Обеспечение надежности технических систем космического назначения на этапах проектирования

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

В. Е. Патраев, Е. А. Шангина

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

Красноярск 
СФУ 
2019

УДК 629.78.01-027.45(07)
ББК 39.62-022-021я73
П207

Р е ц е н з е н т ы: 
И. В. Трифанов, доктор технических наук, профессор кафедры технического регулирования и метрологии Сибирского государственного 
университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева;
В. В. Федосов, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры 
систем автоматизированного управления Сибирского государственного 
университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Патраев, В. Е.
П207 
 
Надежность технических систем космических аппаратов : учеб. пособие / В. Е. Патраев, Е. А. Шангина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 66 c.
ISBN 978-5-7638-4261-6

Изложена методология обеспечения надежности сложных технических систем космического назначения.
Предназначено для студентов направлений подготовки 27.04.03 «Системный анализ и управление», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», изучающих дисциплины «Качество и надежность космических систем 
и аппаратов», «Надежность и техническая диагностика».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 629.78.01-027.45(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 39.62-022-021я73

ISBN 978-5-7638-4261-6 
© Сибирский федеральный
университет, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список cокращений ...................................................................................4
Введение .......................................................................................................5

Глава 1. Космические аппараты как объекты  
обеспечения качества и надежности ......................................................9
1.1. Общие проблемы надежности космических аппаратов.  
Термины и определения........................................................................9
1.2. Назначение и состав космических аппаратов .................................. 12
1.3. Этапы жизненного цикла космических аппаратов ......................... 13
1.4. Работы по обеспечению надежности, выполняемые  
на этапах жизненного цикла космического аппарата ..................... 15
1.5. Причины возможной ненадежности  
космического аппарата ...................................................................... 22
1.6. Требования по надежности к космическим аппаратам .................. 25
1.7. Показатели надежности космических аппаратов  
и нормирование надежности ............................................................. 26
Вопросы и задания для самоконтроля .................................................... 33

Глава 2. Обеспечение надежности космических аппаратов  
и их радиоэлектронных систем на этапах проектирования ........... 34
2.1. Принципы обеспечения надежности ................................................ 34
2.2. Расчет надежности технических систем  
космических аппаратов ...................................................................... 42
Вопросы и задания для самоконтроля .................................................... 60

Заключение ............................................................................................... 61
Библиографический список .................................................................. 63

СПИСОК CОКРАЩЕНИЙ

АВПКО 
– анализ видов, последствий и критичности отказов
БА 
– бортовая аппаратура
ВБР 
– вероятность безотказной работы
ДИ 
– динамические испытания
КА 
– космический аппарат
КД 
– конструкторская документация
КДИ 
– конструкторско-доводочные испытания
КК 
– космический комплекс
КС 
– космическая система
ЛИ 
– летные испытания
ЛОИ 
– лабораторно-отработочные испытания
НЭО 
– наземная экспериментальная отработка
ПСИ 
– приемо-сдаточные испытания
РН 
– ракета-носитель
САС 
– срок активного существования
СИ 
– специальные испытания
ССН 
– структурная схема надежности
ТД 
– технологическая документация
ТЗ 
– техническое задание
ТТЗ 
– тактико-техническое задание
ТТТ 
– тактико-техническое требование
ТУ 
– технические условия
ФКП 
– факторы космического пространства
ФСС КТ – Федеральная служба сертификации космической  
техники
ЭРИ 
– электрорадиоизделия

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России значительное внимание уделяется 
развитию космических информационных технологий в области космических средств спутниковой связи и ретрансляции информации. 
Этот процесс идет по пути создания космических аппаратов с длительными сроками активного существования (10−15 лет). Срок активного существования 15 лет и более позволяет заметно сократить 
количество запусков аппаратов для развертывания и восполнения отечественных орбитальных группировок различного функционального назначения, снижает материальные затраты на их создание, обеспечивает конкурентоспособность и безопасность изделий.
Нормы проектирования таких аппаратов разработки АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева апробированы на практике при эксплуатации спутников 
разного функционального назначения. И в целом, исходя из результатов многолетних анализов эксплуатационной надежности и технического состояния различных КА, являются достаточно эффективными, поскольку обеспечивают эксплуатационную надежность 
и гарантийный срок активного существования эксплуатируемых 
аппаратов. Полная апробация гарантийного срока активного существования достигнута для аппаратов герметичного исполнения 
(«Экспресс-А», «Sesat», «Экспресс-АМ22»), которые отработали 
требуемый гарантийный срок активного существования на орбите 
(5 и 10 лет соответственно) и долгое время эксплуатировались сверх 
этого требуемого срока. «Экспресс-22» превысил 15-летний срок активного существования, при требуемом ресурсе космического аппарата 12 лет, и продолжает эксплуатироваться. Спутник «Sesat» отработал на орбите 17 лет и закрыт заказчиком в исправном состоянии 
как морально устаревший.
Вместе с тем следует отметить, что уровень эксплуатационной 
надежности современных отечественных космических аппаратов 
свидетельствует о наличии ряда ранее нерешенных или вновь возникших проблем обеспечения надежности (при выведении их на ор

Введение

биту и при эксплуатации). На этапе запуска – неисправности средств 
выведения. На этапах летных испытаний и эксплуатации проявляются неисправности различной классификации, не выявленные на ранних этапах создания, при этом преобладают отказы комплектующих 
электрорадиоизделий и покупных комплектующих.
Относительный уровень отказов и существенных неисправностей современных спутников по причине отказов электрорадиоизделий и покупных комплектующих, по сравнению с аппаратами предыдущих поколений, не снижается, несмотря на более совершенную 
базу перспективных конструктивных решений, использование унифицированных, то есть более отработанных, платформ и процедур 
обеспечения качества партий, применяемых электрорадиоизделий 
перед комплектацией в аппаратуру космических аппаратов.
Следовательно, отечественная космическая отрасль стоит перед необходимостью решения такой важной проблемы, имеющей 
большое народнохозяйственное значение, как обеспечение эксплуатационной надежности перспективных КА.
Понятие обеспечения надежности – комплексное. Под обеспечением надежности понимается совокупность координируемых 
действий, являющихся частью системы управления надежностью 
и ориентированных на достижение, поддержание и подтверждение 
требуемого уровня надежности. В пособии мы будем рассматривать 
вопросы обеспечения требуемой надёжности таких аппаратов на 
этапах проектирования.
Вопросы обеспечения надежности сложных технических систем возникли одновременно с появлением первых образцов сложной послевоенной техники: электронных вычислительных машин, 
радиоэлектронных систем, бортовых систем ракет и космических 
аппаратов и др.
В связи с усложнением техники, ужесточением требований по 
надежности, предъявляемых к конкретным образцам, и техническим 
прогрессом в целом актуальность проблемы только растет. Связано 
это с тем, что структура сложных технических систем различной направленности включает десятки тысяч электрорадиоизделий и компонентов, имеющих различный характер работы, при этом предъ

Введение

являются все более высокие требования к показателям надежности 
систем в условиях жестких внешних воздействий.
Реальный пример сложной технической системы – это космический аппарат любого функционального назначения, в состав 
которого входят электрические, электронные, оптикомеханические, 
электромеханические, механические, химические, фотоэлектронные, газодинамические системы и оборудование, а также десятки 
тысяч комплектующих электрорадиоизделий.
Решение проблемы обеспечения надежности сложных технических систем на примере космических аппаратов связано с целым 
рядом технических и организационных аспектов, один из которых – 
обучение и подготовка специалистов (магистров), хорошо знающих 
специфику данных вопросов на уровне, позволяющем использовать имеющиеся знания на этапах создания космических аппаратов 
и любой другой сложной техники. Если теории надежности как научной дисциплине посвящено множество изданий, то необходимо 
отметить, что современная библиография содержит ограниченный 
перечень публикаций и изданий, посвященных современным методам и приемам обеспечения надежности не только КА длительного 
функционирования на этапах проектирования, но и любых других 
сложных технических систем. Это затрудняет проведение работ по 
системному и комплексному решению данной проблемы в виде рационального сочетания методов расчета надежности и организационно-технических методов обеспечения надежности.
Цель пособия − подготовка студентов как будущих специалистов предприятий-разработчиков сложной технической техники 
к решению задач обеспечения надежности космических аппаратов 
и оборудования на этапах проектирования, а также повышение качества высшего профессионального образования.
В задачи авторов входило:
• систематизация общей теоретической подготовки студентов 
в области теории надежности применительно к космическим аппаратам;
• изучение структуры аппаратов как сложной технической системы;