Техническое состояние и надёжность химического лазера

В настоящее время лазерные технологии являются актуальными и практически важными для всестороннего развития человечества. Химические лазеры (ХЛ) – это разновидность газовых лазеров, в которых источником энергии служат химические реакции между компонентами активной среды. Несмотря на уникальность конструкции ХЛ, последние относятся к техническим объектам с традиционным жизненным циклом, главной стадией которого является стадия эксплуатации

Целью подготовки настоящей научной статьи является описание ХЛ как объекта технической эксплуатации используя концептуальные основы эксплуатации современных технических объектов, относящихся к сложным техническим системам. Для достижения поставленной цели, по мнению авторов, необходимо решение следующих задач:

1. Анализ основ конструкции, режимов работы, и принципов функционирования ХЛ, а также областей его применения с формированием технического облика последнего. Разработка модели и классификация видов технического состояния ХЛ, с последующей характеристикой его надёжности как основного свойства объекта эксплуатации,

2. Разработка модели надёжности, видов состояний и схемы переходов ХЛ из состояния в состояние с характеристикой методов определения показателей его надёжности.

Структурно настоящая научная статья состоит из двух частей. В первой части сформирован технический облик современного ХЛ, кратко сформулированы концептуальные основы определения и классификации технического состояния последнего. Вторая часть посвящена разработке модели надёжности и методического инструментария по оцениванию количественных показателей надёжности ХЛ.

Любой технический объект, в том числе и ХЛ, имея свои конструкцию и функциональное предназначение, является объектом технической эксплуатации. Под технической эксплуатацией ХЛ понимается стадия жизненного цикла последнего, включающая в себя процессы подготовки газового лазера к применению, технически грамотное применение его по назначению, техническое обслуживание и ремонт, а также хранение и транспортирование. Таким образом, ХЛ в целом или отдельные его элементы конструкции, являются объектами технической эксплуатации, имеющие потребность в осуществлении комплекса мероприятий по технической эксплуатации

Конструкция ХЛ как объекта технической эксплуатации включает в себя совокупность взаимосвязанных между собой состоящего из непрозрачного и полупрозрачного зеркал оптического резонатора, в котором устанавливается импульсная лампа, активной среды в виде смеси газов, а также генератора накачки (рисунок 1).

Рисунок 1 - Обобщённая структурная схема ХЛ

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.47.1

ХЛ может работать в непрерывном (стационарном) и импульсном (нестационарном). Большинство лазеров работают в импульсном режиме, когда работают все элементы конструкции лазера. В непрерывном (стационарном) режиме работы отключается импульсная лампа и лазер работает без осуществления импульсной модуляции излучения на выходе

[5, C. 76]

,

[6, C. 134]

.

Наиболее полную картину взаимосвязей между областями применения, режимами работы и конструкцией ХЛ можно получить в результате анализа его технического облика. Под техническим обликом ХЛ понимается комплексная качественная и количественная характеристика, отражающая общие признаки, показатели и технические свойства последнего

Технический облик, являясь категорией системологии, отражает не только общую структуру ХЛ, но и взаимосвязи элементов конструкции последнего во множестве присущих им взаимосвязанных свойств, режимов работы и выполняемых лазером функций

[9, C. 28]

,

[10, C. 196]

,

[11, C. 182]

. Технический облик ХЛ можно представить в виде изображённой на рисунке 2 схемы взаимосвязей между областями применения последнего, режимами его работы, а также взаимосвязанными между собой элементами конструкции ХЛ, именуемыми программно-аппаратными средствами.

Рисунок 2 - Технический облик современного ХЛ

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.47.2

На рисунке 2 показаны области применения ХЛ, обусловленные тем, что для него не требуется электропитания. ХЛ применяется в промышленности при обработке материалов, преимущественно стали, в военных разработках и химических технологиях, а также для решения задач мониторинга окружающей среды и в измерительной технике. Как видно из рисунка 2, в любой области применения могут быть использованы как непрерывный, так и импульсный режимы работы ХЛ. Импульсный режим работы ХЛ обеспечивается четырьмя его элементами конструкции: оптическим резонатором с откачкой, импульсной лампой, смесительным блоком и газогенератором. Непрерывный режим – только тремя: оптическим резонатором, смесительным блоком и газогенератором.

Из анализа рисунка 2 следует:

- в любых областях применения ХЛ может работать как в непрерывном, так и импульсном режимах;

- наибольшее количество элементов конструкции ХЛ задействовано в основном режиме его работы – в импульсном режиме.

Описанное выше представление о техническом облике ХЛ составлено на основании имеющейся в

Каждый технический объект, в том числе и ХЛ, может быть охарактеризован видом технического состояния (ТС), в котором он постоянно или временно находится

Исправным является вид ТС, при котором ХЛ соответствует всем требованиям технической документации, при этом выполняются условия вида , , где ; .

Неисправным является вид ТС, при котором ХЛ не соответствует хотя бы одному из требований технической документации. К неисправным видам ТС относятся:

- работоспособный вид ТС – это неисправный вид ТС, при котором ХЛ способен выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных технической документацией. Необходимые и достаточные условия данного вида ТС следующие: , , где ; .

- неработоспособный вид ТС – это неисправный вид ТС, при котором значение хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять ХЛ заданные функции, не соответствует требованиям технической документации, например , , ; .

Предельное состояние – это состояние, при котором дальнейшее использование ХЛ по назначению недопустимо, например, из соображений безопасности, или восстановление его исправного или работоспособного видов ТС невозможно или нецелесообразно. Признаки предельного состояния устанавливаются требованиями технической документации на конкретный ХЛ.

Схема переходов ХЛ из одних видов ТС в другие представлена на рисунке 3. На рисунке показаны все возможные с точки зрения технической эксплуатации виды ТС ХЛ, необходимые и достаточные условия нахождения ХЛ в том или ином виде ТС, а также указаны типы событий, свершение которых переводит лазер из одного вида ТС в другой при условии отсутствия процессов восстановления работоспособности или исправности последнего. Для удобства построения диагностических моделей ХЛ исправный и неисправный работоспособный виды ТС ХЛ объединены в группу технических состояний №1, а неработоспособный вид ТС и предельное состояние объединены в группу технических состояний №2. Переходы ХЛ в различные состояния определяются возникновением повреждений, отказов, а также наличием фактов устаревания, физического износа и (или) практически полного расхода ресурса. Под повреждением понимается событие, заключающееся в нарушении исправного состояния ХЛ при сохранении его работоспособности. Отказ – это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния ХЛ.

Рисунок 3 - Схема переходов ХЛ из одних видов ТС в другие

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.47.3

Из анализа рисунка 3 следует:

- ХЛ, как объект технической эксплуатации, может находиться в одном из перечисленных выше видов ТС;

- нахождение ХЛ в любом из видов ТС осуществляется при наличии необходимых и достаточных условий;

- переход ХЛ из одного вида ТС в другое осуществляется вследствие свершения таких событий, как возникновение повреждений, отказов, устаревания, физического износа и (или) практически полного расхода ресурса;

- группа технических состояний №1 включает в себя виды ТС, находясь в которых ХЛ является работоспособным, а группа технических состояний №2 включает в себя виды ТС, находясь в которых ХЛ работоспособным не считается.

Таким образом, на протяжении всей стадии жизненного цикла ХЛ, связанной с его технической эксплуатацией, лазер может находиться в различных видах ТС, определяемых значением его параметров , ; . Типовой перечень параметров ХЛ, которые могут в достаточной степени охарактеризовать ТС последнего, а также их значения (в качестве примера приводится кислород-йодный лазер), приведён в таблице №1.

ХЛ, как объект технической эксплуатации, обладает свойством надёжности. Под надёжностью ХЛ понимается свойство последнего сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надёжность ХЛ закладывается на стадии его проектирования, обеспечивается в процессе его разработки и поддерживается на всех этапах эксплуатации последнего. Надёжность – это комплексное свойство, которое включает в себя безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость объектов технической эксплуатации. В настоящей научной статье в связи с наличием ограничений, накладываемых на её объём, свойство надёжности ХЛ рассматривается только в части безотказности. Под безотказностью ХЛ понимается его свойство непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени наработки

Под вероятностью безотказной работы ХЛ будем понимать функцию вида

(1)

где  – функция распределения случайной величины времени наработки ХЛ до его первого отказа .

Считается, что в основной период эксплуатации – в период нормальной эксплуатации любого технического объекта распределение случайного времени  является экспоненциальным при условии постоянства значения интенсивности отказов , поэтому функция распределения  в явном виде записывается следующим образом:

(2)

при этом среднее время наработки ХЛ до первого отказа является величиной, обратно пропорциональной интенсивности отказов

(3)

Модель надёжности ХЛ представляет собой составляемую на основании схемы технического облика ХЛ логико-вероятностную модель (ЛВМ) схемно-функциональной целостности последнего. ЛВМ схемно-функциональной целостности ХЛ представлена на рисунке 4. На рисунке показаны элементы конструкции ХЛ, задействованные как в импульсном режиме работы, так и в непрерывном.

Рисунок 4 - Логико-вероятностная модель схемно-функциональной целостности ХЛ

DOI:10.60797/IRJ.2025.153.47.5

Из анализа ЛВМ функциональной целостности ХЛ следует:

- одновременная работа ХЛ в импульсном и непрерывном режимах работы невозможна, что не противоречит принципу работы последнего согласно обобщённой структурной схемы, изображённой на рисунке 1;

- оценка показателя безотказности ХЛ осуществляется в общем виде, с учётом возможности работы последнего как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы;

- существует возможность оценки показателя безотказности ХЛ отдельно для каждого из режимов его работы.

Исходными данными для реализации логико-вероятностного метода являются:

- вероятности безотказной работы каждого элемента конструкции ;

- критерий работоспособности ХЛ.

Выбранный критерий работоспособности ХЛ представляется в виде логической функции работоспособности вида , где  – логическая переменная, соответствующая нахождению отдельно взятого элемента конструкции ХЛ в одной из двух описанных выше групп технических состояний. В наиболее общем случае, когда одновременное выполнение ХЛ всех его основных функций исключено, логическая функция имеет вид:

(4)

Многочлен расчётной вероятностной функции  составляется из вероятностных функций работоспособности  и неработоспособности  элементов системы

(5)

Переходя от решения задачи в общем виде к решению частной задачи в соответствии с выбранными критериям работоспособности ХЛ, получается, что оценка вероятности безотказной работы лазера в непрерывном режиме, которая соответствует вершине , имеет вид

(6)

с учётом разделённых активной среды и оптического резонатора, а также без учёта отказавшего модулятора.

Оценка вероятности безотказной работы ХЛ в импульсном режиме, которая соответствует вершине , имеет вид

(7)

также с учётом разделённых активной среды и оптического резонатора.

Вероятность безотказной работы ХЛ в целом, соответствующая вершине  определяется как сумма вероятностей  и .

Известны факты

1. Впервые на основании анализа новейших областей применения ХЛ сформировано наиболее полное представление о техническом облике последнего с учётом технической реализации в его конструкции современных достижений науки и техники. Из анализа технического облика лазера, представленного на рисунке 2, видно, что в любых областях применения ХЛ может работать как в непрерывном, так и импульсном режимах. Наибольшее количество элементов его конструкции задействовано в основном режиме работы – в импульсном режиме.

2. ХЛ, как объект технической эксплуатации, может находиться в исправном, неисправном работоспособном, неисправном неработоспособном видах технического состояния, а также в предельном состоянии. Нахождение ХЛ в любом из видов технического состояния осуществляется при наличии необходимых и достаточных условий. Переход ХЛ из одного вида технического состояния в другой осуществляется вследствие свершения таких событий, как возникновение повреждений, отказов, устаревания, физического износа и (или) практически полного расхода ресурса.

3. Модель надёжности ХЛ отражает импульсный режим работы последнего, когда работают все его элементы конструкции. Критерием работоспособности ХЛ является работоспособность одновременно всех элементов его конструкции, а при отказе одного из вышеперечисленных элементов ХЛ считается неработоспособным.

4. Впервые оценка показателя безотказности ХЛ осуществляется логико-вероятностным методом с учётом возможности работы последнего как в импульсном, так и в непрерывном режимах работы. Существует возможность оценки показателя безотказности ХЛ отдельно для каждого из режимов его работы.