Обеспечение надежности технических систем космического назначения на этапах проектирования

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Сибирский федеральный университет

В. Е. Патраев, Е. А. Шангина

НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Учебное пособие

Красноярск 
СФУ 
2019

УДК 629.78.01-027.45(07)
ББК 39.62-022-021я73
П207

Р е ц е н з е н т ы: 
И. В. Трифанов, доктор технических наук, профессор кафедры технического регулирования и метрологии Сибирского государственного 
университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева;
В. В. Федосов, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры 
систем автоматизированного управления Сибирского государственного 
университета науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Патраев, В. Е.
П207 
 
Надежность технических систем космических аппаратов : учеб. пособие / В. Е. Патраев, Е. А. Шангина. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. – 66 c.
ISBN 978-5-7638-4261-6

Изложена методология обеспечения надежности сложных технических систем космического назначения.
Предназначено для студентов направлений подготовки 27.04.03 «Системный анализ и управление», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», изучающих дисциплины «Качество и надежность космических систем 
и аппаратов», «Надежность и техническая диагностика».

Электронный вариант издания см.: 
УДК 629.78.01-027.45(07)

http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 39.62-022-021я73

ISBN 978-5-7638-4261-6 
© Сибирский федеральный
университет, 2019

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список cокращений ...................................................................................4
Введение .......................................................................................................5

Глава 1. Космические аппараты как объекты  
обеспечения качества и надежности ......................................................9
1.1. Общие проблемы надежности космических аппаратов.  
Термины и определения........................................................................9
1.2. Назначение и состав космических аппаратов .................................. 12
1.3. Этапы жизненного цикла космических аппаратов ......................... 13
1.4. Работы по обеспечению надежности, выполняемые  
на этапах жизненного цикла космического аппарата ..................... 15
1.5. Причины возможной ненадежности  
космического аппарата ...................................................................... 22
1.6. Требования по надежности к космическим аппаратам .................. 25
1.7. Показатели надежности космических аппаратов  
и нормирование надежности ............................................................. 26
Вопросы и задания для самоконтроля .................................................... 33

Глава 2. Обеспечение надежности космических аппаратов  
и их радиоэлектронных систем на этапах проектирования ........... 34
2.1. Принципы обеспечения надежности ................................................ 34
2.2. Расчет надежности технических систем  
космических аппаратов ...................................................................... 42
Вопросы и задания для самоконтроля .................................................... 60

Заключение ............................................................................................... 61
Библиографический список .................................................................. 63

СПИСОК CОКРАЩЕНИЙ

АВПКО 
– анализ видов, последствий и критичности отказов
БА 
– бортовая аппаратура
ВБР 
– вероятность безотказной работы
ДИ 
– динамические испытания
КА 
– космический аппарат
КД 
– конструкторская документация
КДИ 
– конструкторско-доводочные испытания
КК 
– космический комплекс
КС 
– космическая система
ЛИ 
– летные испытания
ЛОИ 
– лабораторно-отработочные испытания
НЭО 
– наземная экспериментальная отработка
ПСИ 
– приемо-сдаточные испытания
РН 
– ракета-носитель
САС 
– срок активного существования
СИ 
– специальные испытания
ССН 
– структурная схема надежности
ТД 
– технологическая документация
ТЗ 
– техническое задание
ТТЗ 
– тактико-техническое задание
ТТТ 
– тактико-техническое требование
ТУ 
– технические условия
ФКП 
– факторы космического пространства
ФСС КТ – Федеральная служба сертификации космической  
техники
ЭРИ 
– электрорадиоизделия

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России значительное внимание уделяется 
развитию космических информационных технологий в области космических средств спутниковой связи и ретрансляции информации. 
Этот процесс идет по пути создания космических аппаратов с длительными сроками активного существования (10−15 лет). Срок активного существования 15 лет и более позволяет заметно сократить 
количество запусков аппаратов для развертывания и восполнения отечественных орбитальных группировок различного функционального назначения, снижает материальные затраты на их создание, обеспечивает конкурентоспособность и безопасность изделий.
Нормы проектирования таких аппаратов разработки АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева апробированы на практике при эксплуатации спутников 
разного функционального назначения. И в целом, исходя из результатов многолетних анализов эксплуатационной надежности и технического состояния различных КА, являются достаточно эффективными, поскольку обеспечивают эксплуатационную надежность 
и гарантийный срок активного существования эксплуатируемых 
аппаратов. Полная апробация гарантийного срока активного существования достигнута для аппаратов герметичного исполнения 
(«Экспресс-А», «Sesat», «Экспресс-АМ22»), которые отработали 
требуемый гарантийный срок активного существования на орбите 
(5 и 10 лет соответственно) и долгое время эксплуатировались сверх 
этого требуемого срока. «Экспресс-22» превысил 15-летний срок активного существования, при требуемом ресурсе космического аппарата 12 лет, и продолжает эксплуатироваться. Спутник «Sesat» отработал на орбите 17 лет и закрыт заказчиком в исправном состоянии 
как морально устаревший.
Вместе с тем следует отметить, что уровень эксплуатационной 
надежности современных отечественных космических аппаратов 
свидетельствует о наличии ряда ранее нерешенных или вновь возникших проблем обеспечения надежности (при выведении их на ор

Введение

биту и при эксплуатации). На этапе запуска – неисправности средств 
выведения. На этапах летных испытаний и эксплуатации проявляются неисправности различной классификации, не выявленные на ранних этапах создания, при этом преобладают отказы комплектующих 
электрорадиоизделий и покупных комплектующих.
Относительный уровень отказов и существенных неисправностей современных спутников по причине отказов электрорадиоизделий и покупных комплектующих, по сравнению с аппаратами предыдущих поколений, не снижается, несмотря на более совершенную 
базу перспективных конструктивных решений, использование унифицированных, то есть более отработанных, платформ и процедур 
обеспечения качества партий, применяемых электрорадиоизделий 
перед комплектацией в аппаратуру космических аппаратов.
Следовательно, отечественная космическая отрасль стоит перед необходимостью решения такой важной проблемы, имеющей 
большое народнохозяйственное значение, как обеспечение эксплуатационной надежности перспективных КА.
Понятие обеспечения надежности – комплексное. Под обеспечением надежности понимается совокупность координируемых 
действий, являющихся частью системы управления надежностью 
и ориентированных на достижение, поддержание и подтверждение 
требуемого уровня надежности. В пособии мы будем рассматривать 
вопросы обеспечения требуемой надёжности таких аппаратов на 
этапах проектирования.
Вопросы обеспечения надежности сложных технических систем возникли одновременно с появлением первых образцов сложной послевоенной техники: электронных вычислительных машин, 
радиоэлектронных систем, бортовых систем ракет и космических 
аппаратов и др.
В связи с усложнением техники, ужесточением требований по 
надежности, предъявляемых к конкретным образцам, и техническим 
прогрессом в целом актуальность проблемы только растет. Связано 
это с тем, что структура сложных технических систем различной направленности включает десятки тысяч электрорадиоизделий и компонентов, имеющих различный характер работы, при этом предъ

Введение

являются все более высокие требования к показателям надежности 
систем в условиях жестких внешних воздействий.
Реальный пример сложной технической системы – это космический аппарат любого функционального назначения, в состав 
которого входят электрические, электронные, оптикомеханические, 
электромеханические, механические, химические, фотоэлектронные, газодинамические системы и оборудование, а также десятки 
тысяч комплектующих электрорадиоизделий.
Решение проблемы обеспечения надежности сложных технических систем на примере космических аппаратов связано с целым 
рядом технических и организационных аспектов, один из которых – 
обучение и подготовка специалистов (магистров), хорошо знающих 
специфику данных вопросов на уровне, позволяющем использовать имеющиеся знания на этапах создания космических аппаратов 
и любой другой сложной техники. Если теории надежности как научной дисциплине посвящено множество изданий, то необходимо 
отметить, что современная библиография содержит ограниченный 
перечень публикаций и изданий, посвященных современным методам и приемам обеспечения надежности не только КА длительного 
функционирования на этапах проектирования, но и любых других 
сложных технических систем. Это затрудняет проведение работ по 
системному и комплексному решению данной проблемы в виде рационального сочетания методов расчета надежности и организационно-технических методов обеспечения надежности.
Цель пособия − подготовка студентов как будущих специалистов предприятий-разработчиков сложной технической техники 
к решению задач обеспечения надежности космических аппаратов 
и оборудования на этапах проектирования, а также повышение качества высшего профессионального образования.
В задачи авторов входило:
• систематизация общей теоретической подготовки студентов 
в области теории надежности применительно к космическим аппаратам;
• изучение структуры аппаратов как сложной технической системы;

Введение

• ознакомление студентов с современной и перспективной методологией и инструментарием обеспечения надежности космических аппаратов и их составных частей в процессе проектирования, 
ознакомление с лучшим отечественным и зарубежным опытом по 
обеспечению и управлению надежностью КА на всех этапах жизненного цикла и гарантированию качества космических аппаратов.
В работе рассмотрены современные достижения в области 
обеспечения надежности космических аппаратов на этапах проектирования.
Авторы использовали многолетний положительный опыт акционерного общества «Информационные спутниковые системы» 
имени академика Михаила Федоровича Решетнева по обеспечению 
надежности как ранее разработанных, так и находящихся в процессе создания перспективных космических систем и космических аппаратов нового поколения (в том числе в рамках международного 
сотрудничества), результаты научно-исследовательских и опытноконструкторских работ по совершенствованию методологии обеспечения надежности КА на всех этапах жизненного цикла.
Надежность как наука базируется на сумме знаний из многих 
областей технических наук, поэтому содержание пособия строилось 
на принципах системного подхода к вопросам обеспечения надежности космических аппаратов. Именно системный подход создает 
предпосылки для успешного решения данной проблемы.

Глава 1. КОСМИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ КАК ОБЪЕКТЫ  
ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ

1.1. Общие проблемы надежности космических аппаратов.  
Термины и определения

Проблемы обеспечения длительных срока активного существования космических аппаратов выводят нас на общие проблемы 
надежности и качества продукции.
Под качеством продукции понимается совокупность свойств 
и характеристик продукции или услуги, которые придают им способность удовлетворять обусловленные или предполагаемые потребности.
Одним из главнейших свойств этой совокупности является надежность.
Нормативная документация [16] дает следующее определение 
термина «надежность» – это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных 
режимах и условиях применения, ремонтов, хранения и транспортирования.
Надежность объекта – сложное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из 
сочетаний свойств:
1) долговечности;
2) безотказности; 
3) ремонтопригодности;
4) сохраняемости.
Для разных объектов и условий их эксплуатации эти свойства 
имеют различную относительную значимость. Например, для некоторых типов неремонтируемых объектов (к которым относится КА) 
основным свойством является безотказность при выполнении целевых задач. 

Надежность технических систем космических аппаратов

Для ремонтируемых объектов одним из важнейших свойств 
может быть ремонтопригодность (или время ремонта).
Если отвлечься от космической тематики, то что можно сказать 
о роли надежности вообще? Надежность – это важнейшее из условий, предопределяющее целевые аспекты человеческой деятельности. Безопасность, экологичность, ресурсосбережение, качество 
и конкурентоспособность обеспечиваются надежностью.
Значение надежности для космических аппаратов различного 
функционального назначения исключительно велико, а зачастую явдяется определяющим.
Действительно, какой смысл в КА, если он не может обеспечить выполнение требуемых функций в течение заданного эксплуатационного срока службы. В данном случае все упирается 
в возможные потери как финансового характера, так и иных. Исходя из ориентировочной стоимости, например перспективных КА 
(200–300 млн долларов), досрочное закрытие КА из-за отказов 
в бортовых системах может повлечь нетерпимые финансовые потери, что в условиях настоящего периода времени для России будет 
определяющим.
Что можно сказать о космических аппаратах, выполняющих 
задачи в интересах Минобороны? Отказ такого КА в процессе выполнения целевой функции может повлечь (кроме финансовых потерь) потерю стратегически важной информации и привести к невозможности выполнения боевой задачи, что вообще трудно оценить 
в финансовом эквиваленте [3].
Резюмировать изложенное можно следующим выводом, к которому пришли в США на начальном этапе ракетно-космической 
деятельности.
«Ненадежность сказывается на стоимости, временных затратах, психологически – в виде неудобств, а в определенных случаях грозит безопасности людей и нации» [3].
Классический пример ненадежности – КА «Авангард» 
(США), для запуска которого использовалась недостаточно отработанная ракета-носитель, а одни из последних примеров в России, 
вызвавший большой общественный резонанс, – гибель 16.11.96 

Глава 1. Космические аппараты как объекты обеспечения качества и надежности 

межпланетной станция «Марс–96» (стоимостью $300 млн), невывод которой на расчетную траекторию полета к Марсу произошел 
из-за того, что не состоялось второе включение разгонного блока 
типа ДМ, что поставило под угрозу выполнение всей программы 
исследования Марса.
Также можно привести примеры проектов по КА «Фобос 
грунт» и др., несостоявшихся или не состоявшихся полностью по 
причине низкой надежности.
Надо отдать должное США: они извлекли урок из неудач начального периода освоения космоса, поэтому, например в 10-летнем 
лунном проекте «Апполлон», вопросы обеспечения надежности получили серьезный программный подход, что дало возможность этот 
проект успешно реализовать. Анализы проблемных вопросов и возможных отказов оборудования РН «Сатурн-5», результаты которых 
были затем реализованы в программе обеспечения надежности, стали основной предпосылкой успеха. 
Можно привести и пример «сверхнадежности» – это американский космический зонд «Вояджер-1», запущенный 05.09.77. На конец 
2019 года расстояние до зонда составило более 20 000 000 000 километров, увеличиваясь ежесекундно на 38 километров. Радиосигнал 
от него идет до земных антенн более 20 часов, а мощность сигнала 
при приеме более чем в 20 миллионов раз меньше, чем мощность 
батарейки для наручных электронных часов. Тем не менее научная 
информация от «Вояджера-1» поступает и, как ожидают, должна поступать до конца 2020 года.
Следует подчеркнуть, что обеспечение требуемой надежности КА на различных этапах жизненного цикла не дается даром – 
ее получение требует как определенных материальных затрат, так 
и систематических научных поисков. Когда Вернера фон Брауна 
спросили: «Если оглянуться на проект “Сатурн-Аполлон”, что у Вас 
оставило особый отпечаток в памяти?» – «Огромный масштаб программы и размер самого “Сатурн-5”. В системе 9 млн деталей. Переведем это в доллары и префразируем Д. Моргана – если вы узнаете, 
сколько стоит “Сaтурн-5” – вы не позволите ему лететь».