航天器总装可靠性研究 Reliability of Spacecraft Assembly

航天器总装可靠性研究  Reliability of Spacecraft Assembly

易旺民，孙 刚，刘宏阳
( 北京卫星环境工程研究所，北京100094 )
摘要：文章针对航天器总装过程的特点，提出了航天器总装的可靠性评估理论。首先，提出了航天器总装可靠性的概念，然后对航天器的总装过程进行了建模分析，阐述了航天器总装的可靠度分配原理以及总装FMEA 评估方法，从而初步建立了一套适应航天器总装的可靠性理论，以此有效的控制航天器的总装质量，查找出总装过程中的潜在故障失效模式，从而达到提高航天器总装质量和效率的目的。

关键词：可靠性；航天器总装；建模；可靠度分配；FMEA

中图分类号：V416.5 文献标识码：A 文章编号：1673-1379（2006）03-0161-04

1 引言
新一代航天器具有功能密集度高、敏感部件和活动部件多、工作寿命长、经历的轨道剖面环境严酷复杂等特点，客观上对航天器总装可靠性提出了更高的要求。如何应对这种严峻的挑战，需要加强对航天器总装可靠性的研究，逐步提高航天器总装技术水平，适应高可靠性、小批量化的航天器总装要求。
本文主要是从航天器总装过程的特点出发，借鉴产品设计可靠性的理论[1，2]，提出了针对航天器总装的可靠性分析方法和理论，初步建立航天器总装可靠性评估体系。

2 航天器总装可靠性定义
航天器总装可靠性是在一定的条件下，在一定的时间内，完成规定的航天器总装工作的能力。
这里的“一定的条件”是指航天器总装操作时现有的、规定的总装条件和环境；“一定的时间”是指航天器总装的正常时间进度；“规定的航天器总装工作”是指航天器总装过程的某道工序、某个关键控制过程、某个舱段总装，甚至整星的总装操作。航天器总装可靠性涉及因素多、关系复杂。
从参与人员方面看，航天器总装操作涉及总装操作人员、工艺人员、设计人员、质量人员、检验人员、技安人员和其他保障人员和管理人员；从设备工装方面看，航天器总装过程使用设备繁多，包括专用总装设备、通用总装设备、小型工装工具；从总装操作时间方面看，航天器总装操作过程经历时间长，从几个小时到几个月、甚至几。航天器每一个相关要素的可靠性都直接影响着航天器系统的总装可靠性，因此要加强航天器总装过程的可靠性研究，将各个总装要素纳入总装可靠性控制体系，最大限度地降低总装失效的风险，以满足不断提高的航天器总装技术要求。

3 航天器总装可靠性建模
3.1 可靠性建模的概念
航天器总装可靠性建模，主要是针对可靠性框图而言，建立系统、分系统或设备的可靠性模型，目的是用来定量分配、估算和评估产品的可靠度。根据建模目的的不同，可靠性建模可以分为基本可靠性模型和任务可靠性模型[3，4]。基本可靠性模型用来估计产品及其组成单元可能发生的故障引起的维修及保障要求的可靠性模型。系统中任一个单元发生故障后都需要维修或更换，都会产生维修及保障要求。基本可靠性模型中各个单元是串联关系，系统的可靠度是各个组成单元可靠度的乘积。任务可靠性模型是用来评估产品执行任务过程中规定功能的概率，描述完成任务过程中产品各单元的预定作用并度量工作有效性的一种可靠性模型。一般来说，存储单元越多，其任务的可靠性就越高。
这两种可靠性模型有着明显区别：基本可靠性模型的框图是唯一的；而任务可靠性模型的框图因任务剖面的不同而不同。基本可靠性模型是一个纯串联结构，系统中储备单元越多，系统的可靠性就越低；而任务可靠性模型是由串连、并联、混联等形式组成的模型，为了增加系统的可靠性，需要在系统中增加一些储备单元。

3.2 航天器总装可靠性建模
航天器总装过程涉及的要素非常多，概括起来主要包括：航天器舱体、仪器及总装直属件、总装工装设备、吊车及其控制、总装环境、工艺人员、操作人员、设计人员、质量人员、检验人员、技安人员及其他管理人员等。以航天器舱段对接的总装操作为例，图1 为基本可靠性模型，各个要素之间是一种简单的串联关系；图2 为任务可靠性模型，可以看出舱段对接总装操作过程中各个可靠性要素之间的相互关系。
航天器总装的任务和产品的任务明显不同。前者是完成对某个对象的总装操作，而后者是实现某项功能。航天器总装操作过程中，各个组成要素是相互作用的，人的因素影响明显，具有很大的不确定性，而产品在完成某项功能时，各个组成单元的关系是确定的，目的性非常明确。

3.3 航天器总装可靠度分配理论
在对系统可靠度极性分配计算时，需要先对航天器总装可靠性的要素进行梳理、归纳，提炼出影响航天器总装可靠性的主要要素。以航天器舱段对接为例，通过分析舱段对接总装操作的所有技术环节，可以归纳出6 个可靠性要素：航天器舱体、航天器仪器设备、吊车及其控制、总装工装设备、总装操作人员、技术支持人员。从航天器任务可靠性框图2 可以看出，各个要素之间关系复杂，在航天器总装操作过程中相互作用，而且在整个系统中不存在冗余分系统，因此将各个可靠性要素以串联方式进行可靠度的分配。可靠度分配时通过赋予各个要素不同影响加权因子值来体现它们在总装过程中对系统总装可靠性的影响程度。

4 总装FMEA 评估
4.1 总装FMEA 技术原理
根据各个环节可靠度的计算值，需要采取措施提高可靠度较低环节的可靠性。FMEA 是一种查找系统故障，提高系统可靠性的有效的分析工具。
结合航天器总装的特点，用严酷度、故障发生率、可检测度、风险优序数、危害度5 个量化参数对总装过程的失效模式进行分析评估[5，6]。其中严酷度、故障发生率、可检测度是故障失效模式的3 个最关键组成要素，也是对产品综合影响的3 个主要方面。风险优序数是严酷度、故障发生率、可检测度3 个量化参数的乘积，是反映故障的危害程度的综合量化参数。危害度是针对某一个评估对象所有失效模式的综合危害程度，它可以反映一道工序、一个分系统、一个部件、一个舱段、一个关键过程的失效模式的综合危害情况。
这5 个参数不仅可以较好地反映一个失效模式的发生概率、对产品和工作进度的影响程度、被操作者发现的可能性等最为关键的3 个因素，而且可以通过参数之间的数学计算得到每一个失效模式和每一个工序的可靠性量化数值，便于工艺编制人员直观地了解卫星总装可靠性情况，从而进行综合分析以及对相应的失效模式采取防护措施。

4.2 总装FMEA 实施

(1) 严酷度（Severity）等级量化设计
严酷度是失效模式相关影响的严重程度的度量，是该失效模式所造成最坏的潜在后果严重程度等级的对应值，应根据最终可能出现的人员伤亡、系统损坏和经济损失的程度来确定。根据对人员、产品、任务进度等3 个方面的影响从大到小，将严酷度等级分为灾难的、致命的、较重的、中度的、轻度的和可忽略的 6 个等级，中间4 个等级对应 2 个取值。在同一等级中，较为严重的取高值，较不严重的取低值。当多人对某一个失效模式的严酷度值分别进行独立评价得到不同值时，可采用加权算术平均法计算。平均值不为整数时，按四舍五入规则取整。同一失效模式对人员、产品、任务进度、环境都有影响时，评估时以影响严重的一个级别为评估级别。
(2) 故障发生度（Occurrence）等级量化设计发生度是指某一个失效模式在已采取控制措施下发生的可能性的度量。根据总装工艺实施过程中“失效发生的可能性”的大小，将故障发生度分为极高、很高、高、中等、低和极低6 个等级，每一个故障发生度等级对应一个分值，从1～10 分，最小可能性发生等级对应1 分，最大可能性等级对应10 分，中间4 个等级对应2个取值，在同一等级中，较可能发生时取较大值，否则取较小值。

(3) 可检测度（Detection）等级设计

可检测度对应于失效模式的“根原因”在已确定的检测手段和控制措施下被检测出来的可能性度量值，依据失效可检测的难易程度分为极难、难、有可能、可能、很可能和能共 6 个等级，分别对应的检测度值为10、8～9、6～7、4～5、2～3 和1，也分为 6 级。
(4) 风险优序数（RPN, Risk Priority Number）和产品危害度（Criticality）计算风险优序数是严酷度、发生度和检测度的乘积。对风险的判定必须有一个认同或拒绝的标准，是根据总装工艺每一道工序的重要性以及对任务进度的影响程度来预先确定的一个数值，作为是否应采取补充措施的判据，称为风险优序数临界值。通过对总装过程和总装工艺的具体特点进行分析，当故障对产品的严酷度达到中度、故障发生度达到较高、可检测度在有可能级别时本道工序便需要对潜在故障采取补救和防范措施，这时的风险优序数便为临界值：
RPN＝S×O×D＝5×6×5＝150。

产品危害度是针对某一个研究对象所有失效模式的综合危害的度量，它在数值上等于所有有效的失效模式风险优序数的和。不同研究对象失效模式数量存在很大的差别，有些失效模式发生的风险优序数很低，对这些失效模式可以不必考虑，因此需要设定一个“门槛”，当一个失效模式的风险优序数大于这个门槛数值时才能把这个故障失效模式作为一个有效的故障失效模式。

对总装过程具体实际情况的分析，当严酷度、故障发生率、可检测度3 者中的一个达到较高等级，而另外两个不低于参数分级中的第二等级时，这个故障模式便可以认为是一个有效的故障失效模式。参照表1 评分细节，可以得到有效故障模式的RPN 数值RPN＝S×O×D＝2×2×8＝32。
当某一个故障模式的风险优序数大于32 时，便可以认为这是一个有效的故障模式。评估一道工序或一个其它对象时，只要将其所有大于32 的故障模式风险优序数相加，便可以得到这个工序或对象的危害度。

5 结论
航天器总装可靠性是提高总装技术水平的重要途径，有效降低了航天器总装过程中故障发生风险，提高航天器总装的质量和效率，为产品的批量化生产的总装工作创造条件。在现阶段，各种可靠性理论和评估方法需要进一步完善，以便逐步形成一个航天器总装可靠性理论体系。