Исследование влияния условий эксплуатации на эффективность функционирования системы «Оператор - внешняя среда - воздушное судно» Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

2007 НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА № 122

серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники. Безопасность полетов

УДК 629.735 015

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ «ОПЕРАТОР -ВНЕШНЯЯ СРЕДА - ВОЗДУШНОЕ СУДНО»

В.М. РУХЛИНСКИЙ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Зубковым Б.В.

В статье представлен анализ технической работы в условиях Крайнего Севера

Факторы воздействия оператора на воздушное судно (ВС) относятся к группе управляемых и определяются конкретной структурой системы и стратегий ее использования. Влияние климатических факторов на систему и, конкретно, на ВС определяется изменением состояния объекта (ВС), в первую очередь, изменением температуры. Условно состояние ВС можно разделить на «горячее» состояние - физическое состояние ВС, находящегося в полете, и «холодное» состояние - состояние ВС в процессе его пребывания на земле с учетом интенсивности его охлаждения.

Для оценки влияния факторов эксплуатации на эффективность эргатической системы проведено глубокое исследование изменения физического состояния объекта эксплуатации по принятому в работе параметру - «эффективной температуре» ВС. Под этим понятием подразумевается температура воздуха, измеряемая термометром в кабине самолета, которая с определенной погрешностью будет отображать температурный теплообмен «Внешняя среда - ВС» (место установки - столик радиста).

Данный параметр обладает следующими признаками:

1. Он имеет физический смысл, т.к. отображает температуру элементов конструкции ВС и характеризует их техническое состояние;

2. Изменение технического состояния ВС может быть оценено известными показателями безотказности, в частности, параметром потока отказов;

3. Он является управляемым, что позволяет решать задачи управления техническим состоянием ВС;

4. Он прост в измерении;

5. Он отображает воздействие температуры и скорости ветра (один из важных отличительных факторов внешней среды Крайнего Севера).

Определим соответствие физического состояния ВС состоянием процесса эксплуатации в авиапредприятии. Будем считать, что ВС, находящемуся в рабочем состоянии (состоянии полета), будет соответствовать физическое состояние i, которому, в свою очередь, соответствует поток событий (отказов) wr при t3 = ?г , где: юг - параметр потока отказов ВС;

t э - «эффективная температура» ВС;

t г - температура ВС в полете, находящегося длительное время в нерабочем состоянии, соответствует физическому состоянию j c wx при t э = tx = t н, где: t н - температура наружного воздуха;

wx- параметр потока событий (отказов) «холодного» ВС.

В переходном термическом режиме ij U ji ВС имеет поток событий wij U wji .

Рассмотрим теперь все возможные состояния процесса технической эксплуатации (ПТЭ) во временном интервале, характерные для исследуемых авиаотрядов ГА. Используем предложен-

ную Смирновым Н.Н. [1] модель процесса технической эксплуатации и построим соответствующие состояниям ПТЭ физические состояния самого ВС.

Готовые к использованию по назначению ВС могут находиться в состояниях:

П - использование ВС по назначению;

Оп - время ожидания использования по назначению согласно расписанию движения;

Ом - время ожидания использования по назначению по причине неблагоприятных метеоусловий; Рр - состояние резерва;

Рп - подготовка ВС к использованию по назначению;

Рн - неиспользуемое время готовых ВС;

Т - техническое обслуживание по форме Б;

Об - ожидание технического обслуживания по форме Б;

Н - состояние восстановления неисправных ВС;

Тп - периодическое техническое обслуживание;

Оп - ожидание периодического технического обслуживания;

З - время простоя из-за отсутствия запасных частей;

Д - состояния доработок по бюллетеням;

Нпр- простои неисправных ВС по конструктивно-производственным дефектам;

Пв - простои на восстановлении после авиационных происшествий;

Пр - простои по причинам расследования инцидентов.

Каждому состоянию процесса эксплуатации соответствует свое физическое состояние ВС. Используя граф Коутса, построена модель охлаждения и подогрева ВС, рис. 1, где: Ь1 - внешние воздействия;

х1,...,хп- параметры потока отказов, соответствующих физическому состоянию ВС; ю1,...,юп- значения «эффективной температуры ВС»;

х^,...,х^ - значения продолжительности переходного режима ВС (в процессе подогрева);

х;1,..., Х;п - значения продолжительности переходного термического режима ВС в процессе охлаждения;

X ,...,Хп - значения продолжительности охлаждения при стоянке в периоды между подогревами; ё1,...,ёш - характеристики интенсивности подогрева источников питания.

п т э -I о. о. 1

Ь = ^ ^ ^ f(х)ах - функция внешних воздействий группы климатических факторов,

V—1 1-1 г-1

где: V - температурное воздействие;

1 - воздействие влажности; г - воздействие ветра;

П - состояние полета, которому соответствует физическое состояние ВС с параметрами

®1 = tэ = ^ ] ; ^2 = ^2; Х2 = ^2; Х] 2,

где: х 2- параметры физического состояния, которые соответствуют всем состояниям ПЭ во 11-й зоне при tп > +50С, а также промежуточному состоянию ВС в 1-й и Ш-й зонах;

2- переход ВС под воздействием подогрева от собственной силовой установки из состояния _]2 в состояние _ц;

хг2- переходное физическое состояние во время охлаждения ВС;

(03 = t3; х3 = ю3;

Х]2 Х13

- параметры физического состояния ВС, соответствующие Оп, Рп, Ом состояниям

Х13 х.Р

ПТЭ в 1-й и Ш-й зонах при х ст < хпр;

хст - время стоянки ВС;

х пр - предельно допустимое время в варьируемых условиях воздействия климатического фактора при ю3 = tэ < +50С;

х ;3, х ^, х|3 - время переходного физического состояния ВС в интервале «полет-стоянка-

подогрев от собственной силовой установки».

При хст > хпр состояния Ом, Рп, Оп, Рр ПТЭ переходят в физическое состояние ОЭ с параметрами тп » vaг ъ, хп = Ю » / (ъ), = / (ti ),

где хп хпп х|п - параметры состояния ВС, соответствующие Рм, Т, Об, М, Тн, Оп, Зд при

хст > ^ х^ х'п, - продолжительность переходного физического состояния ВС в интервале «по-

лет-длительная стоянка-подогрев от наземных источников-стоянка-подогрев от собственной силовой установки».

Представленные данные не касаются стоянок ВС в условиях теплых ангаров.

Данная модель охлаждения и подогрева построена на основе термограмм изменения эффективной температуры ВС.

На рис. 2 показана термограмма переходного процесса, записанная по маршруту «Архан-гельск-Черский-Архангельск» при варьируемых воздействиях эксплуатационных факторов в аэропортах Арктики.

В процессе исследования анализировалось более 150 переходных процессов в кабинах самолетов Ту-134, Ан-24, Ан-26 при вариации температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, инфильтрационных потерях в 16 а/портах Арктики по всему побережью Северного Ледовитого океана и побережья Камчатки, начиная с а/п Мурманск и кончая а/п Пе-тропавловск-Камчатский. Диапазон изменения термических режимов составляет от -45 до +70°С. При исследовании I группы событий приняты допущения, что эффективная температура ВС равна температуре воздуха в пилотской кабине.

Анализ зависимости эффективной температуры показал, что выбранный параметр соответствия влияния группы климатических факторов на ВС учитывает не только их изменение, но и зависит от конструктивного совершенства ВС, инфильтрационного и индуктивного теплообмена, пространственного положения ВС по отношению к направлению ветра на стоянке, от совершенства средств подогрева, рис. 3.

Потери тепла при положении ВС по отношению к направлению ветра минимальны, если направление совпадает с осью самолета от носовой части до руля направления. Скорость охлаждения ВС меняется от 3,98 град/ч до 4,89 град/ч для самолета Ту-134 при tn = 110 С, Уп = 5м / с.

Меняется скорость охлаждения при изменении скорости ветра и при постоянной температуре наружного воздуха, особенно для самолета Ан-26. При вариации скорости ветра от 17 м/с до нуля скорость охлаждения при температуре наружного воздуха 1;п = —80С изменяется соответственно с 8,3 град/ч до 4,3 град/ч.

Основным фактором, влияющим на скорость охлаждения, является температура наружного воздуха. Наибольшая скорость охлаждения (по рассматриваемым типам ВС) наблюдается у самолета Ан-26 в моменты погрузочно-разгрузочных работ, когда инфильтрационный теплообмен максимальный. Анализ разработанных моделей позволил построить номограмму изменения технического состояния ВС, на которую в качестве варьируемых параметров нанесены температура наружного воздуха, скорость и направление ветра по отношению к положению ВС на стоянке, инфильтрационные потери ВС.

Порядок пользования номограммой следующий:

1. Задаваясь значениями продолжительности нахождения ВС в различных состояниях ПТЭ (после состояния полета), в первом квадранте номограммы определяется «эффективная темпе-

ратура» самолета Ту-134 с учетом степени воздействия климатического фактора и положения ВС относительно направления ветра на стоянке. При этом за нулевое положение ВС принимается положение, при котором направление ветра и продольной оси ВС совпадает.

Стандартное значение «эффективной температуры» в полете принято равным приведенной температуре +20 0С, что соответствует среднестатистическому значению температуры воздуха внутри пилотской кабины. Ее изменение в зависимости от времени стоянки и действующих эксплуатационных факторов определяется на соответствующей кривой, начиная из центра номограммы. В случае отсутствия соответствующей зависимости на номограмме нанесены изменения кривой охлаждения ВС от силы и направления ветра. Полученные значения 1 э соответственно корректируются.

2. По аналогичной схеме определяется «эффективная температура» для самолетов Ан-24 (второй квадрант).

3. В третьем и четвертом квадрантах определяется температура самолетов Ан-26, физическое состояние которых варьируется в широких пределах в зависимости от инфильтрационных потерь тепла. Исходя из этого, в Ш-м квадранте приведены термограммы изменения «эффективной температуры» от различных сочетаний скоростей и направлений ветра при открытых створках грузового люка. В четвертом квадранте приведены термограммы охлаждения ВС в условиях варьирования температуры наружного воздуха при фиксированных значениях скорости и направления ветра, при этом инфильтрационные потери максимальные. На дальнейших этапах исследования номограмма позволяет установить тесную связь надежности ВС (параметра потока отказов) с «эффективной температурой» в рассматриваемом диапазоне ее изменения.

На основе проведенного анализа выработана система управляющих эксплуатационных воздействий.

Суточная интенсивность полетов - это количественная характеристика, отражающая соотношение между количеством полетов и летным временем за анализируемые сутки с учетом фактического количества ВС, выполняющих полеты

та

хт

где: Т - количество летных часов в рассматриваемом интервале времени;

т - интервал времени;

N - число выполненных полетов в данном интервале времени; т - парк ВС, участвующих в полетах в рассматриваемом интервале времени.

Интенсивность полетов может быть представлена двумя составляющими

N Т

=-^ и т = _,

•> N -1 Т _ ’

хт хт

где: - показатель, характеризующий среднее количество полетов, выполненных одним ВС

рассматриваемого типа в единицу времени анализируемого периода;

тТ - показатель, характеризующий средний налет на одно ВС рассматриваемого типа в единицу времени анализируемого периода.

Анализируя функционирование системы «Оператор-Внешняя среда-ВС» в условиях Крайнего Севера, необходимо отметить, что характеризует количество переходных термических

циклов в рассматриваемом интервале времени. Чем выше , тем больше циклов и переходных

термических режимов испытывает ВС.

Показатель тТ характеризует инвариантность процесса эксплуатации. Чем выше тТ, тем

больше времени в рассматриваемом интервале ВС находился в «горячем» состоянии и меньше

в «холодном». Интенсивность подогрева - количественная характеристика, отражающая скорость перехода ВС из «холодного» в «горячее» состояние

Е А1

Е Ах

где Е Л1 = Л1;п + Л1;су - представляет собой суммарное приращение температуры за счет подогрева от наземного источника энергии и от собственной силовой установки. На рис. 4 представлены изменения термического состояния ВС при подогреве от наземного источника энергии при низких отрицательных температурах и изменение физического состояния при подогреве от собственной силовой установки.

Данные, приведенные на рис. 4, получены путем измерения температуры внутри кабины экипажа самолетов Ту-134, Ан-24, Ан-26 с помощью термографа ЛМ-4 при подогреве от наземных источников питания УМП-350 и собственных силовых установок.

Необходимо отметить, что согласно РЛЭ подогрев от собственной силовой установки осуществляется при температурах ВС не ниже +5 0С. Таким образом, рассматривая географию полетов, следует указать, что начиная с а/п Амдерма, подогрев ВС от наземного источника энергии осуществляется в течение года.

Интенсивность подогрева ВС от наземного источника тепла тесно коррелированна с температурой наружного воздуха. Коэффициент корреляции гу достигает значения -0,809. Подогрев

от собственной силовой установки осуществляется более плавно, чем от наземного источника энергии, и составляет при +5 °С - 10 град/ч (рис. 4).

Корреляционный анализ влияния климатических факторов подтверждает наибольшую степень их влияния при температуре ниже +5 0С . Следовательно, рассматривая эксплуатационные факторы в условиях Крайнего Севера, необходимо выделить факторы, которые характеризуют физическое состояние ВС в области, близкой к +5 0С . Охлаждение ВС ниже +5 0С будем называть «глубоким холодным» состоянием ВС.

Для количественной характеристики этого состояния представляется возможным выделить следующие параметры:

1) время нахождения ВС в нерабочем состоянии до отказа, характеризующее длительность воздействия на него факторов внешней среды - систематическое воздействие:

п

Е С = Х1 +х 2 ...^ п;

1=1

2) количество переходных термических режимов ВС до отказа, отражающих нестационар-ность процесса эксплуатации, что может быть отнесено к несистематическому воздействию:

п

Е пц = п1 + П2 ...Пт ;

1=1

0 С

3) максимальное время нахождения ВС в области нежелательных температур (ниже +5 С ) до отказа, отражающее случайное воздействие климатических факторов в нежелательных усло-

0 С

виях эксплуатации (ттах при +5 С );

4) суммарное количество переходных термических режимов ВС в «глубокое холодное» со-

0 С

стояние) до отказа (область +5 С ), которые характеризуют нестационарность процесса эксплуатации в нежелательных условиях и могут быть отнесены к категории случайных воздействий:

т

Ец"глубоких" п1о = п1г + п2г ... + птг ;

1=1

5) суммарное время стоянки ВС в нежелательных условиях эксплуатации до отказа, которое характеризует продолжительность нахождения ВС в нежелаемой области эксплуатации и может быть отнесено к группе систематических воздействий:

п

( Е ХСот = Х1х +Х2х ... + Хпх).

1-1

По результатам исследований статистической выборки (более 8000 отказов) установлены закономерности изменения параметра потока отказов, построены гистограммы, проведена ап-

проксимация параметра потока отказов в зависимости от средних значений «эффективной температуры» ВС. В качестве примера представлены данные для самолетов Ту-134, Ан-24 (рис. 5).

Зависимость параметра потока отказов от температуры монотонно возрастает и носит унимодальный характер с положительной асимметрией, достигающей экстремума при tn < 0 и cn = max. Экстремум меняет свое положение в зависимости от конструктивных особенностей

систем ВС. Положение и величина экстремума параметра потока отказов характеризует устойчивость систем ВС влиянию группы климатических факторов.

Для первой группы событий экстремум находится в интервале 10...15 °С, для второй - в интервале -15...20 °С, для третьей - в интервале 0...5 °С, (рис. 5). Особое влияние оказывает высокая влажность на шестую группу в диапазоне 0...-5 0С. Снижение потока отказов в первой зоне обусловлено снижением влияния влажности. Наиболее сильное влияние оказывают климатические факторы на радиоэлектронное оборудование. Параметр потока отказов в третьей зоне возрастает в 4 раза по сравнению со второй зоной. Поток отказов второй, третьей и четвертой групп событий увеличивается в первой зоне в 2,5...3 раза по сравнению со второй зоной, где влияние климата минимальное. Полученные зависимости объясняют положительный и отрицательный знак коэффициентов корреляции в соответствующих термических зонах.

Единые зависимости получены в соответствии с рекомендациями [2] и распространяются на влажную зону Арктики.

Таким образом, используя приведенные зависимости с учетом территориального деления Крайнего Севера, можно управлять потоками событий в зависимости от мест базирования самолетомоторного парка, от термической зоны в течение календарного года, принимая во внимание соответствующие ограничения, привносимые системой управляющих воздействий в процессе эксплуатации.

«Эффективная температура» ВС в основном прямо или косвенно связана с рассматриваемой группой эксплуатационных факторов, с одной стороны, и в то же время связана с параметром потока отказов, с другой стороны. С целью исследования влияния выбранной группы факторов на техническое состояние ВС и его управление в работе разработана математическая модель оптимизации ПТЭ.

Выводы

1. Проведено исследование по обоснованию интегрального показателя физического состояния ВС при эксплуатации в условиях Крайнего Севера - «эффективной температуры» ВС.

2. Установлены зависимости изменения характеристик безотказности ВС от предложенного критерия эффективности и эксплуатационных факторов.

3. Построены модели взаимосвязи процесса технической эксплуатации и физического состояния ВС.

г ф

Рис. 1. Динамика «Эффективной температуры» ОЭ, представленная направленным графом Коутса

Рис. 2. Термограмма полета самолета Ан-26 по маршруту «Архангельск - Черский - Архангельск»

Рис. 3. Номограмма определения физического состояния самолетов Ту-134, Ан-24, Ан-26 на стоянках в условиях Крайнего Севера (по «эффективной температуре»):

{ - инфильтрационные потери тепла;

V - скорость ветра;

^ - температура наружного воздуха;

5 - пространственное положение ВС относительно направления ветра на стоянке

Лп пс

[0с]

і І

п [Пс]

*п [Пс]

Іп [Пс]

Рис. 4. Зависимость «эффективной температуры» при подогреве ВС от надежного источника

подогрева и от силовой установки

Доверительный интервал

I т.з.

III т.з.

II т.з.

Рис. 5. Зависимость ю = Г (1 э) самолетов Ту-134 в принятых термических зонах эксплуатации (в условиях длительных стоянок ВС, т.е. при 1 э = 1;п )

ЛИТЕРАТУРА

1. Смирнов Н.Н., Ицкович А.А. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. - М.: Транспорт, 1987.

2. Ветнцель Е.С. Теория вероятностей. Изд. 4-е издание. - М.: Физматгиз, 1969.

ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE OPERATING CONDITIONS ON THE EFFICIENCY OF THE «OPERATOR/ENVIRONMENT/AIRCRAFT» SYSTEM FUNCTIONING

Rukhlinskiy V.M.

This article presents the analysis of the technical operation process under particularly critical operating conditions of the Extreme North.

Сведения об авторе

Рухлинский Виктор Михайлович, 1946 г.р., окончил МАИ (1973), кандидат технических наук, председатель Комиссии по связям с ИКАО, международными и межгосударственными организациями Межгосударственного авиационного комитета, автор более 40 научных работ, область научных интересов - безопасность полетов и поддержание летной годности самолетов ГА.