載人飛船測控產品的可靠性工程設計

沈伊慧 張明棟 王杰 范素華 崔煒

摘要：隨著科學技術的發展，產品可靠性問題越來越突出，特別是對于航天產品，而飛船作為載人航天任務的主要工作載體，其可靠性要求比一般航天系統更為苛刻，載人飛船設備的不可維修性更使得其可靠性設計難上加難，本文主要從載人飛船測控產品的可靠性設計、可靠性試驗進行描述。

關鍵詞：飛船設備；可靠性設計；測試

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0145-02

載人飛船工程是我國迄今為止最復雜、最龐大的航天工程，這其中包括：航天員系統、飛船應用系統、載人飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、著陸系統以及航天測控與通信系統。我所承擔了測控與通信的分系統中的九個子系統：S波段應答機、S波段數傳機、話音通信、短波通信、超短波通信、圖像傳輸、遙測、遙控、C波段應答機以及天線子系統，基本覆蓋了從視頻到高頻的無線電技術產品。為了要確保航天員的絕對生命安全，系統的設計要保證“一次故障仍能可靠工作，兩次故障仍能安全返回”，其可靠性和安全性指標均要達到0.9以上。

1 系統構成（圖1）

2 硬件可靠性設計

載人航天產品系統復雜、環境嚴酷、成本高昂，如果發生故障，可能導致災難性后果，因此可靠性要求極高，從研制一開始就必須切實地開展可靠性設計工作，以保證產品可靠性滿足要求。

可靠性設計就是系統的考慮產品可靠性要求的工程設計，不存在獨立于工程設計之外的可靠性設計。詳細一點說，就是對產品、性能、可靠性、等各方面因素綜合權衡，從而實現產品的最優設計，本章只對載人飛船產品的硬件可靠性設計進行闡述。

2.1 預防性設計

預防性設計是通過可靠性、維修性預計與分析手段發現薄弱環節，然后再設計上采取防止措施，從而提高載人航天產品的可靠性。

可靠性預計是在產品還處在設計階段就要推算出產品可能達到的可靠性水平，以便對各種設計方案進行比較；或通過預計發現薄弱環節，以便加以改進。由于設計階段產品的實體尚未形成，不可能依靠試驗來了解產品的可靠性，另外，對于整船要在實際使用條件下作試驗來了解可靠性也是不實現的，通常采取可靠性預計的方法。

2.2 冗余設計

系統發生故障，本質上就是存在某種錯誤，要做到容忍這種錯誤，不需采取消除錯誤后果的措施。常用的手段就是投入超過正常設計所需資源即外加資源來換取更高的可靠性與安全性，以實現系統符合容錯準則：“故障-工作”或“故障-安全”。

在航天產品中，提高可靠性的最主要的方式就是采用冗余設計，而不同的冗余設計帶來的效果也不一樣，冗余設計的方式有：并聯冗余、表決冗余和儲備冗余。

2.3 可靠性試驗

可靠性試驗的根本目的主要是兩個：一是增長，二是驗證。

因此，所謂可靠性試驗就是為了提高和驗證產品可靠性所進行的試驗，統稱為可靠性試驗。換言之，所謂可靠性試驗就是能夠定量的回答產品可靠性水平或可靠性增長程度的試驗?？煽啃栽囼灴煞譃榭煽啃栽鲩L試驗和可靠性驗證試驗。

2.4 可靠性增長試驗

可靠性增長試驗就是旨在暴露問題，驗證改進措施，使可靠性獲得增長的試驗?？煽啃栽鲩L試驗可以歸納為3種典型方式。

（1）試驗—改進—再試驗。這種方法是通過試驗來暴露問題，從而分析原因，然后立即著手改進，進而再通過試驗驗證，如此反復，也就是說邊試邊改，增長曲線近似為平滑上升曲線，如圖2（a）所示。

（2）試驗—發現問題—再試驗。這種方法是通過試驗發來現問題，發現問題后并不立即著手改進，繼續試驗，再發現問題，等到了一個階段結束后，對問題一起進行改進。增長曲線為階梯型曲線，如圖2（b）。

（3）帶延緩改進的試驗—改進—再試驗。這種方法是通過試驗來暴露問題，對于試驗發生的有些問題立即著手改進，而有些問題延緩到結算結束后再改進。增長曲線為階躍形上升曲線，如圖2（C）。它是前面2種曲線的疊加。

2.5 可靠性驗證試驗

可靠性驗證試驗通常是抽樣試驗，因此要求驗證的產品技術狀態，生產條件必須具備一致性與穩定性，從中抽樣必須是隨機的，試驗條件必須與產品實際使用任務剖面所遇到的條件相一致或盡量模擬真實使用條件，這樣才能保證抽樣的代表性?？紤]到一批產品內往往存在某些實際差異，因此原則上應當至少要抽取兩個受試樣品。

3 結語

載人飛船工程是我國迄今為止最復雜、最龐大的航天工程，載人飛船一期的圓滿成功，為二期的交會對接打下了扎實的基礎。載人飛船二期設備在延續一期設備的前提下，不斷的改進以便提高產品的可靠性，從設計初期用元器件應力法對產品進行可靠性預計，到設計完成后對產品進行可靠性評估，再通過可靠性評估對一些產品進行可靠性增長試驗。

在可靠性設計的道路上，我們要學習的還有很多，通過不同手段使產品的可靠性不斷的提高，確保載人航天任務圓滿完成，正是設計師們共同的愿望。