浅谈航天产品的可靠性评估及其设计方法

2016-05-17北京航天长征飞行器研究所谢亚梅何芸香

电子世界 2016年8期

北京航天长征飞行器研究所谢亚梅刘宁何芸香

浅谈航天产品的可靠性评估及其设计方法

北京航天长征飞行器研究所谢亚梅刘宁何芸香

【摘要】本文研究航天产品可靠性的评估方法和可靠性设计方法。通过对评估方法的研究，文章给出了5种不同系统的可靠性模型及其经典的和Bayes评估方法。通过对可靠性设计方法的研究，文章对系统设计，参数设计以及容差设计三种设计方法进行了说明，为航天产品了可靠性设计奠定了理论基础。

【关键词】航天产品；可靠性；评估；设计

1　概述

莱特兄弟发明了飞机实现人类的飞天梦为人类对宇宙空间探索奠定了坚实的基础。近年来，随着航天技术的不断发展与进步，各种航天产品无时不刻的影响着人类的生活，值得说明的是：飞机的成功研制使得我们的生存的巨大星球演变为现在的“地球村”。总之，飞机的发明对人类的发展有着极其重要的意义。

近年来，世界各国都在潜心研究航天技术，包括对各种型号航天产品的研发。在21世纪国际竞争日益严重的形势下，航天产品的先进与否直接决定着国家未来能否在国际中占据一席之地，与国家的命运也紧紧的联系在一起。若航天飞机或者战斗机中的一个元器件出问题，也就是其中的一个航天产品出问题会对整个局面造成不可估量的影响[1]。因此，为了保证我国航天技术的可持续发展，一定要对航天产品的质量做出把关和保证，也就是提高航天产品的可靠性，这样对国家主权，领土安全以及我国的可持续发展有着极其深远的意义。

2　航天产品可靠性分析

可靠性技术指的是个元器件，产品以及各种系统在一定的时间内可以无故障运行其指定功能的要求和能力。可靠性这一概念于20世纪50年代被提出，经过将近70年的发展过程中，可靠性技术已经形成一门单独的学科，而且在工业，国防等领域中发挥着不容忽视的作用[2]。

对于一般的产品及系统而言，可靠性技术包括了产品，元器件及系统的耐久性，设计的可靠性以及可维修性这三方面的内容。一般情况下，我们可以通过研究分析产品或系统的可靠度，失效率以及发生故障的时间间隔率来对该产品和系统进行可靠性的评估。

所谓可靠性评估指的是根据元器件及系统的结构，模型以及该产品的使用环境，并根据概率统计的计算方法对产品可靠性的点和区间做出估算，即对可靠性的下限值做出估算。系统的可靠性评估有别于产品的可靠性评估，它是在产品可靠性评估的基础上结合整个系统的组成部分和功能结构对其做出评估。

2.1航天产品可靠性评估建模

针对航天产品复杂的工艺流程和技术，在建模时需对航天产品系统的各分系统建立其串联的模型。航天产品系统常见的分系统模型一般有串联系统，并联系统，旁联系统，表决系统以及和联系统模型[3]。

（1）点的估算方法

不同系统模型所采用的点估算公式不同。其中，串联模型采用的点估算的公式为：

并联模型采用的公式为：

旁联模型采用的公式为：

（2）区间的估算方法

航天产品系统可靠性的区间估算方法相对于其点的估算方法是比较复杂的。同样可靠性的区间估算也有很多方法，而且，对于相同的数据和模型而言，采用不同的估算方法，其最后估算所得的结果也是各不相同的。鉴于航天产品系统特殊的可靠性评估要求，本章节讨论了两种区间估算方法，一种为经典的估算方法，另一种为Bayes估算方法。

这两种区间估算方法都有各自的特点。其中，经典的区间估算方法认为将要估算的参数是固定，但是其置信区间是随机的，该方法的优点主要体现于被估算的参数和置信区间可以全部归入到传统的概率论格局中；而Bayes估算方法的优势主要表现在：使用该估算方法可以充分利用现有的试验信息和以前的试验信息，进而可以节省试验时间。

当采用Bayes估算方法时，采用的第一和第二近似项公式分别如式（1）和式（2）所示：

其中：u为系统可靠度的一阶矩阵，v为系统可靠度的二阶矩阵。

当采用经典估算方法时，采用的第一和第二近似项公式分别如式（3）和式（4）所示：

2.2航天产品可靠性设计方法

在航天技术发展了这几十年以来形成了一系列的可靠性设计方法。通过对可靠性方法的优化可以提高航天产品的可靠性设计水平。任何一款成功的航天产品都是基于好的设计方法为基础的。一款成功的航天产品依赖于三次合理，科学的设计方法，包括有：系统设计，参数设计以及容差设计[5]。

2.2.1系统设计

航天产品的系统设计是根据该产品的技术文件要求进行的，也就传统的设计。在这一阶段的设计包括了对产品的控制方法，控制模式，以及系统需完成的功能和使命进行设计。在航天产品的系统设计这一阶段需要对各个分系统的参数进行考虑综合，并根据间接的资料和方案对产品进行预测。系统设计作为航天产品可靠性设计的第一步，为航天产品即将需要考虑的因素给出了依据。

2.2.2参数设计

参数设计不同于系统设计，它是一种非线性的设计方法。参数设计的目的在于：采用多种分析方法，找出各分系统的不同参数与输出特性的关系，进而确定出可靠性最高的参数组合。事实证明，各分系统质量的好坏会直接影响着整个航天产品系统的质量。但是，并不是高质量的分系统组合到一块就能形成高质量的航天产品系统。在实际生产中，高质量水平的航天产品系统是由不同档次的分系统组合而成的。

2.2.3容差设计

容差设计的目的是基于系统设计和参数设计基础上对整个系统进行质量和成本进行评估，以达到质量和成本同步的结果。容差设计主要是研究该航天产品允许的容差范围和质量成本之间的关系。

总之，航天产品的可靠性设计不仅与初始设计有关，还必须严格控制产品的研制过程。除此之外，加强对航天产品测试的力度，对航天产品研发的每个过程都要进行质量评估和把关。