北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所 謝亞梅 劉 寧 何蕓香

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淺談航天產(chǎn)品的可靠性評(píng)估及其設(shè)計(jì)方法

北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所 謝亞梅 劉 寧 何蕓香

【摘要】本文研究航天產(chǎn)品可靠性的評(píng)估方法和可靠性設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)評(píng)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(jīng)典的和Bayes評(píng)估方法。通過(guò)對(duì)可靠性設(shè)計(jì)方法的研究，文章對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)以及容差設(shè)計(jì)三種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了說(shuō)明，為航天產(chǎn)品了可靠性設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】航天產(chǎn)品；可靠性；評(píng)估；設(shè)計(jì)

1　概述

萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)實(shí)現(xiàn)人類的飛天夢(mèng)為人類對(duì)宇宙空間探索奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，各種航天產(chǎn)品無(wú)時(shí)不刻的影響著人類的生活，值得說(shuō)明的是：飛機(jī)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(jī)的發(fā)明對(duì)人類的發(fā)展有著極其重要的意義。

近年來(lái)，世界各國(guó)都在潛心研究航天技術(shù)，包括對(duì)各種型號(hào)航天產(chǎn)品的研發(fā)。在21世紀(jì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益嚴(yán)重的形勢(shì)下，航天產(chǎn)品的先進(jìn)與否直接決定著國(guó)家未來(lái)能否在國(guó)際中占據(jù)一席之地，與國(guó)家的命運(yùn)也緊緊的聯(lián)系在一起。若航天飛機(jī)或者戰(zhàn)斗機(jī)中的一個(gè)元器件出問(wèn)題，也就是其中的一個(gè)航天產(chǎn)品出問(wèn)題會(huì)對(duì)整個(gè)局面造成不可估量的影響[1]。因此，為了保證我國(guó)航天技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，一定要對(duì)航天產(chǎn)品的質(zhì)量做出把關(guān)和保證，也就是提高航天產(chǎn)品的可靠性，這樣對(duì)國(guó)家主權(quán)，領(lǐng)土安全以及我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展有著極其深遠(yuǎn)的意義。

2　航天產(chǎn)品可靠性分析

可靠性技術(shù)指的是個(gè)元器件，產(chǎn)品以及各種系統(tǒng)在一定的時(shí)間內(nèi)可以無(wú)故障運(yùn)行其指定功能的要求和能力。可靠性這一概念于20世紀(jì)50年代被提出，經(jīng)過(guò)將近70年的發(fā)展過(guò)程中，可靠性技術(shù)已經(jīng)形成一門(mén)單獨(dú)的學(xué)科，而且在工業(yè)，國(guó)防等領(lǐng)域中發(fā)揮著不容忽視的作用[2]。

對(duì)于一般的產(chǎn)品及系統(tǒng)而言，可靠性技術(shù)包括了產(chǎn)品，元器件及系統(tǒng)的耐久性，設(shè)計(jì)的可靠性以及可維修性這三方面的內(nèi)容。一般情況下，我們可以通過(guò)研究分析產(chǎn)品或系統(tǒng)的可靠度，失效率以及發(fā)生故障的時(shí)間間隔率來(lái)對(duì)該產(chǎn)品和系統(tǒng)進(jìn)行可靠性的評(píng)估。

所謂可靠性評(píng)估指的是根據(jù)元器件及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，模型以及該產(chǎn)品的使用環(huán)境，并根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的計(jì)算方法對(duì)產(chǎn)品可靠性的點(diǎn)和區(qū)間做出估算，即對(duì)可靠性的下限值做出估算。系統(tǒng)的可靠性評(píng)估有別于產(chǎn)品的可靠性評(píng)估，它是在產(chǎn)品可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上結(jié)合整個(gè)系統(tǒng)的組成部分和功能結(jié)構(gòu)對(duì)其做出評(píng)估。

2.1航天產(chǎn)品可靠性評(píng)估建模

針對(duì)航天產(chǎn)品復(fù)雜的工藝流程和技術(shù)，在建模時(shí)需對(duì)航天產(chǎn)品系統(tǒng)的各分系統(tǒng)建立其串聯(lián)的模型。航天產(chǎn)品系統(tǒng)常見(jiàn)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(diǎn)的估算方法

不同系統(tǒng)模型所采用的點(diǎn)估算公式不同。其中，串聯(lián)模型采用的點(diǎn)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(chǎn)品系統(tǒng)可靠性的區(qū)間估算方法相對(duì)于其點(diǎn)的估算方法是比較復(fù)雜的。同樣可靠性的區(qū)間估算也有很多方法，而且，對(duì)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(jié)果也是各不相同的。鑒于航天產(chǎn)品系統(tǒng)特殊的可靠性評(píng)估要求，本章節(jié)討論了兩種區(qū)間估算方法，一種為經(jīng)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(diǎn)。其中，經(jīng)典的區(qū)間估算方法認(rèn)為將要估算的參數(shù)是固定，但是其置信區(qū)間是隨機(jī)的，該方法的優(yōu)點(diǎn)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B(niǎo)ayes估算方法的優(yōu)勢(shì)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(yàn)信息和以前的試驗(yàn)信息，進(jìn)而可以節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。

當(dāng)采用Bayes估算方法時(shí)，采用的第一和第二近似項(xiàng)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(dāng)采用經(jīng)典估算方法時(shí)，采用的第一和第二近似項(xiàng)公式分別如式（3）和式（4）所示：

2.2航天產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)方法

在航天技術(shù)發(fā)展了這幾十年以來(lái)形成了一系列的可靠性設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)可靠性方法的優(yōu)化可以提高航天產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)水平。任何一款成功的航天產(chǎn)品都是基于好的設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)的。一款成功的航天產(chǎn)品依賴于三次合理，科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，包括有：系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)以及容差設(shè)計(jì)[5]。

2.2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航天產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)該產(chǎn)品的技術(shù)文件要求進(jìn)行的，也就傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在這一階段的設(shè)計(jì)包括了對(duì)產(chǎn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。在航天產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一階段需要對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行考慮綜合，并根據(jù)間接的資料和方案對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測(cè)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為航天產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的第一步，為航天產(chǎn)品即將需要考慮的因素給出了依據(jù)。

2.2.2參數(shù)設(shè)計(jì)

參數(shù)設(shè)計(jì)不同于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是一種非線性的設(shè)計(jì)方法。參數(shù)設(shè)計(jì)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(guān)系，進(jìn)而確定出可靠性最高的參數(shù)組合。事實(shí)證明，各分系統(tǒng)質(zhì)量的好壞會(huì)直接影響著整個(gè)航天產(chǎn)品系統(tǒng)的質(zhì)量。但是，并不是高質(zhì)量的分系統(tǒng)組合到一塊就能形成高質(zhì)量的航天產(chǎn)品系統(tǒng)。在實(shí)際生產(chǎn)中，高質(zhì)量水平的航天產(chǎn)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(shè)計(jì)

容差設(shè)計(jì)的目的是基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量和成本進(jìn)行評(píng)估，以達(dá)到質(zhì)量和成本同步的結(jié)果。容差設(shè)計(jì)主要是研究該航天產(chǎn)品允許的容差范圍和質(zhì)量成本之間的關(guān)系。

總之，航天產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)不僅與初始設(shè)計(jì)有關(guān)，還必須嚴(yán)格控制產(chǎn)品的研制過(guò)程。除此之外，加強(qiáng)對(duì)航天產(chǎn)品測(cè)試的力度，對(duì)航天產(chǎn)品研發(fā)的每個(gè)過(guò)程都要進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估和把關(guān)。

3　總結(jié)

本文首先對(duì)航天產(chǎn)品的可靠性評(píng)估進(jìn)行了研究，其中主要說(shuō)明了航天產(chǎn)品的可靠性建模，點(diǎn)的估算以及區(qū)間估算的方法。而后文章研究了航天產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)方法，包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)以及容差設(shè)計(jì)的方法。通過(guò)對(duì)這兩種方法的研究分析，為今后航天產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉璟煒,朱北園.航天電子產(chǎn)品可靠性與性能綜合設(shè)計(jì)技術(shù)探討[C]中國(guó)航天質(zhì)量論壇.2008:211-213.

[2]徐艷麗,沈懷榮.航天產(chǎn)品系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法及軟件研究[J].指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2001,12(3):93-97.

[3]胡經(jīng)畬,孫琳玲.淺談航天產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)與增長(zhǎng)試驗(yàn)的綜合設(shè)計(jì)與管理[J].強(qiáng)度與環(huán)境,2000(3):54-58.

[4]湯勝林.航天電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)[J].中國(guó)科技博覽,2011(34):116-117.

[5]羅谷清,陳德詳.提高航天產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的三次設(shè)計(jì)法[J].中國(guó)質(zhì)量,2006(7):8-9.

謝亞梅（1977-），女，陜西人，大學(xué)本科，現(xiàn)就職于北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，高級(jí)工程師，研究方向：飛行器設(shè)計(jì)。

作者簡(jiǎn)介：