運(yùn)載火箭加注系統(tǒng)可靠性評定方法研究

梁曉朋，王朝暉

運(yùn)載火箭加注系統(tǒng)可靠性評定方法研究

梁曉朋，王朝暉

（航天工程大學(xué)，北京，101416）

運(yùn)載火箭加注系統(tǒng)是航天發(fā)射場關(guān)鍵系統(tǒng)之一，由于加注系統(tǒng)具有設(shè)備多，信息采集點(diǎn)多、面廣，技術(shù)、控制邏輯復(fù)雜等特點(diǎn),從各大發(fā)射場執(zhí)行加注任務(wù)的情況看，設(shè)備故障概率較高，系統(tǒng)可靠性需進(jìn)一步提高。對加注系統(tǒng)可靠性評定方法進(jìn)行研究，重點(diǎn)評估加注系統(tǒng)設(shè)備可靠性和任務(wù)可靠性，分析加注設(shè)備級、系統(tǒng)級薄弱環(huán)節(jié)，提出加注系統(tǒng)的可靠性分析和評定方法的解決方案。

運(yùn)載火箭;加注系統(tǒng);可靠性

0 引 言

運(yùn)載火箭加注系統(tǒng)是航天發(fā)射場關(guān)鍵系統(tǒng)之一，由于加注系統(tǒng)具有設(shè)備多，信息采集點(diǎn)多、面廣，技術(shù)、控制邏輯復(fù)雜等特點(diǎn)，從各大發(fā)射場執(zhí)行加注任務(wù)的情況看，雖然沒有出現(xiàn)過影響加注進(jìn)程的問題，但設(shè)備故障概率較高，系統(tǒng)可靠性需進(jìn)一步提高。本文對加注系統(tǒng)可靠性評定方法進(jìn)行研究，重點(diǎn)評估加注系統(tǒng)設(shè)備固有可靠性和任務(wù)可靠性，分析系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，提出加注系統(tǒng)的可靠性分析和評定方法的解決方案，為加注系統(tǒng)可靠性管理提供依據(jù)[1]。

1 研究思路和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 研究思路

設(shè)備研制過程中，由設(shè)計(jì)、工藝制造、材料以及零件選擇等因素確定的可靠性稱為設(shè)備固有可靠性，文中簡稱設(shè)備可靠性。設(shè)備可靠性評估是為了考察設(shè)備自身因素對設(shè)備正常工作程度的影響，目的是通過檢修檢測發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的隱患和薄弱環(huán)節(jié)，采取措施，消除隱患，提高設(shè)備任務(wù)可靠性。設(shè)備可靠性評估采用設(shè)備投入使用后自身故障數(shù)據(jù)和任務(wù)中設(shè)備自身故障數(shù)據(jù)進(jìn)行評估[2]。

任務(wù)可靠性指設(shè)備在加注期間完成規(guī)定任務(wù)的能力，是由加注任務(wù)執(zhí)行中設(shè)備自身、使用操作、技術(shù)、人為因素等決定的可靠性。重點(diǎn)是：a）經(jīng)過檢修檢測采取措施后設(shè)備遺留下的故障隱患；b）由于使用操作不當(dāng)、人為因素對完成任務(wù)的影響；c）加注過程中發(fā)現(xiàn)的故障，是加注系統(tǒng)任務(wù)可靠性評估的關(guān)鍵。任務(wù)可靠性評估所使用的數(shù)據(jù)主要采用任務(wù)中設(shè)備自身故障數(shù)據(jù)和任務(wù)中設(shè)備使用操作故障數(shù)據(jù)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

a）加注系統(tǒng)可靠性模型。

加注系統(tǒng)可靠性模型主要建立在系統(tǒng)物理模型的基礎(chǔ)上，建立物理模型時(shí)要綜合考慮系統(tǒng)的實(shí)際情況，如冗余措施、降額使用、故障切換等；在建立可靠性分析模型時(shí)，運(yùn)用可靠性網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，在考慮節(jié)點(diǎn)可靠度的情況下，分析評定設(shè)備的固有可靠性及任務(wù)可靠性。

b）加注設(shè)備可靠性分布函數(shù)。

設(shè)備可靠性分布函數(shù)一般采用成敗型與指數(shù)分布型兩種。

使用成敗型分布類型的主要原因是對于服從任意分布的總體分布，在給定時(shí)間段內(nèi)觀察，可以看作是成敗型數(shù)據(jù)類型，或成功或失敗，不同的觀察時(shí)間，其概率不同。在工程應(yīng)用中，便于獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

使用指數(shù)型壽命分布類型的主要原因是一般電子產(chǎn)品認(rèn)為壽命分布服從指數(shù)分布，也可以用來描述大型復(fù)雜系統(tǒng)故障間隔時(shí)間的分布。另外，經(jīng)過老練篩選，消除了早期故障，且進(jìn)行定期產(chǎn)品的更換，其工作基本控制在偶然失效期。這樣可靠性分析時(shí)建模計(jì)算分析方便，參數(shù)估計(jì)容易，故障率可加，能夠給出滿足工程分析精度的結(jié)果，工程中獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)方便。

c）可靠性數(shù)據(jù)的收集與分析[3]。

1）可靠性數(shù)據(jù)的收集。

主要收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)和使用現(xiàn)場的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)分類。

在所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)樣本中，將故障數(shù)據(jù)根據(jù)與設(shè)備的關(guān)聯(lián)程度，分為設(shè)備自身故障和設(shè)備操作使用故障兩類。設(shè)備自身故障是指由于設(shè)備自身原因引起的故障；設(shè)備操作使用故障是指任務(wù)階段由于設(shè)備操作使用不當(dāng)引起的故障。

根據(jù)故障發(fā)生的時(shí)間階段，分為檢修檢測階段發(fā)生的故障和任務(wù)中發(fā)生的故障兩類。檢修檢測是指航天產(chǎn)品進(jìn)場前對加注系統(tǒng)進(jìn)行的檢修、檢測工作和航天產(chǎn)品加注前所進(jìn)行的一些調(diào)試和技術(shù)準(zhǔn)備工作（如流量計(jì)校驗(yàn)、塔上回流等）；任務(wù)中是指加注過程中發(fā)生的故障（特指加注過程中的5 h）。

3）數(shù)據(jù)分析。

文中可靠性數(shù)據(jù)的分析主要是對加注系統(tǒng)設(shè)備的故障進(jìn)行分析，設(shè)備故障既有由硬件缺陷和性能惡化引起的，也有由軟件錯誤引起的，還有人為因素。分析故障可用：物理論模型和概率論模型處理。物理論模型從失效機(jī)理進(jìn)行分析，概率論模型從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度出發(fā)，找出故障的概率分布。

2 加注系統(tǒng)主要的可靠性設(shè)計(jì)

現(xiàn)以A工程加注系統(tǒng)為例，主要負(fù)責(zé)某型火箭的加注任務(wù)，加注系統(tǒng)分兩個子系統(tǒng)：一系統(tǒng)和二系統(tǒng)。一系統(tǒng)負(fù)責(zé)芯一子級和助推01、04級；二系統(tǒng)負(fù)責(zé)芯二子級和助推02、03級。

a）采用交叉冗余貯備設(shè)計(jì)，具有多并聯(lián)、多旁通的特性。

重要的工藝設(shè)備和自動控制設(shè)備廣泛采用了冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。如一系統(tǒng)和二系統(tǒng)的泵全部采用熱備份，備用泵可隨時(shí)投入使用。且一系統(tǒng)泵和二系統(tǒng)泵互為備份，必要時(shí)可通過開啟泵前、泵后隔離閥進(jìn)行交叉使用。

b）采用了迂回加注功能的設(shè)計(jì)。

庫房內(nèi)故障時(shí)，可由一子級迂回加注助推01、04級，01、04級迂回加注一子級；二子級迂回加注助推03、02級，03、02級迂回加注二子級，可確保某一子級故障時(shí)系統(tǒng)不停泵。

c）控制系統(tǒng)具有降級指揮控制功能。

軟件設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)控、計(jì)算機(jī)近控、控制臺工序按鈕控制等多種控制方式，相互備份，并可進(jìn)行降級控制和指揮權(quán)的主備機(jī)切換，增加了系統(tǒng)對局部設(shè)備故障的適應(yīng)能力。當(dāng)出現(xiàn)控制故障時(shí)，系統(tǒng)可從計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制逐級降級為計(jì)算機(jī)近程控制、工序控制和控制臺手動控制，可確保上一級控制失靈時(shí)仍可完成規(guī)定的加注任務(wù)。對控制臺按鈕進(jìn)行唯一定義，軟件具有對控制方式的自動識別和鎖定功能，可保證任何時(shí)刻控制權(quán)的唯一性。

d）X/A工程加注狀態(tài)隔離。

工藝外管線上分別采用雙備份手動閥進(jìn)行X工位和A工位狀態(tài)隔離。泵控間分別設(shè)置X工位和A工位加注控制臺，分別獨(dú)立進(jìn)行X工程和A工程的手動控制。控制間PLC柜增設(shè)X工程PLC及其接口模板。A工程加注軟件與X工程加注軟件通過插撥庫房PLC機(jī)箱上的（S5-135U）CPU928模板上的EPROM進(jìn)行切換。

e）信號采集點(diǎn)多、面廣。

每種推進(jìn)劑加注系統(tǒng)所采集的液位、溫度、流量、壓力、閥門等模擬量、開關(guān)量、脈沖量信號多達(dá)300路，每路信號具有實(shí)時(shí)直顯和記錄多種方式，為故障識別、信號辨識提供重要的技術(shù)安全保障。

f）加注量采用箭上和地面同時(shí)計(jì)量方式。

加注量的計(jì)量采用地面流量計(jì)和箭上液位傳感器同時(shí)計(jì)量的方式，互為補(bǔ)充，確保計(jì)量準(zhǔn)確安全。

g）選用可靠性高的設(shè)備和元器件。

加注渦街流量計(jì)、遠(yuǎn)控COROS工作站、PLC、網(wǎng)絡(luò)及其中繼器、交直流變換設(shè)備均采用德國產(chǎn)品，并采用冗余設(shè)計(jì)，確保總體可靠安全。

h）軟件可靠性高。

在軟件設(shè)計(jì)時(shí)對可能發(fā)生的典型故障模式進(jìn)行了分析、歸類，并針對控制系統(tǒng)的特點(diǎn)提出了具體的處理方法。控制軟件按照B級軟件設(shè)計(jì)、編碼和測試，特別注重進(jìn)行安全性測試，具備完善的故障監(jiān)測、控制、報(bào)警機(jī)制，對系統(tǒng)局部設(shè)備故障（如罐低液位保護(hù)、泵高低壓保護(hù)等）有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

i）可維修性好。

系統(tǒng)可維修性好，一般情況下，只要不影響加注進(jìn)程，對故障設(shè)備進(jìn)行維修可確保設(shè)備投入正式加注任務(wù)時(shí)的高可靠性。

j）完成任務(wù)時(shí)間相對集中。

加注系統(tǒng)占用發(fā)射程序的工作時(shí)間約2.5天，其中技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間近2天，加注時(shí)間5 h（含狀態(tài)轉(zhuǎn)換），時(shí)間相對集中，因而在做好相關(guān)技術(shù)準(zhǔn)備后，可確保加注前設(shè)備處于正常的工作狀態(tài)，有利于提高系統(tǒng)的任務(wù)可靠性。

3 加注系統(tǒng)的可靠性分析和評定

3.1 加注系統(tǒng)的可靠性分析框圖

根據(jù)921工程加注系統(tǒng)流程示意圖，可知921工程加注系統(tǒng)采用兩貯箱同時(shí)加注時(shí)，其加注任務(wù)可靠性框圖如圖1所示。

圖1 加注系統(tǒng)加注任務(wù)可靠性框圖

3.2 故障數(shù)據(jù)分類

將與設(shè)備自身相關(guān)的故障分為兩類：a）檢測檢修期間出現(xiàn)的故障；b）任務(wù)實(shí)施期間出現(xiàn)的故障。

任務(wù)實(shí)施期間出現(xiàn)的故障也分為兩類：a）任務(wù)中設(shè)備使用操作故障；b）任務(wù)中設(shè)備自身故障。設(shè)備使用操作故障只統(tǒng)計(jì)任務(wù)期間出現(xiàn)的故障。對于不影響試驗(yàn)進(jìn)程、不造成測試重復(fù)、不影響任務(wù)成敗的故障不記入統(tǒng)計(jì)。

一般可靠性數(shù)據(jù)分布類型在工程中最常用的是成敗型分布類型和指數(shù)型壽命分布類型。本次評估中，就采用了這兩種分布類型。

試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)之間關(guān)系如圖2和圖3所示。表1為可靠性數(shù)據(jù)的搜集表。

圖2 設(shè)備可靠性有關(guān)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)

圖3 設(shè)備任務(wù)可靠性有關(guān)試驗(yàn)故障數(shù)據(jù)

表1 可靠性數(shù)據(jù)搜集（統(tǒng)計(jì)時(shí)間區(qū)間：年月日～年月日）

Tab.1 Collection of Reliability Data

設(shè)備名稱分布類型總試驗(yàn)次數(shù)或總試驗(yàn)時(shí)間任務(wù)工作時(shí)間檢測檢修中設(shè)備自身故障數(shù)任務(wù)中設(shè)備故障數(shù)任務(wù)中設(shè)備使用操作故障數(shù) —“0”代表成敗型“1”代表指數(shù)型成敗型填次數(shù)指數(shù)型填時(shí)間指數(shù)型填———

3.3 可靠性分析

圖4 可靠性分析例圖

3—3個單元的并聯(lián)單元

如圖4所示，單元正常條件下系統(tǒng)正常事件為

同理，單元故障條件下，系統(tǒng)正常事件為

因此，系統(tǒng)正常事件為

單元可靠度對系統(tǒng)可靠度的影響為

如果取單元可靠度為

則，

顯然，對系統(tǒng)可靠度影響最大的單元為處于無冗余狀態(tài)的單元，例如單元3、單元、單元；對系統(tǒng)可靠度影響較小的單元為處于有冗余狀態(tài)的單元，例如單元1、單元2、單元。

系統(tǒng)可靠度的表達(dá)式為

系統(tǒng)可靠度平方的表達(dá)式為

因此，系統(tǒng)可靠度的一階矩、二階矩為

3.4 加注系統(tǒng)設(shè)備可靠性評定

加注系統(tǒng)需要評定的設(shè)備有：加注泵、氣動球閥、流量計(jì)、管路系統(tǒng)、電動調(diào)節(jié)閥、加注控制系統(tǒng)等等。根據(jù)以往收集的試驗(yàn)及任務(wù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，按照成敗型分布類型對設(shè)備可靠性做出評定[4]，結(jié)果如表2所示。

加注系統(tǒng)全部故障中，檢測檢修發(fā)現(xiàn)故障率達(dá)到100%，任務(wù)中發(fā)生故障率達(dá)到0%，說明檢測檢修措施比較得力，檢測檢修規(guī)章制度比較完善。

表2 加注系統(tǒng)的設(shè)備可靠度

Tab.2 Equipment Reliability of Filling System

設(shè)備檢測檢修故障任務(wù)中故障可靠度置信度試驗(yàn)次數(shù)次 加注泵400.95084979050.7108 氣動球閥2800.99413435750.75292 流量計(jì)300.98701478750.7324 管路系統(tǒng)400.96714258750.7162 電動調(diào)節(jié)閥300.98937085950.7396 加注控制系統(tǒng)2600.95624924650.7660

3.5 加注系統(tǒng)任務(wù)可靠性評定

根據(jù)以往收集的任務(wù)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，按照成敗型分布類型對任務(wù)可靠性作出評定[5]，結(jié)果如表3所示。加注階段設(shè)備任務(wù)可靠性為0.988 447 05。氣動球閥、加注控制系統(tǒng)、電動調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)、管路系統(tǒng)、加注泵等，任務(wù)中沒有發(fā)生設(shè)備故障和使用操作故障，說明檢測檢修措施和使用操作規(guī)程合理，任務(wù)可靠性高。

表3 加注系統(tǒng)設(shè)備任務(wù)可靠性

Tab.3 Task System Reliability of Filling System

設(shè)備名稱可靠性設(shè)備自身故障使用操作故障 氣動球閥0.999903476800 加注控制系統(tǒng)0.999226321200 電動調(diào)節(jié)閥0.998710867900 流量計(jì)0.998424619900 管路系統(tǒng)0.996851721700 加注泵0.995281301300 加注階段設(shè)備任務(wù)可靠性：0.98844705

4 結(jié) 論

本文在理論研究的基礎(chǔ)上，以921工程中某火箭加注系統(tǒng)的可靠性分析為例，運(yùn)用多年積累的數(shù)據(jù)和故障統(tǒng)計(jì)，采用一系列可靠性分析方法，分析加注設(shè)備級、系統(tǒng)級薄弱環(huán)節(jié)，探討解決加注系統(tǒng)的可靠性分析和評定問題，給出系統(tǒng)可靠性建議，提高加注系統(tǒng)執(zhí)行試驗(yàn)任務(wù)的安全性。此方法可以推廣應(yīng)用到任意結(jié)構(gòu)的加注系統(tǒng)可靠性分析和評定中，通過對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評定，找出影響系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為加注系統(tǒng)可靠性管理提供依據(jù)。

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Research on Launch Vehicle Filling System Reliability Assessment Method

Liang Xiao-peng, Wang Zhao-hui

（Space Engineering University, Benjing ,101416）

Launch vehiclefilling system is a key system of launch site, due to the filling system has the information of equipment, to collect more widely, complex technology, control logic, from the launch site to perform the task of filling, equipment failure probability is higher, need to further improve the system reliability. Reliability assessment method is studied, to analyse the filling system, the key equipment reliability and mission reliability assessment of filling system, weak link analysis system, put forward the solution.

launch vehicle; filling system; reliability

V55

A

1004-7182(2020)02-0105-06

10.7654/j.issn.1004-7182.20200220

梁曉朋（1981-），男，講師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭加注系統(tǒng)。

王朝暉（1972-），男，副教授，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭加注系統(tǒng)。

2018-03-20；

2019-07-08