航天器产品可靠性指标验证方法探究

李宁

（中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119）

1 引言

航天器产品具有技术的尖端性和高密集性，工程的复杂性和高风险性等特点，并且作为一次使用不可维修（通常是）产品，对产品的可靠性有很高的要求。因此，在设计、制造、调试、试验和测试等过程的每一个环节中，都要求加强产品可靠性工作。特别是在产品交付验收阶段和型号出厂前，都要开展可靠性验证与分析工作，认定产品可靠性要求（定性要求和定量要求）的符合性。

认定工作主要包括以下几个方面：

1） 可靠性保证大纲（工作计划） 规定的工作项目的完成情况及有效性；

2） 复查产品故障因果分析（FMEA、FTA） 结果，I、II类故障模式及关键项目清单，采取措施的落实情况；

3）分析可靠性设计措施（各种裕度设计与降额设计、最坏情况分析和冗余措施等）结果及其有效性；

4）检查可靠性试验项目、方案和结果，评价可靠性试验的充分性和有效性；

5）计算、分析可靠性指标满足规定的情况。

根据上述工作形成的可靠性验证与分析报告，是产品交付验收中要重点审查的文件之一。在航天标准Q/QJA 14.1～14.6《航天型号出厂评审》中，也将可靠性验证与分析工作内容作为5个出厂专项评审之一。

在可靠性验证工作中，认定产品可靠性定量要求（指标的验证）是一项重要工作，产品可靠性指标的满足情况是产品考核、验收的重要依据。

2 可靠性指标验证方法比较

目前，航天器产品的可靠性指标验证工作一般是通过可靠性预计、可靠性评估来进行的。可靠性预计通常可以按照产品实际情况选用应力分析法（电子类）、相似设备法（机械类）等。

可靠性预计是根据产品的构成和结构特点、元器件可靠性经验数据的规律以及产品工作环境等因素来估计产品的可靠性。在设计阶段开展可靠性预计工作，并实施“预计-改进设计-再预计”的循环，可以找出薄弱环节，优化设计，提高产品的固有可靠性。但是，在产品交付阶段，采用可靠性预计来验证产品的可靠性指标，往往是不全面的。因为，航天器产品到交付阶段已经包含有大量的、不同研制阶段特定试验的试验信息（数据）。我们可以用概率统计的方法给出产品在某一特定条件下的可靠性评估值，以便更能符合实际情况地评价产品的可靠性水平。

可靠性评估分为单元级产品可靠性评估和系统级产品可靠性评估两类方法。单元级产品的可靠性评估是将评估对象——产品作为一个单元整体，只利用其本身的研制试验或实际使用数据以及与其相关的其它信息对其可靠性进行评估。评估的方法有4类，分别是经典方法、贝叶斯（Bayes）方法、综合评估方法和利用非寿命数据的可靠性评估方法。

系统级产品的可靠性评估的方法有4类，分别是精确方法、近似方法、系统Bayes方法和系统蒙特卡洛方法。

笔者多年从事光学载荷的可靠性工作。光学载荷由单机设备组成，并且是小样本，因此，开展可靠性评估工作通常采用单元级产品贝叶斯方法。

3 Bayes法可靠性评估

光学载荷的Bayes可靠性评估主要是针对电子学部分，因为光学镜头、主体结构和热控组件等可靠性，可以通过与其对应的可靠性技术的实施来保证，其可靠性评估可以采用一种利用相似产品数据的可靠性综合评估方法，本文在此不进行叙述。

电子学产品的寿命分布为指数分布，光学载荷的地面试验通常采用的是定时截尾方法，因此，Bayes可靠性评估按照指数型产品定时截尾情况进行讨论。

众所周知，Bayes方法的关键是确定先验分布，根据笔者的工作经验，通过元器件应力分析法获得元器件的失效率，再转化为等效特征量得到产品的验前信息；现场试验信息可来自该设备一系列的地面试验信息。在共轭分布假定下用Bayes法推断，可靠性验后特征量见公式（1）：

式（1）中：τ——产品的可靠性验后折合小时数；

τ0——产品的验前信息；

τ1——产品的现场试验小时数；

z——产品的可靠性验后折合失效次数。

产品的失效率置信上限Λ和可靠性置信下限RL见公式（2）：

对于冷备系统，其可靠度函数近似为（1+Λt）exp（-Λt），可靠性置信下限的近似解见公式（3）：

4 产品可靠性评估的实施

产品可靠性评估工作顺利开展的前提条件是产品必须规范化地完成了型号可靠性大纲规定的其它各项可靠性工作。其次要采取合理的评估方法，试验数据准确可信，这样才能保证评估结果的有效性。

某光学载荷在产品研制过程中，完成了规定的各项可靠性工作项目；产品技术状态进行了严格的控制；并按要求完成了规定的各项可靠性试验，对出现的故障按照“技术归零”要求进行了处理。具备这些条件后，可以开展正样产品的可靠性评估工作。

4.1 可靠性评估流程

产品可靠性评估流程见图1。

4.1.1 明确可靠性要求

航天器总体对某光学载荷提出的可靠性指标要求是：在轨工作3年末可靠度为0.97，实际工作时间为6500h。

4.1.2 建立任务可靠性模型图

在设计阶段，通过对某光学载荷产品的组成、功能、工作模式和任务剖面的分析，可以建立产品的任务可靠性框图和模型，开展可靠性预计工作。在可靠性评估过程中，可以再次对可靠性模型的准确性进行复核。某光学载荷的任务可靠性框图如图2所示。

4.1.3 可靠性预计情况

某光学载荷的可靠性预计工作分为两个阶段进行，第一阶段是在设计早期选用元器件计数法；第二阶段是在确定了详细的元器件清单、电应力比和环境温度等信息后，采用应力分析法。数据来源均是GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F规定。在可靠性评估过程中，可以再次采用应力分析法对正样产品的可靠性预计结果进行复核。

4.1.4 试验数据的收集和整理

a） 得出等效工作时间

出于各种不同的目的，某光学载荷进行了各类地面试验。但是各项试验的条件不一致，数据不具有可比性。因此进行可靠性评估时，需要引进环境折合系数对数据进行折合。环境折合系数可以参照GJB/Z 299C中的环境系数与试验条件比对结果确定，也可根据相似产品的试验数据，利用相应的统计方法分析取得。

通过对某光学载荷鉴定产品和正样产品地面试验数据的统计，可得出该产品的等效工作实际约为3701h。试验时间的具体统计见表1。

b） 统计故障数

在可靠性评估过程中，故障数据仅统计关联故障数据，非关联故障数据不予考虑。

统计的关联故障类型有：

1）设计或工艺缺陷造成的故障；

2）元器件发生失效造成的故障，如果发生失效的元器件彼此之间没有因果关系，一个器件就算作一次故障；

3）通过故障分析，故障原因相同的故障，算作一个故障。

统计的非关联故障类型有：

1）试验设备或监视测量设备不良引发的故障；

2）操作失误引发的故障；

3）由其它故障引发的故障。

表1 试验时间统计表

表2 光学载荷Bayes法可靠性评估结果

在通常情况下，当关联故障按照“技术归零五条要求”完成归零工作后，在后续试验中没有再出现故障，可以转为非关联故障处理。

对软件引发的故障，经排查、分析和验证故障原因确实是软件本身，可以不计入关联故障；如果故障原因不明确，则必须计入关联故障。

4.2 可靠性评估结果

某光学载荷投产的鉴定产品和正样产品，在地面完成了一系列现场试验（如表1所示），经标准环境折算后得到试验小时数3701h。在随机振动应力筛选试验中曾因电阻断路而更换过一个。该载荷的任务时间为6500h。以置信度为0.6评估该载荷的可靠性置信下限RL，具体数据见表2。

通过可靠性预计和评估工作，表明该光学载荷的可靠性指标0.97是能够达到的。

5 结束语

由于航天器产品自身受到研制进度、经费和技术手段等方面的限制，不可能完全通过多项试验来验证其可靠性指标。因此，在其研制阶段，充分利用产品寿命周期各阶段的可靠性信息（包括试验信息、相似产品的相关信息、专家信息和仿真信息等），采用贝叶斯方法开展动态的可靠性评估工作，验证产品可靠性指标的符合性，同时较真实地反映产品实际的可靠性水平，是一种经济、有效和可行的途径。同时，通过可靠性评估和数据分析工作，找出薄弱环节，实施故障纠正策略和设计改进措施，更好地提高航天器产品的可靠性和产品质量。

[1]龚庆祥.型号可靠性工程手册[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]《可靠性设计大全》编撰委员会.可靠性设计大全[M].北京：中国标准出版社，2006.

[3]QJ 2172A-2005，卫星可靠性设计指南[S].

[4]Q/QJA 14.1～14.6-2003，航天型号出厂评审 [S].