航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)-—?dú)W洲航天局可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)最新進(jìn)展
1、背景
基于傳統(tǒng)的基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法在零件故障模型過時(shí)、技術(shù)工藝落后和數(shù)據(jù)庫不完整方面存在局限性，以及考慮的故障覆蓋面不足、預(yù)計(jì)過于保守等問題，歐洲航天局（ESA）在2016年3月23日成立一個(gè)專門研究新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)及編制新可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)的項(xiàng)目——航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目。
當(dāng)時(shí)ESA立項(xiàng)時(shí),在項(xiàng)目計(jì)劃中明確主要考慮原因包括：
（1）傳統(tǒng)的基于手冊(cè)的可靠性預(yù)計(jì)方法（如MIL-HDBK-217，目前仍然是最廣泛使用的方法）在零件故障模型過時(shí)、技術(shù)工藝發(fā)展和數(shù)據(jù)庫不完整方面存在局限性。另外，非隨機(jī)故障導(dǎo)致的大量在軌異常未被覆蓋（例如設(shè)計(jì)或制造相關(guān)的故障）
（2）實(shí)際上，航天器在軌性能表明，采用當(dāng)前工具/方法/數(shù)據(jù)源的可靠性預(yù)計(jì)方法在很大程度上是保守的，因此，存在過度設(shè)計(jì)的可能性，并降低產(chǎn)品性能和成本效益。
圖1 在軌故障統(tǒng)計(jì)比例
（來源于TAS-2012的統(tǒng)計(jì)）
2、項(xiàng)目工作過程
該項(xiàng)目主要包括以下幾個(gè)方面的工作。
（1）評(píng)估可靠性預(yù)計(jì)應(yīng)用，確定參考的任務(wù)和在軌可靠性數(shù)據(jù)
（2）將當(dāng)前可靠性預(yù)計(jì)與現(xiàn)場可靠性評(píng)估進(jìn)行基準(zhǔn)對(duì)比、測試，確定需求并確定改進(jìn)策略，包括開發(fā)過程、技術(shù)變革等在內(nèi)。
（3）更新現(xiàn)有/開發(fā)新的可靠性預(yù)計(jì)模型，包括非電子零件模型，結(jié)合測試和/或在軌經(jīng)驗(yàn)，并考慮非零件相關(guān)故障原因。
（4）驗(yàn)證實(shí)際項(xiàng)目的可行性和實(shí)用性
（5）開發(fā)新的可靠性預(yù)測方法手冊(cè)，作為ECSS開發(fā)過程的輸入。
3、項(xiàng)目實(shí)施過程考慮的因素
在項(xiàng)目實(shí)施過程中，主要考慮以下幾個(gè)方面的因素、問題：
（1）考慮工業(yè)“好的經(jīng)驗(yàn)”，例如工業(yè)中適用的集成電路ICs可靠性建模經(jīng)驗(yàn)。
（2）綜合廣泛使用的可靠性預(yù)計(jì)模型和基于經(jīng)驗(yàn)的外推/“工程判斷”模型。
（3）COTS器件的可靠性預(yù)計(jì)以及結(jié)果的對(duì)比。
（4）預(yù)計(jì)與實(shí)際可靠性差異的根本原因分析。
（5）系統(tǒng)/非部件故障建模，包括不確定性（即制造、設(shè)計(jì)、軟件等）。
（6）復(fù)雜的集成電路建模和新出現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)（如DSM）。
（7）適當(dāng)?shù)墓收衔锢矸椒ǎ≒oF）（例如從PCB/封裝到組件級(jí)）。
（8）適用于可靠性預(yù)計(jì)的壽命測試方法，例如在適當(dāng)?shù)闹眯潘缴稀?
4、項(xiàng)目進(jìn)展情況
目前，項(xiàng)目組已經(jīng)完成TN1工作，已經(jīng)在執(zhí)行TN2節(jié)點(diǎn)工作，以及部分的TN3、TN4、TN5工作。目前，該項(xiàng)目有序進(jìn)行中。
TN-2首先提出了未來航天應(yīng)用可靠性預(yù)測的設(shè)想，如下所述。將該設(shè)想與TN-1中的現(xiàn)狀評(píng)估進(jìn)行比較，可以清楚地看出，使用中的可靠性預(yù)測方法并不完全符合這一愿景?？紤]到現(xiàn)有方法的大量局限性和差距，很明顯需要為研究的規(guī)劃確定優(yōu)先事項(xiàng)，以盡可能接近設(shè)想。重點(diǎn)應(yīng)該由實(shí)際應(yīng)用的需求和優(yōu)先順序驅(qū)動(dòng)。
圖2 ESA航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)項(xiàng)目任務(wù)進(jìn)度計(jì)劃
4.1 航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)方法設(shè)想
TN-2提出的航天應(yīng)用的可靠性預(yù)計(jì)方法的設(shè)想應(yīng)達(dá)到：
（1）支持所有任務(wù)階段的決策，從早期開發(fā)到安全退役；
（2）覆蓋所有航天器元件和技術(shù)領(lǐng)域；
（3）考慮性能和技術(shù)發(fā)展；
（4）提供同時(shí)考慮新技術(shù)和未來技術(shù)的方法；
（5）考慮可靠性和故障類別的所有相關(guān)方面；
（6）解釋不同的故障根源和原因；
（7）從部件到系統(tǒng)考慮不同的級(jí)別；
（8）與在軌反饋結(jié)果相比，產(chǎn)生可靠的預(yù)計(jì)結(jié)果；
（9）確保一致性，減少不同制造商的預(yù)測不確定性；
（10）基礎(chǔ)和基本假設(shè)方面應(yīng)清晰；
（11）滿足航天領(lǐng)域及其其它利益相關(guān)者的需要；
（12）理論上站得住腳，但也要實(shí)用；
（13）可持續(xù)更新發(fā)展，提供高效的維護(hù)和更新能力。
4.2 航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)方法預(yù)期覆蓋范圍
同時(shí)，TN-2提出新可靠性預(yù)測方法的預(yù)期覆蓋范圍定義如下：
故障根源：所有潛在的故障根源必須在航天器設(shè)計(jì)中加以解決，并由各種設(shè)計(jì)和質(zhì)量保證過程加以考慮，但不一定在定量可靠性預(yù)計(jì)的框架內(nèi)。在可靠性工作中，哪些根本原因需要建模取決于預(yù)測的預(yù)期用途。
航天器組成：一般情況下，需要考慮對(duì)可靠性預(yù)計(jì)或權(quán)衡相關(guān)的所有航天器組成。新方法的重點(diǎn)將是在太空中運(yùn)行的系統(tǒng)（例如航天器），它不打算處理特定于地面部分的方面。在覆蓋范圍方面，它將僅限于無人航天器技術(shù)。
方法論、方法和模型：新方法的開發(fā)將考慮方法和模型的各個(gè)方面，如圖3所示。在總體覆蓋范圍（航天器組成和故障根源）方面，需要在模型和數(shù)據(jù)層面上進(jìn)行一些優(yōu)先排序，但不需要在方法層面上進(jìn)行優(yōu)先排序。 了解可靠性預(yù)計(jì)的用途對(duì)于開發(fā)和選擇合適的方法和模型很重要。因此，將可靠性預(yù)計(jì)用于決策支持是討論TN-2中優(yōu)先級(jí)的核心。在這種情況下，“決策”被理解為任何一種工程、項(xiàng)目管理或業(yè)務(wù)選擇或權(quán)衡，可靠性預(yù)計(jì)可以形成有用的輸入。
4.3 航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)方法的應(yīng)用場景考慮
以下可靠性預(yù)計(jì)應(yīng)用場景情況已被確定，包括傳統(tǒng)的和一些“新的利害關(guān)系”，在當(dāng)前和未來的空間應(yīng)用中變得更加相關(guān)。
（1）定量可靠性要求的建立、管理和驗(yàn)證；
（2）作為輸入，支撐設(shè)計(jì)、支撐權(quán)衡和比較；
（3）支持工程設(shè)計(jì)裕度的選擇決策；
（4）在零件、設(shè)備或更高級(jí)別測試/試驗(yàn)策略選擇；
（5）支持單個(gè)航天器和星座的業(yè)務(wù)規(guī)劃；
（6）健康監(jiān)測和延長壽命與安全處置的決策。
4.4 優(yōu)先順序考慮
基于對(duì)這些可靠性預(yù)計(jì)應(yīng)用場景的分析，并利用TN-1（也在TN-1簡介中總結(jié)）中提出的故障根源分類，可以得出以下優(yōu)先事項(xiàng)，以開發(fā)新的可靠性預(yù)測方法：
（1）考慮到隨機(jī)失效建模與所有可靠性預(yù)測用例的相關(guān)性，在失效類別中，隨機(jī)失效建模被賦予最高優(yōu)先級(jí)。
（2）系統(tǒng)故障建模被指定為中等優(yōu)先級(jí)。利用定性方法避免設(shè)計(jì)、制造和操作錯(cuò)誤適用于許多應(yīng)用程序，但也有一些用例（例如客戶級(jí)的業(yè)務(wù)規(guī)劃、星座圖設(shè)計(jì)）可能有助于定量預(yù)測。
（3）磨損/耗損失效建模被指定為中等優(yōu)先級(jí)。在設(shè)計(jì)一個(gè)固定的規(guī)定壽命產(chǎn)品時(shí)，不需要進(jìn)行定量預(yù)測，但可能與支持有關(guān)衛(wèi)星壽命延長的決策有關(guān)，同時(shí)考慮到未來的空間碎片處理要求。
（4）外部故障建模的優(yōu)先級(jí)最低。大多數(shù)空間環(huán)境效應(yīng)要么被認(rèn)為是隨機(jī)失效建?？蚣苤械呢暙I(xiàn)者，要么被當(dāng)前的設(shè)計(jì)方法成功地避免了（主要）失效。
4.5 航天應(yīng)用的新可靠性預(yù)計(jì)方法預(yù)期使用的方法
TN2的技術(shù)報(bào)告簡要概述了TN5中新可靠性預(yù)計(jì)方法開發(fā)所使用的預(yù)期方法，首先是故障根源，然后是技術(shù)領(lǐng)域（電子、機(jī)械、雜項(xiàng)）和層級(jí)（基本部件與系統(tǒng)）。
（1）故障根本原因方法
基于前面分析的優(yōu)先順序，本研究的重點(diǎn)將放在提高隨機(jī)故障可靠性預(yù)測上。此故障類別的建議方法將在技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)一步詳細(xì)說明，如下所述。對(duì)于系統(tǒng)性和磨損失效建模，其目的是考慮到這些失效根本原因，朝著定量可靠性預(yù)測邁出第一步，每個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都有專門的考慮，雖然是有限的考慮（以下未討論，原因是簡潔）?？紤]外部故障的優(yōu)先級(jí)較低，將主要基于行業(yè)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，并利用隨機(jī)故障建模方法的特定能力，將外部環(huán)境影響視為壓力因素。
（2）電子器件可靠性預(yù)計(jì)分析方法 在電子部件的建模中，當(dāng)前使用的FIDES可靠性預(yù)計(jì)方法被認(rèn)為是更接近實(shí)際的、更恰當(dāng)?shù)念A(yù)測方法的很好的候選者。本研究框架中預(yù)計(jì)會(huì)側(cè)重于FIDES的調(diào)整與簡化，以便適用于航天應(yīng)用。包括對(duì)當(dāng)前法國國防部領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究取得的一些新發(fā)展進(jìn)行評(píng)估，目的是更新和擴(kuò)展FIDES指南，以適用技術(shù)變革。
（3）機(jī)械部件可靠性預(yù)計(jì)分析方法 當(dāng)前的可靠性預(yù)計(jì)方法在機(jī)械零件的覆蓋范圍方面非常有限，也凸顯了這一技術(shù)領(lǐng)域的改進(jìn)需求。該方法以不同來源的各種方法為基礎(chǔ)，包括以往ESA針對(duì)機(jī)械系統(tǒng)和零件可靠性預(yù)測的研究的一些新進(jìn)展。
（4）其它產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)分析方法 除電子和機(jī)械領(lǐng)域外，還考慮了第三類項(xiàng)目（零件和組件），包括難以歸類為前兩類中的一類的項(xiàng)目，以及本質(zhì)上屬于電子或機(jī)械的項(xiàng)目，但很難用現(xiàn)有的建模方法加以考慮。這些“雜項(xiàng)”項(xiàng)目的一般策略是調(diào)查從在軌返回?cái)?shù)據(jù)中得出可靠性模型的可能性，并結(jié)合其他適當(dāng)?shù)慕７椒ā?
（5）系統(tǒng)級(jí)可靠性預(yù)計(jì)分析方法
在系統(tǒng)級(jí)可靠性預(yù)計(jì)中使用綜合單元可靠性估計(jì)結(jié)果的可用方法，例如故障樹或可靠性框圖，這種做法通常被認(rèn)為是成功的，并且已經(jīng)是航天應(yīng)用的最佳實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在針對(duì)不同故障類別使用這些方法時(shí)，需要特別考慮，例如，考慮系統(tǒng)故障的共同原因效應(yīng)或磨損故障的非恒定故障率情況。其他領(lǐng)域采用的一些方法也可以考慮，例如退化的系統(tǒng)模式、系統(tǒng)優(yōu)化的重要測量和分階段任務(wù)可靠性分析方法等。
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