运载火箭可用性指标确定方法和装置

技术领域

本申请涉及运载火箭技术领域，具体公开了一种运载火箭可用性指标确定方法和装置。

背景技术

目前新一代载人运载火箭提出了可重复使用的需求，不同于一次性运载火箭，重复使用运载火箭除了重复次数要求和可靠性要求之外，维修性和测试性同样重要，理想状态是回收处理后的可靠度几乎不发生变化，或维修能够达到预期目标，能够无限次使用。但是由于实际中各种影响因素的存在，使得可靠度会逐渐降低，通过故障检测、维修及保障工作，能够提高每次任务的可用性，但却无法提高任务可靠度，最终有可能出现即便维修也无法达到任务要求的可靠度，因此，重复使用运载火箭的使用次数是有限的。

一次性运载火箭的可靠性要求包括单次任务可靠度、维修性要求，主要为定性要求且侧重于确保单次任务成功。重复使用运载火箭同样具有可靠性要求，高的可靠性设计可以少维修甚至免维修，维修的程度取决于测试能力。

所以，有必要提出一种设计和规划运载火箭可用性指标的技术方案，以便满足运载火箭的重复使用需求。

发明内容

为了解决上述技术缺陷之一，本申请实施例中提供了一种运载火箭可用性指标确定方法和装置。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种运载火箭可用性指标确定方法，包括：

获取运载火箭在本次发射后的故障修复率和所述运载火箭在上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度；

根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率；

根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度。

作为一个实施例，所述根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率，包括：

根据所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

作为一个实施例，所述根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率，包括：

根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

作为一个实施例，所述根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度，包括：

根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的所述第二可靠度；

根据所述第二可靠度，基于马尔柯夫状态转移矩阵确定所述运载火箭在本次发射后的所述第三可靠度。

作为一个实施例，所述故障修复率基于所述运载火箭的故障维修率和故障维修时间确定，所述故障维修率用于表征维修后的故障数与实际发生的故障数的比例。

作为一个实施例，所述故障维修率基于所述运载火箭的故障检测率和故障维修数确定，所述故障检测率用于表征使用预设方法检测到的故障数与实际发生的故障数的比例。

作为一个实施例，还包括：

若所述运载火箭本次发射为第3N+1次发射，则本次发射对应的所述故障修复率高于前两次发射的所述故障修复率，N为整数。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种运载火箭可用性指标确定装置，包括：

获取模块，用于获取运载火箭在本次发射后的故障修复率和所述运载火箭在上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度；

第一确定模块，用于根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率；

第二确定模块，用于根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度。

采用本申请实施例中提供的运载火箭可用性指标确定方法和装置，获取运载火箭在本次发射后的故障修复率和所述运载火箭在上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度；根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率；根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度。本申请实施例通过获取运载火箭的故障修复率以及上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度，可得到运载火箭在本次发射前后的可靠度指标，为运载火箭的可靠性设计提供参考，以便满足运载火箭的重复使用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的运载火箭可用性指标确定方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的运载火箭重复使用的发射过程分析示意图；

图3是本申请实施例提供的图1中步骤S120的流程示意图之一；

图4是本申请实施例提供的运载火箭发射与维修的关系示意图；

图5是本申请实施例提供的失效率与相关指标的关系示意图；

图6是本申请实施例提供的运载火箭马尔柯夫状态转移示意图；

图7是本申请实施例提供的图1中步骤S120的流程示意图之二；

图8是本申请实施例提供的图1中步骤S130的流程示意图；

图9是本申请实施例提供的运载火箭第一次发射的马尔柯夫状态转移示意图；

图10是本申请实施例提供的失效率要素结构关系示意图；

图11是本申请实施例提供的运载火箭每次发射过程解析示意图；

图12是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修前的马尔柯夫状态转移示意图；

图13是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修后的马尔柯夫状态转移示意图；

图14是本申请实施例提供的运载火箭第三次发射过程维修前的马尔柯夫状态转移示意图；

图15是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修后的马尔柯夫状态转移示意图；

图16是本申请实施例提供的运载火箭可用性指标确定装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本申请实施例对运载火箭重复使用需求的可靠性、安全性、维修性、测试性之间的解析关系、模型建立、参数设计等进行研究，运载火箭可用性指标包括可靠性、维修性和测试性。

图1为本申请实施例提供的运载火箭可用性指标确定方法的流程示意图，如图1所示，本申请实施例提供了一种运载火箭可用性指标确定方法，包括：

S110，获取运载火箭在本次发射后的故障修复率和所述运载火箭在上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度；

S120，根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率；

S130，根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度。

可以理解的是，本申请实施例通过获取运载火箭的故障修复率以及上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度，可得到运载火箭在本次发射前后的可靠度指标，为运载火箭的可靠性设计提供参考，以便满足运载火箭的重复使用需求。

图2为本申请实施例提供的运载火箭重复使用的发射过程分析示意图，如图2所示，假设近地火箭的要求是期望重复使用次数10次，本申请实施例将十次发射过程分为三轮执行任务，每一轮执行任务在回收运载火箭后需要对运载火箭进行两次小规模维修和一次大规模维修，以确保运载火箭能够重复使用。即，若所述运载火箭本次发射为第3N+1次发射，则本次发射对应的所述故障修复率高于前两次发射的所述故障修复率，N为整数。

可以理解的是，本申请实施例在第四次、第七次和第十次运载火箭发射之前对运载火箭进行大规模维修，提高故障修复率。

可选的，所述故障维修率基于所述运载火箭的故障检测率和故障维修数确定，所述故障检测率用于表征使用预设方法检测到的故障数与实际发生的故障数的比例。

假设运载火箭第*次发射对应的故障检测率为D

式中，N

可选的，所述故障修复率基于所述运载火箭的故障维修率和故障维修时间确定，所述故障维修率用于表征维修后的故障数与实际发生的故障数的比例。

运载火箭发射结束、回收后，进行故障检测，其故障检测率为D

故障修复率的计算公式为：

其中，μ

可以理解的是，本申请实施例提出了故障维修率的确定方案，以便根据运载火箭的故障修复率得到运载火箭在本次发射前后的可靠度指标，为运载火箭的可靠性设计提供参考，以便满足运载火箭的重复使用需求。

图3是本申请实施例提供的图1中步骤S120的流程示意图之一，如图3所示，作为一个实施例，所述根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率，包括：

S310，根据所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

S320，根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

本申请实施例提供的技术方案可应用于运载火箭的每一次发射过程解析，下面以第一次发射过程解析为例进行详细说明。

将运载火箭第二次发射前的可靠度R

其中，μ

其中，λ

失效率计算公式的推导过程如下所示。

图4是本申请实施例提供的运载火箭发射与维修的关系示意图，图5是本申请实施例提供的失效率与相关指标的关系示意图，如图4和图5所示，依据马尔柯夫过程的概率转移稳态分析理论，运载火箭每发射与回收、维修一次，相当于进行了一次马尔柯夫过程概率转移，经维修后能恢复达到的可靠性状态(即稳态有效状态)，是下次再发射前的任务可靠性状态。也就是说，每次再发射前的可重复运载火箭任务可靠性值可根据该马尔柯夫过程的可用状态稳态有效解进行计算。

图6是本申请实施例提供的运载火箭马尔柯夫状态转移示意图，如图6所示，以X(t)表示t时刻运载火箭状态，回收后经过维修的状态转移图见图6，图中“1”状态表示运载火箭发射前的正常工作状态，“2”状态表示运载火箭回收后的待维修状态。

由状态转移图得状态转移矩阵：

设运载火箭在开始时的正常工作状态为P

P11(Δt)＝P{X(t+Δt)＝0|X(t)＝0}＝1-λΔt+0(Δt)；

P21(Δt)＝P{X(t+Δt)＝0|X(t)＝0}＝μΔt+0(Δt)；

即经过Δt时间，继续保持正常工作状态的概率：

P1(t+Δt)＝P1(t)P11(Δt)+P2(t)P21(Δt)；

取极限令Δt→0后，上式为：

P1(t)＝-λP1(t)+μP2(t)；

利用拉氏变换可以解得：

P1(t)＝μ/(μ+λ)-λ/(μ+λ)e

当t趋于无穷大时，得到维修情况下正常工作状态概率的稳态解，即可用度为：

P1(t)＝μ/(μ+λ)。

其中，μ为故障维修率，λ为失效率。

可以理解的是，本申请实施例提供了一种确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率的技术方案，可用于得到运载火箭在本次发射前后的可靠度指标，为运载火箭的可靠性设计提供参考，以便满足运载火箭的重复使用需求。

图7是本申请实施例提供的图1中步骤S120的流程示意图之二，如图7所示，作为一个实施例，所述根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率，包括：

S710，根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

S720，根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

具体的，可用度A(t

A(t

式中：

A(t

R(t

γ

M(t

可以理解的是，本申请实施例提供了一种确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率的技术方案，可用于得到运载火箭在本次发射前后的可靠度指标，为运载火箭的可靠性设计提供参考，以便满足运载火箭的重复使用需求。

图8是本申请实施例提供的图1中步骤S130的流程示意图，如图8所示，作为一个实施例，所述根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度，包括：

S810，根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的所述第二可靠度；

S820，根据所述第二可靠度，基于马尔柯夫状态转移矩阵确定所述运载火箭在本次发射后的所述第三可靠度。

具体的，已知任务时间，将其作为第一次发射过程的1个有效单位时间，根据第一次发射过程的失效率与其第一次发射前可靠度关系

第一次发射后的可靠度是由第一次发射前的可靠度与失效率的的马尔柯夫状态转移矩阵求得，过程如下：

假设：Q

Q

其中，R

图9是本申请实施例提供的运载火箭第一次发射的马尔柯夫状态转移示意图，如图9所示，P

第一次发射过程的一次可靠性状态转移矩阵为：

其中，R

其中，R

此时，第一次发射后的可靠度为：

R

第一次发射完成，维修前可靠度下降程度计算公式如下：

ΔR

运载火箭发射过程可靠性状态马尔柯夫稳态分析方法如下：

图10是本申请实施例提供的失效率要素结构关系示意图，如图10所示，设可重复使用运载火箭第一次发射前可靠度为R

假设：Q(0)表示发射前的初始可靠性状态，初始状态概率矩阵为：

Q(0)＝(R

其中：*代表是第*次发射，R

由状态转移可以得到状态转移概率矩阵P。矩阵P表示一次发射后的马尔柯夫状态转移矩阵，任务期间没有维修过程，所以在该矩阵中，不考虑维修，即状态2为吸收状态，状态转移到2状态(待维修状态)后，将不再转移到1状态(正常工作状态)，所以此时维修部分应取修复率为0。

运载火箭发射一次后，即由初始状态经过一步转移后计算得到一步状态转移概率矩阵：

上述矩阵中，R

发射一次后运载火箭的可靠度降低为：

R

其中，R

经过一次发射后的可靠度下降值为：

ΔR

图11是本申请实施例提供的运载火箭每次发射过程解析示意图，如图11所示，本申请实施例将运载火箭发射过程可靠性状态马尔柯夫稳态分析方法和运载火箭发射、回收、维修的稳态可用度马尔柯夫稳态分析方法应用在运载火箭每一次发射过程的解析中。

图12是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修前的马尔柯夫状态转移示意图，图13是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修后的马尔柯夫状态转移示意图，图14是本申请实施例提供的运载火箭第三次发射过程维修前的马尔柯夫状态转移示意图，图15是本申请实施例提供的运载火箭第二次发射过程维修后的马尔柯夫状态转移示意图，如图12-图15所示，以运载火箭重复使用次数10次为例，对运载火箭每一次发射过程的解析进行详细说明。

(一)基于马尔柯夫过程的可重复运载火箭第一次发射过程解析

第一，第一次发射过程失效率推算

首先给定第二次发射前的可靠度R

其中，μ

第二，第一次发射前可靠度推算

已知任务时间，将其作为第一次发射过程的1个有效单位时间，根据第一次发射过程的失效率与其第一次发射前可靠度关系

第三，第一次发射后可靠度推算

第一次发射后的可靠度是由第一次发射前的可靠度与失效率的的马尔柯夫状态转移矩阵求得，过程如下：

假设：Q

Q

其中R

P

第一次发射过程的一次可靠性状态转移矩阵为：

其中R

其中，R

此时，第一次发射后的可靠性为：

R

第四，第一次发射完成，维修前可靠度下降程度为：

ΔR

(二)基于马尔柯夫过程的可重复运载火箭第二次发射过程解析

第一，第二次发射过程失效率的计算

第二次发射前的任务可靠度为：R

假设：Q

Q

根据可靠度的计算公式：

当t

与第一次发射的失效率λ

Δλ

第二，第二次发射过程可靠性状态马尔柯夫稳态分析(不考虑维修)。

第二次发射任务过程的状态转移矩阵P

第三，第二次发射过程可靠性状态转移求解

第二次发射过程的一次可靠性状态转移矩阵

其中R

其中，R

此时，第二次发射后的可靠性为

R

第四，第二次发射过程可靠性降低程度

经过第二次发射后，运载火箭的可靠度下降了(已知R

ΔR

第五，第二次发射后，考虑维修的稳态可用度求解

发射过程包括包括发射、维修两种状态，所以状态转移矩阵如下：

由公式可知小修修复率μ

与第一次发射后回收并小修后的可用度A

ΔA

注：第二次发射前的可靠度R

(三)基于马尔柯夫过程的可重复运载火箭第三次发射过程解析

第一，第三次发射过程失效率的计算

第三次发射前的任务可靠度是由第二次发射后回收并小修的可用度A

R

假设：Q

Q

根据可靠度的计算公式：

当t

与第二次发射的失效率λ

Δλ

第二，第三次发射过程可靠性状态马尔柯夫稳态分析(不考虑维修)

第三次发射任务过程的状态转移矩阵P

第三，第三次发射过程可靠性状态转移求解

第三次发射过程的一次可靠性状态转移矩阵

其中R

其中，R

此时，第三次发射后的可靠性为

R

第四，第三次发射过程可靠性降低程度

此时经过第三次发射后，运载火箭的可靠度下降了(已知R

ΔR

第五，第三次发射后，考虑维修的稳态可用度求解

发射过程包括包括发射、维修两种状态，所以状态转移矩阵如下：

大修修复率μ

与第二次发射后回收并小修后的可用度A

ΔA

(四)基于马尔柯夫过程的可重复运载火箭第四、五、六、七、八、九、十次发射过程解析。

根据如上过程，总任务期望发射次数为10次，其中3次发射为一个任务轮次，每个任务轮次的维修水平分别设为小修、小修、大修，其中第二个任务轮次与第一次任务轮次计算过程相同。

图16是本申请实施例提供的运载火箭可用性指标确定装置的结构示意图，如图16所示，本申请实施例还提供了一种运载火箭可用性指标确定装置，包括：

获取模块1610，用于获取运载火箭在本次发射后的故障修复率和所述运载火箭在上次、本次或下次发射前所需的第一可靠度；

第一确定模块1620，用于根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率；

第二确定模块1630，用于根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的第二可靠度和本次发射后的第三可靠度。

作为一个实施例，所述第一确定模块1620还用于：

根据所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

作为一个实施例，所述第一确定模块1620还用于：

根据所述故障修复率和所述第一可靠度，确定所述运载火箭在本次发射、回收和维修后的稳态可用度；

根据所述稳态可用度和所述故障修复率，基于马尔柯夫稳态分析方法确定所述运载火箭在本次发射过程中的失效率。

作为一个实施例，所述第二确定模块1630还用于：

根据所述失效率和预设的任务时间，确定所述运载火箭在本次发射前的所述第二可靠度；

根据所述第二可靠度，基于马尔柯夫状态转移矩阵确定所述运载火箭在本次发射后的所述第三可靠度。

作为一个实施例，所述故障修复率基于所述运载火箭的故障维修率和故障维修时间确定，所述故障维修率用于表征维修后的故障数与实际发生的故障数的比例。

作为一个实施例，所述故障维修率基于所述运载火箭的故障检测率和故障维修数确定，所述故障检测率用于表征使用预设方法检测到的故障数与实际发生的故障数的比例。

作为一个实施例，还包括：

调整模块，用于若所述运载火箭本次发射为第3N+1次发射，则本次发射对应的所述故障修复率高于前两次发射的所述故障修复率，N为整数。

本申请实施例还提供了一种电子设备的实体结构示意图，该电子设备可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行运载火箭可用性指标确定方法。

又一方面，本申请还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的运载火箭可用性指标确定方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，C语言、VHDL语言、Verilog语言、面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。