航天器產(chǎn)品可靠性指標(biāo)驗(yàn)證方法探究

李寧

（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

1 引言

航天器產(chǎn)品具有技術(shù)的尖端性和高密集性，工程的復(fù)雜性和高風(fēng)險(xiǎn)性等特點(diǎn)，并且作為一次使用不可維修（通常是）產(chǎn)品，對(duì)產(chǎn)品的可靠性有很高的要求。因此，在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、試驗(yàn)和測(cè)試等過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，都要求加強(qiáng)產(chǎn)品可靠性工作。特別是在產(chǎn)品交付驗(yàn)收階段和型號(hào)出廠前，都要開展可靠性驗(yàn)證與分析工作，認(rèn)定產(chǎn)品可靠性要求（定性要求和定量要求）的符合性。

認(rèn)定工作主要包括以下幾個(gè)方面：

1） 可靠性保證大綱（工作計(jì)劃） 規(guī)定的工作項(xiàng)目的完成情況及有效性；

2） 復(fù)查產(chǎn)品故障因果分析（FMEA、FTA） 結(jié)果，I、II類故障模式及關(guān)鍵項(xiàng)目清單，采取措施的落實(shí)情況；

3）分析可靠性設(shè)計(jì)措施（各種裕度設(shè)計(jì)與降額設(shè)計(jì)、最壞情況分析和冗余措施等）結(jié)果及其有效性；

4）檢查可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目、方案和結(jié)果，評(píng)價(jià)可靠性試驗(yàn)的充分性和有效性；

5）計(jì)算、分析可靠性指標(biāo)滿足規(guī)定的情況。

根據(jù)上述工作形成的可靠性驗(yàn)證與分析報(bào)告，是產(chǎn)品交付驗(yàn)收中要重點(diǎn)審查的文件之一。在航天標(biāo)準(zhǔn)Q/QJA 14.1～14.6《航天型號(hào)出廠評(píng)審》中，也將可靠性驗(yàn)證與分析工作內(nèi)容作為5個(gè)出廠專項(xiàng)評(píng)審之一。

在可靠性驗(yàn)證工作中，認(rèn)定產(chǎn)品可靠性定量要求（指標(biāo)的驗(yàn)證）是一項(xiàng)重要工作，產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的滿足情況是產(chǎn)品考核、驗(yàn)收的重要依據(jù)。

2 可靠性指標(biāo)驗(yàn)證方法比較

目前，航天器產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)驗(yàn)證工作一般是通過可靠性預(yù)計(jì)、可靠性評(píng)估來(lái)進(jìn)行的?？煽啃灶A(yù)計(jì)通?？梢园凑债a(chǎn)品實(shí)際情況選用應(yīng)力分析法（電子類）、相似設(shè)備法（機(jī)械類）等。

可靠性預(yù)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、元器件可靠性經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的規(guī)律以及產(chǎn)品工作環(huán)境等因素來(lái)估計(jì)產(chǎn)品的可靠性。在設(shè)計(jì)階段開展可靠性預(yù)計(jì)工作，并實(shí)施“預(yù)計(jì)-改進(jìn)設(shè)計(jì)-再預(yù)計(jì)”的循環(huán)，可以找出薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的固有可靠性。但是，在產(chǎn)品交付階段，采用可靠性預(yù)計(jì)來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)，往往是不全面的。因?yàn)?，航天器產(chǎn)品到交付階段已經(jīng)包含有大量的、不同研制階段特定試驗(yàn)的試驗(yàn)信息（數(shù)據(jù)）。我們可以用概率統(tǒng)計(jì)的方法給出產(chǎn)品在某一特定條件下的可靠性評(píng)估值，以便更能符合實(shí)際情況地評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可靠性水平。

可靠性評(píng)估分為單元級(jí)產(chǎn)品可靠性評(píng)估和系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品可靠性評(píng)估兩類方法。單元級(jí)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估是將評(píng)估對(duì)象——產(chǎn)品作為一個(gè)單元整體，只利用其本身的研制試驗(yàn)或?qū)嶋H使用數(shù)據(jù)以及與其相關(guān)的其它信息對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估的方法有4類，分別是經(jīng)典方法、貝葉斯（Bayes）方法、綜合評(píng)估方法和利用非壽命數(shù)據(jù)的可靠性評(píng)估方法。

系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品的可靠性評(píng)估的方法有4類，分別是精確方法、近似方法、系統(tǒng)Bayes方法和系統(tǒng)蒙特卡洛方法。

筆者多年從事光學(xué)載荷的可靠性工作。光學(xué)載荷由單機(jī)設(shè)備組成，并且是小樣本，因此，開展可靠性評(píng)估工作通常采用單元級(jí)產(chǎn)品貝葉斯方法。

3 Bayes法可靠性評(píng)估

光學(xué)載荷的Bayes可靠性評(píng)估主要是針對(duì)電子學(xué)部分，因?yàn)楣鈱W(xué)鏡頭、主體結(jié)構(gòu)和熱控組件等可靠性，可以通過與其對(duì)應(yīng)的可靠性技術(shù)的實(shí)施來(lái)保證，其可靠性評(píng)估可以采用一種利用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性綜合評(píng)估方法，本文在此不進(jìn)行敘述。

電子學(xué)產(chǎn)品的壽命分布為指數(shù)分布，光學(xué)載荷的地面試驗(yàn)通常采用的是定時(shí)截尾方法，因此，Bayes可靠性評(píng)估按照指數(shù)型產(chǎn)品定時(shí)截尾情況進(jìn)行討論。

眾所周知，Bayes方法的關(guān)鍵是確定先驗(yàn)分布，根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗(yàn)，通過元器件應(yīng)力分析法獲得元器件的失效率，再轉(zhuǎn)化為等效特征量得到產(chǎn)品的驗(yàn)前信息；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息可來(lái)自該設(shè)備一系列的地面試驗(yàn)信息。在共軛分布假定下用Bayes法推斷，可靠性驗(yàn)后特征量見公式（1）：

式（1）中：τ——產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)后折合小時(shí)數(shù)；

τ0——產(chǎn)品的驗(yàn)前信息；

τ1——產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)小時(shí)數(shù)；

z——產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)后折合失效次數(shù)。

產(chǎn)品的失效率置信上限Λ和可靠性置信下限RL見公式（2）：

對(duì)于冷備系統(tǒng)，其可靠度函數(shù)近似為（1+Λt）exp（-Λt），可靠性置信下限的近似解見公式（3）：

4 產(chǎn)品可靠性評(píng)估的實(shí)施

產(chǎn)品可靠性評(píng)估工作順利開展的前提條件是產(chǎn)品必須規(guī)范化地完成了型號(hào)可靠性大綱規(guī)定的其它各項(xiàng)可靠性工作。其次要采取合理的評(píng)估方法，試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可信，這樣才能保證評(píng)估結(jié)果的有效性。

某光學(xué)載荷在產(chǎn)品研制過程中，完成了規(guī)定的各項(xiàng)可靠性工作項(xiàng)目；產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行了嚴(yán)格的控制；并按要求完成了規(guī)定的各項(xiàng)可靠性試驗(yàn)，對(duì)出現(xiàn)的故障按照“技術(shù)歸零”要求進(jìn)行了處理。具備這些條件后，可以開展正樣產(chǎn)品的可靠性評(píng)估工作。

4.1 可靠性評(píng)估流程

產(chǎn)品可靠性評(píng)估流程見圖1。

4.1.1 明確可靠性要求

航天器總體對(duì)某光學(xué)載荷提出的可靠性指標(biāo)要求是：在軌工作3年末可靠度為0.97，實(shí)際工作時(shí)間為6500h。

4.1.2 建立任務(wù)可靠性模型圖

在設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)某光學(xué)載荷產(chǎn)品的組成、功能、工作模式和任務(wù)剖面的分析，可以建立產(chǎn)品的任務(wù)可靠性框圖和模型，開展可靠性預(yù)計(jì)工作。在可靠性評(píng)估過程中，可以再次對(duì)可靠性模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行復(fù)核。某光學(xué)載荷的任務(wù)可靠性框圖如圖2所示。

4.1.3 可靠性預(yù)計(jì)情況

某光學(xué)載荷的可靠性預(yù)計(jì)工作分為兩個(gè)階段進(jìn)行，第一階段是在設(shè)計(jì)早期選用元器件計(jì)數(shù)法；第二階段是在確定了詳細(xì)的元器件清單、電應(yīng)力比和環(huán)境溫度等信息后，采用應(yīng)力分析法。數(shù)據(jù)來(lái)源均是GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F規(guī)定。在可靠性評(píng)估過程中，可以再次采用應(yīng)力分析法對(duì)正樣產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核。

4.1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集和整理

a） 得出等效工作時(shí)間

出于各種不同的目的，某光學(xué)載荷進(jìn)行了各類地面試驗(yàn)。但是各項(xiàng)試驗(yàn)的條件不一致，數(shù)據(jù)不具有可比性。因此進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)，需要引進(jìn)環(huán)境折合系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行折合。環(huán)境折合系數(shù)可以參照GJB/Z 299C中的環(huán)境系數(shù)與試驗(yàn)條件比對(duì)結(jié)果確定，也可根據(jù)相似產(chǎn)品的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法分析取得。

通過對(duì)某光學(xué)載荷鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，可得出該產(chǎn)品的等效工作實(shí)際約為3701h。試驗(yàn)時(shí)間的具體統(tǒng)計(jì)見表1。

b） 統(tǒng)計(jì)故障數(shù)

在可靠性評(píng)估過程中，故障數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)，非關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)不予考慮。

統(tǒng)計(jì)的關(guān)聯(lián)故障類型有：

1）設(shè)計(jì)或工藝缺陷造成的故障；

2）元器件發(fā)生失效造成的故障，如果發(fā)生失效的元器件彼此之間沒有因果關(guān)系，一個(gè)器件就算作一次故障；

3）通過故障分析，故障原因相同的故障，算作一個(gè)故障。

統(tǒng)計(jì)的非關(guān)聯(lián)故障類型有：

1）試驗(yàn)設(shè)備或監(jiān)視測(cè)量設(shè)備不良引發(fā)的故障；

2）操作失誤引發(fā)的故障；

3）由其它故障引發(fā)的故障。

表1 試驗(yàn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

表2 光學(xué)載荷Bayes法可靠性評(píng)估結(jié)果

在通常情況下，當(dāng)關(guān)聯(lián)故障按照“技術(shù)歸零五條要求”完成歸零工作后，在后續(xù)試驗(yàn)中沒有再出現(xiàn)故障，可以轉(zhuǎn)為非關(guān)聯(lián)故障處理。

對(duì)軟件引發(fā)的故障，經(jīng)排查、分析和驗(yàn)證故障原因確實(shí)是軟件本身，可以不計(jì)入關(guān)聯(lián)故障；如果故障原因不明確，則必須計(jì)入關(guān)聯(lián)故障。

4.2 可靠性評(píng)估結(jié)果

某光學(xué)載荷投產(chǎn)的鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品，在地面完成了一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（如表1所示），經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境折算后得到試驗(yàn)小時(shí)數(shù)3701h。在隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選試驗(yàn)中曾因電阻斷路而更換過一個(gè)。該載荷的任務(wù)時(shí)間為6500h。以置信度為0.6評(píng)估該載荷的可靠性置信下限RL，具體數(shù)據(jù)見表2。

通過可靠性預(yù)計(jì)和評(píng)估工作，表明該光學(xué)載荷的可靠性指標(biāo)0.97是能夠達(dá)到的。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于航天器產(chǎn)品自身受到研制進(jìn)度、經(jīng)費(fèi)和技術(shù)手段等方面的限制，不可能完全通過多項(xiàng)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性指標(biāo)。因此，在其研制階段，充分利用產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性信息（包括試驗(yàn)信息、相似產(chǎn)品的相關(guān)信息、專家信息和仿真信息等），采用貝葉斯方法開展動(dòng)態(tài)的可靠性評(píng)估工作，驗(yàn)證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的符合性，同時(shí)較真實(shí)地反映產(chǎn)品實(shí)際的可靠性水平，是一種經(jīng)濟(jì)、有效和可行的途徑。同時(shí)，通過可靠性評(píng)估和數(shù)據(jù)分析工作，找出薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)施故障糾正策略和設(shè)計(jì)改進(jìn)措施，更好地提高航天器產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]龔慶祥.型號(hào)可靠性工程手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[2]《可靠性設(shè)計(jì)大全》編撰委員會(huì).可靠性設(shè)計(jì)大全[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3]QJ 2172A-2005，衛(wèi)星可靠性設(shè)計(jì)指南[S].

[4]Q/QJA 14.1～14.6-2003，航天型號(hào)出廠評(píng)審 [S].