Анализ взаимосвязи безопасности полетов и эффективности эксплуатации вертолетов с грузом на внешней подвеске Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность

№ 111

УДК 629.735.07

АНАЛИЗ ВЗАИМОСВЯЗИ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ВЕРТОЛЕТОВ С ГРУЗОМ НА ВНЕШНЕЙ ПОДВЕСКЕ

В.В. ЕФИМОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.

Предлагается обзор основных факторов, влияющих на безопасность полетов вертолетов, а также рассматривается взаимосвязь безопасности полетов вертолетов и эффективности их эксплуатации.

Безопасность полетов (БП) вертолетов, в том числе с грузом на внешней подвеске, является одним из важнейших свойств авиационного комплекса, обеспечивающего выполнение транспортировки грузов и различных авиационных работ.

Согласно Наставлению по производству полетов [1] БП - комплексная характеристика авиационной транспортной системы и авиационных работ, определяющая способность выполнять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей. Высокий уровень БП способен также обеспечить высокую эффективность эксплуатации летательных аппаратов (ЛА), в том числе вертолетов.

Известно, что БП зависит от безопасности самого ЛА, квалификации и психофизиологического состояния экипажа, состояния средств обеспечения полетов, к которым относятся системы наземного обслуживания и управления воздушным движением (УВД), а также от организации летной работы. Кроме того, безопасное завершение полета зависит от погодных условий на местности, сложности рельефа и др. Таким образом, БП определяется состоянием системы "экипаж - ЛА - внешняя среда".

При этом под безопасностью ЛА понимается его свойство непрерывно в течение полета сохранять работоспособное состояние тех систем и агрегатов, которые обеспечивают завершение полета без авиационного происшествия (АП) [2]. В данном случае нас будет интересовать как безопасность самого вертолета, так и специальных технических средств (СТС), с помощью которых производится транспортировка грузов на внешней подвеске и авиационные строительно-монтажные работы (АСМР).

Анализ статистических данных Международной организации гражданской авиации (ИКАО) за последние 20 лет по АП и инцидентам, ряда исследований, выполненных в этой области [3, 4], позволяет следующим образом характеризовать влияние составляющих системы "экипаж - ЛА - внешняя среда" на БП и ранжировать их.

Наибольший удельный вес имеет человеческий фактор, на его долю приходится более 60 % авиационных катастроф из-за ошибок экипажей воздушных судов (ВС) и руководителей полета; 15 % 20% катастроф связано с полетом ВС в неблагоприятных внешних условиях; 10 % 15% катастроф может быть отнесено за счет отказов авиационной техники (АТ).

В работе [4] приведены данные по АП в России за последние 7 лет, из которых видно, что аварийность на вертолетах существенно выше, чем на самолетах.

Основную долю среди причин АП в соответствии с общемировой практикой составляют различного рода недостатки в работе экипажей, а именно: нарушение установленных правил выполнения полетов, неадекватное принятие решений по выходу из возникшей особой ситуации, допущение ошибок в технике пилотирования, нарушение технологии работ в полете и отсутствие должного взаимодействия в экипаже, неправильная эксплуатация АТ в полете.

Наиболее характерными последствиями при этом являются:

- столкновения с землей из-за невыдерживания заданной высоты полета при заходе на посадку по установленной схеме;

- столкновения с препятствиями при производстве посадки в темное время суток на посадочную площадку, не пригодную для посадки ночью;

- потеря пространственной ориентировки в условиях белизны подстилающей поверхности и локального тумана;

- выполнение полета ниже безопасной высоты.

АП, вызванные отказами АТ, чаще всего связаны с отказами двигателей. Анализ инцидентов с вертолетным парком России [4] показал, что число отказов двигателей по различным причинам на основных этапах полета составляет 45 % 50 % от общего числа инциден-

тов. Последствия отказа двигателя при взлете вертолета могут быть самыми различными вплоть до потери скорости и высоты полета и столкновения его с землей или препятствием.

Для вертолета, совершающего работы с грузом на внешней подвеске, отказ двигателя практически всегда приводит к тяжелым последствиям.

Это связано с тем, что вертолет в данном случае находится в зоне опасных сочетаний высоты Н и приборной скорости Упр полета (зона А на рис. 1).

Границы опасной зоны А определяются возможностями вертолета совершить безопасную посадку с одним отказавшим двигателем. Нижняя граница этой зоны определяет предельное значение высоты висения, с которой возможна безопасная посадка при отказе одного двигателя без горизонтального разгона вертолета.

Как видно из рис. 1, для вертолета Ми-8 безопасная высота висения составляет 10 м. Однако при проведении АСМР высота висения, как правило, значительно превышает указанную величину. Даже своевременный сброс груза и выполнение разгона вертолета с целью развить горизонтальную скорость не гарантируют безопасного завершения полета, т.к. при полете с одним работающим двигателем такой разгон будет сопровождаться значительной потерей высоты, что может привести к столкновению с землей.

Помимо отказов двигателей АП происходят из-за отказов элементов системы управления и других функциональных систем (ФС).

Отказы рулевых органов управления, приводящие к невозможности или неполному их отклонению в полете, чреваты самыми тяжелыми АП. Необходимо заметить, что любой вертолет нуждается в средствах автоматической стабилизации для улучшения его характеристик устойчивости и управляемости. Для расширения возможностей автоматики требуется увеличение задаваемой ею относительной величины хода органов управления. Это может быть допущено только при условии обеспечения практически безотказного управления.

Повышение безотказности достигается главным образом за счет многократного резервирования. Это приводит к тому, что возрастает сложность систем и в связи с этим усложняется их эксплуатация, повышаются требования к исключению ошибок при эксплуатации, могущих вызвать полный отказ резервированной системы и т.д., и, конечно, растет масса всей системы. Поэтому на протяжении всего периода эксплуатации вертолета необходимо прово-

Н,м| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

100--------------------------

90--------------------------

80 £================

7(Щ I I I I I I I I I I I I I I I I I I

60 §&-----------------------

50 Й^к-===================

40111^==================

30 -------------------------

2о1|||ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ=====7==

Ю ^ ^--------

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110' 250Упр, км/ч

Рис. 1. Зоны опасных сочетаний высоты и скорости полета вертолета Ми-8

к> \

л

\

N \Ч V

N \; ч\

\ч N \ч

N \ N ч4:

к\ х4:

N д х ч4:

X N. N. ' \ч

\ч ч' X \

ч\ \ч \Ч \ч

NN \ч V > / г У у/ Н '/ /

у // / Б / У,

£2 X ул/\ £ '/

дить большой объем исследований устойчивости и управляемости вертолета при отказах для определения потребной степени резервирования ФС.

С точки зрения физического проявления отказа, т.е. его воздействия на ФС и вертолет, все отказы могут быть объединены в следующие группы [4]:

- группы отказов, вызывающих смещение исполнительных устройств в одно из крайних положений, это так называемые активные отказы;

- группа отказов, приводящих к "разрыву" цепи управления, когда имеет место "нулевой" управляющий сигнал, это так называемые пассивные отказы;

- группа отказов, вызывающих заклинивание механических элементов управления агрегатов, золотников и т. д.;

- группа отказов, вызывающих разрыв (разрушение) механических связей;

- группа отказов, приводящих к выходу из строя систем электро- и гидропитания.

Наряду с этими группами отказов, имеющих физическое проявление, т.е. изменяющих

пилотажные характеристики вертолета, необходимо отметить отказы, которые непосредственно не влияют на устойчивость и управляемость вертолета, однако могут привести к неправильным действиям пилота и, следовательно, вызвать возникновение аварийной ситуации. К такого рода отказам можно отнести отказы приборов, неправильное срабатывание или несрабатывание предупреждающей сигнализации. Поэтому исследование устойчивости и управляемости вертолета при отказах ФС нельзя ограничивать только рассмотрением характеристик собственно вертолета, здесь требуется исследование устойчивости всей системы "экипаж - ЛА - внешняя среда".

При исследовании БП вертолетов с грузом на внешней подвеске необходимо учитывать также возможные отказы СТС, к которым можно отнести: отказы замков подвески (самопроизвольное раскрытие или нераскрытие в нужный момент), обрывы тросов, выходы из строя средств стабилизации и ориентации груза и др.

Воздействие внешней среды также сильно сказывается на БП. К неблагоприятным условиям внешней среды, создающим угрозу БП вертолетов, относятся [4, 5]:

- интенсивная турбулентность атмосферы;

- обледенение вертолета;

- осадки (град, снег, дождь);

- скопление птиц, радиозондов и других объектов в воздухе;

- температурные аномалии в атмосфере;

- наличие спутных (вихревых) следов от ранее пролетевших ЛА.

Повышенный интерес к исследованиям влияния параметров состояния и воздействия на вертолет внешней среды связан с существенным увеличением интенсивности полетов в неблагоприятных метеорологических условиях вертолетов, оснащенных современным оборудованием, позволяющим совершать полеты практически в любых погодных условиях. Это обстоятельство приводит к повышению вероятности встречи вертолета в полете с атмосферными воздействиями, близкими к ограничениям вертолета по характеристикам прочности, устойчивости и управляемости в допустимом диапазоне скоростей и высот полета.

Неблагоприятные внешние условия оказывают весьма разнообразные по своим последствиям воздействия на вертолет. Состояние атмосферы и ее турбулентность (сильный ветер, вертикальные и горизонтальные порывы, сдвиг ветра на малых высотах, осадки, спутный след и т.п.) вызывают изменение сил и моментов, действующих на вертолет, и приводят к возмущенному его движению.

Сейчас уже накоплен достаточно большой материал по анализу причин АП и инцидентов, связанных с воздействием на вертолет атмосферы. В течение ряда лет АП, обусловленные состоянием и турбулентностью атмосферы, являются самыми многочисленными и в среднем составляют около 30 % от общего числа АП.

Необходимо отметить, что факторы внешней среды, как таковые, далеко не всегда являются причинами АП и инцидентов. Гораздо чаще они сопутствуют ошибкам пилотов, отказам АТ и тем самым существенно усугубляют опасные ситуации. Поэтому часто неблагоприятные внешние воздействия не находят отражения в докладах экипажа о результатах полета, если эти воздействия были эффективно и своевременно скомпенсированы при возникновении особой ситуации в полете.

Кроме того, внешние условия экипажем часто не рассматриваются в качестве источника затруднений в полете вследствие того, что, во-первых, часть неблагоприятных внешних условий, с которыми экипаж сталкивается в полете, связаны с неудовлетворительным обеспечением полетов, и они не относятся к деятельности экипажа, а во-вторых, внешние условия всеми специалистами воспринимаются как специфические условия их деятельности. Поэтому отсутствие в настоящее время возможности контроля параметров каждого полета вертолета с помощью объективных средств не дает возможности в полной мере оценить повторяемость и степень опасности для вертолета в полете различных внешних воздействий.

На основании проведенного анализа можно заключить, что такие явления, как состояние атмосферы и ее турбулентность являются крайне опасными факторами, сильно сказывающимися на БП вертолетов.

Таким образом, на основании вышеизложенного можно сделать вывод о существенной и определяющей роли влияния состояния ВС, активных внешних воздействий и действий экипажа при управлении ВС на возникновение АП и инцидентов. Учитывая, что основное количество этих происшествий и инцидентов происходит на различных режимах полета, необходимо всесторонне проводить теоретические и практические мероприятия по их уменьшению с целью обеспечения БП ВС.

БП несомненно имеет самостоятельную ценность, поскольку с нею связаны жизнь и здоровье людей. Однако от нее в значительной степени зависит и эффективность эксплуатации ЛА.

Под эффективностью некой функционирующей системы обычно понимается ее способность создавать положительный эффект, результативность [6]. Чтобы оценить эту способность, необходимо знать не только положительный эффект, но и эффект отрицательный, который возникает всегда при функционировании любой системы. Соотношение же положительного и отрицательного эффектов служит мерой эффективности. На этой идее основан любой критерий эффективности, которых существует великое множество.

Наиболее общим критерием является критерий экономической эффективности. Экономическая эффективность ЛА - это свойство ЛА при его эксплуатации создавать экономический эффект. Мерой экономической эффективности является соотношение положительного эффекта за данный период эксплуатации и полных затрат (отрицательного эффекта) для достижения указанного положительного эффекта за тот же срок [6]. Легко видеть, что для повышения эффективности необходимо стремиться к повышению положительного эффекта и снижению отрицательного.

Математически в общем виде эффективность эксплуатации ЛА можно описать следующим образом [1]:

Е=Е0Р, (1)

где Е - обобщенный показатель эффективности ЛА; Е0 - исходная эффективность ЛА; Р -вероятность достижения исходной эффективности в эксплуатации.

Исходная эффективность ЛА Е0 зависит в основном от его функциональных свойств, т.е. от крейсерской скорости, дальности полета, максимальной массы коммерческой нагрузки и др., а также от экономических параметров. Она может представлять собой, например, комплексный показатель целевой производительности ЛА при выполнении им транспортных операций. Тогда ее можно выразить в виде величины, обратной такому широко используемому критерию, как себестоимость перевозок [7]:

к ком т ком ^рейс , ^

Е0 = ■ , (2) А

где кком - коэффициент коммерческой загрузки, учитывающий среднегодовую неполную загрузку ЛА из-за сезонности перевозок; тком - максимальная масса коммерческой нагрузки; %ейс - рейсовая скорость ЛА; А - расходы на эксплуатацию ЛА в течение летного часа.

Если речь идет не о транспортной операции, а об АСМР, то в числителе в формуле (2) может стоять, например, доход, приходящийся на час налета. Тогда критерий Е0 будет чисто экономическим.

Однако исходная эффективность ЛА Е0 рассчитывается без учета того, насколько хорошо этот ЛА приспособлен к эксплуатации и насколько в целом совершенен тот авиационный комплекс, в составе которого он функционирует. Для того чтобы все это учесть, показатель Е0 умножается на вероятность того, что его величина будет достигнута в эксплуатации. Таким образом, обобщенный показатель эффективности ЛА Е является математическим ожиданием его исходной эффективности.

Рассмотрим, что собой представляет вероятность Р. Известно, что годовой фонд времени ЛА ТГФ (8760 ч) можно разделить на годовой налет Тн, простои в исправном состоянии по различным причинам Тп, а также затраты времени на техническое обслуживание и ремонт Ттоир [8]:

ТгФ = Тн + Тп + Ттоир . (3 )

ЛА сможет выполнить полетное задание только в том случае, если совместно произойдут следующие события [9]. Во-первых, ЛА исправен и находится в состоянии готовности к выполнению полетного задания (ЛА находится на земле или выполняет полет). Вероятность этого события оценивается коэффициентом эксплуатационной готовности [10]:

Т + Т

Рг =-2----^ . (4)

г Т

хгф

Во-вторых, при условии, что ЛА исправен и готов к полету, он находится в состоянии выполнения полетного задания. Условная вероятность данного события равна:

Тн

Рн =----—. (5)

н Т + Т

Ан 1 Ап

В-третьих, начатый полет должен быть выполнен безопасно, т.е. без авиационных происшествий. Вероятность безопасного завершения полета равна [8]:

_ Т

Рбп = е Тап , (6)

Т

где Т _ средняя продолжительность полета ЛА рассматриваемого типа; Тап =—н-----------налет на

П АП

авиационное происшествие; пАП _ количество авиационных происшествий за год с участием ЛА рассматриваемого типа.

Вероятности Рг и Рн характеризуют надежность и эксплуатационную технологичность ЛА, а также совершенство наземных служб, проводящих техническое обслуживание и ремонт авиационной техники. Вероятность РБП характеризует безопасность полетов на данном

типе ЛА, которая также зависит от его надежности, живучести, квалификации экипажа и совершенства всех служб, обеспечивающих его полет.

Таким образом, эффективность эксплуатации и безопасность полетов тесно связаны друг с другом, а именно: эффективность напрямую зависит от безопасности. Т.е. низкая безопасность полетов приводит к низкой эффективности эксплуатации ЛА, в том числе - экономической. Это связано с тем, что при неудачном завершении полета эксплуатант несет убытки в виде затрат на покупку АТ взамен утраченной в АП или на ее ремонт, если произошла по-

ломка; компенсационные выплаты владельцу перевозимого груза или пострадавшим пассажирам и членам их семей; компенсацию ущерба, нанесенного сооружениям и людям на земле, а также окружающей среде и др.

ЛИТЕРАТУРА

1. Наставление по производству полетов в гражданской авиации СССР (НПП ГА _ 85) _ М.: Воздушный транспорт, 1985.

2. Анцелиович Л. Л. Надежность, безопасность и живучесть самолета. - М.: Машиностроение, 1985.

3. Анализ авиационных происшествий и предпосылок к авиационным происшествиям, связанных с отказами функциональных систем планера воздушных судов. Отчет о НИР / Руководитель Стреляев В.С. Отв. исполнитель Подгорный Ю.П. № ГР 01820090380; Инв. №02830054580. - М.: МИИГА., 1982.

4. Бугай В.И., Ципенко В.Г. Анализ авиационных происшествий и методов исследования безопасности полетов вертолетного парка гражданской авиации в России // Научный Вестник МГТУ ГА. Сер. Аэромеханика и прочность. 2006. № 97. С. 83 - 87.

5. Калачев Г.С. Самолет, летчик и безопасность полета. - М.: Машиностроение, 1979.

6. Управление качеством продукции: Справочник; Под ред. В.В. Бойцова и А.В. Гличева - М.: Издательство стандартов, 1985.

7. Проектирование самолетов: Учебник для вузов / С.М. Егер, В.Ф. Мишин, Н.К. Лисейцев и др.; Под ред.

С.М. Егера. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983.

8. Техническая эксплуатация летательных аппаратов; Под ред. А.И. Пугачева: Учебник для вузов гражданской авиации. Изд. 2-е, перераб. и доп. _ М.: Транспорт, 1977.

9. Ефимов В.В. Разработка методики определения технического уровня легких самолетов авиации общего назначения с учетом особенностей их эксплуатации: Дисс. на соискание уч. степ. канд. техн. наук. - М., 1998.

10. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. _ М.: Мир, 1980.

THE ANALYSIS OF FLIGHT SAFETY AND SERVICE EFFICIENCY INTERACTION OF HELICOPTERS WITH CARGO ON THE EXTERNAL SLING

Efimov V.V.

The review of main factors influential on the helicopters flight safety and service efficiency is proposed.

Сведения об авторе

Ефимов Вадим Викторович, 1965 г.р., окончил МАИ (1988), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, автор 23 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование, системотехника, эффективность летательных аппаратов.