CC BY
95
Бухаров А.Е., Иофин А.А., Смирнова Г.И. К ВОПРОСУ О ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕВОДА АВИАЦИОННЫХ РАДИОВЫСОТОМЕРОВ К ЭКСПЛУАТАЦИИ ПО СОСТОЯНИЮ
В настоящее время техническими условиями (ТУ) на все существующие сегодня радиовысотомеры (РВ) и техническими заданиями (ТЗ) на разрабатываемые РВ устанавливается, по-существу, лишь один вид эксплуатации - эксплуатация по ресурсу. Однако подобный подход имеет целый ряд существенных недостатков, к которым, например, относятся низкий коэффициент использования летательного аппарата (ЛА) из-за частых снятий РВ и выполнения неоправданно большого объема ремонтных работ, недоиспользование индивидуального ресурса подавляющего большинства РВ, отрицательное влияние на надежность повышенной интенсивности отказов РВ в послеремонтный период, наличие большого обменного фонда РВ.
Одним из радикальных путей повышения эффективности использования РВ и устранения вышеуказанных недостатков может быть подход, заключающийся в обслуживании ЛА с заменой РВ по техническому состоянию [1,2] . Сущность подхода заключается в проведении непрерывного или периодического контроля и измерении параметров, определяющих техническое состояние для обеспечения требуемого уровня безотказности ЛА и полного использования индивидуальных ресурсов РВ.
Внедрение данного подхода возможно при соблюдении двух основных требований. Во-первых, конструкция ЛА должна быть выполнена по принципу «безопасного разрушения», в соответствии с которым отказы отдельных РВ не должны вызывать аварийной ситуации ЛА. Во-вторых, конструкция ЛА и его систем должна обладать высоким уровнем контролепригодности и ремонтопригодности.
Первое требование, по-существу, определяется конструкцией ЛА. В настоящее время можно говорить о выполнении данного требования для РВ, используемых в ЛА для выполнения такой ответственной операции, как посадка в условиях плохой видимости, в связи с чем на ЛА устанавливается два и более комплектов РВ (см. таблицу 1). Представленная система из двух и более комплектов РВ обеспечивает принцип «безопасного разрушения» ЛА, т.к. отказ одного РВ не ведет к отказу системы управления, а вероятность отказа двух РВ составляет менее 10-6, т.е практически невозможное событие.
В других случаях (и этих случаев большинство) РВ для ЛА не резервируются. В этом случае необходимо оценить возможные последствия отказов РВ в системе управления ЛА. Такая оценка возможна, если учесть следующее:
известные нам типы самолетов и вертолетов кроме РВ имеют барометрические каналы измерения высоты;
накоплен большой объем информации о последствиях отказов РВ на самолетах и вертолетах.
Таблица 1 - Серийные радиовысотомеры, применяемые на борту некоторых летательных аппаратов
Наименование РВ Наименование ЛА Количество РВ на борту ЛА
А-041 Ан-124 2
Ил-96-300 3
ТУ-2 0 4 3
ТУ-214 3
А-053 Ан-14 8 2
Бе-200 2
Ил-96-400 3
Ил-112В 2
Ил-114-300 2
Ил-214 2
Ту-324 2
А-039 МТКК «Буран» 3
А-067 2
В настоящее время большинство современных ЛА управляются по РВ, посредством которого осуществляется измерение высоты и вертикальной скорости ЛА с высокой степенью точности в различных (в том числе и сложных) погодных условиях на всех этапах полета от взлета до посадки. В то же время пилотирование ЛА можно осуществить и без использования РВ (за исключением взлета и посадки), с использованием баровысотомера (БВ). Однако в исключительных случаях при отказе РВ ЛА может управляться только по БВ, а сам БВ с при определенных ограничениях можно считать аналогом «резервного» РВ. В то же время БВ сам по себе построен по ранее отмеченному принципу «безопасного разрушения». Так, например, на ряде самолетов [3,4] используются два канала измерения высоты от двух приемников воздушного давления (ПВД). При отказе одного ПВД оба канала работают от исправного; в свою очередь, при отказе одного из
каналов измерения высоты оба ПВД могут работать на исправный канал. Кроме того, в ряде случаев на
борту ЛА устанавливаются приемники статического давления, которые так же включаются в барометрическую систему измерения высоты. Нередко [5] все измерители высоты, в том числе и РВ, объединяются в комплекс, в котором полная потеря информации о высоте практически невозможна. В подобной системе отказ одного измерителя не должен вызывать аварийной ситуации за исключением случая, когда управление движением ЛА связано с его привязкой к истинной высоте полета по одному каналу РВ. Но и в этом случае при отказе РВ должна быть обеспечена индикация отказа и ЛА должен быть переведен на другой режим полета, при котором аварийная ситуация становится невозможной.
Таким образом, можно говорить, что система управления ЛА построена по принципу «безопасного разрушения» и отказ РВ может вызвать только такие последствия как невыполнение полетного задания, уход на запасной аэродром и т.п., т.е. последствия будут носить, в основном, экономический характер, а не приводить к аварийным ситуациям. Вопрос частоты таких последствий ранее прорабатывался на нашем предприятии - головном предприятии-разработчике РВ, обработкой статистических данных об отказах РВ ЛА. По итогам проведенного анализа выяснилось, что число отказов с последствиями типа невыполнения полетного задания, задержки или срыва вылета, предпосылки к летному происшествию (без летных происшествий) в сумме не превышает 2% от общего числа отказов любого РВ на всех типах ЛА, а отказы РВ не
превышают 5% от общего числа отказов радиоэлектронной аппаратуры ЛА.
Для выполнения второго требования эксплуатации по состоянию - высоких контроле- и ремонтопригодности необходимо, чтобы аппаратура могла определять три состояния изделия: исправное, предотказовое и отказ. В резервированной системе, состоящей из двух и более РВ, это делается сравнительно просто, т.к. в такой системе очевидны эти три состояния: система полностью исправна, отказ одного РВ - пре-дотказовое состояние системы, отказ всех РВ ЛА - отказ системы.
При отсутствии резервирования необходимо выделить ряд параметров, определяющих состояние РВ, и разбить всю область изменения параметров на три подобласти: исправного состояния, предотказового состояния, отказа. Однако, как показывает практика, основная масса отказов носит внезапный характер, а число отказов РВ, обусловленных медленным изменением параметров элементов, не превышает 10-15 % от общего числа отказов. Поэтому эксплуатация нерезервированного РВ по состоянию, когда в качестве мо-
мента времени прекращения эксплуатации берется момент достижения изделием предотказового состояния, оказывается невозможной. Однако, как уже было отмечено ранее, на известных типах ЛА кроме РВ присутствуют еще БВ, который можно считать аналогом «резервного» РВ и, следовательно, в системе РВ-БВ можно диагностировать вышеуказанным образом предотказовое состояние.
Анализ систем построения высотомерных каналов и статистической информации об отказах РВ показывают, что конструкция известных типов самолетов и вертолетов построена по отношению к отказам РВ по принципу «безопасного разрушения» и, следовательно, имеются основания отказаться от традиционного правила эксплуатации РВ по ресурсу.
Определим периодичность, с которой необходимо осуществлять замены невосстанавливаемых элементов
РВ.
Из [6] известно, что оптимальная продолжительность эксплуатации невосстанавливаемого элемента до замены определяется из уравнения
Я(т)/0ТР( t)d t-F(T)= -*-, (1)
и La~Ln
где Сп - затраты на плановую замену элемента, включающие его стоимость и затраты на демонтаж и монтаж; Са - затраты на аварийную замену элемента, включающие потери от последствий отказов РВ, затраты на поиск отказа и Сп; т - искомая продолжительность эксплуатации элемента до замены; F(t) - вероятность отказа элемента к моменту т; Я(т) - интенсивность отказов элементов к моменту т; P(t) - вероятность безотказной работы элемента; t - текущее время.
В том же источнике показано, что уравнение имеет единственное решение (элемент будет заменяться через вполне определенное время ) лишь в том случае, когда интенсивность отказов элемента является возрастающей функцией времени. Во всех остальных случаях интервал времени до замены назначать не требуется, т.к. наилучшим правилом замен является замена элементов только после отказа.
Рассмотрим изначально случай, когда невосстанавливаемыми элементами РВ являются комплектующие изделия (КИ) . В справочниках по надежности [7] и в ТУ на КИ условно в качестве основного закона распределения принимается экспоненциальный закон (A(t)~ const). Более точная оценка закона распределения обычно не представляется в связи с ограниченным временем испытаний КИ на надежность. При такой информации о надежности КИ наилучшим правилом их замен является замена только после отказа.
Рассмотрим правило замен невосстанавливаемых элементов, когда таковыми являются узлы, блоки, приборы РВ. Общий подход к решению задачи тот же и оптимальная продолжительность эксплуатации узла, блока, прибора до замены определяется тем же уравнением (1). Для решения данной задачи необходимо знание законов распределения отказов узлов, блоков, приборов, вид которых определяется структурной схемой и законами распределения отказов КИ (например, при отсутствии резервирования интенсивность отказов узлов, блоков, приборов будет равна сумме интенсивностей отказов КИ [6]). Т.к. законы распределения отказов КИ неизвестны, а условно принимаются экспоненциальными, то это будет относится также к узлу, блоку, прибору РВ. Следовательно, и в этом случае наилучшим правилом замен будет правило замен после отказа.
Очевидно, что это же правило будет справедливым, когда в качестве невосстанавливаемого элемента будет рассматриваться РВ в целом. Отметим, что выбранные правила дают минимум расходов на эксплуатацию изделия.
Однако РВ не может эксплуатироваться бесконечно долго, т.е. наступит момент, когда РВ по причине физического износа необходимо будет заменить (эксплуатация РВ станет экономически нецелесообразной).
В [8,9] предлагается определять продолжительность эксплуатации (долговечность) РВ до замены из уравнения суммарных затрат на эксплуатацию С(t) = С + С2 /0 о(t)dt + С эТ, (2)
где - стоимость изделия; - затраты на текущие ремонты изделия, включающие в себя потери от последствий отказов РВ; o(t) - параметр потока отказов РВ; Сэ - эксплуатационные затраты, не связанные с безотказностью РВ, включающие в себя затраты на транспортировку РВ в составе ЛА, затраты на плановое техническое обслуживание и т.д. - искомая продолжительность эксплуатации элемента до замены; F(t) - вероятность отказа элемента к моменту ; ( ) - вероятность безотказной работы элемента;
t - текущее время.
Данное уравнение имеет единственное решение лишь в том случае, когда параметр потока отказов РВ
д ш( t)
является возрастающей функцией времени (-> 0). В противном случае решения уравнения не существует,
dt
т.к. срок службы РВ по физическому износу равен бесконечности, что невозможно.
Допустим, что ( ) - возрастающая функция времени и имеет линейную зависимость
о( t) = at, (3)
где a - коэффициент, характеризующий скорость физического износа изделия.
При этом уравнение (2) запишется как
/ут-2
С( t) = С + С2 ^ + СэТ, (4)
Продифференцировав правую часть уравнения (4) по Т и приравняв ее к нулю, получим исходное уравнение для определения срока службы изделия, при котором обеспечивается минимум затрат у потребителя
Т= W-, (5)
л| Сг<-1
Величину можно представить выражением , (6)
где - средняя стоимость текущего ремонта; - стоимость затрат от отказов с последствиями;
- относительная частота отказов с последствиями.
В связи с тем, что значение Сп неизвестно, воспользуемся рекомендацией [10] и примем Сп = С. Кроме того, по имеющимся данным эксплуатации РВ известно, что величина q находится в пределах от 0,005 до
0,02, а отношение — - от 0,015 до 0,037.
гг с г ^ г
Величину найдем следующим образом. Будем считать, что число отказов, накопленное к моменту времени t, определяемое выражением J()tatdt = — равно числу отказов H(t), накопленному к моменту времени t, наблюдаемому на практике. Из этого следует, что
a = ^, (7)
Анализ статистического материала показывает, что в среднем для РВ, эксплуатируемых на ЛА, H(t) к концу восьмого года эксплуатации равно от 3 до 4.
Подставив все найденные значения в (5) получим, что срок службы отдельных видов РВ по физическому старению, т.е. эксплуатации по состоянию, изменяется от 19 до 33 лет.
Однако необходимо учитывать, что эти сроки относятся только к гипотетическому случаю, когда параметр потока отказов принят строго возрастающей функцией времени. В настоящее время не отмечается рост данного параметра во времени, а сами отказы носят случайный характер. В связи с этим рассчитанные сроки службы по физическому износу следует считать как минимально возможные.
Из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
целесообразно перевести РВ к эксплуатации по состоянию;
наилучшей формой замен неремонтируемых составных частей и КИ РВ является замена их только после отказа;
целесообразно ресурсы и сроки службы оговаривать в нормативно-технической документации на РВ в форме справочных величин, а не технических требований, как это делается в настоящее время.
ЛИТЕРАТУРА
1. Смирнов Н.Н., Андронов А.М. и др. Эксплуатационная надежность и режимы технического обслуживания самолетов. - М.: Транспорт, 1974.
2. Смирнов И. И., Ицкович А. А. Обслуживание и ремонт авиационной техники по состоянию. - М.: Транспорт, 1987.
3. Браславский Д.А., Логунов С.С. Авиационные приборы и автоматы. - М.: Машиностроение, 1978.
4. Воробьев В.Г., Глухов В.В., Кадышев И.К. Авиационные приборы, информационно-измерительные системы и комплексы - М.: Транспорт, 1992
5. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств. - М.: Машиностроение, 1978.
6. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. Перевод с английского. - М.: Советское радио, 1969.
7 Надёжность электрорадиоизделий. Справочник. 22 ЦНИИИ Минобороны России, 2004 г.
8. Колегаев Р.Н. Определение оптимальной долговечности технических систем. - М.: Советское радио,
1967 .
9. Колегаев Р.Н. Экономическая оценка качества и оптимизация системы ремонта машин. - М.: Машиностроение, 1980 .
10. ОСТ В 4Г 0.012.022. Система организации работ в Министерстве по обеспечению надежности аппаратуры. Аппаратура радиоэлектронная. Методика оценки технико-экономической эффективности надежности.
