книги из ГПНТБ / Дракин, И. И. Основы проектирования беспилотных летательных аппаратов с учетом экономической эффективности

3. 1. Оптимальная надежность деталей

Рассмотрим случай отдельных деталей, в частности радио­ электронных. Затраты на деталь можно разбить на две части. Одна часть затрат определяется минимальными затратами на производство детали, обеспечивающими функционирование де­ тали, т. е. выполнение ею целевого назначения, хотя бы с неболь­ шой надежностью. Вторая часть затрат служит для достижения определенной надежности. В процессе производства эти две группы затрат могут реализоваться одновременно или вторая группа после первой. Следовательно,

Qn= Фдо + /я (^д)-

Надежность зависит от двух основных факторов — интенсив­ ности отказов и времени работы детали. Очевидно, что затраты на повышение надежности должны идти на уменьшение интен­ сивности отказов, так как время работы детали определяется временем работы системы. Поэтому

/*(Яд ) = /*№•

Функция Д (Я) должна удовлетворять следующим условиям

/*(ДпаХ)=°. /х(0)=СО,

где Яшах — интенсивность отказов, соответствующая только за­ тратам <2до. Простейшей функцией, удовлетворяющей указанным условиям,является

Воспользуемся приведенными выше соотношениями для дета­ лей электронной аппаратуры военной промышленности СШ А и примем:

В этом случае а =0,65 QHÜ. Следовательно,

Уравнение (5. 15) при этом можно преобразовать, учитывая,

что

где т — время работы детали на ЛА. Тогда по (5. 15)

190

С учетом выражения (5. 22) получаем уравнения для Я0Пт

Решая это уравнение, находим

Для случая деталей или отдельных блоков под корнем можно пренебречь единицей, а за корнем в скобках (—1), тогда

Уравнения (5.24) и (5.25) имеют ту практическую ценность, что позволяют предъявить поставщикам деталей и блоков обо­ снованное требование к их надежности из соотношения интенсив­ ности отказов и стоимости для радиоэлектронных деталей, при­ нятого выше. В реальных условиях следует иметь это соотноше­ ние для конкретных деталей или блоков.

Пример. Определим оптимальную надежность миниатюрной радиолампы

полета 0,24 ч.

Значения интенсивностей отказов, полученные в лабораторных условиях, согласно справочнику [36] следует для ракет умножить на 400 (см. рис. 13 справочника), тогда

*Lx = 6-io-3.

По формуле (5.25) находим

ХР„Т= 1,16-10-4.

Для отработки и приемки данной радиолампы в лабораторных условиях сле­ дует иметь интенсивность отказов

Следует заметить, что для БЛА, имеющих малое время полета и не очень высокую стоимость, требования к надежности могут быть существенно ниже. Например, для БЛА «Терьер» того же класса, что и «Боумарк», но имеющего меньшие дальность и стоимость, значения исходных данных по материалам [101] и [12] следующие:

— =4,17-103, т = 0,0061 ч.

Одо

191

Принимая остальные данные, входящие в формулу (5.20), те же, что для «Боумарк», получаем

С г = 0,62.10-5 '

Эта интенсивность отказов по упомянутой выше классификации относится к стандартному военному уровню надежности.

3. 2. Оптимальная надежность БЛА

БЛА является сложной системой и его оптимальная надежпость может определяться по формуле, аналогичной (5.15), а именно

Необходимо напомнить, что в формуле (5.26) предполагается, что при изменении надежности вес БЛА не изменяется. Однако БЛА отличается от бортовых систем тем, что БЛА является со­ вокупностью различных систем, отличающихся как принципи­ альной схемой работы, так и технологическими основами их про­ изводства. В бортовой комплекс БЛА входят системы: механи­ ческие (каркас, механическое управление), гидропневматиче­ ские (топливная система, система привода рулевого управления, система привода гироскопов), газодинамические (реактивные двигатели, газодинамические приводы генераторов электриче­ ского тока, рулевого управления), электромеханические (гене­ раторы, электромоторы, коммутационные системы), электрохи­ мические (химические источники тока), электронные (автопило­ ты), радиоэлектронные (системы наведения) и др.

Все бортовые системы БЛА имеют обычно различный уровень надежности. Одни системы имеют уровень надежности 0,9999, а другие 0,9. Следовательно, общая надежность БЛА является комплексной величиной. Кроме того, и стоимости различных си­ стем различны: механические системы обычно имеют меньшие удельные стоимости, радиоэлектронные системы, а также гиро­ скопические системы имеют высокие удельные стоимости, однако механические системы имеют большие веса, чем радиоэлектрон­ ные системы.

Первые БЛА, вышедшие из производства, обычно имеют не­ высокую надежность. Например, в.статье Бутца [75] указывает­ ся, что надежность ракет-носителей к 10— 15 запуску не пре­ вышает 50%. Как видно из иностранных источников, в некото­ рых случаях надежность БЛА вначале летных испытаний бывает и ниже (см. разд. 1).

Для доведения надежности БЛА до приемлемого уровня при­ ходится делать значительное количество запусков БЛА, в процес­ се которых выявляются причины тех или иных отказов и уточ­ няются характеристики БЛА. Например, для первых вариантов

192

БРДД было проведено в СШ А следующее количество экспери­ ментальных запусков: «Титан» 1—47, «Минитмен» 43, «Поларис» А-1 — 42 [85]. Для маневренных БЛА, имеющих более слож­ ную систему наведения и подвергающихся в полете более слож­ ным атмосферным и радиоэлектронным воздействиям, потребное количество БЛА, необходимое для доведения надежности до приемлемого уровня, получается значительно больше.

Например, при отработке-БЛА класса МВ «Сислаг» (Англия) было запущено 200 снарядов. Запуск производился с корабля [112]. При отработке БЛА класса ВВ «Матра» 530 было запу­ щено 234 снаряда [131].

Анализ надежности БЛА продолжается и в процессе трени­

Отработка надежности с помощью летных испытаний требу­ ет значительного времени, а следовательно, и средств. Напри­ мер, экспериментальные летные испытания .БРБД «Першинг» проводились в течение более 3 лет. При этом было произведено 52 запуска [84].

Значительное количество экспериментальных запусков для повышения надежности и большая их стоимость (включая стои­ мость необходимого оборудования и содержания обслуживаю­ щего персонала) ведет к существенному увеличению средней стоимости одного БЛА, выпускаемого для целевой эксплуатации (предполагается, что стоимость отработки надежности расклады­ вается на эксплуатационные БЛА).

Для математического определения оптимальной надежности положим, что вылет эксплуатационного БЛА, включая и распре­

ты на повышение надежности, разложенные на эксплуатацион­

Из этого уравнения можно найти значение оптимальной надеж­ ности. Уравнение решается графо-аналитическим методом.

При выводе уравнения (5. 29) предполагалось, что после про­ ектирования и постройки первых экземпляров БЛА их надеж­

зависимость R 0пт от K R на рис. 5. 2 представлена кривой В. Здесь величина Рц. н — вероятность выполнения целевой задачи с по­ мощью целевой нагрузки без учета надежности ЛА и противо­ действия. В этом случае диапазон значений K R , при котором мож­ но повышать надежность, шире: K R <22,26.

194

В работе [102] приводится для зенитной ракеты зависимость стоимости в условных единицах от вероятности попадания в цель в форме

Q = 2Н----- — ---- .

1— Р \ ( 1 - Р і ) 2

Так как в этом выражении противодействие не учтено, то при­ нимая значение Р ц. н = 0,9 и пользуясь приведенной формулой, найдем

K R = Q ™ = 1,42.

Допт=0,92.

На величину оптимальной надежности боевых БЛА сущест­ венное влияние оказывает возможное противодействие против­ ника. С учетом противодействия

по формуле 5. 29 в случае противодействия РПр = 0,5 и Р ЦЛІ = 0,9. Как видно, при указанном противодействии оптимальная надеж­ ность существенно снижается. Например, для рассмотренного примера при /Сд=1,42 Р Опт = 0,8. В случае последовательных за­ пусков противодействие не оказывает влияние на величину опти­

где Qn.u — средняя стоимость вылета одного БЛА из партии, предназначенной для летных испытаний (без затрат на повы­ шение надежности); QgK — средняя стоимость вылета одного БЛА из партии, предназначенной для эксплуатации (без затрат на повышение надежности); т — коэффициент, характеризую­ щий затраты на проведение экспериментальных летных испыта­ ний, отнесенные к величине Q n.

Принимая 80%-ную закономерность освоения БЛА в произ­ водстве и при пусках (см. разд. 2.2), можно представить отно­ сительные стоимости в виде

Средняя стоимость одного БЛА при большом количестве га

Формула (5.34) получена на основе формулы (5.32), в кото­ рой показатель степени у величины я равен 1/3. При очень боль­ ших количествах яэк показатель степени, характеризующий осво­ ение технологического процесса, уменьшается. Например, в рабо­ те [48] указывается на возможные значения показателя степени

уга в интервале 0,18—0,25.

3.3.Экономика надежности при проектировании

Впредыдущем разделе принималась начальная надежность До = 0,5. Возникает вопрос: не целесообразно ли затратить сред­ ства на наземную отработку БЛА и на соответствующую органи­ зацию проектирования с тем, чтобы повысить начальную надеж­ ность и таким образом сократить затраты на проведение летных экспериментальных испытаний?

Для ответа на поставленный вопрос, определим допустимые дополнительные затраты AQnp на проектирование — для повыше­ ния надежности от 0,5 до До-

Затраты на все летные испытания для повышения надежно­

сти от 0,5 до R можно представить согласно формуле (5. 19) в виде

196

Коэффициент с определяем из условия, что при R = 0,8

^Ел.И {К

см. (5.27) и последующий текст. Тогда

с = 1,09Q2JI и= 1,09(ATÄ— 1)<3ЭК ЭК,

где пш — количество БЛА, предполагаемых в эксплуатации. Сле­ довательно,

д ,л.и= і , 0 9 ( ^ - і ) д э Л к і п А | - .

Если мы хотим повысить надежность от 0,5 до R0, то затраты на летные испытания

где обозначены суммарные затраты на производство эксплуата­ ционных (серийных) БЛА

^ эіЛ эк-

Затраты на повышение надежности от 0,5 до RQ в процессе проектирования (организация проектирования и производства, наземные испытания) могут быть

Например, если необходимо обеспечить в процессе проектиро­ вания повышение надежности от 0,5 до 0,6, то можно затратить

AQnp < 0,243{KR- \ ) .

Qj

Если /Сн=1,5 (см. рис. 5.2), то AQnp/Qs ^0,12.

Повышение надежности в процессе проектирования для круп­ ных или сложных БЛА является весьма целесообразным, даже, если на это требуются огромные средства, удовлетворяющие ус­ ловию (5. 35).

4ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ НАДЕЖНОСТЬ

ИЕЕ ОПТИМАЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ

Все процессы и конструкции практически нельзя реализовать с абсолютной точностью, т. е. нельзя выдержать точными пара­ метры, характеризующие те или иные стороны процесса или конструкции. Рассеивание величин параметров носит случайный характер, причем во многих случаях рассеивание параметров под­ чиняется нормальному закону.

197

Если установлена численная величина какого-нибудь пара­ метра, то очевидно, что при отклонении параметра от номиналь­ ного значения будет иметь место или нулевой эффект или отри­ цательный. Под нулевым понимается такой эффект, который не приводит ни к повышению качества ЛА, ни к снижению. При отрицательном эффекте качество ЛА снижается. Положительно­ го эффекта от рассеивания параметров не может быть. Действи­ тельно, если бы изменение параметра в ту или иную сторону вело к повышению качества, то конструктор использовал бы это свой­ ство.

Например, при увеличении в'еса какой-нибудь детали БЛА скорость и соответственно дальность его полета уменьшаются, и, следовательно, качество БЛА снижается. При уменьшении веса, наоборот скорость и дальность полета увеличиваются, но качест­ во БЛА при этом для эксплуатации не повышается, так как это изменение качества не используется, т. е. БЛА не будет запу­ скаться на дальность, большую номинальной.

Следует заметить, что получившееся в производстве уменьше­ ние веса детали ведет обычно к снижению прочности и поэтому не может быть принято для номинального значения.

Из сказанного следует, что рассеивание параметров процес­ сов или конструкций ведет, как правило, к снижению качества БЛА. Однако снижение качества до некоторых пределов допу­ скается, потому что ущерб от этого будет меньший, чем ущерб от мероприятий, предотвращающих указанное снижение каче­ ства.

Так как рассеивание параметров носит случайный характер, то, очевидно, снижение качества вследствие рассеивания следу­ ет характеризовать вероятностью обеспечения того или иного качества. Условную вероятность выполнения задачи при рассеи­ вании параметров называют параметрической надежностью. При этом условно принимается, что при рассеивании, равном нулю, параметрическая надежность равна единице. В дальнейшем па­ раметрическую надежность по параметру £ будем обозначать символом Параметрическая надежность — одна из составля­ ющих эффективности.

В данной работе мы будем рассматривать только те парамет­ ры, которые характеризуют конструкцию и энергетику самого летательного аппарата и его двигательной установки. В целях упрощения выводов и конкретизации решений рассмотрим влия­ ние рассеивания одного параметра. Имея методику определения параметрической надежности для одного параметра, нетрудно определить параметрическую надежность для нескольких неза­ висимых параметров.

При определении параметрической надежности можно исхо­ дить как из общей целевой задачи, возникающей для БЛА, так из частных задач. Если исходить из целевой задачи БЛА, то пара­ метрическая надежность должна непосредственно влиять на ве-

198

роятность выполнения целевой задачи. Если Я15 — вероятность выполнения целевой задачи одним БЛА с учетом параметриче­ ской надежности параметра |, то

Достижение параметрической надежности Д £ = 1 практически невозможно, так как для этого необходимо обеспечить рассеи­ вание параметра, равное нулю. Уменьшение рассеивания пара­

ветствующей традиционным условиям производства и поставки до R^. Величина пщ соответствует среднему количеству БЛА, необходимому для выполнения типовой целевой задачи с вероят­

ко за счет соответствующего воздействия на рассеивание пара­ метра |. Описанный метод повышения эффективности БЛА це­ лесообразно применять в процессе серийного производства БЛА.

4.1. Оптимальные весовые допуски при проектировании

На этапе проектирования возможен метод повышения эффек­ тивности БЛА, учитывающий возможное рассеивание значений

199