基于概率風(fēng)險評價的對接機構(gòu)可靠性評估

劉金燕，鄭 恒，鄭云青，劉 志

（1中國航天標準化與產(chǎn)品保證研究院，北京100077；2上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108）

1 引言

交會對接的主要目的是建造復(fù)雜空間站器，實現(xiàn)載人飛船或貨運飛船與空間站的對接，對空間站進行設(shè)備維護、部件更換、燃料加注、給養(yǎng)補充、人員輪換、物資運輸和應(yīng)急救援，以及將實驗樣品或科研成果帶回地面等。交會對接由交會系統(tǒng)和對接機構(gòu)完成，其關(guān)鍵是對接機構(gòu)。通過交會系統(tǒng)滿足對接初始條件后，兩個航天器對接機構(gòu)完成接觸、碰撞、緩沖、連接，相互拉緊并剛性連接、密封以形成密封通道。飛行任務(wù)結(jié)束后，兩個航天器的分離也由對接機構(gòu)實現(xiàn)[1，2]。因此，對接機構(gòu)對交會對接任務(wù)的完成起著至關(guān)重要的作用。

本文通過對對接機構(gòu)任務(wù)和功能進行分析，研究提出基于PRA的對接機構(gòu)的可靠性評估方法，綜合利用“事件鏈建?！?、“底事件可靠性評估”、“貝葉斯分析與蒙特卡羅仿真分析”等方法，為后續(xù)載人航天工程交會對接過程可靠性評估提供有效的方法支持。

2 對接機構(gòu)任務(wù)與功能分析

2.1 任務(wù)分析

從要完成對接任務(wù)的兩航天器（運輸飛船與目標航天器、核心艙與貨運飛船等）第一次機械接觸開始，到兩航天器之間完成剛性連接，稱為對接階段，聯(lián)合飛行結(jié)束后，兩對接航天器分離。兩航天器的對接和分離主要由對接機構(gòu)分系統(tǒng)完成。對接機構(gòu)的任務(wù)包括以下幾個方面：

（1）實現(xiàn)對接：在初始條件范圍內(nèi)，實現(xiàn)兩航天器的捕獲、緩沖、校正、拉近和剛性密封連接，形成密封通道；

（2）保持對接：在聯(lián)合飛行期間，保持兩航天器間的連接狀態(tài)，保證連接的剛度、強度以及氣密性；

（3）分離：在聯(lián)合飛行任務(wù)結(jié)束后，或在緊急狀態(tài)下，實現(xiàn)兩航天器的安全分離。

2.2 功能分析

載人飛船或貨運飛船的對接機構(gòu)主要功能是完成載人航天工程交會對接過程，對接機構(gòu)具體功能分析如下：

傳動、緩沖、校正功能：主要由主驅(qū)動組合、差動組合、絲杠安裝組合和絲杠聯(lián)系組合等完成，實現(xiàn)對接環(huán)的推出、拉回，以及對接過程中的緩沖、校正等。

捕獲功能：主要由對接環(huán)、捕獲鎖和卡板器等完成，實現(xiàn)兩航天器的初始對接導(dǎo)向和捕獲（初始柔性連接）任務(wù)。對接環(huán)同時為捕獲鎖、絲杠聯(lián)系機構(gòu)等提供安裝空間。

連接密封功能：主要由對接框、對接鎖系和密封圈等完成，實現(xiàn)兩對接航天器的剛性連接，形成內(nèi)部密封通道。對接框同時為差動組合、絲杠安裝座等提供安裝空間，并承受對接過程中的載荷。

分離功能：主要由分離推桿等完成，實現(xiàn)兩航天器的分離。

控制功能：主要由對接控制器、驅(qū)動器和電纜網(wǎng)等完成，實現(xiàn)對接和分離過程的檢測與控制，并實現(xiàn)與飛船其它分系統(tǒng)的信號聯(lián)系。

其它功能：主要由電、氣、液路浮動斷接器、熱控襯板和熱控包覆層等完成，進行對接機構(gòu)的熱控制，完成兩航天器的電、氣、液路連接和斷開。

3 對接機構(gòu)的可靠性評估方法

對接機構(gòu)可靠性評估方法的選擇，必須充分考慮對接機構(gòu)的如下特點：

（1）基于余量的可靠性設(shè)計。在對接環(huán)推出/拉近、捕獲緩沖、連接分離以及保持對接等功能中都采用了基于余量的可靠性設(shè)計。

（2）試驗與仿真相結(jié)合的方法。在捕獲緩沖、分離等功能試驗中廣泛采用仿真技術(shù)，以彌補試驗量的不足。

（3）部件與組件等不同層次的數(shù)據(jù)利用。充分利用對接機構(gòu)各功能的可靠性試驗數(shù)據(jù)及捕獲鎖、對接鎖、彈簧機構(gòu)、分離推桿等關(guān)鍵部件的可靠性試驗數(shù)據(jù)。

（4）不同任務(wù)階段中系統(tǒng)完成功能所需的主要部件不盡相同。例如捕獲緩沖階段可靠性主要與彈簧、阻尼、捕獲鎖、傳動裝置等部件可靠性有關(guān)，分離階段的可靠性主要與對接鎖、分離推桿等部件的可靠性相關(guān)。

在上述特點的基礎(chǔ)上，提出基于概率風(fēng)險評價（PRA）的綜合評價方法對對接機構(gòu)進行可靠性評估。

PRA是一種識別與評估復(fù)雜系統(tǒng)風(fēng)險的結(jié)構(gòu)化、集成化的邏輯分析方法，它綜合運用事件樹、故障樹等方法構(gòu)建事件鏈模型，集成工程各類定性和定量信息進行模型量化與不確定性分析，從而能夠量化評估對接機構(gòu)的可靠性水平[4]。

PRA在建模方法上，采用了面向多任務(wù)階段的事件鏈建模，反映了對接機構(gòu)在不同任務(wù)階段上完成功能所需關(guān)鍵部件的不同；另外，在數(shù)據(jù)分析方法上，PRA采用了應(yīng)力-強度分析、貝葉斯分析及蒙特卡羅仿真等不確定性分析技術(shù)，能夠綜合不同層次（部件級、組件級）和不同來源（試驗、仿真、專家預(yù)估）的數(shù)據(jù)信息，更為貼近實際[5-6]。

基于PRA的對接機構(gòu)的可靠性評估，主要包括以下幾個步驟：事件鏈建模，部/組件可靠性評估、對各功能事件的可靠性評估和綜合評估。

3.1 事件鏈建模

事件鏈建模主要是綜合運用事件樹和故障樹，對對接機構(gòu)的對接與分離過程建立事件鏈模型。

在對接機構(gòu)的事件鏈建模中，可以利用事件樹描述對接機構(gòu)完成各功能的可靠性與系統(tǒng)可靠性之間的關(guān)系；利用故障樹描述對接機構(gòu)完成各功能的可靠性與部件可靠性之間的關(guān)系。

以其各主要功能事件（準備，捕獲緩沖，連接，保持對接，分離）為主線，根據(jù)對各功能事件的分析，以完成各功能所涉及的部件為基礎(chǔ)，利用事件樹和故障樹方法，構(gòu)建對接機構(gòu)的事件鏈模型，如圖1所示。

3.2 對接機構(gòu)部件的可靠性評估方法

對接機構(gòu)部件的可靠性評估方法主要根據(jù)其類型來定，對于對接機構(gòu)機械組件部件，如捕獲鎖、對接鎖、分離推桿等，一般采用應(yīng)力-強度模型法進行評估；對于電子產(chǎn)品，如控制器、驅(qū)動器、控溫儀等，一般采用指數(shù)分布進行可靠性評估；對于試驗數(shù)據(jù)積累較多的部件，如電磁拖動機構(gòu)、傳感器等，可采用保守的二項分布的可靠性評估方法。具體的評估方法如下：

3.2.1 應(yīng)力－強度模型法

產(chǎn)品強度試驗結(jié)果為n個強度試驗值x1，x2，…，xn；產(chǎn)品應(yīng)力為確定的量L。

強度樣本均值與方差分別為：

圖1 對接機構(gòu)事件鏈模型示意圖

則，產(chǎn)品的可靠性點估計為：

可靠性置信下限計算過程如下：

首先計算容限系數(shù)K

查K系數(shù)表，求RL。

按給定的置信度γ、強度各試驗件累計試驗數(shù)n、容限系數(shù)K反查GB4885數(shù)表并插值可得可靠性下限RL。

3.2.2 指數(shù)分布可靠性評估方法

給定置信度γ下，可靠度置信下限RL由下式得到：

其中：T為累計總試驗時間，r為失效個（次）數(shù)，t為任務(wù)時間（2r+2）為自由度 2r+2 的 χ2分布的 γ 分位數(shù)。

3.2.3 二項分布可靠性評估方法

給定置信度γ，產(chǎn)品可靠性下限RL由下式解得：

根據(jù)β分布與F分布分位數(shù)之間的關(guān)系，有：

3.3 各功能事件可靠性評估方法

根據(jù)試驗和仿真數(shù)據(jù)，利用蒙特卡羅仿真和貝葉斯分析相結(jié)合的方法，對“試驗與仿真”、“部件與組件”等不同渠道、不同層次的可靠性（失效概率）數(shù)據(jù)進行有機融合，綜合得到對接機構(gòu)各主要功能事件可靠度（失效概率）的后驗分布，具體方法如下：

借助故障樹，利用蒙特卡羅仿真方法，將各部件（如彈簧、捕獲鎖、對接鎖、分離推桿、驅(qū)動器、控制器、傳感器等）的失效概率分布（失效概率分布可根據(jù)相應(yīng)的部件的可靠性數(shù)據(jù)來推算）向上傳播，得到頂事件（各功能事件）的失效概率分布。這樣，根據(jù)對接機構(gòu)各部件的失效率試驗數(shù)據(jù)（或?qū)＜遗袛嘈畔ⅲ晒收蠘浞治龅玫巾斒录氖Ц怕剩ǚ植迹?，并將該概率分布作為先驗分布。將試驗或仿真所觀察到的組件成敗次數(shù)，作為證據(jù)對先驗分布進行修正，得到修正后的貝葉斯后驗分布。以上過程如圖2所示：

圖2 基于貝葉斯分析的不同層次和類別的數(shù)據(jù)信息融合過程

3.4 綜合評估方法-蒙特卡羅仿真

蒙特卡羅仿真法是一種基于“隨機數(shù)”的計算方法，通過多次模擬一個模型的結(jié)果，從而提供計算結(jié)果的統(tǒng)計分布，可以方便地考察評估指標的分布特征。

在對接機構(gòu)事件鏈模型和對各功能事件的失效概率分布評估結(jié)果的基礎(chǔ)上，將失效概率分布評估結(jié)果轉(zhuǎn)化為可靠度分布后，利用蒙特卡羅仿真技術(shù)對對接機構(gòu)的可靠性進行綜合評估。具體過程如下：

利用3.3節(jié)的蒙特卡羅和貝葉斯分析相結(jié)合的方法得到“對接環(huán)推出、捕獲緩沖、對接環(huán)拉近、剛性連接、保持對接、分離”等功能事件的分布函數(shù)后，再利用蒙特卡羅仿真方法在事件樹上進行綜合計算，得到對接機構(gòu)的可靠度（分布函數(shù)）如圖3所示。

圖3 不確定性沿事件樹的傳播

4 結(jié)束語

基于概率風(fēng)險評價的可靠性綜合評估方法綜合運用了“事件鏈建模、貝葉斯分析與蒙特卡羅仿真”等方法，能夠面向?qū)訖C構(gòu)對接與分離過程進行建模，并綜合應(yīng)用試驗與仿真、部件與組件等不同渠道、不同層次的可靠性數(shù)據(jù)，得到更貼近實際可靠性評估結(jié)果，為后續(xù)載人航天工程對接與分離過程可靠性評估提供有效的方法支持。 ◇

［1］婁漢文等.空間對接機構(gòu)[M].航空工業(yè)出版社，1992.

［2］李金宗.空間交會對接技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997.

［3］林來興.自主空間交會對接技術(shù)進展 [J].載人航天，2005，（4）：1317.

［4］Dr.Michael Stamatelatos.Probabilistic Risk Assessment Procedures Guide for NASA Managers and Practitioners.Office of Safety and Mission Assurance NASA Headquarters，2002.

［5］ NASA-CR-197808，Probabilistic Risk Assessment of the Space Shuttle，A Study of the Potential of Losing the Vehicle During Nominal Operation，F(xiàn)inal Report.Science Application International Corporation，Advanced Technology Division，New York，1995.

［6］ESA PSS-01-403.Hazard Analysis and Safety Risk Assessment Methods and Procedures.Issue 1，1994.