Методика расчета надежности бортового комплекса управления спутника дистанционного зондирования земли с учётом функционального резервирования

Введение

Бортовой комплекс управления (БКУ) представляет собой совокупность систем космического аппарата, обеспечивающих управление его функционированием как единого целого: ориентацию и стабилизацию, обмен информацией с наземным комплексом управления, автономную навигацию, контроль состояния бортовых систем и диагностику неисправностей [4]. Надёжность БКУ определяет надёжность выполнения целевой задачи спутника дистанционного зондирования Земли (СДЗЗ) в целом, поэтому оценка вероятности безотказной работы (ВБР) комплекса и обоснование схемы резервирования его составных частей являются актуальной инженерной задачей [1]. Рассматриваемый в статье БКУ реализован в практике проектирования космических аппаратов АО «НПО Лавочкина» – ведущего российского предприятия ракетно-космической отрасли.

Состав бортового комплекса управления СДЗЗ

В состав БКУ СДЗЗ входят бортовой интегрированный вычислительный комплекс (БИВК); командно-измерительные приборы – солнечный датчик (СД, 2 шт.), звёздный датчик (ЗД), измеритель угловой скорости (БИУС), магнитометр цифровой трёхкомпонентный (МЦТ, 2 шт.); исполнительные органы – электромагнитное устройство (ЭМУ, 3 шт.) и силовой гироскопический комплекс (СГК, 4 шт.); а также запоминающее устройство (ЗУ), автономная система навигации (АСН) и блоки электроавтоматики – блок управления (БУ), блок автоматики и подрыва пиротехники (БАППТ) и блок управления двигательной установкой (БУДУ).

Резервирование в составе БКУ реализовано двумя способами: мажоритарным – для СГК (требуется работоспособность 3 из 4 приборов) и ЭМУ (2 из 3), и ненагруженным дублированием – для МЦТ, ЗУ (совместно с телеметрической системой, ТМС) и части командно-измерительных приборов. Такая структура позволяет сохранять управляемость спутника при отказе отдельных составных частей.

Методика расчёта надёжности

Расчёт вероятности безотказной работы БКУ основан на структурной схеме надёжности (рис.), построенной с учётом функционального резервирования составных частей спутника, не входящих в состав БКУ. Срок активного существования комплекса принят не менее 7 лет (61320 ч). Для каждого прибора известны интенсивность отказов λ и соответствующая ей вероятность безотказной работы за заданный срок эксплуатации.

Рис. Структурная схема надёжности БКУ СДЗЗ

Для групп ненагруженного резерва с разной интенсивностью отказов вероятность безотказной работы вычисляется по формуле [2]:

, (1)

Где λ₁, λ₂ – интенсивности отказов резервируемых элементов; t – срок эксплуатации.

Для мажоритарного резервирования типа «m из n» вероятность безотказной работы группы из n=4 элементов с требованием работоспособности m=3 определяется как [3]:

, (2)

Для схемы «2 из 3» вероятность безотказной работы группы определяется аналогично:

, (3)

Где P – вероятность безотказной работы одного элемента группы.

Результаты расчёта и их анализ

Вероятность безотказной работы отдельных составных частей БКУ за срок эксплуатации 61320 ч составила от 0,985 (СГК) до 0,9995 (ЗД и БУ). С учётом принятой схемы резервирования итоговая вероятность безотказной работы всего комплекса составила P(БКУ) = 0,98981.

Для сравнения был выполнен расчёт вероятности безотказной работы той же совокупности приборов без учёта резервирования, то есть при их последовательном логическом соединении в структурной схеме надёжности: P(БКУ, без резерва) = 0,92609. Итоговые показатели сведены в таблице.

Таблица

Итоговые показатели надёжности БКУ

Разность между этими значениями свидетельствует, что за счёт ненагруженного и мажоритарного резервирования составных частей вероятность безотказной работы БКУ спутника возрастает на 6,37 процентных пункта. Наибольший вклад в этот прирост вносит резервирование СГК и ЭМУ, обладающих наименьшей единичной надёжностью среди составных частей БКУ.

Заключение

Проведённый анализ состава бортового комплекса управления СДЗЗ и расчёт его надёжности подтверждают, что применение функционального резервирования составных частей – мажоритарного для СГК и ЭМУ, ненагруженного для МЦТ и ЗУ – существенно повышает вероятность безотказной работы комплекса управления. Достигнутый прирост этого показателя, составивший 6,37 процентных пункта, при семилетнем сроке активного существования подтверждает целесообразность принятой резервированной структуры БКУ для обеспечения выполнения целевой задачи СДЗЗ.