Яндекс.Метрика

Надежность ракет-носителей

Decollage-Toucan_0331

11 декабря 2002г. ракета «Ариан-5», которая должна была вывести на орбиту два телекоммуникационных спутника, взорвалась на высоте около 100 км. Причиной аварии было местное разрушение системы охлаждения маршевого ЖРД первой ступени, что привело к прогару двигателя. Это был 146 пуск РН «Ариан» и 14 старт последней модификации «Ариан-5». Из 14 пусков успешными были 10, следовательно, надежность «Ариан-5» можно оценить 0.71.

Небольшое отступление по истории становления и развития проблемы надежности в ракетостроении.

В середине 50-х годов американские военные столкнулись с двумя серьезными проблемами. При проверке хранящихся на складах комплектов вооружения было обнаружено, что около 50% электронного оборудования непригодно. Одновременно появились данные, что срок работы для электронного оборудования и других элементов до первого отказа в лабораторных условиях и в процессе сдаточных испытаний составляет около 170 часов, а при ходовых испытаниях в условиях реальной эксплуатации вооружения в ряде случаев доходил до 2-х часов. Например, срок службы морского радиолокатора в лабораторных условиях составлял 1650 часов, а на корабле лишь 18. Это заставило ученых серьезно заняться теорией надежности.  Отказы, по своей сущности, являются случайными событиями. Логично, что  в основе теории надежности лежит, конечно, теория вероятности. Министерство обороны США с американским размахом выделило на решение проблемы обеспечения надежности вооружения, особенно электронного оборудования и ракет, большие суммы. В печати появляется большое количество публикаций по надежности. Разрабатываются  стандарты, методики, справочники и т.п.

В СССР проблема качества была поднята на государственный уровень. Появляется много  книг по качеству и надежности отечественной и переводной.

В то время мы как раз сталкиваемся с серьезными методологическими ошибками в общегосударственном масштабе. Первое: т.к. теоретической базой надежности является теория вероятности, то в наших вузах (особенно технических) преподавание статистики и теории вероятности начинали с теории вероятности. Это методически неправильно, т.к. теория вероятности предлагает набор моделей (различные виды распределений случайных величин), которые должны быть ранее представлены  как статистические гипотезы.

Статистика занимается построением моделей, а потом уже подбирается то теоретическое распределение, которое больше всего подходит. Увлечение в технических вузах  абстрактной теорией вероятности «отпугивало» многих от существа этого вопроса. В Америке, по словам зав. кафедрой статистики СПбГУ, из общего объема математики, преподаваемого в вузах, примерно половина приходится на статистику и теорию вероятности, и начинается курс со статистики. После освоения методики построения моделей переходят к теории вероятности.

Второе: в СССР в те годы в службы надежности зачастую на руководящие должности попадали математики, знающие  теорию вероятности, но  не технологию. Первыми почувствовали ошибочность такого подхода шведы и стали ставить во главе служб надежности на своих предприятиях инженеров, прошедших обучение  статистике и теории вероятности. К этому же периоду относится один казус. В 1968г. вышла книга Хенсена Б.Л «Контроль качества» (М., Прогресс, 1968г.), в которой были изложены методы обеспечения качества и надежности военной продукции. Это было краткое популярное изложение военных стандартов МО США, которыми они руководствовались при работе над проектом «Аполлон–Сатурн». Название книги было переведено некорректно. Более точным переводом было бы «Управление качеством». Т.к. книга была названа «Контроль качества» в русском переводе, то и руководители многих ракетных предприятий (автор тому свидетель) почти что, не читая, отправляли ее начальникам ОТК, мол, это дело ОТК. Ну, а какие кадры были в ОТК, всем хорошо известно.

В это же время у нас также публикуется большое количество работ по теории надежности. Наиболее фундаментальной можно считать книгу Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляева и А.Д. Соловьева «Математические методы в теории надежности (М., Наука, 1965г.), а также по проблеме надежности пишут авторы Я.Б. Шор и Ф.И. Кузьмин «Таблицы для анализа и контроля надежности (М., Сов. Радио, 1968г.). Основоположник бездефектной системы Б.А. Дубовиков выпускает книгу «Основы научной организации управления качеством» (М., Экономика, 1966г.). По этому вопросу появляется большое количество публикаций. Многие инженерно-технические работники, работавшие в ракетно-космической отрасли, ознакомившись с этими трудами, часто задавали автору данной статьи вопрос – «Все эти работы посвящены методам расчета оценок, а где же методы достижения этих оценок?».

Проблема заключалась в том, что методы обеспечения надежности были изложены у того же Хенсена – это методы статистического регулирования и контроля, широко использовавшиеся в американском производстве, модернизованные и доработанные. Однако в нашей стране на них внимания не обращали. Как выразился  один из Главных специалистов одного из ракетных производств: «Это бухгалтерские методы». Мощность и эффективность статистических методов была продемонстрирована в США во время войны, когда в производство были привлечены миллионы непрофессиональных кадров, и только использование статметодов позволило обеспечить выпуск качественного оружия. В начале 1960-х годов в США полным ходом шла программа «Аполло»- высадка на Луну. В создании ракет «Сатурн-5» принимали участие 1000 фирм. Для координации работ по качеству и надежности были разработаны военные стандарты. Они не были секретными и даже были переведены у нас. Военное ведомство заключало контракты только с теми фирмами, на которых была внедрена система статконтроля и управления качеством и надежностью. Кроме всего прочего эта система позволяла резко сократить количество персонала ОТК и военпредов.

В конце 1960-х годов один из авторов (Д.М.) был переведен в военную приемку на завод ОКБ В.П. Макеева. Одной из проблем при изготовлении в то время ракеты Р-13 была точечная сварка  корпусов. Я достаточно хорошо был знаком с анализом надежности и контроля качества статистическими методами. И предложил их внедрить на сварке корпусов.  Точечечная сварка корпусов ракет в то время была одним из узких мест. Малейший непровар или прожог могли привести к травлению.  Было предложено сделать небольшое приспособление для замера глубины точки сварки и по мере сварки шва  проводить замер. На первых же графиках стало видно, где сварка шла нормально, где  сварщик менял режим, а где просто «халтурил». Причем я в цех не ходил, а проанализировав график, к, удивлению мастеров, точно указывал подозрительные места, где более тщательный рентген обнаруживал дефекты. Через месяц количество дефектов сварки уменьшилось в 8 раз.  Кто-то пустил байку, что военпред прячется на антресолях и подглядывает за сварщиками.  Не могу не вспомнить мастера по фамилии Рой. Это был рабочий с большой буквы этого слова. Он сразу понял силу статметодов, и в дальнейшем уже сам их использовал. До самого  моего отъезда из Златоуста мы оставались с ним хорошими друзьями. Помню зам. начальника цеха  Ю. Цыпляева,  который также поддерживал меня в вопросе внедрения этих методов. Вскоре представилась возможность проверить эффективность этих методов на более серьезной задаче. Дело в том, что травление компонентов топлива по точечным швам продолжалось и даже имело место  в эксплуатации на лодках. Необходимо было выделить те ракеты, на которых вероятность разгерметизации была высокой.  По моему указанию  один из сотрудников приемки был направлен в архив. Ему была поставлена задача — выписать из технологических дел корпусов ракет все дефекты сварки.  Работа была колоссальная и заняла несколько недель. После этого, проведя анализ, я принес зам. главного конструктора по эксплуатации перечень около десятка ракет, разгерметизация которых была наиболее вероятна. Он отнесся к этому скептически, но через некоторое время  вдруг говорит: «А ты оказался прав. А какая затравит следующая?». Я только улыбнулся, ведь сам Бог не может предсказать случайное событие.  Года через два меня перевели на двигательное производство. Вот уж где можно было в полной силе использовать статметоды. Какие-нибудь записи по соображениям секретности делать было нельзя, а на каждом двигателе контролировалось около 50 параметров, по анализу которых он допускался на контрольно- выборочные испытания (КВИ), и после КВИ контролировалось почти столько же.  Тогда я пошел на хитрость -  перевел все параметры в относительные величины,  построил контрольные карты для всех двигателей.  Затем провел анализ связи параметров технологических испытаний до КВИ  и параметров КВИ, особенно в случае их неудачи. Конечно, кроме меня никто не знал об этой таблице, а при уходе она была уничтожена.  Вскоре мне представился случай  проверить свой подход.  При анализе технологических параметров очередного отобранного  для КВИ двигателя у меня возникли подозрения, что двигатель не пройдет КВИ по тяге.  Я пришел к начальнику цеха В. Попову, впоследствии он стал директором завода, и сказал, что двигатель завалится. Тот с ехидной улыбочкой  протянул мне блокнот и сказал: «Напиши и распишись»,  что я и сделал. Кто допускал на КВИ не помню, но двигатель завалился. Что тут началось!  Знал, не остановил ...  Но эти песни мне были знакомы с Камчатки. Из Подлипок с фирмы А.М.Исаева приехал старший военпред В.Зайцев.  Я показал ему всю методику за исключением контрольных карт  и меня оставили в покое и начальство, и соответствующие органы.

К началу 80-х годов прошлого столетия разговоры о надежности поутихли, а отделы надежности на многих предприятиях ВПК перестали существовать.  В США теория надежности обогатилась системным анализом и планированием эксперимента. Краткий экскурс в историю был необходим, чтобы показать, как космонавтика стимулирует научное развитие прикладных направлений такой сугубо академической науки, как математика. Таких примеров можно привести  много.

Основными положениями, разработанными американцами в 1970-х годах широкомасштабной программы обеспечения надежности ракетной и космической техники, являлись: установление критериев надежности для каждого узла, системы и изделия в целом, проверка и подтверждение этих показателей надежности на этапах проектирования, изготовления, испытания и эксплуатации. Методологической основой всей этой системы обеспечения надежности являлись статистические методы управления и контроля, системный анализ и планирование эксперимента.

Надежность РН — вероятность успешного вывода на заданную орбиту полезного груза является категорией не только технической, но и экономической, так как стоимость космического аппарата (спутника, АМС. зонда и пр.) порой значительно превосходит стоимость самой ракеты. Так, например, при авариях РН «Титан-4» (2.08.1993,12.08.1998, 9.04.1999, 30.04.1999) и «Дельта-3» (17.01.1998, 5.05.1999) при каждой аварии ущерб превышал $1 млрд. Обычно надежность ракет-носителей оценивают по количеству успешных пусков на один аварийный. В период с 1957г. по 1970г. для СССР и США эта величина составляла в среднем 20 успешных пусков на один неудачный, к 2000г. она увеличилась до 30-32. При этом надо иметь в виду, что срок доведения ракеты до нормального эксплуатационного состояния (1 аварийный пуск на 50 успешных, что соответствует надежности 0,98) составляет 10-15 лет. Если обратиться к истории, то   первые ракеты имели довольно низкую надежность, что на первых этапах препятствовало развитию ракетной техники. Так, например, ракета «Фау-2» имела надежность всего 0,47, зато ракета «Юпитер», с помощью которой американцы запустили первый искусственный спутник, имела надежность 0,77, а ракета «Редстоун» (детище В.фон Брауна) имела надежность 0,92. Первая американская ракета «Авангард», с помощью которой американцы пытались запустить свой спутник, имела надежность всего 0,27. По мере отработки надежность ракет повышалась. Надежность ракеты «Сатурн-5» уже достигла предельной величины 1. Ни одной аварии ракет семейства «Сатурн» не было. Значительное внимание, которое было уделено в США мероприятиям по обеспечению надежности ракет-носителей, дало свои результаты. Однако надежность снижается всегда, когда начинаются модификации и доработки ракет. Поэтому в США приняли правило — существующие ракеты-носители при их модификациях не могут иметь изменений более 30% .   Именно в начале 60-х годов возникла и получила интенсивное развитие такая наука, как теория надежности. К великому сожалению, в нашей стране она была подменена системой бездефектности. В общем можно отметить, что для таких отработанных комплексов, как «Союз» и «Протон» надежность находится на уровне около 0,98. Снижение ее (аварии) обычно связано с двумя факторами: 1) проведение модификаций или 2) использование агрегатов и узлов, изготовленных более 10-15 лет тому назад. Характерным примером является аварийная ситуация на Северном флоте, когда 17 февраля 2004г. не был осуществлен старт двух баллистических ракет РСМ-54. Одной из причин было указано, что ракеты старые, изготовленные 10-15 лет назад. Если сравнивать тяжелые ракеты-носители наши и зарубежные, можно сказать, что они имеют примерно одинаковую надежность, равную 0,95-0,97. В журнале «Новости космонавтики» № 12 приведена таблица надежности ряда РН на 17.10 2002 г.

41

2000г. – всего в мире 87 пусков РН 87, из которых аварийных 3.

2001г. – 59/ 1,

2002г. – 65/ 3,

2003г. — 64/ 3,

2004г. – 54/1.

В 2005 г. в мире произошло 4 аварии при запуске РН, и все с российской техникой:

—  спутник связи «Молния-3К», ракета-носитель «Молния-М»,  21.06.05;

— научный спутник Cosmos-1, ракета-носитель «Волна»,      21.06.05 ;

— научный спутник Cryosat, ракета-носитель «Рокот/Бриз-КМ», 8.10.05;

—  экспериментальная возвращаемая нагрузка ПТУ «Демонстратор-2Р», ракета-носитель «Волна», 6.10.05, нагрузка не обнаружена.

Кроме того, не отделился от ступени ракеты «Космос-3М» образовательный спутник «Можаец-5» при запуске 27.10.05. 2006г.

Всего за 50 лет Космической эры, по данным А. Железнякова,  с 4 октября 1957г. по 3 июля 2007г. было осуществлено 4855 попыток запуска РН, из которых успешными можно считать 4507. Следовательно, надежность  РН можно оценить  как 0.928.

С 26 сентября по 2 октября 2009г. в Сочи прошла российская научно-техническая конференция «Электронная компонентная база космических систем». Конференция проводилась с целью обсуждения актуальных вопросов в сфере обеспечения космической техники элементами высокой надёжности с требуемыми техническими характеристиками. Мероприятие организовано Роскосмосом, Минобороны РФ, рядом ведущих предприятий отрасли и институтов Российской академии наук.  Ранее в СМИ прошло сообщение, что службы надежности на предприятиях ВПК пришли, мягко говоря, в упадок. К сожалению, при запусках наших ракет-носителей со спутниками не указывается, какой по счету этот запуск и сколько было успешных, как это делают США. Например,   8 октября 2009 г. в США  был  осуществлен пуск ракеты-носителя Delta-2 со спутником ДЗЗ WorldView-2 на борту.

42

РН Delta-2

43

Спутник ДЗЗ WorldView-2

Через 61 минуту 52 секунды после старта космический аппарат отделился от носителя и вышел на околоземную орбиту.  КА WorldView-2 принадлежит компании DigitalGloble и предназначен для ведения съемки земной поверхности с высоким разрешением. Спутник изготовили специалисты компании Ball Aerospace.    остоявшийся пуск стал 345-м запуском носителей семейства Delta, 9-м стартом РН Delta в 2009 году, 146-й подряд успешной миссией носителей данного семейства, 37-м стартом Delta-2 с Базы «Ванденберг».

Подпишитесь на нашу рассылку

Добавить комментарий