淺談航天產品的可靠性評估及其設計方法

北京航天長征飛行器研究所 謝亞梅 劉 寧 何蕓香

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淺談航天產品的可靠性評估及其設計方法

北京航天長征飛行器研究所 謝亞梅 劉 寧 何蕓香

【摘要】本文研究航天產品可靠性的評估方法和可靠性設計方法。通過對評估方法的研究，文章給出了5種不同系統(tǒng)的可靠性模型及其經典的和Bayes評估方法。通過對可靠性設計方法的研究，文章對系統(tǒng)設計，參數(shù)設計以及容差設計三種設計方法進行了說明，為航天產品了可靠性設計奠定了理論基礎。

【關鍵詞】航天產品；可靠性；評估；設計

1　概述

萊特兄弟發(fā)明了飛機實現(xiàn)人類的飛天夢為人類對宇宙空間探索奠定了堅實的基礎。近年來，隨著航天技術的不斷發(fā)展與進步，各種航天產品無時不刻的影響著人類的生活，值得說明的是：飛機的成功研制使得我們的生存的巨大星球演變?yōu)楝F(xiàn)在的“地球村”?？傊w機的發(fā)明對人類的發(fā)展有著極其重要的意義。

近年來，世界各國都在潛心研究航天技術，包括對各種型號航天產品的研發(fā)。在21世紀國際競爭日益嚴重的形勢下，航天產品的先進與否直接決定著國家未來能否在國際中占據(jù)一席之地，與國家的命運也緊緊的聯(lián)系在一起。若航天飛機或者戰(zhàn)斗機中的一個元器件出問題，也就是其中的一個航天產品出問題會對整個局面造成不可估量的影響[1]。因此，為了保證我國航天技術的可持續(xù)發(fā)展，一定要對航天產品的質量做出把關和保證，也就是提高航天產品的可靠性，這樣對國家主權，領土安全以及我國的可持續(xù)發(fā)展有著極其深遠的意義。

2　航天產品可靠性分析

可靠性技術指的是個元器件，產品以及各種系統(tǒng)在一定的時間內可以無故障運行其指定功能的要求和能力?？煽啃赃@一概念于20世紀50年代被提出，經過將近70年的發(fā)展過程中，可靠性技術已經形成一門單獨的學科，而且在工業(yè)，國防等領域中發(fā)揮著不容忽視的作用[2]。

對于一般的產品及系統(tǒng)而言，可靠性技術包括了產品，元器件及系統(tǒng)的耐久性，設計的可靠性以及可維修性這三方面的內容。一般情況下，我們可以通過研究分析產品或系統(tǒng)的可靠度，失效率以及發(fā)生故障的時間間隔率來對該產品和系統(tǒng)進行可靠性的評估。

所謂可靠性評估指的是根據(jù)元器件及系統(tǒng)的結構，模型以及該產品的使用環(huán)境，并根據(jù)概率統(tǒng)計的計算方法對產品可靠性的點和區(qū)間做出估算，即對可靠性的下限值做出估算。系統(tǒng)的可靠性評估有別于產品的可靠性評估，它是在產品可靠性評估的基礎上結合整個系統(tǒng)的組成部分和功能結構對其做出評估。

2.1航天產品可靠性評估建模

針對航天產品復雜的工藝流程和技術，在建模時需對航天產品系統(tǒng)的各分系統(tǒng)建立其串聯(lián)的模型。航天產品系統(tǒng)常見的分系統(tǒng)模型一般有串聯(lián)系統(tǒng)，并聯(lián)系統(tǒng)，旁聯(lián)系統(tǒng)，表決系統(tǒng)以及和聯(lián)系統(tǒng)模型[3]。

（1）點的估算方法

不同系統(tǒng)模型所采用的點估算公式不同。其中，串聯(lián)模型采用的點估算的公式為：

并聯(lián)模型采用的公式為：

旁聯(lián)模型采用的公式為：

（2）區(qū)間的估算方法

航天產品系統(tǒng)可靠性的區(qū)間估算方法相對于其點的估算方法是比較復雜的。同樣可靠性的區(qū)間估算也有很多方法，而且，對于相同的數(shù)據(jù)和模型而言，采用不同的估算方法，其最后估算所得的結果也是各不相同的。鑒于航天產品系統(tǒng)特殊的可靠性評估要求，本章節(jié)討論了兩種區(qū)間估算方法，一種為經典的估算方法，另一種為Bayes估算方法。

這兩種區(qū)間估算方法都有各自的特點。其中，經典的區(qū)間估算方法認為將要估算的參數(shù)是固定，但是其置信區(qū)間是隨機的，該方法的優(yōu)點主要體現(xiàn)于被估算的參數(shù)和置信區(qū)間可以全部歸入到傳統(tǒng)的概率論格局中；而Bayes估算方法的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：使用該估算方法可以充分利用現(xiàn)有的試驗信息和以前的試驗信息，進而可以節(jié)省試驗時間。

當采用Bayes估算方法時，采用的第一和第二近似項公式分別如式（1）和式（2）所示：

其中：u為系統(tǒng)可靠度的一階矩陣，v為系統(tǒng)可靠度的二階矩陣。

當采用經典估算方法時，采用的第一和第二近似項公式分別如式（3）和式（4）所示：

2.2航天產品可靠性設計方法

在航天技術發(fā)展了這幾十年以來形成了一系列的可靠性設計方法。通過對可靠性方法的優(yōu)化可以提高航天產品的可靠性設計水平。任何一款成功的航天產品都是基于好的設計方法為基礎的。一款成功的航天產品依賴于三次合理，科學的設計方法，包括有：系統(tǒng)設計，參數(shù)設計以及容差設計[5]。

2.2.1系統(tǒng)設計

航天產品的系統(tǒng)設計是根據(jù)該產品的技術文件要求進行的，也就傳統(tǒng)的設計。在這一階段的設計包括了對產品的控制方法，控制模式，以及系統(tǒng)需完成的功能和使命進行設計。在航天產品的系統(tǒng)設計這一階段需要對各個分系統(tǒng)的參數(shù)進行考慮綜合，并根據(jù)間接的資料和方案對產品進行預測。系統(tǒng)設計作為航天產品可靠性設計的第一步，為航天產品即將需要考慮的因素給出了依據(jù)。

2.2.2參數(shù)設計

參數(shù)設計不同于系統(tǒng)設計，它是一種非線性的設計方法。參數(shù)設計的目的在于：采用多種分析方法，找出各分系統(tǒng)的不同參數(shù)與輸出特性的關系，進而確定出可靠性最高的參數(shù)組合。事實證明，各分系統(tǒng)質量的好壞會直接影響著整個航天產品系統(tǒng)的質量。但是，并不是高質量的分系統(tǒng)組合到一塊就能形成高質量的航天產品系統(tǒng)。在實際生產中，高質量水平的航天產品系統(tǒng)是由不同檔次的分系統(tǒng)組合而成的。

2.2.3容差設計

容差設計的目的是基于系統(tǒng)設計和參數(shù)設計基礎上對整個系統(tǒng)進行質量和成本進行評估，以達到質量和成本同步的結果。容差設計主要是研究該航天產品允許的容差范圍和質量成本之間的關系。

總之，航天產品的可靠性設計不僅與初始設計有關，還必須嚴格控制產品的研制過程。除此之外，加強對航天產品測試的力度，對航天產品研發(fā)的每個過程都要進行質量評估和把關。

3　總結

本文首先對航天產品的可靠性評估進行了研究，其中主要說明了航天產品的可靠性建模，點的估算以及區(qū)間估算的方法。而后文章研究了航天產品的可靠性設計方法，包括系統(tǒng)設計，參數(shù)設計以及容差設計的方法。通過對這兩種方法的研究分析，為今后航天產品的可靠性設計奠定了理論基礎。

參考文獻

[1]劉璟煒,朱北園.航天電子產品可靠性與性能綜合設計技術探討[C]中國航天質量論壇.2008:211-213.

[2]徐艷麗,沈懷榮.航天產品系統(tǒng)可靠性評估方法及軟件研究[J].指揮技術學院學報,2001,12(3):93-97.

[3]胡經畬,孫琳玲.淺談航天產品可靠性增長與增長試驗的綜合設計與管理[J].強度與環(huán)境,2000(3):54-58.

[4]湯勝林.航天電子產品可靠性設計[J].中國科技博覽,2011(34):116-117.

[5]羅谷清,陳德詳.提高航天產品可靠性設計的三次設計法[J].中國質量,2006(7):8-9.

謝亞梅（1977-），女，陜西人，大學本科，現(xiàn)就職于北京航天長征飛行器研究所，高級工程師，研究方向：飛行器設計。

作者簡介：