CC BY
155
Том ХЫУ
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ
2013
№ 5
УДК 629-519 629.7.018.7
КРИТЕРИИ ПРОДЛЕНИЯ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ И ДЕМОНСТРАЦИОННЫЕ ПОЛЕТЫ
Б. С. АЛЕШИН, В. Л. СУХАНОВ, В. М. ШИБАЕВ, В. И. ГОРОДНИЧЕНКО
На основе моделирования факторной функции риска нарушения целостности разработаны методические основы и критерии продления летной годности беспилотных авиационных систем на испытательные и демонстрационные полеты.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, беспилотная авиационная система, испытательные и демонстрационные полеты.
Согласно документам международной организации по гражданской авиации ICAO, обязательным к применению в России, любой беспилотный летательный аппарат (БЛА) является воздушным судном и должен удовлетворять требованиям норм летной годности и природоохранным требованиям.
Организационная структура обеспечения летной годности беспилотных авиационных систем (БАС) показана на рис. 1. В соответствии с представленной на рисунке схемой обеспечение летной годности БАС, в состав которой входят БЛА, наземный пункт управления, каналы связи и управления, система коммуникаций и взлетно-посадочные элементы, осуществляется на всем ее жизненном цикле от проектирования до окончания эксплуатации. Выполнение требований норм летной годности и природоохранных требований устанавливается государственными органами сертификации при проведении экспертизы БАС.
На стадии изготовления и испытаний разработчик опытного образца БАС может проводить летные испытания БЛА на основании Заключения о летной годности БАС на испытательные и демонстрационные полеты (в дальнейшем — Заключение). В России такое Заключение выдает
АЛЕШИН Борис Сергеевич
доктор технических наук, член-корреспондент РАН, Генеральный директор ЦАГИ
СУХАНОВ Валерий Леонидович
кандидат технических наук, заместитель Генерального директора ЦАГИ
ШИБАЕВ Владимир Михайлович
кандидат технических наук, директор ЦЭСАТ ЦАГИ
ГОРОДНИЧЕНКО Владимир Иванович
кандидат технических наук, старший научный сотрудник ЦЭСАТ ЦАГИ
Государственный заказчик, Заказчик Инвестор, Лизингодатель
НИИ
Органы сертификации ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ»
Экспертная организация
Разработка и ведение информационной системы БАС
Сертификация
БАС
Научное обеспечение надежности и безопасности БАС
Разработчик
Изготовитель
Эксплуатант
Ремонтная организация
Лицензионный орган
Экспертиза
ЭксБпАерСт иза
Обеспечение летной годности БАС на стадии изготовления и в испытаниях
Обеспечение летной годности на всем жизненном цикле БАС
Обеспечение летной годности при эксплуатации БАС
Обеспечение летной годности при ремонте БАС
Рис. 1. Схема организации обеспечения летной годности БАС
ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ». Срок действия Заключения составляет один год. Для продления срока действия Заключения необходимо проводить повторную экспертизу. И если при первой экспертизе рассматривается выполнение требований норм летной годности, то при продлении Заключения необходимо решать задачу оценки срока безопасной эксплуатации БАС с учетом остаточного ресурса, технического состояния, условий эксплуатации, внешних нагрузок, уровня технической эксплуатации и других факторов.
В настоящей статье представлен методический подход по определению критерия продления Заключения. В качестве критерия рассматривается срок безопасной эксплуатации БАС, а также факторная функция риска нарушения целостности. В зависимости от значения факторной функции риска нарушения целостности и срока безопасной эксплуатации БАС принимается решение о продлении (непродлении) Заключения. Заключение может быть продлено еще на один год, если срок безопасной эксплуатации БАС превышает один год и значение факторной функции риска нарушения целостности меньше единицы.
Общая схема реализации методического подхода по определению срока безопасной эксплуатации БАС (формирования критерия продления Заключения) представлена на рис. 2. Определение срока безопасной эксплуатации БАС основывается на прогнозировании частоты аварий БАС, характеризующейся конкретным набором параметров, с учетом влияния этих параметров и условий эксплуатации на вероятность нарушения целостности [1] БАС. Для решения задачи прогнозирования частоты аварий БАС используется принцип корректировки среднестатистической удельной частоты аварий для категории БЛА, входящего в состав БАС, с применением специально выстроенной системы факторов влияния и их весовых коэффициентов. Для количественной оценки факторов влияния предлагается вычислять факторную функцию риска нарушения целостности Вп. При определении факторной функции риска нарушения целостности рассматриваются следующие наиболее значимые факторы, влияющие на вероятность нарушения целостности БАС: остаточный ресурс, техническое состояние, отказы и предупреждения, внеплановый ремонт и замена, нагрузки и условия эксплуатации, уровень поддержания летной годности.
Рис. 2. Схема реализации методического подхода по продлению срока действия Заключения
Количественно факторы, влияющие на вероятность нарушения целостности БАС, могут быть оценены соответствующими факторными функциями, значения которых изменяются от нуля до единицы. Если значение любой факторной функции будет равно единице, то Заключение не продлевается, так как в этом случае, например у БЛА, входящего в состав БАС, может быть выработан ресурс.
Для модели с постоянной частотой аварий срок безопасной эксплуатации БАС при условии, что значение любой факторной функции меньше единицы, в соответствии с [2] может быть определено по формуле:
'б.э -
(Рд) к
100
Ху.к 'ЕЛА
где Рд — допускаемая вероятность безаварийной эксплуатации; Xук — скорректированная
удельная частота аварий (частота аварий на 100 полетных часов в год); к100 — количество часов
полета, равное 100; 'БЛа — наработка БЛА. Если наработка БЛА равна нулю, то срок безопасной эксплуатации БАС равен 1 году при положительных результатах проверки на сохраняемость [3]. Для корректировки удельной частоты аварий используется среднестатистическая удельная
частота аварий Хурк (частота аварий на 100 полетных часов в год) и факторная функция нарушения целостности. Среднестатистическая удельная частота аварий учитывает существующий на сегодняшний день риск возникновения аварии для данной категории БЛА, а факторная функция риска нарушения целостности — индивидуальные особенности эксплуатации БАС. Скорректированная удельная частота аварий X ук определяется по формуле:
Хук-хур (1+Вп),
где Хс/ — среднестатистическая удельная частота аварий (частота аварий на 100 полетных часов в год) категории БЛА, входящего в состав БАС; Вп — факторная функция риска нарушения целостности.
При отсутствии статистических данных о частоте аварий БАС Заключение может быть продлено еще на один год, если для факторной функции риска нарушения целостности Вп выполняется следующее условие:
Вп < 0.95.
В аналитическом виде факторная функция риска нарушения целостности записывается в следующем виде:
Вп -1 — П6-1 (1 - Вг),
где В1 — В6 — факторные функции, учитывающие: остаточный ресурс, техническое состояние, отказы, неисправности, несоответствия и предупреждения, внеплановые ремонты и замены, нагрузки и условия эксплуатации, уровень поддержания летной годности.
В качестве аналога для этой формулы использовалось выражение для определения вероятности безотказной работы, следовательно, при вычислении факторной функции риска нарушения целостности Вп будет учитываться вклад каждой факторной функции В1 — В6 .
Функция В1 учитывает наиболее значимые факторы, влияющие на вероятность нарушения целостности БАС. В этой группе рассматриваются факторы влияния, оценивающие остаточный
ресурс крыла, фюзеляжа, системы управления, включая ее наземную часть, шасси и двигатели. Для этой группы влияния функция В1 имеет следующий вид:
В = 1 -
V
1 -
'БЛА
т
V
1 -
' БЛА
т
ф
V
1 -
' БЛА
т
с.у
N 1 ш
V Nm
V т У
нЛГ (
г
1 --д-
т
1 --
пер'БЛА
Тк + Тф + Тс.у у
где Тк — ресурс крыла; N — количество полетов с перегрузками, превышающими допустимые значения; 'Бла — средняя наработка БЛА за один полет; Тф — ресурс фюзеляжа; ^ —
количество посадок БЛА; — ресурс шасси, выраженный в посадках БЛА; — наработка двигателя; Тд — ресурс двигателя; Тс у — ресурс системы управления.
Ресурс двигателя, фюзеляжа, крыла, шасси и системы управления устанавливается разработчиком БАС и согласовывается ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» при первоначальной экспертизе БАС на проведение испытательных и демонстрационных полетов.
Для БАС с БЛА вертолетного типа необходимо также учитывать наработку воздушного винта и редуктора. Если значение факторной функции больше или равно единице (это означает, что наработка хотя бы одного из рассматриваемых элементов БЛА с учетом перегрузок, превышающих допустимый уровень, достигла или превышает его ресурс), то значение факторной функции принимается равным единице. В этом случае факторная функция риска нарушения целостности, применяемая для оценки факторов влияния, будет иметь максимальное значение, равное единице.
Факторная функция Вг определяется по результатам технического диагностирования БЛА из следующего выражения:
В2 = 1 -(1 - Рт.с )
1 -
N
N
з У
где ртс — показатель технического состояния; N — количество конструктивных элементов БЛА с элементами защиты от коррозии, воспламенения и других факторов; ^ п — количество конструктивных элементов БЛА с повреждениями элементов защиты от коррозии, воспламенения и других факторов.
Показатель технического состояния ртс учитывает степень опасности повреждений. Для его определения введено понятие ранга опасности дефектов, представляющего собой фактически величину, обратную коэффициенту запаса по прочности:
Р т.с = 1 -(П-Г (1 - Яд(0 ))•
N
\ _ э.т.д
N
т.д У
где Nэтд — количество конструктивных элементов БЛА, в которых при техническом диагностировании были выявлены повреждения; N д — количество конструктивных элементов БЛА, подлежащих в процессе эксплуатации техническому диагностированию; Яд = ^р/ ^др — ранг опасности повреждения; ^ — размер повреждения, определяющий несущую способность конструктивного элемента БЛА (например, для трещин рассматривают длину трещины); ддр — допустимый размер повреждения, определяющий несущую способность конструктивного элемента БЛА.
При наличии повреждения с Яд = 1 принимается В2 = 1. Если при техническом диагностировании на конструктивном элементе БЛА будет обнаружено несколько повреждений одного типа
или различных типов, то при определении рт с необходимо учитывать только одно повреждение, имеющее максимальный ранг опасности.
Факторная функция В3 учитывает отказы, неисправности, несоответствия и срабатывание устройств, предупреждающих о возникновении опасной ситуации (например, подачу сигнала о высокой концентрации паров топлива), и определяется по формуле:
В3 = 1"
( N
2 _ от
N
Г
1 _ ^
V
N
Г
1 —
N
V
н.нр
N
Г
1 - N
л
N
Г
где Nу — количество полетов; Nот — количество полетов, в которых произошли отказы и/или неисправности; Nн р — количество полетов, в которых были выявлены несоответствия, при которых техническое состояние БЛА характеризуется в соответствии с [3] как работоспособное; Nн нр — количество полетов, в которых были выявлены несоответствия, при которых техническое состояние БЛА характеризуется в соответствии с [3] как неработоспособное; Nп — количество полетов, в которых срабатывали устройства предупреждения о возникновении опасной ситуации.
Функция В4 определяется по формуле:
В4 = 1 - П "рем
1 -
пр(г) Ьрем(г)
Л
пр(0
ГТ^зам Пг = 1
1 -
- и.
\
п.з(г) 'зам(г)
п.з(0
где Nрем — количество внеплановых ремонтов элементов конструкции, двигателя и оборудования;
рем
ьпр — проектная наработка до планового ремонта элементов конструкции, двигателя и оборудования, отремонтированных раньше планируемого срока; ьрем — наработка до внепланового ремонта элементов конструкции, двигателя и оборудования; Nзам — количество внеплановых замен элементов конструкции, двигателя и оборудования; ьпз — проектная наработка до плановой замены элементов конструкции, двигателя и оборудования, замененных раньше планируемого срока; ьзам — наработка до внеплановой замены элементов конструкции, двигателя и оборудования.
При вычислении функции В5 предусматривается определение вероятности отказа элемента конструкции по условиям прочности при превышении допускаемых перегрузок, а также наработки в условиях агрессивной среды. Вероятность отказа элемента конструкции по условиям прочности определяется расчетным методом при эмпирических распределениях напряжений и прочности в соответствии с методикой, приведенной в [2]. Этот метод вычисления вероятности отказа (безотказной работы) используется тогда, когда нет оснований для принятия допущения
о каком-либо распределении напряжений. Ресурс элементов конструкции БЛА Траэск, определяемый с учетом воздействия агрессивной среды и температуры, устанавливается разработчиком БАС и согласовывается ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» при экспертизе БАС на проведение испытательных и демонстрационных полетов. Функция В5 определяется выражением:
В5 = 1 -(1 - К )
Л
1 --
т^а.с
тр.э.к у
где ьас — наработка в условиях агрессивной среды; Рп — вероятность отказа элемента конструкции по условиям прочности при превышении допускаемых перегрузок (рассматривается слабое звено — конструктивный элемент с минимальной долговечностью или с минимальной вероятностью безотказной работы по условиям прочности). Если наработка в условиях агрессивной
среды достигла Т
р.э.к ■
то В = 1.
а.с
Функция В6 отражает повышение вероятности аварии вследствие нарушений руководства по летной эксплуатации (РЛЭ) по проведению профилактики, осмотров, технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов. Кроме того, эта функция учитывает работу информационной составляющей системы управления полетом. Функция В6 определяется по формуле:
N N
В6 = 1 - z1 = 1--^, г2 = 1--ин,
6 1 1 К 2 N
м ип
где N — количество нарушений РЛЭ при проведении профилактики, осмотров, технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов и других мероприятий; — количество мероприятий по профилактике, осмотрам, техническому обслуживанию и планово-предупредительному ремонту и других мероприятий, которые необходимо выполнить в соответствии с требованиями РЛЭ; — количество нарушений РЛЭ по предоставлению информации, обеспечивающей безопасность полета; Мип — количество параметров, отображаемых в наземном пункте управления при подготовке к полету и в полете в соответствии с требованиями РЛЭ, а также количество аварийных, предупредительных сигналов и сигналов, информирующих о штатном режиме полета, которые должна подавать система управления полетом. Если ^ > 1 или Z2 > 1, то В6 = 1.
Для успешной реализации рассмотренного методического подхода по определению срока безопасной эксплуатации БАС на стадии изготовления и испытаний его опытного образца необходимо создать информационную систему безопасности полетов, которая должна содержать базу данных обо всех авариях, инцидентах и отказах БАС. Создание и сопровождение такой базы ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» предусматривается Положением «О порядке взаимодействия организаций промышленности и заказчика в процессе создания, изготовления испытаний и экспертизы беспилотных авиационных систем гражданского назначения».
Методический подход по определению срока безопасной эксплуатации БАС был апробирован при продлении действия Заключения о летной годности опытного образца БАС «Горизонт Эйр S-100», БЛА которой представлен на рис. 3.
Продление Заключения осуществлялось в три этапа — организационный, технический и аналитический.
н
Рис. 3. Общий вид БЛА БАС «Горизонт Эйр 8-100»
На организационном этапе оформляется и утверждается сметно-договорная документация, назначается в ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» ответственный руководитель экспертизы и определяется состав экспертной группы, а также заявителем предоставляются анкета, доказательная документация, руководства, регламенты и другие материалы.
На техническом этапе, по результатам анализа предоставленных документов и материалов, ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» и заявитель разрабатывают и утверждают программу контрольных полетов и испытаний, целью которых является уточнение отдельных параметров и характеристик БАС и проверка сохраняемости БАС, и выполняют в соответствии с данной программой контрольные полеты и испытания.
На аналитическом этапе выполняются:
расчеты критерия продления летной годности БАС на испытательные и демонстрационные полеты;
проверка выполнения условия продления летной годности БАС на испытательные и демонстрационные полеты;
подготовка материалов Заключения;
составление Заключения.
Для допустимой вероятности безаварийной эксплуатации, равной 0.99995 [4], срок безопасной эксплуатации опытного образца БАС «Горизонт Эйр S-100» составил 6 лет. Следовательно, опытному образцу БАС «Горизонт Эйр S-100» может быть продлено Заключение.
На основе представленного методического подхода по определению срока безопасной эксплуатации БАС предполагается разработать нормативный документ ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» по порядку продления Заключения о летной годности БАС на испытательные и демонстрационные полеты, в рамках которого должны проводиться работы по повторной экспертизе БАС. Кроме того, необходимо разработать нормативный документ методического характера, касающийся оценки технического состояния БАС как единого целого. Создание таких документов, гармонизированных с зарубежными стандартами, будет дальнейшим развитием работ по формированию отечественных норм и требований для БАС, которые позволят обеспечить безопасность полетов БАС на международном уровне.
ЛИТЕРАТУРА
1. ARP 4761 Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment. A standard from the Society of Automotive Engineers (SAE), 1996.
2. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. — М.: Мир, 1980.
3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения.
4. Алешин Б. С., Суханов В. Л., Шибаев В. М. Обеспечение безопасности полетов беспилотных авиационных систем в едином воздушном пространстве // Ученые записки ЦАГИ. 2011. Т. XLII, № 6, с. 73 — 83.
Рукопись поступила 22/XI2012 г.
