茍仲秋 李興乾 于瀟

（中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

1 引言

空間交會(huì)對(duì)接（Rendezvous and Docking，RVD）技術(shù)是指兩個(gè)航天器（其中一個(gè)稱為目標(biāo)航天器，另一個(gè)稱為追蹤航天器）在指定的軌道上按預(yù)定的時(shí)間和空間相會(huì)，相會(huì)后在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體的技術(shù)［1-2］。交會(huì)對(duì)接是載人航天基礎(chǔ)技術(shù)之一，任務(wù)難度大、可靠性要求高。

空間交會(huì)對(duì)接是一種包含多個(gè)過(guò)程的復(fù)雜任務(wù)，它的可靠性是過(guò)程的可靠性。對(duì)接過(guò)程具體包含遠(yuǎn)程導(dǎo)引、近程導(dǎo)引、最終逼近及停靠對(duì)接階段，每個(gè)任務(wù)階段可分解為由一系列順序執(zhí)行的飛行事件構(gòu)成的事件鏈，具有不同時(shí)間、不同設(shè)備參與不同任務(wù)事件的特點(diǎn)，如何對(duì)此類涉及多個(gè)航天器的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行可靠性評(píng)估是值得探討的問(wèn)題。

概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)（PRA）［3］是一種系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)方法，通過(guò)激發(fā)系統(tǒng)失效的初因事件可能導(dǎo)致的各種事件序列結(jié)果分析計(jì)算，得到潛在風(fēng)險(xiǎn)源產(chǎn)生、演變?yōu)轱L(fēng)險(xiǎn)的概率，其適于事件序列演變的特點(diǎn)與交會(huì)對(duì)接任務(wù)事件序列近似。為此提出了基于PRA 的交會(huì)對(duì)接過(guò)程的可靠性評(píng)估方法。

2 PRA 方法概述

PRA 方法是一種定性、定量相結(jié)合，以定量為主的對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的重要工具［3-7］，在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）均得到了廣泛應(yīng)用。它以事件樹(shù)和故障樹(shù)為核心分析工具，基于事故場(chǎng)景識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行中的薄弱環(huán)節(jié)、潛在風(fēng)險(xiǎn)及其原因，結(jié)合底層風(fēng)險(xiǎn)因素概率數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)估。

PRA 實(shí)際上是事件樹(shù)、故障樹(shù)、可靠性評(píng)估等多種分析方法綜合集成的一個(gè)方法論，不拘泥于某一具體分析方法。通過(guò)PRA 方法，將自下而上（如故障模式影響分析）與自上而下（如故障樹(shù)）分析相結(jié)合，將定性與定量相結(jié)合，將多種試驗(yàn)數(shù)據(jù)（本系統(tǒng)、分系統(tǒng)、部件的直接試驗(yàn)和類似系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)）、多種有關(guān)信息、模型計(jì)算結(jié)果和專家經(jīng)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合。

PRA 是在系統(tǒng)可靠性、安全性分析基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要步驟包括：

（1）熟悉系統(tǒng)工程物理過(guò)程，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目標(biāo)、范圍；

（2）利用危險(xiǎn)分析方法或事件鏈、事件樹(shù)分析方法，找出全部危險(xiǎn)源、初始事件及由此造成系統(tǒng)事故的事件序列；

（3）建立系統(tǒng)事故風(fēng)險(xiǎn)的故障樹(shù)模型：以系統(tǒng)事故為頂事件，以各初因事件為故障樹(shù)底事件，利用事件鏈、事件樹(shù)分析結(jié)果，按照故障樹(shù)建樹(shù)規(guī)則建立各故障樹(shù)并集成為定量評(píng)估主邏輯圖；

（4）基本事件數(shù)據(jù)收集及整理；

（5）概率風(fēng)險(xiǎn)定量分析。

3 交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性評(píng)估方法

交會(huì)對(duì)接任務(wù)劃分為多個(gè)關(guān)聯(lián)的任務(wù)階段，每一任務(wù)階段由多個(gè)序列進(jìn)行的動(dòng)作或子事件構(gòu)成。為進(jìn)行交會(huì)對(duì)接過(guò)程可靠性評(píng)估，可借鑒PRA 定量評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的思路，依據(jù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)過(guò)程，建立任務(wù)成功事件鏈；對(duì)事件鏈中每一事件建立事件成功與設(shè)備正常的邏輯關(guān)系，并據(jù)此完成可靠性評(píng)估。

根據(jù)上述思路，基于PRA 的交會(huì)對(duì)接過(guò)程的可靠性評(píng)估方法見(jiàn)圖1。

圖1 基于PRA 任務(wù)過(guò)程可靠性評(píng)估方法Fig．1 Reliability assessment method of sequence processes based on PRA

如圖1所示，包括4個(gè)步驟：

（1）事件樹(shù)分析：通過(guò)事件樹(shù)描述各事件或功能正常完成與任務(wù)成功之間的關(guān)系，建立任務(wù)成功事件鏈；

（2）故障樹(shù)分析：對(duì)事件鏈中每一事件，開(kāi)展故障樹(shù)分析，明確各事件與設(shè)備間邏輯關(guān)系；利用故障樹(shù)分析結(jié)果，建立事件可靠性評(píng)估模型，描述事件正常完成與設(shè)備可靠性間邏輯關(guān)系；若各事件與設(shè)備的可靠性邏輯關(guān)系比較明確時(shí)，也可直接建立評(píng)估模型；

（3）事件可靠性評(píng)估：進(jìn)行不同類型設(shè)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行設(shè)備可靠性評(píng)估，按照事件可靠性評(píng)估模型，完成事件可靠性評(píng)估。

（4）任務(wù)過(guò)程可靠性評(píng)估：利用文獻(xiàn)［8］中評(píng)估方法或蒙特卡洛仿真技術(shù)對(duì)事件鏈各事件進(jìn)行可靠性綜合后得到任務(wù)成功概率。

3．1 事件樹(shù)分析

事件樹(shù)分析（ETA）是一種邏輯演繹法，分析給定初始事件可能導(dǎo)致的各種事件序列結(jié)果，從而定性或定量地評(píng)價(jià)系統(tǒng)的特性。

交會(huì)對(duì)接過(guò)程可靠性評(píng)估時(shí)，借鑒事件樹(shù)分析方法，首先對(duì)任務(wù)過(guò)程進(jìn)行分析，建立從初始事件開(kāi)始，由一系列事件構(gòu)成的事件鏈，直至任務(wù)成功，如圖2所示，得到事件可靠性與任務(wù)可靠性之間的關(guān)系。每一基本事件又可嵌套分解為更細(xì)的飛行事件。

圖2 交會(huì)對(duì)接過(guò)程事件樹(shù)分析Fig．2 ETA example of space rendezvous and docking

3．2 故障樹(shù)分析

對(duì)圖2所示交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功事件鏈中每一事件，進(jìn)行故障樹(shù)分析（FTA），按照事件的邏輯關(guān)系向下級(jí)尋找故障發(fā)生的直接原因，直到基本單元失效。在FTA 基礎(chǔ)上，以該事件正常完成為頂事件，自上而下建立評(píng)估模型，描述事件正常完成與設(shè)備的可靠性邏輯關(guān)系。

考慮航天型號(hào)設(shè)備級(jí)故障模式的定量數(shù)據(jù)一般較難獲得，為能夠充分利用可靠性工作積累的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，交會(huì)對(duì)接過(guò)程可靠性評(píng)估進(jìn)行FTA 時(shí)，將設(shè)備或有試驗(yàn)信息的模塊作為基本單元。

3．3 事件可靠性評(píng)估

通過(guò)FTA 得到交會(huì)對(duì)接過(guò)程各序列事件的底事件（產(chǎn)品）后，需根據(jù)底事件設(shè)備不同類型，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)或失效率數(shù)據(jù)采集并完成底事件（產(chǎn)品）的可靠性評(píng)估，不同類型的產(chǎn)品具體需采集的數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)表1。

表1 底事件數(shù)據(jù)采集及可靠性評(píng)估方法Table 1 Data collection and assessment method of base events

完成底事件數(shù)據(jù)采集及評(píng)估后，即可按3．2節(jié)評(píng)估模型確定的邏輯關(guān)系，采用蒙特卡洛仿真技術(shù)或文獻(xiàn)［8］提供的綜合方法進(jìn)行事件可靠性定量指標(biāo)計(jì)算。

（1）利用蒙特卡洛仿真技術(shù)進(jìn)行事件可靠性綜合評(píng)估時(shí)，根據(jù)故障樹(shù)模型，將各底層模塊的失效概率分布向上傳播，得到任務(wù)過(guò)程各事件的失效概率分布及可靠度。

（2）按文獻(xiàn)［8］及《火工品可靠性評(píng)估方法》（GJB 376-87）綜合時(shí)，在設(shè)備可靠性評(píng)估基礎(chǔ)上，利用可靠性評(píng)估模型，根據(jù)各種邏輯系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法進(jìn)行綜合，一般可借助CARMES-2000等軟件實(shí)現(xiàn)。

3．4 任務(wù)過(guò)程可靠性綜合評(píng)估

完成各事件可靠性評(píng)估后，依據(jù)3．1節(jié)事件樹(shù)分析建立的事件鏈模型，建立交會(huì)對(duì)接過(guò)程的可靠性評(píng)估模型，在交會(huì)對(duì)接任務(wù)事件序列的層次上，再次應(yīng)用可靠性評(píng)估綜合方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體方法仍可采用蒙特卡洛仿真技術(shù)或文獻(xiàn)［8］提供的綜合方法。

4 交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性評(píng)估工程實(shí)施流程

目前，航天器工程中普遍開(kāi)展了可靠性建模、預(yù)計(jì)、故障模式與影響分析（FMEA）、可靠性評(píng)估，重要事件開(kāi)展了FTA，一般按照設(shè)備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)組織開(kāi)展各工作項(xiàng)目，見(jiàn)表2。

基于PRA 的交會(huì)對(duì)接可靠性評(píng)估以可靠性工作項(xiàng)目為基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用中不會(huì)增加過(guò)多的工作負(fù)擔(dān)。

表2 開(kāi)展基于PRA的交會(huì)對(duì)接可靠性評(píng)估的可靠性工作項(xiàng)目基礎(chǔ)Table 2 PRA-based reliability analysis items and organizing structure for R＆D

根據(jù)航天器可靠性工作項(xiàng)目工作基礎(chǔ)，基于PRA 方法進(jìn)行交會(huì)對(duì)接過(guò)程可靠性評(píng)估可按照?qǐng)D3組織開(kāi)展，其中黃色部分為正常研制流程已開(kāi)展的可靠性工作，白色部分為需補(bǔ)充開(kāi)展的工作。圖3重點(diǎn)給出了系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備的分工及與現(xiàn)有可靠性工作項(xiàng)目的關(guān)系，具體如下。

圖3 交會(huì)對(duì)接過(guò)程可靠性評(píng)估組織實(shí)施流程Fig．3 Reliability assessment organization and process for space rendezvous and docking

（1）事件樹(shù)分析：根據(jù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)飛行方案及飛行事件鏈，由系統(tǒng)進(jìn)行交會(huì)對(duì)接飛行第一層事件及時(shí)序劃分；復(fù)雜事件如對(duì)接成功由分系統(tǒng)進(jìn)一步進(jìn)行事件分解并反饋給系統(tǒng)；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)建立各飛行事件與交會(huì)對(duì)接任務(wù)成功的邏輯演繹關(guān)系，完成事件樹(shù)分析。

（2）故障樹(shù)分析：對(duì)事件鏈中每一事件，將系統(tǒng)、分系統(tǒng)、設(shè)備全任務(wù)可靠性模型直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)層次的故障樹(shù)后，根據(jù)事件功能進(jìn)行調(diào)整（即在全任務(wù)模型基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化），建立每一事件的故障樹(shù)模型。同時(shí)可利用故障樹(shù)定性分析法，求得所有最小割集，并對(duì)識(shí)別的薄弱環(huán)節(jié)如一階、二階最小割集，與FMEA 等其他定性分析手段分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，及時(shí)采取預(yù)防控制措施。

（3）事件可靠性評(píng)估：結(jié)合正常研制過(guò)程，設(shè)備采集預(yù)計(jì)信息（器件失效率）、試驗(yàn)信息，進(jìn)行設(shè)備可靠性評(píng)估。分系統(tǒng)及系統(tǒng)利用故障樹(shù)模型，將底事件各功能模塊、部件的失效概率分布向上傳播，得到遠(yuǎn)程導(dǎo)引、近程導(dǎo)引、最終逼近及?？繉?duì)接等交會(huì)對(duì)接事件序列的成功可靠度。

（4）交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性綜合評(píng)價(jià)：系統(tǒng)利用事件樹(shù)模型綜合，得到交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠度。

采用圖3所示的交會(huì)對(duì)接過(guò)程PRA 組織實(shí)施策略，可以充分利用已有的可靠性工作成果，分級(jí)開(kāi)展工作，分工界面明確，便于工程實(shí)施。

5 應(yīng)用舉例

本節(jié)以交會(huì)對(duì)接任務(wù)中對(duì)接鎖緊子事件為例，說(shuō)明基于PRA 的交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性評(píng)估方法應(yīng)用過(guò)程。

根據(jù)對(duì)接機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程，對(duì)接鎖緊成功需依次完成對(duì)接環(huán)推出、捕獲緩沖、對(duì)接環(huán)拉近、剛性連接4個(gè)功能事件。通過(guò)分析功能事件和對(duì)接鎖緊成功的關(guān)系，按照3．1節(jié)方法建立了包括上述4個(gè)事件的事件鏈（見(jiàn)圖4）。應(yīng)用3．2節(jié)的分析方法，根據(jù)產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)，分析捕獲緩沖與捕獲鎖、傳感器等部件可靠性之間的關(guān)系，得到捕獲緩沖失敗事件故障樹(shù)（見(jiàn)圖4），其他3個(gè)功能事件可類似建樹(shù)。

故障樹(shù)模型建立后，向軟件錄入捕獲鎖、傳感器等部件評(píng)估所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或失效率數(shù)據(jù)，進(jìn)行事件可靠性評(píng)估，即可得到對(duì)接環(huán)推出、捕獲緩沖、對(duì)接環(huán)拉近、剛性連接4個(gè)事件的成功概率。以捕獲緩沖955 次無(wú)失敗為例，根據(jù)3．3 節(jié)的內(nèi)容，借助CARMES-2000軟件，捕獲鎖按機(jī)械產(chǎn)品錄入鎖鉤強(qiáng)度數(shù)據(jù)、傳感器按電子產(chǎn)品錄入累積試驗(yàn)時(shí)間及失效次數(shù)，經(jīng)軟件計(jì)算可得到對(duì)接環(huán)推出、捕獲緩沖、對(duì)接環(huán)拉近、剛性連接4個(gè)事件的成功概率分別為0．992 7、0．998 6、0．992 8、0．999 2。

最后，應(yīng)用CARMES-2000 軟件，在事件樹(shù)上對(duì)4個(gè)事件進(jìn)行綜合評(píng)估，得到對(duì)接鎖緊子事件的綜合可靠度為0．977。

圖4 基于PRA 的交會(huì)對(duì)接任務(wù)可靠性評(píng)估方法應(yīng)用示例Fig．4 An example for application of the reliability assessment method based on PRA

6 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的基于PRA 方法的交會(huì)對(duì)接任務(wù)過(guò)程可靠性評(píng)估方法，通過(guò)事件樹(shù)描述各事件或功能的可靠性與任務(wù)可靠性之間的關(guān)系，通過(guò)概率風(fēng)險(xiǎn)模型描述事件或功能的可靠性與設(shè)備可靠性關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)一系列飛行事件構(gòu)成的動(dòng)態(tài)任務(wù)過(guò)程的可靠性評(píng)估，具有與飛行任務(wù)結(jié)合緊密、數(shù)據(jù)采集及處理較為靈活的特點(diǎn)。結(jié)合我國(guó)航天領(lǐng)域可靠性工作現(xiàn)狀，對(duì)評(píng)估方法在航天器工程中的組織實(shí)施流程進(jìn)行了規(guī)劃，對(duì)評(píng)估方法的工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

（References）

［1］林來(lái)興．空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995

Lin Laixing．Space rendezvous and docking technology［M］．Beijing：China National Defence Industry Press，1995（in Chinese）

［2］林來(lái)興．四十年空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的發(fā)展［J］．航天器工程，2007，16（4）：70-77

Lin Laixing．Development of space rendezvous and docking technology in past 40years［J］．Spacecraft Engineering，2007，16（4）：70-77（in Chinese）

［3］Valentine M，Boyer R．Johnson space center＇s risk and reliability analysis group 2008annual report，JSC-18059［R］．Houston：JSC，2009

［4］于立見(jiàn)，多英全．定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中泄漏概率的確定方法探討［J］．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2007（12）：27-30

Yu Lijian，Duo Yingquan．Method for determinating probabilities of leaks in quantitative risk assessment［J］．Journal of Safety Science and Technology，2007（12）：27-30（in Chinese）

［5］Jones Harry W，Dillon-Merrill Robin L．Reducing the risk of human space missions with integrity，SAE-2003-01-2572［R］．Ames：SAE，2004

［6］Robert Y，Homayoon D，Nathan S．PRA in design：increasing confidence in pre-operational assessments of risks，HQ-STI-10-050［R］．Idaho：STI，2010

［7］Lawrence S，Mathias D．Simulation-Assisted Risk Assessment［C］／／ The 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit． Reno， Washington： AIAA，2006：1-13

［8］周源泉，翁朝曦．可靠性評(píng)定［M］．北京：科學(xué)出版社，1990

Zhou Yuanquan，Weng Chaoxi．Reliability assessment［M］．Beijing：Science Press，1990（in Chinese）

［9］國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)．GJB376-87火工品可靠性評(píng)估方法［S］．北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1987

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB376-87assessment method of reliability of initiating devices［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1987（in Chinese）

［10］國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)．GJB813可靠性模型的建立和可靠性預(yù)計(jì)［S］．北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1990

Commission of Science，Technology and Industry for National Defence．GJB813reliability modeling and prediction［S］．Beijing：Commission of Science，Technology and Industry for National Defence，1990（in Chinese）