автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.02, диссертация на тему:Конструкторско-технологическое обеспечение безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов

На правах рукописи

ПОХАБОВ Юрий Павлович

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ ТРАНСФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОДНОРАЗОВОГО СРАБАТЫВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.07.02 - Проектирование, конструкция и производство летательных аппаратов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013 005539389

Красноярск - 2013

005539389

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Специальное конструкгорско-технологическом бюро «Наука» Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук

Защита диссертации состоится «13» декабря 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДС 212.023.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева» по адресу: 660014, г. Красноярск, проспект имени газеты «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева.

Научный руководитель:

Доронин Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Сильченко Петр Никифорович,

доктор технических наук, профессор, Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, профессор кафедры «Прикладная механика»

Крушенко Генрих Гаврилович, доктор технических наук, профессор, Институт вычислительного моделирования СО РАН, г. Красноярск, главный научный сотрудник

Ведущая организация:

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», г. Железногорск Красноярского края

Автореферат разослан юября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Михеев

Анатолий Егорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Механические устройства одноразового срабатывания являются составной частью раскрывающихся конструкций, безотказность трансформирования которых непосредственно влияет на готовность космических аппаратов выполнять свои функции. К раскрывающимся конструкциям относятся трансформируемые крупногабаритные космические рефлекторы, раскрываемые солнечные батареи, устройства разворота параболических антенн, поворотные штанги приборов, системы отделения космических аппаратов и пр.

Отечественная и зарубежная статистика отказов показывает, что заданный уровень безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания современных космических аппаратов в ряде случаев остается не достигнутым. Вопросы безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания наиболее актуальны для автоматических космических аппаратов. В этом случае участие человека в устранении отказов невозможно, соответственно, заданный уровень безотказности достигается исключительно качеством проектирования, конструирования и производства механических устройств.

В настоящее время залогом гарантии безотказности механических устройств одноразового срабатывания считается успешность проведения наземной экспериментальной отработки. Однако тенденции по увеличению габаритных размеров современных раскрывающихся конструкций в рабочей конфигурации, в сочетании с выполнением их целевых задач по трансформированию в резко отличных от Земли условиях космического пространства, делают технически невозможным проведение всесторонней отработки надежности механических устройств при испытаниях в наземных условиях. В связи с этим, актуальной задачей является разработка научно-методических основ обеспечения безотказности трансформирования раскрывающихся конструкций, реализующих системный подход к прогнозированию и предотвращению условий возникновения возможных причин отказов на ранних стадиях их разработки с учетом заданного уровня безотказности.

Цель диссертационной работы заключается в достижении заданного уровня безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических. аппаратов на основе разработки и реализации научно-методического подхода к принятию обоснованных конструкторско-технологических решений, обеспечивающих безусловное выполнение требуемых функций.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1 Анализ причин и условий возникновения отказов механических устройств одноразового срабатывания в связи с недостатками существующих методов и концепций анализа и обеспечения надежности.

2 Анализ предпосылок обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания, основанный на установлении концептуальных

взаимосвязей терминологии надежности, факторов внешней среды и режимов эксплуатации, и выражении взаимодействия объекта и внешней среды через необходимые и достаточные показатели и значения параметров, характеризующие требуемые свойства и характеристики объекта.

3 Разработка методики анализа, оценки и обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания, регламентирующей логическое обоснование и установление требований к исполнению критичных элементов, основанных на безусловном выполнении ими требуемых функций, включая алгоритмические и организационные аспекты.

4 Обоснование и разработка конструкторско-технологических решений механических устройств одноразового срабатывания исходя из безусловного выполнения критичными элементами требуемых функций.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1 Методика обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов, базирующаяся на идентификации критичных элементов, обосновании, установлении и выполнении конструкторско-технологических требований к их исполнению, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций, позволяющая принимать рациональные конструкторские и технологические решения и обеспечить заданный уровень безотказности.

2 Алгоритм обеспечения безотказности механических устройств Одноразового срабатывания космических аппаратов на базе разработанных конструкторско-технологических методов, позволяющий предотвращать отказы на ранних стадиях проектирования, конструирования и производства.

3 Методика анализа й оценки безотказности механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов с учетом использования методов конструкторско-технологического обеспечения надежности, позволяющая производить оценку вероятностных показателей надежности для изделий, изготавливаемых малыми сериями или в единичных экземплярах.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что результаты ее использования позволяют обеспечить заданный уровень безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания на основе системного исследования условий их функционирования путем «опережающего» прогнозирования, основанного на анализе условий предупреждения возможных отказов. Это позволяет снизить вероятность конструкторских и технологических ошибок на ранних стадиях проектирования, конструирования и разработки технологий производства механических устройств одноразового срабатывания, оценить уровень их безотказности исходя из принятых конструкторско-технологических решений, и принять меры к достижению заданного уровня надежности.

Методология и методы исследования. Исследование выполнено в рамках методологии системного подхода к механическим устройствам одноразового срабатывания с использованием методов машиноведения, системного проектирования и конструирования, теории надежности, теории вероятностей и статистики, аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением статистических данных по отказам космических аппаратов, применением апробированных методов теории машин и механизмов, теории надежности, механики деформируемого твердого тела, системного проектирования и конструирования, и подтверждена практическим применением конструкторско-технологических решений, основанных на разработанных методах обеспечения безотказности, при проектировании космических аппаратов.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе статистики отказов механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов, разработке проекта методических указаний по проведению анализов и оценки безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания с применением разработанных методов конструкторско-технологического обеспечения, разработке и внедрении конструкторско-технологических решений по обеспечению безотказности механических устройств одноразового срабатывания, анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

-IV Всероссийская конференция «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2012);

-IV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты» (Новокузнецк, 2012);

-XVI Международная научная конференция «Решетневские чтения» (Железногорск, 2012).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 25 печатных работ, из них 4 - в журналах из перечня периодических изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций, и 16 патентов Российской Федерации на изобретения.

Внедрение результатов осуществлено при проектировании и разработке механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» в виде изобретений на конструкторско-технологические решения механических устройств одноразового срабатывания.

С 1996 по 2010 годы в ОАО «Информационные спутниковые системы» было зарегистрировано 93 акта внедрения на 14 изобретений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введейия, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Общий объем диссертационной работы составляет 173 страницы, включает 37 рисунков, 10 таблиц и 135 использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель, научная новизна и практическая значимость

полученных результатов.

В первой главе рассмотрено современное состояние обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания. Произведена краткая характеристика раскрывающихся конструкций космических аппаратов, составной частью которых являются механические устройства одноразового срабатывания. Выполнены обзор и анализ существующих типов раскрывающихся конструкций, на основании чего, в качестве примера постановки задач и решения вопросов надежности, осуществлено обоснование выбора исследований механических устройств одноразового срабатывания поворотного типа, имеющих наибольшую практику применения.

Рассмотрены основные направления исследований и разработок раскрывающихся конструкций, в т. ч., по надежности. Немногочисленные специализированные работы Кузнецова A.A., Шатрова А.К. и Conley's P.L. по надежности трансформирования раскрывающихся конструкций не восполняют нехватку в методах ее обеспечения.

Проведены анализы составных частей и терминологии раскрывающихся конструкций, стадий их функционирования и кинематических состояний, общий анализ надежности раскрывающихся конструкций, которые показали, что механические устройства одноразового срабатывания определяют надежность раскрывающихся конструкций на начальных стадиях их эксплуатации: в стартовой конфигурации и при трансформировании в рабочую конфигурацию. Причем эти стадии являются подготовительными для ввода космического аппарата в штатную эксплуатацию и отказы механических устройств одноразового срабатывания на этих стадиях приводят к отказу раскрывающихся конструкций еще до начала штатной работы космического аппарата.

На основании анализов сделан вывод, что механические устройства одноразового срабатывания могут быть выделены в самостоятельный класс технических объектов, безотказность которых формируется не в результате действия длительных нежелательных процессов, создающих условия для ухудшения их характеристик, а вследствие сочетания неблагоприятных факторов и случайных внешних воздействий, превышающих адаптационные возможности изделия. Это соответствует схеме мгновенных повреждений, при которой отказ элемента наступает независимо от того, сколько времени он до этого находился в эксплуатации, и каково его состояние, т. е., без

предшествующих симптомов и вне зависимости от степени изношенности.

Типичными причинами подобных отказов являются: несовершенства конструкции, несовершенства технологии изготовления, нарушения принятой технологии изготовления, производственные дефекты входящих в сборку деталей, ошибки при выполнении сборочных работ и резко изменяющиеся факторы внешней среды.

Условие одноразового срабатывания по целевому назначению, единичный характер изготовления, уникальность условий применения, анализы статистических данных по отказам космических аппаратов и методов обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания показали необходимость развития прикладных конструкторско-технологических

методов обеспечения безотказности трансформирования раскрывающихся конструкций. В качестве концептуальной основы их осуществления выбрано изучение причинно-следственных связей физических процессов, происходящих в исследуемом объекте при эксплуатации, и применение этих знаний при конструировании и выборе технологий изготовления.

Во второй главе произведен анализ предпосылок создания методов конструкторско-технологического обеспечения безотказности

трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.

На основании схемы мгновенных повреждений применен подход, согласно которому надежность технического объекта рассматривается как свойство сохранять во времени стабильность свойств и характеристик, необходимых и достаточных для выполнения требуемых функций в заданных условиях и режимах эксплуатации. При этом стабильность свойств и характеристик объектов во времени количественно характеризуется изменением интенсивности показателей и значений параметров в установленных границах.

Примерами показателей, применительно к механическим устройствам одноразового срабатывания, являются запасы прочности, запасы движущих моментов, показатели надежности, например, вероятность безотказной работы, и др. Примеры параметров - силы, моменты, зазоры, деформации, трибологические параметры и др.

Систематизирована связь между качественными и количественными признаками свойств и характеристик объекта исследований. Рассмотрен случай, когда свойства выражаются качественными признаками, которые проявляются в «бинарной» форме: «ноль-единица», «да-нет», например, качественные признаки «предотвращение зацеплений и соударений со смежными конструкциями при трансформировании (движение в заданном коридоре)», «осуществление последовательности поворотов или угловой синхронизации при трансформировании», «осуществление заданной последовательности фиксации составных частей» и т. п. могут быть реализованы («единица», «да»), либо нет («ноль», «нет»). Количественно оценка качественных признаков свойств объекта может быть произведена, например, путем оценки вероятности наступления событий.

В результате взаимосвязь между свойствами и характеристиками объекта, с одной стороны, и значениями параметров и показателями, с другой стороны, выглядит в соответствии с рисунком 1.

Таким образом, для обеспечения надежности механических устройств одноразового срабатывания, с одной стороны требуется выявить все показатели и значения параметров и установить пределы их изменения, характеризующие способность выполнять требуемые функции, а с другой - определить условия и режимы их эксплуатации.

В соответствие с этим для изучения причинно-следственных связей физико-технических процессов, происходящих в исследуемом объекте при эксплуатации, проведена систематизация:

-факторов внешней среды (условия воздействия космического пространства, квазистатические и ударно-вибрационные воздействия, климатические и физические условия внешней среды на Земле),

воздействующих на механические устройства при эксплуатации, в связи с возможными причинами отказов и способами их устранения;

-факторов режимов эксплуатации механических устройств (факторы постоянно действующих нагрузок, которые не зависят от внешнего воздействия; низкочастотные динамические нагрузки в рабочей конфигурации; факторы влияния динамических и массово-инерционных характеристик конструкций; антифрикционные и триботехнические условия сопряжения в узлах и пр.) с анализом их влияния на возникновение возможных отказов.

параметров и показателями

Совместное воздействие условий и режимов эксплуатации в полной мере обуславливает и определяет состояние механических устройств, описываемое через систему количественных и качественных признаков, которые выражают их свойства и характеристики. Воздействуя совместно, условия и режимы эксплуатации характеризуют внешние и внутренние процессы объекта, которые определяют его техническое состояние, как совокупность подверженных изменению свойств и характеристик. Вместе условия и режимы эксплуатации позволяют выразить отношения объекта и внешней среды через необходимые и достаточные показатели и значения параметров, которые могут быть систематизированы, например, по группам причин возможных отказов: технологических, прочностных, вибростойкостных, трибологических, тепловых, физико-механических и организационных.

В третьей главе произведена разработка методов конструкторско-технологического обеспечения трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.

Обоснованы следующие положения, являющиеся предпосылками конструкторско-технологических методов обеспечения надежности:

-любой отказ одноразовых объектов обусловлен физическими причинами, причинно-следственный анализ которых дает возможность предотвратить их возникновение;

-совместный анализ и установление концептуальных взаимосвязей физических причин, порождающих отказы в заданных условиях и режимах эксплуатации, позволяет выявить качественные и количественные признаки,

отражающие изменяющиеся во временй свойства и характеристики и выражаемые через показатели и значения параметров;

-для показателей и значений параметров всегда можно устанавливать допустимые пределы их изменения, при которых сохраняется возможность выполнения требуемых функций;

-вероятность сохранения во времени всех показателей и значений параметров в установленных пределах определяется степенью соблюдения конструкторско-технологических требований к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций.

В общем виде оценку безотказности можно осуществлять с помощью функций частных вероятностей безотказной работы, связанных с отказами, вызванными нарушением выполнения требуемых функций из-за выхода за пределы показателей и значений параметров, а также недопустимого состояния качественных признаков, имеющих различную природу и вычисленных по своим законам в виде:

Р ~ ^(^ЗП'^рП'^ВП'^Кп)» О)

где ( - функция, определяющая взаимосвязь частных вероятностей отказов со структурной схемой надежности;

Рзп - вероятность того, что значения параметров во времени находятся в установленных пределах при заданных условиях и режимах эксплуатации;

Ррп - вероятность того, что расчетные показатели во времени находятся в установленных пределах при заданных условиях и режимах эксплуатации;

Рвп - вероятность того, что частные вероятностные показатели во времени, от которых зависит безотказность, находятся в установленных пределах при заданных условиях и режимах эксплуатации;

Рк„ - вероятность того, что качественные признаки свойств и характеристик объекта обеспечивают его работоспособность.

Для вычисления частных вероятностей безотказной работы используются следующие принципы:

-если в заданных условиях и режимах эксплуатации нахождение показателей и значений параметров в установленных пределах, или выполнение качественных признаков можно предопределить и обеспечить, то принципиально возможно достижение единичной вероятности наступления таких событий;

-если в заданных условиях и режимах эксплуатации нахождение значений параметров и показателей в установленных пределах, или выполнение качественных признаков предопределить нельзя, то необходимо вычислять вероятность наступления таких событий исходя из случайных законов распределения величин;

-условия, предопределяющие в заданных условиях и режимах эксплуатации нахождение показателей и значений параметров в установленных пределах, или обеспечивающие качественные признаки, достигаются установлением и выполнением конструкторско-технологических требований к исполнению критичных элементов направленных на безусловное осуществление требуемых функций.

Установление конструкторско-технологических требовании,

обеспечивающих безотказность трансформирования механических устройств, осуществляется разработанным методом, основанным на следующем перечне и составе процедур.

1 Каждая из групп механизмов, устройств и конструктивных элементов, составляющих механических устройств одноразового срабатывания, подвергается анализу, при котором производится декомпозиция по элементам, выявление видов отказов, определение критических отказов и критичных элементов согласно ГОСТ 27.310-95.

2 Для каждого критичного элемента на каждом из этапов при заданных условиях и режимах эксплуатации выполняется логический анализ условий его безотказного функционирования, предопределяющих нахождение значении параметров и показателей в установленных пределах, или обеспечивающих качественные признаки (наличие свободы вращений; определение диапазонов тепловых ограничений; регламентирование усилий или зазоров в соединениях; задание избыточности движущих усилий и моментов; обеспечение беспрепятственности, управляемости и предсказуемости движении; недопущение соударений и зацеплений со смежными конструкциями и пр.).

Определение условий безотказного функционирования каждого критичного элемента производится в виде построения логических формул типа «для того, чтобы / необходимо обеспечить...», каждая из которых содержит логическую переменную, описывающую одно из свойств или характеристик критичного элемента. Например, «для того, чтобы осуществить поворот в шарнире, необходимо обеспечить гарантированный радиальный зазор», или «для того, чтобы осуществить поворот в шарнире, необходимо обеспечить момент

движущих сил больше момента сил сопротивления» и т. д.

Каждая логическая переменная, описывающая свойства или характеристики критичного элемента, выражается с помощью определенного параметра, показателя или качественного признака. Например, свойство «гарантированный радиальный зазор»выражает параметр «геометрическии размер» характеристику «момент движущих сил больше момента сил сопротивления» выражает показатель «запас момента движущих сил

относительно момента сил сопротивления» т. д..

Для каждого значения параметра и показателя определяются границы диапазона изменений их численных значений, в пределах которых обеспечивается безотказность трансформирования механических устройств одноразового срабатывания. Например, параметр «геометрическии размер» для характеристики радиального зазора в шарнирных узлах определяется в границах диапазона минимально и максимально возможных радиальных зазоров с учетом полей допусков и форм сопряженных деталей; показатель «запас движущих сил относительно момента сил сопротивления» определяется диапазоном, в котором нижнее значение определяется минимально допустимым значением показателя исходя из заданного уровня надежности, а верхняя граница -допустимым уровнем напряженно-деформированного состояния для случая

фиксации в конечное положение и т. п.

Условие безотказного функционирования рассматриваемого критичного элемента формируется исходя из решения обратной по отношению к обеспечению безотказности задачи: «По какой из причин конструкторского исполнения критичного элемента окажется неработоспособным?». Акцент на то, почему критичный элемент не будет работать, как то предписывает логика функционирования, является принципиально важным. Это позволяет взглянуть на проблему отказа не с позиций разработчика, который думает о том, каким образом данный элемент будет работать, а с позиций эксперта, который выясняет, почему он не будет работать;

3 Для выполнения каждого из условий безотказного функционирования критичного элемента устанавливаются конструкторско-технологические требования в документации по его исполнению, обеспечивающие нахождение показателей и значений параметров в заданном диапазоне, и выполнение качественных признаков (минимально необходимые зазоры в сопряжениях; ограничения по тепловым деформациям; последовательность наложения и снятия механических связей в разъемных соединениях; достаточность усилий или моментов для обеспечения раскрытия; обеспеченность пределов регулировок для устранения погрешностей сборки, и пр.).

На примере шарнирных узлов поворотных конструкций механических устройств одноразового срабатыванияв виде шарнирного подшипника типа Ш по ГОСТ 3635-78 с твердой смазкой на основе дисульфида молибдена (МоБг), требования безотказности выглядят следующим образом.

1 Подшипники должны эксплуатироваться согласно «заданным» значениям нагрузок в течение жизненного цикла без разрушения, остаточных деформаций, несанкционированного изменения взаимного положения деталей и нарушения характеристик сопряженных поверхностей.

2 Моменты сил сопротивления в шарнирных узлах должны быть «минимальными», для чего после нанесения твердой смазки в подшипниках должна быть произведена приработка пар трения под «расчетной» нагрузкой.

3 Радиальные зазоры между кольцами подшипников должны быть «гарантированными» с учетом полей допусков на кольца и «максимальных» толщин слоя твердой смазки.

4 При организации шарнирных узлов с помощью нескольких разнесенных шарнирных подшипников, образующих общую ось вращения, в одном из них между внутренним кольцом подшипника и вилкой кронштейна должны обеспечиваться«минимальные» осевые зазоры.

5 Закрепление колец подшипников не должно ухудшать их трибологических характеристик, например, за счет деформации наружных колец при фиксации в проушине.

6 Закрепление колец подшипников не должно накладывать тепловых ограничений на их вращение.

7 Выбор энергетических характеристик приводов раскрытия должен осуществляться при условии превышения движущего момента над моментом сил сопротивления повороту не менее чем в «краз».

Установление количественных значений требований надежности во многом зависит от подходов и традиций разработчиков, поэтому в приведенном примере

количественные значения формулируются категориями, взятыми в кавычки, и требуют конкретизации в диапазоне изменений показателей или значений параметров.

Задача обеспечения надежности механических устройств одноразового срабатывания заключается не только в том, чтобы установить требования по обеспечению безотказности функционирования, но и в том, чтобы добиться их полноты и, самое главное, чтобы эти требования нашли отражение в технической документации, были исполнены и проконтролированы.

Отражение каждого требования в документации для каждого из критичных элементов контролируется путем сквозной экспертизы нормативно-технической, конструкторской и технологической документации. В результате экспертизы фиксируется содержание установленных конструкторско-технологических требований, обеспечивающих безотказность трансформирования механических устройств одноразового срабатывания, по формальным признакам в бинарной форме по схеме: «отображено соответствующее требование в соответствующем документе, или нет». Результаты анализа экспертизы формализуются в виде протокола в «бинарной» форме: цифра «1» означает, что требование учтено в документации, «О» — нет.

Указанный анализ считается успешно проведенным, если в документации формально отражены требования по безотказному функционированию каждого критичного элемента. В случае отсутствия отражения в документации хотя бы одного требования организуются мероприятия по ее доработке и дополнительному подтверждению выполнения соответствующего требования в реальной конструкции.

Указанные требования должны формально отражаться в положениях нормативно-технической, конструкторской, технологической и эксплуатационной документации в качестве регламентации исполнения заданных условий обеспечения надежности, и исключения влияния антропогенных факторов при проектировании и разработке в случаях, например, смены исполнителей работ.

На основании проведенных исследований предлагается алгоритм конструкторско-технологического обеспечения надежности механических устройств:

1 Устанавливаются свойства надежности, подлежащие обеспечению исходя из задач функционирования в течение жизненного цикла объекта;

2 Осуществляется выбор номенклатуры показателей для характеристики надежности по осуществлению требуемых функций, или опасности возникновения аварийных ситуаций;

3 Формулируются требования по надежности путем установления численных значений выбранных показателей надежности;

4 Устанавливаются конструкторско-технологические требования к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное осуществление требуемых функций, для чего:

4.1 Проводится анализ условий и режимов эксплуатации для выявления факторов, способных вызвать отказы функционирования;

4.2 Жизненный цикл механических устройств разбивается на этапы эксплуатации, в пределах которых действуют одинаковые условия и режимы эксплуатации;

4.3 Производится декомпозиция конструкторского исполнения механических устройств на группы (механизмы, устройства и конструкции), выполняющие самостоятельные функциональные задачи для обеспечения трансформирования;

4.4 Каждая из групп механизмов, устройств и конструкций в пределах этапа с одинаковыми условиями и режимами эксплуатации подвергается анализу, в ходе которого производится декомпозиция по элементам, выявляются виды отказов, определяются критические отказы и критичные элементы согласно ГОСТ 27.310-95;

4.5 Для каждого критичного элемента на каждом из этапов при заданных условиях и режимах эксплуатации анализируются условия его безотказного функционирования;

4.6 Каждая логическая переменная, описывающая свойства или характеристики критичного элемента, выражается с помощью определенного параметра, показателя или качественного признака;

4.7 Для каждого параметра и показателя определяются границы диапазона изменений их численных значений, в пределах которых обеспечивается безотказность трансформирования механических устройств;

4.8 Для каждого критичного элемента устанавливаются конструкторско-технологические требования в документации, обеспечивающие нахождение значений параметров и показателей в заданном диапазоне, и выполнение качественных признаков;

5 Осуществляется системное проектирование и конструирование, обеспечивающее безусловное выполнение установленных конструкторско-технологических требований;

6 Проводится сквозной анализ нормативно-технической, конструкторской, технологической и эксплуатационной документации на предмет отображения конструкторско-технологических требований, обеспечивающих безотказность трансформирования по формальным признакам в бинарной форме;

7 Производятся анализы и оценка надежности по сравнению требуемых значений показателей надежности с достигнутыми, для чего:

7.1 Проводятся анализы: кинематический, кинето статический и функциональный;

7.2 Синтезируется структурная схема надежности функционирования механических устройств;

7.3 Производится анализ фактического установления и отображения конструкторско-технологических требований в обеспечение надежности в нормативно-технической, конструкторской, технологической и эксплуатационной документации;

7.4 Производится оценка надежности по функционированию с использованием аналитических методов, методов вероятностного моделирования, экспертных и экспериментальных методов при условии выполнения конструкторско-технологических требований к исполнению

критичных элементов, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций;

7.5 Проводится оценка надежности по прочности с учетом всех видов анализа прочности и нижеследующего разработанного алгоритма проведения расчетов на конструкционную прочность;

7.5.1 Установление и задание прочностных свойств конструкционных материалов;

7.5.2 Выявление, устранение или регламентирование источников неопределенностей напряженно-деформированного состояния;

7.5.3 Определение источников и характера внешних нагрузок, обоснование расчетных нагружений;

7.5.4 Оценка области существования результата прочностных расчетов с использованием аналитических расчетных схем;

7.5.5 Оценка адекватности выбранной математической модели и проведение численного расчета на прочность;

7.5.6 Оценка сходимости результатов численных расчетов;

7.6 Производится суммарная оценка надежности согласно принятой модели надежности;

8 Производится анализ полноты проведенных организационно-методических и организационно-технических мероприятий по реализации конструкторско-технологических требований согласно вышеизложенному алгоритму;

9 Составляется заключение о надежности механических устройств.

Указанный алгоритм схематично представлен на рисунке 2, где номера

шагов соответствуют вышеизложенному описанию.

обеспечения надежности механических устройств одноразового срабатывания

Предложенные конструкторско-технологические методы обеспечения безотказности позволяют осуществлять «опережающее» прогнозирование надежности, основанное на анализе условий предупреждения возможных отказов, что является альтернативой существующему «запаздывающему» подходу, основанному на анализе возникновения отказов в ходе наземно-

экспериментальной отработки, летных испытаний и штатной эксплуатации. Это позволяет уменьшить вероятность конструкторско-технологических ошибок на ранних стадиях жизненного цикла объекта.

В четвертой главе рассмотрено практическое применение методов конструкторско-технологического обеспечения безотказности

трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.

Решение задач четвертой главы основано на едином принципе поиска и принятия конструкторско-технологических решений, исходящих из заранее обоснованных и установленных требований к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное осуществление ими требуемый функций.

Результаты такого подхода, показаны на примерах конструкторско-технологических решений, защищенных патентами РФ на изобретения.

В результате выполнения требования безотказности по обеспечению запаса момента движущих сил установлены предельно допустимые значения показателя запаса момента движущих сил к для нормального закона распределения момента движущих сил Мдв и момента сил сопротивления Мс в виде формулы:

гпр х (\ + у х УА2в + А§-у2 х Ар х Ц) т5 х а - У2 х А*}

здесь А 0 = —, тр

где а0, а5 - среднеквадратические отклонения Мдв и Мс, Н-м; т0, 7% - математические ожидания Мдв и Мс, Н-м; у - квантиль нормального распределения.

Таким образом, показано, что показатель к не является детерминированной величиной, как принято считать, а представляет собой случайную величину, значение которой определяется законами распределения случайных величин М№

яМсиих параметрами.

Это дает возможность проектировать шарнирные узлы поворотных конструкций с заданной надежностью в виде унифицированных автономных модулей со встроенными приводами, и позволяет осуществлять их в количествах, достаточных для статистических выводов по надежности. Применение вероятностных методов для определения показателя запаса момента движущих сил позволяет снизить неоправданную энергоизбыточность приводов раскрытия без ущерба требуемой надежности, и уменьшить массу раскрываемых конструкций за счет оптимизации запаса момента движущих сил (патент № 2198387).

В результате исполнения требования по снятию тепловых ограничений на функционирование механических устройств автором разработан конструкторско-технологический метод закрепления изделий, обеспечивающий тепловую развязку в плоскости сопряжения опорных узлов изделия и основания в условиях, когда направление тепловых потоков заранее неизвестно или температурное поле неоднородно (патенты №№ 2230945 и

2263827). Метод основан на раскреплении изделия с помощью установки опор и наложения в них механических связей исходя из того, что вектор перемещения любой точки тела относительно неподвижной декартовой системы координат можно выразить формулой:

а = аххі+ а,*] + а2хк, (3)

где ах, аа2 - прямоугольные декартовые координаты вектора; /, у, к - единичные векторы.

Один из вариантов схемы закрепления изделия на опорном основании, обеспечивающий тепловую развязку в нестационарном поле температур согласно указанному методу показан на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема закрепления изделия на опорном основании, обеспечивающая тепловую развязку в нестационарном поле температур

Опоры изделия совмещают с декартовой прямоугольной системой координат так, чтобы одна из координатных плоскостей соответствовала плоскости сопряжения опор изделия и основания, начало системы координат совпадало с одной неподвижной опорой, а координатные оси располагались на линиях, на каждой из которых было бы не менее одной опоры, кроме неподвижной. Механические связи в подвижных опорах, лежащих на указанных линиях, накладывают так, чтобы обеспечить возможность линейных перемещений опор вдоль упомянутых линий. В остальных подвижных опорах в плоскости их сопряжения механические связи не накладываются.

В таблице приведены многочисленные примеры практических конструкторско-технологических решений, рассмотренных в диссертационной работе, для выполнения установленных требований, согласно разработанным методам. Эксплуатация космических аппаратов с конструкторско-технологическими решениями, удовлетворяющими сформулированным требованиям, обеспечивающих безотказность трансформирования механических устройств одноразового срабатывания, подтвердила их эффективность.

Таблица - Примеры конструкторско-технологических решений с применением разработанной методики, защищенных патентами РФ на изобретения

Номер патента Требования безотказности механических устройств Реализованные технические эффекты

2121947 1) Поворотные механизмы должны иметь пружинные толкатели для начального страгивания; 2) Ход пружинного толкателя должен обеспечивать сопровождение освобожденных элементов конструкций до полного выхода из ложементов; 3) Толкатели должны располагаться на максимальном плече относительно оси поворота конструкции; 4) Выход элементов конструкции из ложемента должен обеспечиваться прямыми измерениями Гарантированы условия обеспечения начального страгивания поворотных конструкций на основе длинноходовых пружин сжатия

2125528, 2131068, 2251031 Порядок наложения механических связей в раскрываемых средствах крепления должен обеспечивать отсутствие монтажных деформаций закрепляемой конструкции Исключена возможность возникновения монтажных деформации при монтаже, сборке и закреплении механических устройств одноразового срабатывания в стартовой конфигурации

2179268 Механические устройства должны выдерживать условия эксплуатации без остаточных деформаций, несанкционированного изменения взаимного положения деталей и нарушения характеристик сопряженных поверхностей, включая отсутствие следов, коррозии, износа, снятия защитных покрытий, смятия контактных поверхностей, трещин, сохранение подвижности Обеспечена прочность клеевого соединения деталей из материалов с разными коэффициентами линейного теплового расширения в условиях знакопеременных температур

2123875 1) Для обеспечения последовательности раскрытия, предотвращения соударений и обеспечения требуемого положения, в шарнирных узлах должна быть предусмотрена жесткая фиксация раскрываемых элементов; 2) Для обеспечения требуемой траектории раскрытия, механические устройства должны иметь устройства упорядочивающие раскрытие звеньев Достигнуто упорядоченное развертывание многосекционных конструкций, при котором любая поворотная часть конструкции не может начать движение в случае не завершенного движения каких-либо других ее частей

2111155 1) Все механизмы, за исключением подшипников, выходных зубчатых колес, запирающих и запираемых элементов, должны быть зарезервированы; 2) Отказ одного из резервируемых элементов не должен приводить к отказу механизма в целом; 3) Механические связи должны освобождать раскрываемые средства крепления при любом сочетании вариантов срабатывания, резервируемых пиросредств; 4) После срабатывания пироустройств должно быть предусмотрено улавливание разлетающихся частей без создания помех функционирования элементом в условиях невесомости Повышено резервирование при срабатывании устройства блокировки и освобождения элементов раскрывающегося типа

Продолжение таблицы

2130880, 2198117 При размещении механических устройств в стартовой конфигурации число складных элементов должно быть минимально возможным, а их габариты должны максимально использовать пространство под головным обтекателем Уменьшено число складных частей раскрывающихся конструкций за счет размещения раскрываемых средств крепления на космическом аппарате и ракете-носителе

1818282 1) Конструктивно-компоновочные схемы закрепления механических устройств в стартовой конфигурации должны иметь минимальное количество механических связей в раскрываемых средствах крепления, препятствующих движению в направлении освобождения; 2) В местах опасных сближений хрупких частей конструкций должны быть предусмотрены упоры Уменьшено число раскрываемых средств крепления механических устройств одноразового срабатывания на космических аппаратах за счет установки дополнительных упоров и применения различных комбинаций их расстановки

Таким образом, показано, что установление конструкторско-технологических требований к исполнению элементов механических устройств одноразового срабатывания позволяет осуществлять обеспечение безотказности их трансформирования целенаправленно, с заданным уровнем безотказности. Перечень разработанных в диссертационной работе требований безотказности и обеспечивающих их выполнение конструкторско-технологических решений открыт для расширения по мере развития и модификации раскрываемых конструкций космических аппаратов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработан методический подход к анализу, оценке и обеспечению безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов, основанный на согласовании конструкторских и технологических решений на всех стадиях жизненного цикла путем обоснования, установления и выполнения требований к конструкторско-техпологическому исполнению критичных элементов, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций.

2 Исследованы причинно-следственные связи физических процессов, происходящих в механических устройствах одноразового срабатывания вплоть до завершения трансформирования в рабочую конфигурацию. Установлена закономерность возникновения отказов механических устройств одноразового срабатывания по схеме мгновенных повреждений, дающая возможность рассматривать их безотказность как свойство сохранять во времени в установленных пределах всех показателей и значений параметров, необходимых для безотказного трансформирования в заданных условиях и режимах применения.

3 Проведен анализ совместного воздействия условий и режимов эксплуатации механических устройства одноразового срабатывания на их техническое состояние, как совокупности подверженных изменению свойств и характеристик. Установлены закономерности обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания путем выражения отношения объекта и внешней среды через необходимые и достаточные показатели и значения параметров, или качественные признаки, для которых предусмотрена количественная оценка через вероятностные показатели.

4 Обоснованы предпосылки конструкторско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания, основанные на установлении и соблюдении требований по обеспечению их показателей и значений параметров в установленных пределах. Выявлена взаимосвязь сохранения всех показателей и значений параметров в установленных пределах от степени соблюдения конструкгорско-технологических требований к исполнению критичных элементов, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций.

5 Разработан алгоритм конструкгорско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания на основе выявленных закономерностей и последовательности проведения конструкторско-технологических процедур, направленных на «опережающее» прогнозирование безотказности на ранних стадиях разработки.

6 На основании предложенного методического подхода и алгоритма разработан проект Методических указаний «Проведение анализов и оценки безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов с применением разработанных методов конструкторско-технологического обеспечения», применение которого позволяет на системной основе достигать заданного уровня безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.

7 Разработанный методический подход реализован в конструкторских решениях механических устройств одноразового срабатывания, защищенных патентами РФ, которые позволили достигнуть заданного уровня безотказности трансформирования механических устройств при эксплуатации космических аппаратов серии «Экспресс-A», «Экран», «Поток», космических аппаратов «Экспресс-AM 1 », «Экспресс-АМ2», «Экспресс-AMll», «Экспресс-АМ22», «Sesat», «Галс» и др.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

Публикации в журналах из перечня периодических изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций:

1 Похабов Ю.П. Особенности обеспечения безотказности функционирования механических устройств одноразового срабатывания на космических аппаратах // Вестник СибГАУ. - 2012. - № 2. - С. 96-100.

2 Доронин C.B., Похабов Ю.П. Повышение достоверности оценок прочности конструкций технических объектов // Вестник машиностроения. -2013.-№6.-С. 85-88.

3 Москвичев Е.В., Кротов О.Ю., Доронин C.B., Похабов Ю.П., Шарин Н.П. Особенности численного моделирования для оценки прочности и нагруженности конструкций антенных систем // Вестник СибГАУ. - 2012. - № 6. - С. 149-152.

4 Доронин C.B., Сигова Е.М., Похабов Ю.П., Шарин Н.П., Кротов О.Ю. Новый методический подход к расчету силовых элементов антенных систем // Вестник СибГАУ. - 2012. -№ 6. - С. 57-60.

Прочие публикации по теме диссертационной работы:

5 Доронин C.B., Москвичев В.В., Похабов Ю.П., Лепихин A.M., Косолапов Д.В., Сигова Е.М. Экспертиза конструктивных решений и технологии проектирования инновационных изделий машиностроения / C.B. Доронин, В.В. Москвичев, Ю.П. Похабов и др. - Красноярск : Ин. физ. им. Л.В.Киренского СО РАН, 2011. - Препринт № 1. - 72 с.

6 Похабов Ю.П. Подход к формализации требований надежности для механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов // Безопасность и живучесть технических систем: Труды TV Всероссийской конференции. В 2 т. - Красноярск: Ин. физ. им. Л.В. Киренского СО РАН, 2012. -T. 1.-С. 192-196.

7 Селютин Г.Е., Похабов Ю.П., Колмыков В.А. Испытания наноалмазов в составе консистентной смазки на ОАО «Красноярский машиностроительный завод» // Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты: сб. науч. тр. / НФИ КемГУ. -Новокузнецк, 2012. - С. 170-175.

8 Похабов Ю.П., Доронин C.B. Требования к экспертизе расчетов на прочность объектов новой техники // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч. конф (7-9 ноября, г. Красноярск) : в 2 ч. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т., Красноярск, 2012.-Ч. 2. - С. 506-507.

9 Похабов Ю.П. Учет факторов надежности при унифицировании шарнирных узлов механических устройств одноразового срабатывания // Решетневские чтения : материалы XVI Междунар. науч. конф. (7-9 ноября, г. Красноярск) : в 2 ч. / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т., Красноярск, 2012. - Ч. 1. - С. 86-87.

Патенты на изобретения по теме диссертационной работы:

10 Устройство для фиксации навесных конструкций спутника: пат. 1818282 СССР. МПК B64G 1/44 / Ю.П. Похабов, А.Ф. Маслов. - № 4892000/23; заявл. 19.12.1990; опубл. 30.05.1993. Бюл. № 20.

11 Держатель: пат. 2046079 Рос. Федерация. МПК В 64G 1/22, 1/44 / Ю.П. Похабов, В.Н. Наговицин, А.Г. Шугалей. - № 92007815/23; заявл. 24.11.1992; опубл. 20.10.1995. Бюл. № 29.

12 Устройство блокировки и освобождения элементов раскрывающегося типа: пат. 2111155 Рос. Федерации. МПК B64G 1/22 1/44 / Ю.П. Похабов, А.Н. Арапочкин, В.Н. Наговицин. - № 95100368/11; заявл. 11.01.1995; опубл. 20.05.1998. Бюл. № 14.

13 Держатель: пат. 2121947 Рос. Федерация: МПК В 64G 1/22, 1/44 / Ю.П. Похабов [и др.]. -№ 95100367/28; заявл. 11.01.1995; опубл. 20.11.1998. Бюл. № 32.

14 Способ развертывания многосекционных конструкций и многосекционная конструкция для его реализации: пат. 2123875 Рос. Федерации. МПК B64G 1/44 / Ю.П. Похабов, В.В. Лесихин. - № 93010565/23; заявл. 01.03.1993; опубл. 27.12.1998. Бюл. № 36.

15 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.

16 Способ удержания объектов и устройство для его реализации: пат. 2130880 Рос. Федерации. МПК B64G 1/22, 1/44 / В.В. Лесихин, Ю.П. Похабов [и др.].-№93010565/28; заявл. 01.03.1993; опубл. 27.05.1999. Бюл. № 15.

17 Болтовое соединение деталей: пат 2131068 Рос. Федерации. МПК F16B 5/02, B64G 1/22 1/44. / Ю.П. Похабов, В.Н. Наговицин. - № 95100399/28; заявл. 11.01.1995; опубл. 27.05.1999. Бюл. № 15.

18 Способ соединения деталей: пат. 2179268 Рос. Федерации. МПК F16B 11/00, C09J 5/00. / Ю.П. Похабов [и др.]. - № 99102342/28; заявл. 08.02.1999; опубл. 10.02.2002. Бюл. № 4.

19 Папель солнечной батареи: пат. 2190900 Рос. Федерации. МПК Н 01L 31/042. / Ю.П. Похабов [и др.]. - № 99127954/28; заявл. 31.12.1999; опубл.

10.10.2002. Бюл. №28.

20 Летательный аппарат: пат. 2198117 Рос. Федерации. МПК B64G 1/00 1/44 / Ю.П. Похабов [и др.]. - № 99102342/28; заяв. 08.02.1999; опубл.

10.02.2003. Бюл. № 4.

. 21 Способ выбора привода для поворота конструкции в шарнирном узле: пат. 2198387 Рос. Федерации. МПК G 01L 3/00 5/00 / Ю.П. Похабов. — № 2000129330/28; заявл. 23.11.2000; опубл. 10.02.2003. Бюл. № 4.

22 Панель солнечной батареи: пат. 2220477 Рос. Федерации. МПК H01L 31/042. / Ю.Г. Бабич, В.А. Битков, В.И. Кузоро, В.В. Миронович, Ю.П. Похабов [и др.]. - № 2002107006/28; заявл. 18.03.2002; опубл. 27.12.2003. Бюл. № 36.

23 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.

24 Болтовое соединение деталей: пат. 2251031 Рос. Федерации. МПК F16B 5/02. / Ю.П. Похабов, В.Н. Наговицин. - № 2003112525/11; заявл. 28.04.2003; опубл. 27.04.2005. Бюл. № 12.

25 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.

Похабов Юрий Павлович

Конструкторско-технологическое обеспечение безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов

Автореферат

Подписано к печати «05» ноября 2013 г. Формат 60x84/}¿к. Бумага писчая. Печ. л. 1.4 Тираж 100 экз. Заказ Отпечатано в отделе копировальной и множительной техники СибГАУ 660014 г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ СПЕЦИАЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ БЮРО «НАУКА» КРАСНОЯРСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ

РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ ТРАНСФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОДНОРАЗОВОГО СРАБАТЫВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

05.07.02 ПРОЕКТИРОВАНИЕ, КОНСТРУКЦИЯ И ПРОИЗВОДСТВО ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

На поавах оукописи

ПОХАБОВ Юрий Павлович

ДИССЕРТАЦИЯ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ

кандидат технических наук Доронин С.В.

КРАСНОЯРСК - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................5

1 Современное состояние обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов.................................9

1.1 Составная часть раскрывающихся конструкций космических аппаратов -механические устройства одноразового срабатывания, как объект для решения задач обеспечения надежности.................................................................................9

1.2 Методы обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания..............................................................................................24

1.3 Концептуальные основы обеспечения надежности на начальных стадиях разработки механических устройств одноразового срабатывания.................................32

1.4 Выводы по первой главе........................................................................40

2 Анализ предпосылок создания методов конструкторско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания......................................................................................................................42

2.1 Особенности применения термина «надежность» для решения задач обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания..............................................................................................42

2.2 Характеристика условий и режимов эксплуатации механических устройств одноразового срабатывания...........................................................................46

2.3 Характеристика этапов жизненного цикла механических устройств одноразового срабатывания..............................................................................................52

2.4 Характеристика факторов внешней среды, воздействующих на механические устройства одноразового срабатывания при

эксплуатации..............................................................................................54

2.5 Характеристика факторов режимов эксплуатации механических устройств одноразового срабатывания...........................................................................61

2.6 Параметры, показатели и качественные признаки, характеризующие условия и режимы эксплуатации механических устройств одноразового срабатывания..............72

2.7 Выводы по второй главе........................................................................75

3 Разработка методов конструкторско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.................78

3.1 Концептуальные предпосылки методического подхода конструкторско-технологического обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания и ее количественной оценки.........................................................78

3.2 Метод установления требований, обеспечивающих безотказность трансформирования механических устройств одноразового срабатывания.................88

3.3 Метод проведения организационно-методических и организационно-технических мероприятий по подтверждению реализации конструкторско-технологических требований, обеспечивающих безотказность трансформирования механических устройств одноразового срабатывания...............................................................98

3.4 Разработка алгоритма проведения расчетов на конструкционную прочность для повышения их достоверности...........................................................................99

3.5 Укрупненный алгоритм конструкторско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания............................................................................................103

3.6 Выводы по третьей главе......................................................................109

4 Примеры практического применения методов конструкторско-технологического обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания............................................................................................111

4.1 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при определении диапазона изменений показателя запаса момента движущих сил...........................................................................................111

4.2 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при разработке держателя солнечных батарей со встроенным толкателем................................................................................................119

4.3 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при закреплении механических устройств одноразового срабатывания в стартовой конфигурации для исключения тепловых ограничений...........................122

4.4 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при закреплении механических устройств одноразового срабатывания в стартовой конфигурации статически неопределимой системой связей, исключающей возникновение монтажных деформаций...........................................................127

4.5 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения

безотказности при клеевом соединении деталей из материалов с разными коэффициентами линейного теплового расширения для повышения прочности в условиях знакопеременных температур............................................................131

4.6 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при упорядочивании развертывания пакетов панелей солнечных батарей с использованием задержек раскрытия...............................................................132

4.7 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при блокировке и освобождении элементов раскрывающегося типа быстроразъемным соединением с избыточным резервированием...........................135

4.8 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при закреплении панелей солнечных батарей с минимальным количеством складных частей в стартовой конфигурации....................................138

4.9 Применение конструкторско-технологических методов обеспечения безотказности при закреплении панелей солнечных батарей с минимальным количеством раскрываемых средств крепления..................................................142

4.10 Выводы по четвертой главе.................................................................144

Заключение...............................................................................................147

Обозначения и сокращения...........................................................................149

Список использованных источников................................................................151

Приложение А. Проект методических указаний «Проведение анализов и оценки безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов применением методов конструкторско-технологического

обеспечения»..............................................................................................162

Приложение Б. Справка ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» о внедрении результатов диссертационной работ..........172

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Механические устройства одноразового срабатывания являются составной частью раскрывающихся конструкций, безотказность трансформирования которых непосредственно влияет на готовность космических аппаратов выполнять свои функции. К раскрывающимся конструкциям относятся трансформируемые крупногабаритные космические рефлекторы, раскрываемые солнечные батареи, устройства разворота параболических антенн, поворотные штанги приборов, системы отделения космических аппаратов и пр.

Отечественная и зарубежная статистика отказов показывает, что заданный уровень безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания современных космических аппаратов в ряде случаев остается не достигнутым. Вопросы безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания наиболее актуальны для автоматических космических аппаратов. В этом случае участие человека в устранении отказов невозможно, соответственно, заданный уровень безотказности достигается исключительно качеством проектирования, конструирования и производства механических устройств.

В настоящее время залогом гарантии безотказности механических устройств одноразового срабатывания считается успешность проведения наземной экспериментальной отработки. Однако тенденции по увеличению габаритных размеров современных раскрывающихся конструкций в рабочей конфигурации, в сочетании с выполнением их целевых задач по трансформированию в резко отличных от Земли условиях космического пространства, делают технически невозможным проведение всесторонней отработки надежности механических устройств при испытаниях в наземных условиях. В связи с этим, актуальной задачей является разработка научно-методических основ обеспечения безотказности трансформирования раскрывающихся конструкций, реализующих системный подход к прогнозированию и предотвращению условий возникновения возможных причин отказов на ранних стадиях их разработки с учетом заданного уровня безотказности.

Цель диссертационной работы заключается в достижении заданного уровня безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов на основе разработки и реализации научно-методического

подхода к принятию обоснованных конструкторско-технологических решений, обеспечивающих безусловное выполнение требуемых функций.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1 Анализ причин и условий возникновения отказов механических устройств одноразового срабатывания в связи с недостатками существующих методов и концепций анализа и обеспечения надежности.

2 Анализ предпосылок обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания, основанный на установлении концептуальных взаимосвязей терминологии надежности, факторов внешней среды и режимов эксплуатации, и выражении взаимодействия объекта и внешней среды через необходимые и достаточные показатели и значения параметров, характеризующие требуемые свойства и характеристики объекта.

3 Разработка методики анализа, оценки и обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания, регламентирующей логическое обоснование и установление требований к исполнению критичных элементов, основанных на безусловном выполнении ими требуемых функций, включая алгоритмические и организационные аспекты.

4 Обоснование и разработка конструкторско-технологических решений механических устройств одноразового срабатывания исходя из безусловного выполнения критичными элементами требуемых функций.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1 Методика обеспечения безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов, базирующаяся на идентификации критичных элементов, обосновании, установлении и выполнении конструкторско-технологических требований к их исполнению, направленных на безусловное осуществление ими требуемых функций, позволяющая принимать рациональные конструкторские и технологические решения и обеспечить заданный уровень безотказности.

2 Алгоритм обеспечения безотказности механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов на базе разработанных конструкторско-

технологических методов, позволяющий предотвращать отказы на ранних стадиях проектирования, конструирования и производства.

3 Методика анализа и оценки безотказности механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов с учетом использования методов конструкторско-технологического обеспечения надежности, позволяющая производить оценку вероятностных показателей надежности для изделий, изготавливаемых малыми сериями или в единичных экземплярах.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что результаты ее использования позволяют обеспечить заданный уровень безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания на основе системного исследования условий их функционирования путем «опережающего» прогнозирования, основанного на анализе условий предупреждения возможных отказов. Это позволяет снизить вероятность конструкторских и технологических ошибок на ранних стадиях проектирования, конструирования и разработки технологий производства механических устройств одноразового срабатывания, оценить уровень их безотказности исходя из принятых конструкторско-технологических решений, и принять меры к достижению заданного уровня надежности.

Методология и методы исследования. Исследование выполнено в рамках методологии системного подхода к механическим устройствам одноразового срабатывания с использованием методов машиноведения, системного проектирования и конструирования, теории надежности, теории вероятностей и статистики, аналитических и численных методов механики деформируемого твердого тела.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением статистических данных по отказам космических аппаратов, применением апробированных методов теории машин и механизмов, теории надежности, механики деформируемого твердого тела, системного проектирования и конструирования, и подтверждена практическим применением конструкторско-технологических решений, основанных на разработанных методах обеспечения безотказности, при проектировании космических аппаратов.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации цели и задач исследования, сборе и анализе статистики отказов механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов, разработке проекта методических

г

указаний по проведению анализов и оценки безотказности трансформирования механических устройств одноразового срабатывания с применением разработанных методов конструкторско-технологического обеспечения, разработке и внедрении конструкторско-технологических решений по обеспечению безотказности механических устройств одноразового срабатывания, анализе и обобщении полученных результатов.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

-IV Всероссийская конференция «Безопасность и живучесть технических систем» (Красноярск, 2012);

-IV Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Перспективы развития технологий переработки вторичных ресурсов в Кузбассе. Экологические, экономические и социальные аспекты» (Новокузнецк, 2012);

-XVI Международная научная конференция «Решетневские чтения» (Железногорск, 2012).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликованы 25 печатных работ, из них 4 - в журналах из перечня периодических изданий, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертаций, и 16 патентов Российской Федерации на изобретения.

Внедрение результатов осуществлено при проектировании и разработке механических устройств одноразового срабатывания космических аппаратов в ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева» в виде изобретений на конструкторско-технологические решения механических устройств одноразового срабатывания.

С 1996 по 2010 годы в ОАО «Информационные спутниковые системы» было зарегистрировано 93 акта внедрения на 14 изобретений.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений.

Общий объем диссертационной работы составляет 173 страницы, включает 37 рисунков, 10 таблиц и 135 использованных источников.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ ТРАНСФОРМИРОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ ОДНОРАЗОВОГО СРАБАТЫВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1.1 Составная часть раскрывающихся конструкций космических аппаратов -механические устройства одноразового срабатывания, как объект для решения задач обеспечения надежности

Краткая характеристика раскрывающихся конструкций. Современные методы проектирования космических аппаратов (КА) базируются на концепции компактного складывания их бортовых конструкций в стартовую конфигурацию, с последующим однократным автоматическим трансформированием КА в рабочую конфигурацию при помощи раскрывающихся конструкций (РК) (рисунки 1.1-1.3).

Рисунок 1.1 - КА «Амос-5» и «Луч-5А» разработки ОАО «ИСС» им. академика М.Ф. Решетнева» в стартовой конфигурации

Рисунок 1.2 - КА «Амос-5»