Метод проектирования и конструирования механизмов космического назначения с заданной надежностью

Цель. Исходя из сложившейся концепции космических запусков, практически каждый из космических аппаратов на околоземной орбите должен отделиться от ракеты-носителя и развернуть свои сложенные конструкции в рабочее положение (панели солнечных батарей, антенны, рефлекторы, штанги и проч.) и только после этого он получает возможность полноценно функционировать по своему целевому назначению. Требования к безотказности механизмов одноразового срабатывания настольно высоки, что любая не выявленная потенциальная угроза возникновения критичных отказов при проектировании, конструировании, изготовлении и эксплуатации, может привести к потере смысла создания космического аппарата в целом, на что указывают фатальные результаты запусков Sinosat-2, Экспресс-АМ4, Канопус-СТ, Zuma, Chinasat-18 и мн. др. искусственных спутников и космических объектов. Проектирование механизмов космического назначения с заданной надежностью осложняется тем, что практически все они относятся к типу уникальных высокоответственных систем, которые должны быть максимально безотказными, являются единственными или редкими по своей конструкции, изготовлены максимум в мелкосерийных экземплярах и работают в уникальных условиях внешней среды. Статистических данных по надежности компонентов и элементов механизмов при работе в условиях факторов космического пространства в лучшем случае недостаточно, чтобы получить достоверные результаты расчета надежности с использованием статистических методов современной теории надежности, а в худшем их просто не существует. В условиях постоянного усложнения космической техники и повышения цены любого из орбитальных отказов существует объективная необходимость разработки метода проектирования механизмов космического назначения с учетом оценки выполнения заданной надежности на основе инженерных решений (без привлечения статистических подходов к теории надежности) и процедур раннего предупреждения отказов. Методы. В статье представлен метод проектирования и конструирования механизмов космического назначения на основе использования методики конструкторско-технологического анализа надежности. Результаты. Предложенный в статье метод позволяет изменить инструментарий проведения аналитической верификации, перейдя при создании изделий от проектных и экспертных методов (например, концепции Stage-Gate или процедур FMEA-анализов) к сугубо инженерным, основанным на инженерных дисциплинах и конструкторско-технологических способах обеспечения качества и надежности. Использование конструкторско-технологического анализа надежности при проектировании и конструировании создает условия, при которых обеспечение надежности становится естественной и неотъемлемой частью работы конструкторов, позволяющей принимать инженерные решения сообразно заданным требованиям надежности (а не в отрыве от них).

1. Fusaro R.L. NASA Space Mechanisms Handbook – Lessons Learned Documented // Research & Technology 1998. NASA/TM – 1999-2088815. P. 138–140.

2. Shapiro W., et al. Space Mechanisms Lessons Learned Study, Volume I – Summary. NASA/TM-107046, 1995.

3. Shapiro W., et al. Space Mechanisms Lessons Learned Study, Volume II – Literature Review. NASA/TM-107047, 1995.

4. Archive [Электронный ресурс] / Aerospace Mechanisms Symposia: сайт. URL: https://aeromechanisms.com (дата обращения 22.01.2022).

5. Материалы конференции [Электронный ресурс] / СибГУ им. М.Ф. Решетнева : сайт. URL: https://reshetnev.sibsau.ru/page/materialy-konferentsii (дата обращения 22.01.2022).

6. Козлов Б.А., Ушаков И.А. Справочник по расчету надежности радиоэлектроники и автоматики. М.: Сов. радио, 1975. 472 с.

7. Ушаков И.А. Надежность: прошлое, настоящее, будущее: пленарный доклад на открытии конференции «Математические методы в надежности» (MMR–2000), Бордо, Франция, 2000 // Надежность: Вопросы теории и практики (Reliability: Theory & Applications). 2006. № 1. С. 17–27.

8. Шпер В.Л. Реферативный аналитический обзор наиболее значимых публикаций в отечественной и зарубежной периодике по вопросам оценки надежности продукции, в том числе об опыте предприятий // Надежность: вопросы теории и практики (Reliability: Theory & Applications). 2006. № 3. С. 106–119.

9. Шпер В.Л. Реферативный аналитический обзор наиболее значимых публикаций в отечественной и зарубежной периодике по вопросам оценки надежности продукции, в том числе об опыте предприятий (продолжение) // Надежность: вопросы теории и практики (Reliability: Theory & Applications). 2006. № 4. С. 106–119.

10. Шпер В.Л. Проблемы надежности продукции в отечественной и зарубежной периодике // Методы менеджмента качества. 2007. № 12. С. 44–47.

11. Апполонов И.В., Дадашев М.Н., Кухаренко А.А. и др. Анализ основных работ по надежности, выполненных в СССР и основные задачи на перспективу XXI века // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России. 2006. № 2. С. 88–100.

12. Апполонов И.В., Разумовский В.А., Котов А.Н. и др. Основные работы по надежности второй половины XX века в СССР и России и основные задачи по обеспечению надежности и безопасности техники XXI века (обзор) // Оборонный комплекс – научно-техническому прогрессу России. 2008. № 3. С. 3–19.

13. Апполонов И.В., Хариев Н.И. Этапы формирования и развития проблематики надежности в ведущих машиностроительных отраслях СССР и России с 30-х годов XX века по настоящее время // Менеджмент. Вооружение. Качество. 2017. № 2. С. 1–13.

14. Можаева И.А., Струков А.В. Тенденция в развитии стандартов международной энергетической комиссии в области управления надежностью технических систем // Актуальные проблемы защиты и безопасности. Труды XXIII Всероссийской научно-практической конференции Российской академии ракетных и артиллерийских наук (РАРАН), в 5 т. Москва, 2020. С. 253–260.

15. Приложение (справочное) // ГОСТ 27.002–89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 37 с.

16. Нейман Д. Вероятностная логика и синтез надежных организмов из ненадежных компонент // В сб. ст.: Автоматы. М.: ИЛ, 1956. С. 129–185.

17. Клиффорд М. Справочник инженера. Инженерная механика [пер. с англ.]. М.: Изд-во АСВ, 2003. 279 с.

18. Космические вехи: сб. науч. тр., посвященный 50-летию создания ОАО «ИСС» им. академика М.Ф. Решетнева». Красноярск: ИП Суховольская Ю.П., 2009. 704 с.

19. Романов А.В., Тестоедов Н.А. Основы проектирования информационно-управляющих и механических систем космических аппаратов. СПб.: Профессионал, 2015. 240 с.

20. Соустин Б.П., Тестоедов Н.А., Рудометкин А.Г. и др. Виброиспытания космических аппаратов. М.: Наука, 2000. 171 с.

21. Галеев А.Г., Захаров Ю.В., Макаров В.П. и др. Проектирование испытательных стендов для экспериментальной отработки объектов ракетно-космической техники. М.: Изд-во МАИ, 2014. 328 с.

22. Похабов Ю.П. Теория и практика обеспечения надежности механических устройств одноразового срабатывания. Красноярск: СФУ, 2018. 338 с.

23. Горбенко А.В., Засуха С.А., Рубан В.И. и др. Безопасность ракетно-космической техники и надежность компьютерных систем: 2000–2009 гг. // Авиационно-космическая техника и технология. 2011. № 1. С. 9–20.

24. Spacecraft Structures and Mechanisms: From Concept to Launch / Edited by Thomas P. Sarafin. NJ.: Springer, 1995. 868 p.

25. Space Vehicle Mechanisms – Elements of Successful Design / Edited by Peter L. Conley. NJ.: John Wiley & Sons, 1998. 794 р.

26. NASA Space Mechanisms Handbook, Glenn Research Center NASA/TP 206988 / Edited by Robert L Fusaro. Cleveland, OH, 1999.

27. Fowler R.M., Howell L.L., Magleby S.P. Compliant space mechanisms: a new frontier for compliant mechanisms / Mechanical Sciences. 2011. № 2. P. 205–215.

28. Лернер Э.Дж. Альтернатива «запуску на авось» // Аэрокосмическая техника. 1987. № 9. С. 157–160.

29. Кузнецов А.А. Надежность конструкции баллистических ракет. М.: Машиностроение, 1978. 256 с.

30. Кузнецов А.А., Золотов А.А., Комягин В.А. и др. Надежность механических частей конструкции летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1979. 144 с.

31. Шатров А.К., Назарова Л.П., Машуков А.В. Механические устройства космических аппаратов. Конструктивные решения и динамические характеристики. Красноярск: СибГАУ, 2006. 84 с.

32. Шатров А.К., Назарова Л.П., Машуков А.В. Основы конструирования механических устройств космических аппаратов. Конструктивные решения, динамические характеристики. Красноярск: СибГАУ, 2009. 144 с.

33. Безручко К.В., Гайдуков В.Ф., Губин С.В. и др. Солнечные батареи автоматических космических аппаратов (компоновка на КА, конструкция узлов, проектировочные расчеты). Харьков: ХАИ, 2011. 276 с.

34. Анцупов А.В. (мл), Анцупов А.В., Анцупов В.П. и др. Моделирование процессов формирования отказов металлургических машин. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, 2021. 211 с.

35. Тестоедов Н.А., Михнев М.М., Михеев А.Е. и др. Технология производства космических аппаратов. Красноярск: СибГАУ, 2009. 349 с.

36. Болотин В.В. Теория надежности механических

37. систем с конечным числом степеней свободы / Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1969. № 5. С. 74–81.

38. Проников А.С. Параметрическая надежность машин. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 560 с.

39. Гаванде А. Чек-лист. Как избежать глупых ошибок, ведущих к фатальным последствиям. М.: ООО «Альпина Паблишер», 2014. 204 с.

40. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. Основные характеристики надежности и их статистический анализ. М.: Наука, 1965. 524 с.

41. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М.: Мир, 1984. 318 с.

42. Белов А.В., Борейшо А.С., Морозов А.В. и др. Проектирование и надежность лазерных комплексов специального назначения. СПб.: БГТУ, 2014. 347 с.

43. Похабов Ю.П. Конструкторско-технологический подход к обеспечению заданной надежности (на примере уникальных высокоответственных систем с малой наработкой) // Надежность. 2022. Т. 22. № 1. С. 20–29.

44. Горохова В.В. Применение Саратовской системы при проведении исследовательских и конструкторских работ. М.: Изд. стандартов, 1969. 105 с.

45. Дубовиков Б.А. Основы научной организации управлением качества (опыт применения и теоретические обоснования системы организации бездефектного труда). М.: Экономика, 1966. 321 с.

46. Похабов Ю.П. Надежность: взгляд конструктора // Надежность. 2020. Т. 20. № 4. С. 13–20.

47. Reason J. Human Error. Cambridge: University Press, 1990. 302 р.

48. Похабов Ю.П. Конструкторско-технологический анализ надежности. Методическое пособие (на примере системы отделения космических аппаратов). Железногорск: АО «НПО ПМ МКБ», 2020. 57 с. / Режим доступа: http://www.gnedenko.net/new_books/Pokhabov2021.pdf (дата обращения 16.02.2022).

49. Тимашев С.А., Похабов Ю.П. Проблемы комплексного анализа и оценки индивидуальной конструкционной надежности космических аппаратов (на примере поворотных конструкций). Екатеринбург: АМБ, 2018. 38 с.

50. Тарасенко Ф.П. Прикладной системный анализ. М.: КНОРУС, 2017. 322 с.

51. Блехман И.И. Вибрационная механика. М.: Физматлит, 1994. 400 с.

52. Доронин С.В., Похабов Ю.П. Повышение достоверности оценок прочности конструкций технических объектов // Вестник машиностроения. 2013. № 6. С. 85–88.

53. Похабов Ю.П., Шендалев Д.О., Колобов А.Ю. и др. К вопросу установления коэффициентов безопасности и запасов прочности при заданной вероятности неразрушения силовых конструкций // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 1. С. 166–176.

54. Гладкий В.Ф. Вероятностные методы проектирования конструкции летательных аппаратов. М.: Наука, 1982. 524 с.

55. Бирюков Г.П., Кукушкин Ю.Ф., Торпачев А.В. Основы обеспечения надежности и безопасности стартовых комплексов. М.: Изд-во МАИ, 2002. 264 с.

56. Способ закрепления изделий статически неопределимой системой связей: пат. 2125528 Рос. Федерации. МПК B64G 1/44 / Ю.П. Похабов, В.Н. Наговицин. № 5067373/28; заявл. 29.09.1992; опубл. 27.01.1999. Бюл. № 3.

57. Способ закрепления изделий: пат. 2230945 Рос. Федерации. МПК F16B 1/00 / Ю.П. Похабов, В.В. Гриневич. № 2002113143/11; заявл. 18.05.2002; опубл. 20.06.2004. Бюл. № 17.

58. Болтовое соединение деталей из материалов с разными коэффициентами теплового расширения: пат. 2263827 Рос. Федерации. МПК F16B 5/02 / Ю.П. Похабов, В.Н. Наговицин. № 2003112578/11; заявл. 28.04.2003; опубл. 20.10.2004. Бюл. № 31.

59. Шишмарев В.Ю. Надежность технических систем. М.: Издат. центр «Академия», 2010. 304 с.