李寧

（中國科學院西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119）

1 引言

航天器產(chǎn)品具有技術(shù)的尖端性和高密集性，工程的復雜性和高風險性等特點，并且作為一次使用不可維修（通常是）產(chǎn)品，對產(chǎn)品的可靠性有很高的要求。因此，在設計、制造、調(diào)試、試驗和測試等過程的每一個環(huán)節(jié)中，都要求加強產(chǎn)品可靠性工作。特別是在產(chǎn)品交付驗收階段和型號出廠前，都要開展可靠性驗證與分析工作，認定產(chǎn)品可靠性要求（定性要求和定量要求）的符合性。

認定工作主要包括以下幾個方面：

1） 可靠性保證大綱（工作計劃） 規(guī)定的工作項目的完成情況及有效性；

2） 復查產(chǎn)品故障因果分析（FMEA、FTA） 結(jié)果，I、II類故障模式及關(guān)鍵項目清單，采取措施的落實情況；

3）分析可靠性設計措施（各種裕度設計與降額設計、最壞情況分析和冗余措施等）結(jié)果及其有效性；

4）檢查可靠性試驗項目、方案和結(jié)果，評價可靠性試驗的充分性和有效性；

5）計算、分析可靠性指標滿足規(guī)定的情況。

根據(jù)上述工作形成的可靠性驗證與分析報告，是產(chǎn)品交付驗收中要重點審查的文件之一。在航天標準Q/QJA 14.1～14.6《航天型號出廠評審》中，也將可靠性驗證與分析工作內(nèi)容作為5個出廠專項評審之一。

在可靠性驗證工作中，認定產(chǎn)品可靠性定量要求（指標的驗證）是一項重要工作，產(chǎn)品可靠性指標的滿足情況是產(chǎn)品考核、驗收的重要依據(jù)。

2 可靠性指標驗證方法比較

目前，航天器產(chǎn)品的可靠性指標驗證工作一般是通過可靠性預計、可靠性評估來進行的。可靠性預計通?？梢园凑债a(chǎn)品實際情況選用應力分析法（電子類）、相似設備法（機械類）等。

可靠性預計是根據(jù)產(chǎn)品的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)特點、元器件可靠性經(jīng)驗數(shù)據(jù)的規(guī)律以及產(chǎn)品工作環(huán)境等因素來估計產(chǎn)品的可靠性。在設計階段開展可靠性預計工作，并實施“預計-改進設計-再預計”的循環(huán)，可以找出薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)化設計，提高產(chǎn)品的固有可靠性。但是，在產(chǎn)品交付階段，采用可靠性預計來驗證產(chǎn)品的可靠性指標，往往是不全面的。因為，航天器產(chǎn)品到交付階段已經(jīng)包含有大量的、不同研制階段特定試驗的試驗信息（數(shù)據(jù)）。我們可以用概率統(tǒng)計的方法給出產(chǎn)品在某一特定條件下的可靠性評估值，以便更能符合實際情況地評價產(chǎn)品的可靠性水平。

可靠性評估分為單元級產(chǎn)品可靠性評估和系統(tǒng)級產(chǎn)品可靠性評估兩類方法。單元級產(chǎn)品的可靠性評估是將評估對象——產(chǎn)品作為一個單元整體，只利用其本身的研制試驗或?qū)嶋H使用數(shù)據(jù)以及與其相關(guān)的其它信息對其可靠性進行評估。評估的方法有4類，分別是經(jīng)典方法、貝葉斯（Bayes）方法、綜合評估方法和利用非壽命數(shù)據(jù)的可靠性評估方法。

系統(tǒng)級產(chǎn)品的可靠性評估的方法有4類，分別是精確方法、近似方法、系統(tǒng)Bayes方法和系統(tǒng)蒙特卡洛方法。

筆者多年從事光學載荷的可靠性工作。光學載荷由單機設備組成，并且是小樣本，因此，開展可靠性評估工作通常采用單元級產(chǎn)品貝葉斯方法。

3 Bayes法可靠性評估

光學載荷的Bayes可靠性評估主要是針對電子學部分，因為光學鏡頭、主體結(jié)構(gòu)和熱控組件等可靠性，可以通過與其對應的可靠性技術(shù)的實施來保證，其可靠性評估可以采用一種利用相似產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可靠性綜合評估方法，本文在此不進行敘述。

電子學產(chǎn)品的壽命分布為指數(shù)分布，光學載荷的地面試驗通常采用的是定時截尾方法，因此，Bayes可靠性評估按照指數(shù)型產(chǎn)品定時截尾情況進行討論。

眾所周知，Bayes方法的關(guān)鍵是確定先驗分布，根據(jù)筆者的工作經(jīng)驗，通過元器件應力分析法獲得元器件的失效率，再轉(zhuǎn)化為等效特征量得到產(chǎn)品的驗前信息；現(xiàn)場試驗信息可來自該設備一系列的地面試驗信息。在共軛分布假定下用Bayes法推斷，可靠性驗后特征量見公式（1）：

式（1）中：τ——產(chǎn)品的可靠性驗后折合小時數(shù)；

τ0——產(chǎn)品的驗前信息；

τ1——產(chǎn)品的現(xiàn)場試驗小時數(shù)；

z——產(chǎn)品的可靠性驗后折合失效次數(shù)。

產(chǎn)品的失效率置信上限Λ和可靠性置信下限RL見公式（2）：

對于冷備系統(tǒng)，其可靠度函數(shù)近似為（1+Λt）exp（-Λt），可靠性置信下限的近似解見公式（3）：

4 產(chǎn)品可靠性評估的實施

產(chǎn)品可靠性評估工作順利開展的前提條件是產(chǎn)品必須規(guī)范化地完成了型號可靠性大綱規(guī)定的其它各項可靠性工作。其次要采取合理的評估方法，試驗數(shù)據(jù)準確可信，這樣才能保證評估結(jié)果的有效性。

某光學載荷在產(chǎn)品研制過程中，完成了規(guī)定的各項可靠性工作項目；產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)進行了嚴格的控制；并按要求完成了規(guī)定的各項可靠性試驗，對出現(xiàn)的故障按照“技術(shù)歸零”要求進行了處理。具備這些條件后，可以開展正樣產(chǎn)品的可靠性評估工作。

4.1 可靠性評估流程

產(chǎn)品可靠性評估流程見圖1。

4.1.1 明確可靠性要求

航天器總體對某光學載荷提出的可靠性指標要求是：在軌工作3年末可靠度為0.97，實際工作時間為6500h。

4.1.2 建立任務可靠性模型圖

在設計階段，通過對某光學載荷產(chǎn)品的組成、功能、工作模式和任務剖面的分析，可以建立產(chǎn)品的任務可靠性框圖和模型，開展可靠性預計工作。在可靠性評估過程中，可以再次對可靠性模型的準確性進行復核。某光學載荷的任務可靠性框圖如圖2所示。

4.1.3 可靠性預計情況

某光學載荷的可靠性預計工作分為兩個階段進行，第一階段是在設計早期選用元器件計數(shù)法；第二階段是在確定了詳細的元器件清單、電應力比和環(huán)境溫度等信息后，采用應力分析法。數(shù)據(jù)來源均是GJB/Z 299C或MIL-HDBK-217F規(guī)定。在可靠性評估過程中，可以再次采用應力分析法對正樣產(chǎn)品的可靠性預計結(jié)果進行復核。

4.1.4 試驗數(shù)據(jù)的收集和整理

a） 得出等效工作時間

出于各種不同的目的，某光學載荷進行了各類地面試驗。但是各項試驗的條件不一致，數(shù)據(jù)不具有可比性。因此進行可靠性評估時，需要引進環(huán)境折合系數(shù)對數(shù)據(jù)進行折合。環(huán)境折合系數(shù)可以參照GJB/Z 299C中的環(huán)境系數(shù)與試驗條件比對結(jié)果確定，也可根據(jù)相似產(chǎn)品的試驗數(shù)據(jù)，利用相應的統(tǒng)計方法分析取得。

通過對某光學載荷鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品地面試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，可得出該產(chǎn)品的等效工作實際約為3701h。試驗時間的具體統(tǒng)計見表1。

b） 統(tǒng)計故障數(shù)

在可靠性評估過程中，故障數(shù)據(jù)僅統(tǒng)計關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)，非關(guān)聯(lián)故障數(shù)據(jù)不予考慮。

統(tǒng)計的關(guān)聯(lián)故障類型有：

1）設計或工藝缺陷造成的故障；

2）元器件發(fā)生失效造成的故障，如果發(fā)生失效的元器件彼此之間沒有因果關(guān)系，一個器件就算作一次故障；

3）通過故障分析，故障原因相同的故障，算作一個故障。

統(tǒng)計的非關(guān)聯(lián)故障類型有：

1）試驗設備或監(jiān)視測量設備不良引發(fā)的故障；

2）操作失誤引發(fā)的故障；

3）由其它故障引發(fā)的故障。

表1 試驗時間統(tǒng)計表

表2 光學載荷Bayes法可靠性評估結(jié)果

在通常情況下，當關(guān)聯(lián)故障按照“技術(shù)歸零五條要求”完成歸零工作后，在后續(xù)試驗中沒有再出現(xiàn)故障，可以轉(zhuǎn)為非關(guān)聯(lián)故障處理。

對軟件引發(fā)的故障，經(jīng)排查、分析和驗證故障原因確實是軟件本身，可以不計入關(guān)聯(lián)故障；如果故障原因不明確，則必須計入關(guān)聯(lián)故障。

4.2 可靠性評估結(jié)果

某光學載荷投產(chǎn)的鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品，在地面完成了一系列現(xiàn)場試驗（如表1所示），經(jīng)標準環(huán)境折算后得到試驗小時數(shù)3701h。在隨機振動應力篩選試驗中曾因電阻斷路而更換過一個。該載荷的任務時間為6500h。以置信度為0.6評估該載荷的可靠性置信下限RL，具體數(shù)據(jù)見表2。

通過可靠性預計和評估工作，表明該光學載荷的可靠性指標0.97是能夠達到的。

5 結(jié)束語

由于航天器產(chǎn)品自身受到研制進度、經(jīng)費和技術(shù)手段等方面的限制，不可能完全通過多項試驗來驗證其可靠性指標。因此，在其研制階段，充分利用產(chǎn)品壽命周期各階段的可靠性信息（包括試驗信息、相似產(chǎn)品的相關(guān)信息、專家信息和仿真信息等），采用貝葉斯方法開展動態(tài)的可靠性評估工作，驗證產(chǎn)品可靠性指標的符合性，同時較真實地反映產(chǎn)品實際的可靠性水平，是一種經(jīng)濟、有效和可行的途徑。同時，通過可靠性評估和數(shù)據(jù)分析工作，找出薄弱環(huán)節(jié)，實施故障糾正策略和設計改進措施，更好地提高航天器產(chǎn)品的可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]龔慶祥.型號可靠性工程手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[2]《可靠性設計大全》編撰委員會.可靠性設計大全[M].北京：中國標準出版社，2006.

[3]QJ 2172A-2005，衛(wèi)星可靠性設計指南[S].

[4]Q/QJA 14.1～14.6-2003，航天型號出廠評審 [S].