрегат экстренной эвакуации Буран

Не смотря на значительные размеры и возможности СЭЭ, они не обеспечивает спасение экипажа и обслуживающего персонала в следующих «мёртвых зонах»:

1) подъезд и приближение к ракете;
2) подъём на лифте к КК.

С некоторой вероятностью СЭЭ может спасти экипаж и обслуживающий персонал во время входа в космический корабль, размещения в креслах, застегивания ремней безопасности. Также с некоторой вероятность СЭЭ может спасти экипаж во время закрытия люка КК.

Учитывая, что аварийная ситуация (пожар на ракете) развивается очень быстро, у экипажа и персонала есть буквально несколько секунд для того, чтобы добежать и воспользоваться СЭЭ. Насколько это возможно в случае реальной аварийной ситуации – неизвестно.

Возможное решение проблемы:

В ТРИЗ (теории решения изобретательских задач) существует приём, который называется законом повышения идеальности системы. Идеальная техническая система — это система, вес, объём и площадь которой стремятся к нулю, хотя её способность выполнять работу при этом не уменьшается. Иначе говоря, идеальная система — это когда системы нет, а функция её выполняется [9].

Повторим нашу задачу: необходимо обеспечить безопасность МСКК для суборбитальных туристов, исследователей, научного экипажа, операторов орбитального производства, обслуживающего персонала и окружающей среды во время «мёртвых зон».

Предлагаемое решение состоит в том, чтобы сажать космонавтов в пустую, сухую, незаправленную МСРН.

Использование этого подхода позволяет уйти из «мёртвых зон» и значительно снизить опасность для экипажа и обслуживающего персонала в следующих ситуациях:

1) подъезд и приближение к ракете – безопасно;
2) подъём на лифте к КК – безопасно;
3) вход в КК, размещение в креслах, застегивание ремней безопасности – безопасно;
4) закрытие люка КК – безопасно.

МСКА при этом может использовать твердотопливные двигатели, отличающиеся более высокой надёжностью и безопасностью чем жидкостные.

В случае если МСКА использует жидкостные ракетные двигатели, он должен быть заправлен. Всё равно он будет безопаснее, чем заправленная МСКА, поскольку в нём будет намного меньше топлива и вероятность пожара и взрыва будет намного меньше. Либо МСКА заправлен менее взрывоопасными компонентами.

Сразу после размещения экипажа в МСКА, закрытия люка и его проверки на герметичность САС переводится в режим ожидания. Обслуживающий персонал покидает стартовую площадку. Экипаж защищён.
После этого начинается основная заправка МСРН.

Учитывая, что размеры суборбитальных ракет значительно меньше, чем размеры «классических» РКН, их баки значительно меньше. Использую мощные, высокопроизводительные насосы заправка МСРН может быть проведена не в течении нескольких часов, а значительно быстрее.

Например, РКН «Зенит-3SL» заправляется примерно за 1.5 часа. Заправляемые объемы горючего (РГ-1): 90 тонн первая ступень, 20 тонн — вторая ступень. Производительность топливного насоса составляет примерно 1.2 тонны в минуту. Тогда ракету с массой горючего 30 тонн можно будет заправить за 15 минут.

Недостатком такой схемы для экипажа является необходимость ждать, находясь пристегнутыми в своих креслах в КК.

Суборбитальные туристы в время могут записать видеообращение, которое будет крайне интересно пересмотреть после полёта и в будущем. Сразу после окончания заправки и отхода заправочных устройств производится пуск МСРН.

Ещё одно преимущество подобной схемы заправки состоит в том, что в этом случае не нужна «подпитка» МСРН и не нужна СЭЭ.

Одним из неизученных мест является необходимость дополнительных расчётов прочности и устойчивости. Нужно убедится, что, находясь в вертикальном положении МСРН не развалится и не упадёт, пока к ней будет пристыкован заправленный МСКА.

Заключение:

Я надеюсь, что эта статья будет способствовать созданию высоконадёжной космической техники и вдохновит инженеров на новые открытия и изобретения. Я надеюсь, что космические полёты в течении XXI века станут массовыми и безопасными и позволят людям воплотить их мечты о звёздах и космосе. Благодарю за внимание. Алексей Глазачев.

Система аварийного спасения

Источники информации:

[1] https://aviation-safety.net/statistics/
[2] Sanchez, M. J., 2007. A human factors evaluation of a methodology for pressurized crew module acceptability for zero-gravity ingress of spacecraft. NASA/TM—2000–209764
[3] «Development of numerical simulation method for safety evaluation of launch abort during ascent phase. Japan Aerospace Exploration Agency»
[4] https://lenta.ru/articles/2010/04/06/cosmonauts/
[5] http://www.v2rocket.com/start/deployment/timeline.html
[6] Proposed approach for estimating launch vehicle explosive risk
Russell W. Claus and Edward Zampino † NASA Glenn Research Center, Cleveland, Ohio 44135
[7] https://ru.wikipedia.org/wiki/Хронология_пилотируемых_космических_полётов
[8] NASA. Human integration design handbook. NASA Handbook. NASA/SP-2010-340
[9] https://ru.wikipedia.org/wiki/Теория_решения_изобретательских_задач

прочностная надёжность

Прочностная надёжность

Прочностная надёжность | areliability.com блог инженера по надёжности

прочностная надёжность

Прочностная надёжность

Прочностная надёжность это раздел теории надёжности изучающий вероятность безотказной работы (ВБР) различных механических элементов конструкции. Как правило это металлические детали, такие как корпус, ось, балка, труба и т.д. Сюда не относятся электрорадиоизделия и элементы пневматических или гидравлических систем.

На практике многие инженеры по надёжности считают что прочностная надёжность приблизительно равна единице и не включают элементы конструкции в свой расчёт и в структурную схему надёжности системы. Согласно книге Бирюков Г.П. «Основы надёжности и безопасности стартовых комплексов», для элементов конструкции системы у которых Км ≥ 1.5 (коэффициент безопасности), значения показателя надёжности принимаются равными P = 0,9999999 и вычислению не подлежат. Коэффициент безопасности определяется как соотношение средних значений прочности и напряжения. Таким образом, эту задачу решают «прочнисты», а не «надёжники».

Если вас не устраивает такое положение вещей и вы хотите более аккуратно определить какая будет прочностная надёжность для вашей детали, есть методика, которую приводит Малафеев С.И. в книге «Надёжность технических систем. Примеры и задачи».

Бирюков Г.П. упоминает, что исследования показали, что если причиной постепенного отказа механической детали является износ, то отказы подчиняются нормальному распределению.

Примеры задач

Пример расчёта 1:

Деталь самолёта способна выдерживать определённые нагрузки. Из испытаний известно, что вследствие изменения нагрузки напряжение имеет нормальное распределение с математическим ожиданием 30000 кПа и средним квадратическим отклонением (СКО) 3000 кПа. Вследствие колебаний характеристик материала и допусков на размеры прочность детали также является случайной величиной. Было определено, что прочность подчиняется закону нормального распределения с математическим ожиданием 40000 кПа и СКО 4000 кПа. Необходимо определить, какая будет прочностная надёжность (вероятность безотказной работы детали).

ВБР определяется через уравнение связи:

уравнение связи надёжность прочность
Где, mp — средняя величина напряжения в детали, σp — СКО нагрузки.

Воспользуемся калькулятором:

Математическое ожидание напряжения, возникающего в элементе
Среднее квадратичное отклонение этого напряжения
Математическое ожидание прочности материала элемента
Среднее квадратичное отклонение прочности материала элемента
Коэффициент безопасности
Коэффициент для определения ВБР

Полученное число необходимо найти в таблице нормального распределения. Fн(x) укажет на искомую ВБР. Для полученного числа 2, P(t) = 0,997.

Пример расчёта 2:

Известно, что напряжение, возникающее в элементе двигателя, имеет нормальное распределение с математическим ожиданием 350 МПа и средним квадратическим отклонением 40 МПа. Вследствие воздействия температуры и некоторых других случайных факторов прочность материала является случайной величиной с нормальным распределением с математическим ожиданием 820 МПа и средним квадратическим отклонением 80 МПа.

Для определения ВБР детали воспользуемся уравнением связи и калькулятором.

Полученное число необходимо найти в таблице нормального распределения. Fн(x) укажет на искомую ВБР. Для полученного числа 5.25, P(t) = 0,9999999.

Предположим, что плохая обработка и большие колебания температуры вызывают увеличение СКО прочности элемента до 150 МПа. В этом случае коэффициент безопасности останется неизменным, а ВБР изменится. Воспользуемся уравнением связи и калькулятором.

Полученное число необходимо найти в таблице нормального распределения. Fн(x) укажет на искомую ВБР. Для полученного числа 3.03, P(t) = 0,99877.

Разумеется, подставляйте в калькулятор свои числа, чтобы определить, какая будет прочностная надёжность детали для ваших условий.

Буду рад вашим отзывам. Надеюсь, что эта статья поможет созданию высоконадёжной техники.

Наше сообщество Вконтакте.