مقاله عنوان تخصیص قابلیت اطمینان به زیر سیستم های فضاپیمای سرنشین دار

بخشی از مقاله

چکیده

یکی از مهمترین چالش ها در طراحی سیستم های فضایی، طراحی سیستم با قابلیت اطمینان بالا می باشد. این موضوع در سیستمهای فضایی که حامل سرنشین هستند از اهمیت بسیار بیشتری برخودار است. برای طراحی یک سیستم بر مبنای قابلیت اطمینان نخست باید بر اساس تعریف مأموریت دریافت شده از کارفرما، هزینه در نظر گرفته شده برای پروژه، امکانات و زیرساخت هایی که برای انجام پروژه وجود دارد و یا باید توسعه یابد، مقداری برای قابلیت اطمینان سیستم مشخص شود.

پس از آن این عدد باید بر اساس معیارهای مشخصی به زیرسیستم های موجود تخصیص یابد تا شروعی برای آغاز طراحی باشد. روش های مختلفی برای تخصیص قابلیت اطمینان از سطح سیستم به سطح زیرسیستمی وجود دارد که در هر پروژه ای با توجه به ویژگی های آن، یکی از این روش ها انتخاب می شود. در این مقاله با توجه به شناخت کافی از زیرسیستمها و عملکرد آنها در یک فضاپیمای سرنشین دار و همچنین تجارب عملیاتی موجود، از روش امکان پذیری برای تخصیص قابلیت اطمینان در فضاپیمای سرنشیندار استفاده شدهاست.

مقدمه

در طراحی یک سیستم فضایی بر مبنای قابلیت اطمینان باید به این نکته توجه داشت که هزینه ساخت چنین سیستم هایی بسیار بالا است. به همین دلیل موفقیت در این پرتاب ها در راضی کردن دولت ها برای ادامه آن، ضروری است. همچنین در فضاپیماهایی که برای حمل انسان به فضا طراحی می شوند، به دلیل اهمیت جان انسان، قابلیت اطمینان در طراحی آن سیستم از اهمیت و جایگاه ویژهای برخوردار است. به همین دلیل دستیابی به قابلیت اطمینان بالا، مطلوب و مورد نیاز مجریان و طراحان چنین سیستمهایی است.

از سوی دیگر برای افزایش قابلیت اطمینان نیاز به تخصیص هزینه بالا و آماده سازی تجهیزات و زیرساخت های مخصوص برای انجام این تست ها می باشد. با توجه به هزینه بالایی که طراحی و ساخت یک فضاپیما دارد باید توجه نمود که عدد قابلیت اطمینان در حدی باشد که علاوه بر تأمین ایمنی مورد نیاز، این هزینه را در حد قابل قبول برای مدیران ارشد دولتی نیز قرار دهد. برای تخصیص قابلیت اطمینان در فضاپیمای سرنشین دار، نخست باید سیستم، زیرسیستم ها، مسیر پروازی و ویژگی های آن شناسایی شوند. پس از آن هدفی به عنوان مبنای تخصیص قابلیت اطمینان در نظر گرفته و معیارهایی که بر اساس آن قابلیت اطمینان به هر زیرسیستم تخصیص مییابد، بیان میشود . - [1] -

زیرسیستمهای فضاپیمای سرنشیندار

فضاپیمای سرنشین دار طراحی شده از هفت زیرسیستم اصلی تشکیل شده که عبارتند از:

·    مدیریت پرواز

·    ارتباطات

·    پشتیبان حیات

·    کنترل

·    هدایت، کنترل و ناوبری

·    جدایش

·    بازیابی

·    سازه

برای درک بهتر این که در بخش های بعد ضرایب قابلیت اطمینان چگونه برای زیرسیستم ها تعیین می شوند در ادامه شرح مختصری از وظایفی که هر زیرسیستم در مأموریت تعریف شده برای فضاپیمای سرنشیندار برعهده دارد بیان میشود. زیرسیستم مدیریت پرواز نقش تأمین توان برای تمامی بخش های الکتریکی فضاپیما، صدور فرامین جدایش از حامل و بازیابی، ذخیره داده ها در طول پرواز، تصویر برداری از داخل و بیرون فضاپیما و نمایش داده ها برای سرنشین را برعهده دارد. زیرسیستم ارتباطات داده های اندازه گیری شده داخل فضاپیما را به ایستگاه زمینی ارسال کرده و فرامین ارسال شده از ایستگاه زمینی را دریافت می کند. همچنین این زیرسیستم وظیفه رهگیری فضاپیما و تعیین موقعیت لحظه به لحظه آن را بر عهده دارد.

زیرسیستم پشتیبان حیات شرایط محیطی مناسب برای فضانورد را فراهم و علائم حیاتی و محیطی سرنشین را اندازهگیری میکند. زیرسیستم کنترل در مسیر برگشت فضاپیما و قبل از ورود به جو در صورتی که ناپایداری در فضاپیما وجود داشته باشد با مانورهای مناسب فضاپیما را پایدار مینماید. زیرسیستم جدایش، وظیفه جدا کردن فضاپیما از حامل را برعهده دارد.

به گونه ای که ناپایداری در ادامه حرکت فضاپیما ایجاد نشود. زیرسیستم بازیابی نیز در مسیر برگشت با باز کردن چترهای کمکی و اصلی، سرعت فضاپیما را به حد قابل قبول و مناسب برای سرنشین زسانده و آن را به آرامی روی زمین فرود می آورد. آخرین زیرسیستم، بدنه و سازه است که در تمام طول مأموریت از سرنشین و مجموعههایی که داخل آن قرار گرفتهاند محافظت میکند. گام بعدی برای تخصیص قابلیت اطمینان شناخت مأموریت و مسیرهای پروازی است.

مسیر پروازی

مطابق با قرارداد بسته شده با کارفرما، فضاپیمای سرنشین دار مسیر حرکت پرتابه ای مشابه شکل 1 را طی می کند. نکته ای که در اینجا باید به آن توجه شود این است که فضاپیما در تمام طول مسیر شرایط محیطی یکسانی را ندارد و نکته دیگر این که همه زیرسیستم ها در این مسیر فعال نیستند. با درنظر گرفتن نکاتی که در این خصوص در مرجع [2] بیان شده است، مسیر پرواز فضاپیما را می توان به چهار قسمت تقسیم کرد. عواملی که در این دسته بندی اثر گذارند به شرح زیر هستند:

·    اتصال فضاپیما به حامل که شرایط محیطی متفاوتی را از لحاظ میزان ارتعاش ها، شوک و شتاب وارد شده به فضاپیما و مجموعههای آن ایجاد میکند.

·    ورود به جو که تغییر در فشارهای آیرودینامیکی، ارتعاش ها و گرمایش وارد شده به فضاپیما ایجاد میکند.

·    باز شدن چتر ترمزی که موجب تغییر شتاب، سرعت و دوران فضاپیما میشود.

بر این اساس چهار مرحله مسیر پرواز فضاپیما عبارتند از:

1.    آغاز حرکت تا خاموشی حامل

2.    خاموشی حامل تا ورود به جو

3.    ورود به جو تا باز شدن چتر

4.    باز شدن چتر تا فرود بر روی زمین

در هر یک از این مراحل کارکرد صحیح یک یا چند زیرسیستم اهمیت بیشتری دارد. در مرحله نخست حفظ یکپارچگی سازه از اهمیت ویژه برخوردار است. در مرحله دوم، جدا شدن نرم از حامل بدون ایجاد ناپایداری و همچنین عملکرد مناسب زیرسیستم کنترل در حفظ پایداری فضاپیما و ایجاد زاویه مناسب برای ورود به جو مهم است.

در مرحله سوم عملکرد صحیح سازه و سپرهای حرارتی هنگام ورود به جو، حفظ پایداری فضاپیما و بازیابی خوب فضاپیما نقش  برجسته ای دارد.  در آخرین مرحله نیز عملکرد صحیح چترها در کاهش سرعت فرود فضاپیما در محدوده تعیین شده و عملکرد صحیح جاذب های انرژی هنگام فرود بر روی زمین از اهمیت ویژهای برخوردار است. بر این اساس در گام بعدی میزان قابلیت اطمینان سیستم تخمین زده میشود.

تخمین قابلیت اطمینان سیستم

قابلیت اطمینان در نظر گرفته شده برای سیستم در هر یک از چهار مرحله، به همراه زمان هر یک از این مراحل، در جدول 1 نشان داده شده است. قابلیت اطمینان در هر مرحله بر اساس اهمیت آن مرحله در تعیین درصد موفقیت پروژه، تجربه ای که مدیر پروژه و کارشناسان مربوط از پرتاب های قبلی به دست آوردهاند و همچنین در نظر گرفتن خطاهای رخ داده در پرتابهای قبلی، مقداردهی شده است.

تخصیص قابلیت اطمینان به زیرسیستمها

با مشخص شدن ساختار شکست محصول و قابلیت اطمینانی که برای فضاپیمای سرنشین دار در نظر گرفته شده است، قابلیت اطمینان به زیرسیستم ها تخصیص داده می شود. به این منظور ابتدا باید هدفی به عنوان مبنای تخصیص قابلیت اطمینان تعریف شود . - [2] - این هدف در این مقاله عبارت است از: "ارسال فضاپیمای زیرمداری به ارتفاع 200km و فرود سالم آن بر روی زمین". روشهای مختلفی برای تخصیص قابلیت اطمینان به زیرسیستم های یک سیستم وجود دارد که در برخی موارد بسیار پیچیده خواهد بود . - [5]-[3] -

از جمله این روش ها می توان به روش تخصیص مستقیم ، آرینک 1، آگری[6] - 2 و - [7]، حداقل تلاش - [7] - ، امکان پذیری [7] - و - [2]، دینامیک پویا و سلسله مراتبی [8] - و - [9] اشاره کرد. هر یک از این روش ها برای سیستمی با مشخصات خاص که در مراجع توضیح داده شده اند، کاربرد دارد. روشی که در این مقاله انتخاب شده، تخصیص با روش امکان پذیری است.

این روش برای سیستم های الکتریکی و مکانیکی تعمیر ناپذیر مناسب است که در آن اجزاء بر اساس معیار پیچیدگی، به روز بودن، زمان عملکرد، شرایط محیطی و یا برخی معیارهای دیگر، امتیازدهی می شوند .[2] در این روش هریک از اجزاء بر اساس معیارهای تعیین شده، و با در نظر گرفتن تجربه و خبرگی افراد متخصص به صورت گروهی امتیازدهی میشوند.

این امتیاز عددی بین 1 تا 10 است. در تعریف معیارهای این جدول، سعی بر آن شده تا پارامترهایی به عنوان معیار میزان اثرگذاری در تحقق هدف قرار داده شوند که با هدف تعریف شده در سطح کلان سیستم همخوانی داشته باشند و نشان دهنده تأثیر زیرسیستم در دستیابی به هدف نهایی باشند. این پارامترها عبارتند از:

1.    میزان اثر در دستیابی به هدف

2.    اثرگذاری بر عملکرد بخشهای دیگر

3.    پیچیدگی

4.    میزان بلوغ تکنولوژی - TRL -

میزان اثرگذاری نشان دهنده ی اثری است که زیرسیستم مورد نظر بر دست یابی هدف تعیین شده برای سیستم، دارد. هرچه زیرسیستم نقش بیشتری در دست یابی به هدف تعیین شده داشته باشد، ضریب اختصاص داده شده به آن مقدار بیشتری خواهد داشت. اثر گذاری بر عملکرد سایر بخش ها بیانگر این است که آیا عملکرد زیرسیستم مستقل از سایر زیرسیستم ها است یا بر آن ها اثر گذار است.

به عبارت دیگر میتوان گفت آیا وقوع خطایی در عملکرد زیرسیستم مورد نظر موجب وقوع خطایی در زیرسیستم مجاور می شود؟ اگر زیرسیستمی چنین ویژگی داشته باشد، باید با قابلیت اطمینان بیشتری طراحی شود به این معنی که باید ضریب بزرگتری داشته باشد. پیچیدگی سیستم با توجه به تعداد اجزاء سیستم و نحوه مونتاژ آنها تعیین می شود. هرچه سیستم پیچیده تر باشد یا به عبارتی تعداد اجزای آن بیشتر باشند ، عددی که به آن اختصاص داده می شود، بزرگتر می باشد. آخرین معیار سطح بلوغ تکنولوژی3 است. هرچه بلوغ تکنولوژی استفاده شده در طراحی زیرسیستم بیشتر باشد، نرخ خرابی کمتر میشود و در نتیجه قابلیت اطمینان افزایش مییابد.

نتایج

با توجه به مطالبی که در بخش های قبل بیان شد، در این بخش معیارهای مشخص شده برای تخصیص قابلیت اطمینان به زیرسیستم های مربوطه در فضاپیما، بر اساس نظر کارشناسان خبره مقداردهی شده اند. امتیازدهی برای چهار مرحله پرواز مطابق با جدول 2 تا 5 می باشد. معیارهای 1، 2 و 3 که به ترتیب در ستونهای 2 تا 4 جداول 2 تا 5 ارائه شدهاند، نشان دهنده سه پارامتر میزان اثر در دستیابی به هدف، اثرگذاری بر عملکرد بخشهای دیگر و پیچیدگی هستند که در بخش قبل شرح داده شدند.

ستون چهارم جداول به میزان بلوغ تکنولوژی اختصاص دارد. نکته ای که برای تکمیل این ستون از جداول باید به آن توجه شود این است که هرچه تکنولوژی بلوغ بیشتری داشته باشد ضریب قابلیت اطمینان آن مقدار کوچکتری خواهد داشت. به همین دلیل در ستون چهارم از متمم ضریب بلوغ تکنولوژی - به عبارت دیگر "ضریب بلوغ تکنولوژی - " 1 – استفاده شده است.