Управление обеспечением стойкости сложных технических систем

Бакулин В.Н. Малков С.Ю. Гончаров В.В. Ковалев В.И.




Управление обеспечением стойкости сложных технических систем







МОСКВА ФИЗМАТЛИТ ®

УДК 523.4, 629.7
ББК 39.62
     Б19

Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований по проекту 04-01-14123д



    Бакулин В. Н., Малков С. Ю., Гончаров В. В., Ковалев В. И. Управление обеспечением стойкости сложных технических систем. —М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. — 304 с. — ISBN 5-9221-0664-3.
    В монографии рассмотрены методические основы создания сложных технических систем, стойких к воздействию дестабилизирующих факторов различной физической природы. На примере летательных аппаратов рассмотрена процедура расчетно-экспериментальной оценки стойкости. Показано, как на основе разработанных методов может осуществляться управление обеспечением стойкости сложных технических систем на различных этапах их разработки: при обосновании и задании требований к стойкости, в ходе проектирования и экспериментальной отработки, в процессе подтверждения заданных требований на этапе приемочных испытаний.
    Книга предназначена для специалистов в области проектирования сложных технических систем, аспирантов и студентов старших курсов технических вузов.





























ISBN 5-9221-0664-3

                                     (О ФИЗМАТЛИТ, 2005
              (О В. Н. Бакулин, С. Ю. Малков,
                В. В. Гончаров, В. И. Ковалев, 2005

ОГЛАВЛЕНИЕ


Перечень сокращений...................................... 8
Предисловие.............................................. 10
Введение................................................. 12



I.    МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ СОЗДАНИЕМ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ, СТОЙКИХ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ



Глава 1. Проблемы обеспечения стойкости сложных технических систем к воздействию дестабилизирующих факторов ............................................... 17
 1.1. Стойкость СТС и анализ проблем, возникающих при реализации мероприятий по ее обеспечению на различных этапах жизненного цикла объектов.............................. 17
 1.2. Анализ научно-методических проблем в области задания и подтверждения требований к стойкости СТС............... 21
 1.3. Цель и задачи управления обеспечением стойкости СТС . . 26

Глава 2. Методический подход к заданию и подтверждению требований к количественным характеристикам стойкости при наличии неопределенностей ................ 32
 2.1. Анализ существующих подходов к учету неопределенностей при задании и подтверждении требований к характеристикам стойкости и надежности СТС.................... 32
 2.2. Методический подход к заданию требований к количественным характеристикам стойкости.......................... 37
 2.3. Методы учета неопределенностей при расчетноэкспериментальной оценке стойкости..................... 45
 2.4. Принципы организации работ по подтверждению требований по стойкости при наличии неопределенностей......... 53


Глава 3. Методические основы учета неопределенностей при задании требований к стойкости СТС ......... 57
 3.1. Методические принципы задания требований к стойкости СТС................................................. 57

I

Оглавление

 3.2. Общее содержание работ и этапы обоснования требований к количественным характеристикам стойкости............... 58
 3.3. Неопределенности, возникающие в процессе обоснования требований по стойкости, и методы их учета для различных ситуаций................................................. 64

     3.3.1. Ситуация 1: непреднамеренное воздействие факторов естественного происхождения (66). 3.3.2. Ситуация 2: преднамеренное воздействие дестабилизирующих факторов с известными характеристиками (74). 3.3.3. Ситуация 3: преднамеренное воздействие дестабилизирующих факторов с неизвестными характеристиками (81).


Глава 4. Методические основы учета неопределенностей при подтверждении требований к стойкости СТС .       85
 4.1. Методические принципы подтверждения требований к стойкости СТС........................................... 85
 4.2. Этапы подтверждения требований по стойкости. Особенности проведения испытаний на моделирующих установках. .    89
 4.3. Неопределенности, возникающие в процессе оценки и подтверждения стойкости, и способы их учета................ 94
     4.3.1. Неопределенности при подтверждении требований по стойкости на основе полномасштабных испытаний СТС (94).
     4.3.2. Неопределенности при подтверждении требований по стойкости на основе автономных испытаний отдельных составных частей и подсистем СТС (98).
 4.4. Подтверждение требований к количественным характеристикам стойкости при наличии разного объема исходных

     данных............................................. 104
     4.4.1. Подтверждение требований на основе полномасштабных испытаний СТС (104). 4.4.2. Подтверждение требований на основе расчетов и автономных испытаний составных частей и систем СТС (ПО).


Глава 5. Особенности учета неопределенностей при оценке и подтверждении стойкости СТС .................. 115
 5.1. Оценка показателей живучести на различных этапах жизненного цикла разработки СТС.......................... 115
 5.2. Особенности использования метода повышенных нагрузок для увеличения информативности зачетных испытаний ... 118
 5.3. Возможности использования инженерных методов при формировании оценочной функции потери работоспособности .................................................. 122
 5.4. Влияние неопределенностей в оценке функции потери работоспособности объектов испытаний на достоверность подтверждения стойкости.................................. 124

Оглавление

5

 5.5. Рациональное планирование мероприятий по обеспечению и подтверждению стойкости и методы оценивания резуль     татов работ




128

II. РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА СТОЙКОСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ К ВОЗДЕЙСТВИЮ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ



Глава 6. Постановка задачи оценки стойкости

 6.1. Элементы летательных и космических аппаратов, наиболее

    подверженные воздействию протонного излучения

135

136

 6.2. Уровни характеристик протонного излучения, воздействующего на элементы летательных и космических аппаратов

       142

     6.2.1. Источники и уровни протонного излучения (142).
     6.2.2. Аналитический метод расчета транспортировки потоков нейтральных частиц (143).
 6.3. Механизмы поражения элементов летательных и космических аппаратов при воздействии протонного излучения . . . 148
 6.4. Условия и критерии поражения элементов летательных и космических аппаратов при воздействии протонного излучения ................................................. 151
     6.4.1. Условия и критерии поражения жидкостных двигательных установок (151). 6.4.2. Условия и критерии поражения твердотопливных двигательных установок (153). 6.4.3. Условия и критерии поражения бортовой аппаратуры системы управления (155).


Глава 7. Расчетно-экспериментальные методы оценки и критериальные уровни поражения (стойкости) жидкостных и твердотопливных двигательных установок при воздействии протонного излучения ................... 156
 7.1. Аналитический метод расчета энерговыделения протонного излучения в конструкционных материалах и цилиндрических оболочечных конструкциях с учетом его начальной немоноэнергетичности................................... 157
 7.2. Численный метод расчета тепловыделения в цилиндрической многослойной конструкции твердотопливной двигательной установки при воздействии немоноэнергетичного протонного излучения................................... 174

Оглавление

 7.3. Расчетная оценка прочности корпуса твердотопливной двигательной установки при тепловом воздействии протонного излучения .............................................
 7.4. Расчетная оценка возможности самовоспламенения топлива при тепловом воздействии протонного излучения.......
 7.5. Расчетная оценка внутрибаллистических характеристик и поражения твердотопливной двигательной установки при тепловом воздействии протонного излучения..............
 7.6. Расчетная оценка теплового воздействия протонного излучения на корпус топливного бака и поражения жидкостной двигательной установки.................................
 7.7. Численный метод расчета электрических токов и потенциалов в диэлектрической многослойной оболочечной конструкции при воздействии протонного излучения .........
 7.8. Экспериментальные методы и результаты определения электрофизических характеристик диэлектрических конструкционных материалов в условиях и вне воздействия протонного излучения...................................
 7.9. Расчетная оценка условий возникновения электрических пробоев в корпусе твердотопливной двигательной установки ....................................................
7.10. Расчетная оценка условий воспламенения топлива при электрическом пробое корпуса твердотопливной двигательной установки...........................................
7.11. Критериальные уровни поражения (стойкости) твердотопливных и жидкостных двигательных установок при воздействии протонного излучения...........................

Глава 8. Расчетно-экспериментальные методы оценки и критериальные уровни поражения (стойкости) бортовой аппаратуры системы управления при воздействии протонного излучения ....................................
 8.1. Методика экспериментального определения реакции электрорадиоизделий на воздействие протонного излучения . . . 8.1.1. Состав и описание экспериментального стенда (238). 8.1.2. Измерение параметров воздействующего на объекты испытаний протонного излучения (243).     8.1.3. Объекты
     испытаний, критерии и показатели их стойкости (245). 8.1.4. Порядок проведения испытаний (245).
 8.2. Результаты экспериментальной оценки поражающего действия протонного излучения на электрорадиоизделия аппаратуры системы управления............................
     8.2.1. Определение уровней необратимых отказов электрорадиоизделий (247). 8.2.2. Определение условий возникновения сбоев

188

192


193


198


204



217


228


229


232




237

238






247

Оглавление

7

     в электрорадиоизделиях (250). 8.2.3. Оценка воздействия протонного излучения на работоспособность стабилитронов (255).
   8.3. Экспериментальная оценка вторичных электромагнитных эффектов, возникающих при воздействии протонного излучения ...............................................
      8.3.1. Электромагнитные поля в корпусах приборов (257).
      8.3.2. Радиационно-наведенные токи и потенциалы в линиях связи (257). 8.3.3. Оценка влияния радиационно-наведенных токов и потенциалов на уровень бессбойной работы цифровых интегральных микросхем (259). 8.3.4. Оценка возможности
      электрических пробоев между конструкцией и электрическими цепями системы управления (261).
   8.4. Анализ результатов испытаний и экспериментальных оценок ...................................................
      8.4.1. Необратимые отказы цифровых интегральных микросхем (262). 8.4.2. Сбойные эффекты в интегральных микросхемах (263). 8.4.3. Реакция аналоговых элементов электроники на воздействие протонного излучения (264). 8.4.4. Влияние возникающих вторичных электромагнитных эффектов на поражающее действие протонного излучения (265).

Глава 9. Критериальные уровни поражения (стойкости) летательных и космических аппаратов. Рекомендации по повышению их стойкости. Управление стойкостью .....................................................
Приложение 1. Расчетные соотношения для оценки результатов испытаний сложных технических систем на моделирующих установках ...................................................
Приложение 2. Методы учета неопределенностей различного типа при подтверждении требований к стойкости СТС...........

Список литературы.........................................

255

262

268


274

278

286

Перечень сокращений





Перечень сокращений




БАСУ - бортовая аппаратура системы управления
БКС - бортовая кабельная сеть
ВБХ - внутрибаллистические характеристики
ВЭМЭ - вторичные электромагнитные эффекты
ГПО - герметизированный приборный отсек
ДВ - дестабилизирующее воздействие
ДУ - двигательная установка
ДФ - дестабилизирующий фактор
ЖКТ - жидкие компоненты топлива
ЖРД - жидкостной ракетный двигатель
ИМС - интегральные микросхемы
ИИ - ионизирующие излучения
ИСП - излучения средств поражения
НЭТ - изделия электронной техники
КА - космический аппарат
КМ - композиционный материал
КПЭ - концентрированные потоки энергии
КС - камера сгорания
КТМ - конструктивно-технические меры
ЛА - летательный аппарат
МУ - моделирующие установки
НДС - напряженно-деформированное состояние
НИР - научно-исследовательская работа
ОКР - опытно-конструкторская работа
ПИ - протонное излучение
ПНЧ - поток нейтральных частиц
ПИП - полупроводниковые приборы
ПРИ - принцип распределения приоритетов
ПФ - поражающий фактор
ПЭВМ - персональная электронно-вычислительная машина
РН - ракета-носитель
РНТП - радиационно-наведенные токи и потенциалы
РНЭП - радиационно-наведенная электропроводность
РСВ - расчетные ситуации воздействия
РСлВ - расчетные случаи воздействия
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
СВМ - синтетический волокнистый материал

Перечень сокращений

9

   СОК - силовая оболочка корпуса
   СТС - сложная техническая система
   СУ - система управления
   ТЗ - техническое задание
   ТЗП - теплозащитное покрытие
   ТТ - твердое топливо
   ТТЗ - тактико-техническое задание
   ТО - технический облик
   ТТХ - тактико-технические характеристики
   ТУ - технические условия
   УБР - уровень бессбойной работы
   УНО - уровень необратимых отказов
   ФУ - функциональный элемент
   ЭВМ - электронно-вычислительная машина
   ЭИБ - экспериментально-испытательная база
   ЭМП - электромагнитное поле
   ЭП - электропроводность
   ЭМИ - электромагнитный импульс
   ЭРИ - электрорадиоизделия

Предисловие





Предисловие


   Проблема обеспечения стойкости сложных технических систем, то есть их способности сохранять нормальное функционирование в процессе и после воздействия дестабилизирующих факторов (радиационных, термосиловых, вибрационных и др.), является весьма актуальной в различных прикладных областях.
   Обеспечение стойкости сложных технических систем к воздействию дестабилизирующих факторов является весьма длительным, трудоемким, многоитерационным процессом, связанным с учетом различного типа неопределенностей. Во-первых, данный процесс охватывает все основные этапы жизненного цикла системы, который может длиться десятилетия. Во-вторых, определение уровней показателей стойкости само по себе является весьма сложной задачей, существенно более сложной, чем, например, определение уровней показателей надежности. В-третьих, оценка стойкости сложной технической системы к воздействию дестабилизирующих факторов требует обширных знаний в различных научных и технических областях. Это обусловлено необходимостью определения физических механизмов воздействия дестабилизирующих факторов на объект, знания особенностей функционирования сложной технической системы, умения прогнозировать реакцию функционирующей системы на воздействие, сопровождающуюся протеканием различных по своей природе физических процессов. И, наконец, в-четвертых, оценка стойкости обычно затруднена недостаточностью необходимых для этого данных.
   Кроме того, существует еще одно обстоятельство, имеющее важное прикладное значение. Оно обусловлено необходимостью заложить в проектируемую сложную техническую систему такие уровни стойкости к воздействию дестабилизирующих факторов, которые могли бы обеспечить ее безотказное функционирование на протяжении всего жизненного цикла. С другой стороны, желание обеспечить стойкость с большим запасом может повлечь негативные последствия, заключающиеся в дополнительных затратах, возможном ухудшении других характеристик системы, усложнении технологического процесса при производстве и т.п. Поэтому нахождение разумного компромисса в данном случае является насущной потребностью и требует от специалистов в этой области глубоких знаний и большого опыта.
   В этом и во многих других аспектах проблемы обеспечения стойкости и надежности сложных технических систем имеют много общего.