CC BY
1042
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика, прочность, поддержание летной годности ВС
№ 130
УДК 629.7.035.017.1: 018.1: 083
МЕТОДОЛОГИЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ ВОЗДУШНОГО СУДНА НА ОСНОВЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ СИСТЕМЫ ЕГО ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА
А.Н. ПЕТРОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Шапкиным В.С.
В статье рассмотрены теоретические и методические аспекты взаимосвязи процессов поддержания летной годности и управления эффективностью системы технического обслуживания и ремонта гражданской авиационной техники при ее создании и эксплуатации, направленные на совершенствование отечественной нормативнометодической базы в этой области знаний с учетом современных достижений теории надежности, информационных технологий и международных норм.
В авиации России проводится значительный объем работ по обновлению воздушного законодательства, теории и практики поддержания летной годности (ЛГ) воздушных судов (ВС) и их гармонизации с международными требованиями в области гражданской авиации (ГА). Вместе с тем, ряд теоретических и методических аспектов взаимосвязи процессов поддержания ЛГ и управления эффективностью системы технического обслуживания и ремонта (ТОиР) авиационной техники (АТ) при ее создании и эксплуатации до настоящего времени не проработан, что препятствует экспорту отечественных ВС и освоению российскими эксплуатантами АТ зарубежного производства.
В связи с активной интеграцией отечественной ГА в международную авиационную систему крайне актуально дальнейшее совершенствование российской нормативной и методической базы в области ЛГ АТ с учетом достижений теории надежности, информационных технологий, международных норм и правил.
Летная годность ВС и ее поддержание в эксплуатации
При рассмотрении методологических аспектов ЛГ речь идет о двух составляющих: 1) собственно понятия "летной годности" ВС и 2) правил эксплуатации, ТОиР АТ.
Понятие "летная годность" (английский термин "airworthiness" - пригодность к полету) АТ подразумевает наличие требований (норм ЛГ), предъявляемых к конструкции ВС и направленных на обеспечение безопасности полета. Как свойство ВС ЛГ определяется его способностью совершать безопасный полет во всем диапазоне ожидаемых условий эксплуатации. Возможность подтверждения (выдачи сертификата) ЛГ конкретного экземпляра ВС или его компонента связана с двумя условиями (рис. 1):
1) соответствие АТ требованиям, принятым для ее типовой конструкции, утвержденной по результатам сертификации на соответствие нормам ЛГ для данного типа АТ;
2) поддержание конкретного экземпляра АТ в состоянии, пригодном для безопасного выполнения планируемого полета.
Второе из указанных условий требует выполнения в ходе эксплуатации ВС определенного комплекса работ в соответствии со стандартом летной годности этого типа ВС, называемых работами по поддержанию ЛГ (английский термин "сопйпшп§ аirworthiness" или "сопйпиеё аirworthiness" - в США).
Соответствие Сертифи- Готовность к полету
кату типа (Сертификат (Свидетельство ТОиР)
экземпляра)
Соответствие типовой конструкции Нормам летной годности (Сертификат типа)
Рис. 1. Понятие летной годности авиационной техники
Поддержание летной годности
Летная годность
Под процессом поддержания ЛГ ВС понимается совокупность работ, процедур и мероприятий, своевременное и качественное проведение которых гарантирует, что в любой момент своего срока службы ВС соответствует требованиям к ЛГ и его состояние обеспечивает безопасную эксплуатацию (Руководство [1]). Эти меры реализуются в областях: проектирования ВС; подготовки и сертификации программы его технического обслуживания и ремонта (ТОиР); сбора и анализа информации об отказах АТ и условиях ее эксплуатации; выпуска директив ЛГ и организации инспектирования.
Следует иметь в виду, что ничего принципиально нового в отечественную практику понятие поддержания ЛГ не привнесло. Это не что иное, как техническая эксплуатация АТ. Отечественные стандарты (ГОСТ 25866 "Эксплуатация техники. Термины и определения" и ГОСТ В 25883 "Эксплуатация военной техники. Термины и определения") определяют "техническую эксплуатацию" как часть эксплуатации, включающую комплекс работ, выполняемых на этапах эксплуатации АТ. Эти работы включают технологическое обслуживание, в том числе предписанные летному экипажу действия, ТОиР на земле, модификации (доработки), целевые работы по бюллетеням и директивам ЛГ.
Государственные требования к ЛГ сведены в нормы ЛГ для ВС различных категорий (транспортной категории, легких и др.) и правила сертификации АТ, которые включают как процедуры, выполнение которых необходимо для выдачи документов, удостоверяющих ЛГ ВС, так и процедуры, устанавливающие взаимоотношения организаций, участвующих в сертификации. Эти правила предусматривают, что каждый образец АТ сертифицируется с эксплуатационной документацией (ЭД), которая входит в состав типовой конструкции АТ.
Таким образом, основным документом, предопределяющим допуск ВС к полетам, является сертификат ЛГ конкретного экземпляра ВС, а характеристики, определяющие ЛГ ВС и подлежащие контролю в эксплуатации, содержатся в ЭД. Создание, сертификация и практическое внедрение ЭД определяет вторую из вышеуказанных составляющих процесса обеспечения ЛГ -формирование и применение правила эксплуатации, ТОиР АТ.
Минимальные стандарты Международной организации гражданской авиации (ИКАО), предусмотренные Приложениями к Чикагской конвенции 1944 г., предусматривают функции управления безопасностью в рамках системы управления безопасностью полетов (СУБП).
Документация СУБП по управлению безопасностью полетов ВС состоит из двух частей:
1) конструкторская документация ВС;
2) технические документы по летной и технической эксплуатации ВС.
Первая часть это особый вид конструкторской документации ВС - эксплуатационная конструкторская документация, которая должна поставляться эксплуатанту разработчиком ВС (держателем сертификата типа ВС). Эксплуатант же несет ответственность в отношении разработки его собственного комплекта документов по эксплуатации, образующих вторую часть документации, подлежащую утверждению уполномоченным авиационным органом.
Такой подход давно принят в международной ГА, но до настоящего времени не нашел полного отражения в российском воздушном законодательстве и практике деятельности ГА. В отечественной ГА до сих пор предусмотрено использование единого для всех эксплуатантов комплекта ЭД, поставляемого разработчиком ВС, что не отвечает минимальным стандартам ИКАО и действующему законодательству, которое разделяет ответственность разработчика и эксплуатанта ВС в отношении поддержания ЛГ.
Согласно нормам Единой системы конструкторской документации ЭД это конструкторская документация (КД) разработчика АТ, входящая в комплект КД как часть типовой конструкции АТ. В этом качестве ЭД решает две задачи: 1) содержит описание конструкции изделия и правил его эксплуатации и 2) обеспечивает изучение конструкции АТ персоналом, который будет эксплуатировать изделие. Отдельные документы из состава ЭД выполняют функции удостоверения ЛГ АТ (паспорта, формуляры, технические условия и руководства, содержащие контрольные параметры АТ). Организационно-методические вопросы совершенствования ЭД ВС подробно рассмотрены в работах [2-5].
Теоретические аспекты поддержания летной годности ВС
Развитие АТ привело к необходимости обеспечить выполнение большего числа новых функций, что обусловило усложнение бортовых систем. При разработке и эксплуатации АТ необходимо рассматривать вопрос о потенциальной опасности потери одной или более функций, то есть последствиях отказа бортовых систем, а также решать проблему взаимосвязи систем, выполняющих различные функции.
В основе методологии обеспечения ЛГ лежит модель бортовой системы ВС, которую принято называть функциональной системой (ФС). В работе [6-8, 11] обоснована следующая математическая модель ФС для решения задач обеспечения и поддержания ЛГ, предусматривающая скоординированные работы одновременно по всем ФС ВС (параллельный инжиниринг) с поэтапным обобщением результатов и принятием решений о соответствии конструкции ВС заданным требованиям.
Объектом анализа является ФС, состоящая из Г элементов (компонентов АТ). Пусть каждый такой у элемент (у = 1, Г) имеет ограниченное множество видов отказов в = 1, Ву. Каждый из общего числа В = £ Ву возможных видов отказов элементов, один или в сочетании с другими отказами элементов приводит к определенному виду полностью или частично неработоспособного состояния (отказа) ФС. Множество видов отказов ФС а = 1, А ограничено и входящие в него виды отказов несовместны.
Контроль технического состояния элементов и ФС в целом осуществляется в полете (экипажем и бортовыми средствами контроля) и на земле при выполнении ТО. Устранение выявленных отказов осуществляется, как правило, при ТО.
Рассматриваются следующие основные подмножества множества работ по ТО: профилактические работы '^р, предназначенные для поддержания режимов и (или) условий функционирования элемента (заправка, смазка, чистка, мойка и т. п.);
плановые работы Wp по контролю работоспособности ФС или ее элементов (установление только факта наличия или отсутствия в вида отказа);
плановые работы по контролю исправности с выявлением предотказных состояний работоспособных (не отказавших) элементов Wпр.в по соответствующим видам их отказов;
восстановительные работы как плановые Wв, так и неплановые Wн при достижении элементом одного из видов предельного состояния: выработки ресурса, отказа или предотказного состояния.
Таким образом рассматривается множество плановых работ
Wпл = Wпр и Wв и Wпр.в и Wв Важным вопросом является обеспечение необходимого качества выполнения работ по ТО, поскольку учет возможных ошибочных действий при ТО существенно увеличивает размерность задачи при поиске численных значений при оптимизации системы ТОиР. Высокое качество ТО в сочетании с особенностями конструктивного исполнения ФС могут обеспечить несущественное влияние вероятностных характеристик достоверности контроля на управление эффективностью системы ТОиР ВС.
Существующий уровень развития бортовых и наземных средств контроля позволяет сделать допущение о пренебрежимо малой вероятности Рн необнаружения отказа элемента или ФС в целом (при их полной или частичной неработоспособности), если данный вид отказа охвачен контролем. При таком допущении можно говорить о приемлемой инструментальной достоверности контроля в случае малой величины также и вероятности Рл ложной информации об отказе (при его отсутствии), то есть целесообразно оценить и возможность учета в математической модели параметра Рл, имея при этом в виду его независимость от системы ТОиР.
Влияние величины Рл сказывается только на экономичности эксплуатации и не связано с безопасностью полетов. Затраты на устранение "ложных отказов" обратно пропорциональны периодичности применения средств контроля и при достаточном уровне эксплуатационной технологичности современной АТ, обеспечивающем низкую среднюю трудоемкость восстановления ВС (не более 10 чел.-ч), и надежности средств контроля, обеспечивающей малую величину Рл (не выше 10"4...10"3), можно считать пренебрежимо малыми по сравнению с плановыми затратами на ТОиР. Учитывая это, правомерно считать инструментальную достоверность контроля близкой к единице.
Предлагаемая методология управления эффективностью системы ТОиР предусматривает включение в программу ТОиР контрольно-проверочных работ только в том случае, если они обеспечивают выявление (предупреждение) конкретных видов отказов элементов или ФС в целом. Это позволяет заключить, что для каждого вида неработоспособного состояния ФС Н можно подобрать вид ТО наименьшей периодичности, при проведении которого данное неработоспособное состояние будет выявлено и работоспособность ФС будет восстановлена. Периодичность т данного вида ТО будем считать периодичностью т2 полного восстановления ФС, находящейся в состоянии Н2.
Резюмируя, можно сформулировать основные допущения предложенной математической модели следующим образом:
отказы элементов ФС происходят в полете, выявляются в полёте и при ТО на земле, а устраняются только при ТО;
интенсивности переходов ФС из-за отказов из одного состояния в другое постоянны, то есть не зависят от момента времени, в который произошел переход;
если в момент времени т = 1 ФС перешла в состояние Н и при дальнейшей ее работе новых отказов элементов не возникает, то момент времени т2д , в который произойдет восстановление ФС, находящейся в состоянии Н2 , определяется соотношением
т2д = ([1/ т2] + 1) т2 ,
где [1/ т2] - целая часть числа 1/ т2 ;
периодичности т2 и т2,в для состояний Н2 и Н2,в , в последнее из которых ФС переходит из состояния Н2 при возникновении в вида отказа элемента, связаны соотношением
Т2 = П2,в Т2 ,
где и2,в - натуральное число.
Первые два положения необходимы для использования в математической модели теории марковских однородных процессов и являются общепринятыми при анализе безотказности ФС на этапах жизненного цикла АТ.
Третье и четвертое положения следуют из известного условия кратности более трудоемких видов ТО менее трудоемким, а также допущения о том, что вероятность необнаружения отказа в случае охвата его плановым целенаправленным контролем близка к нулю. Эти допущения введены как альтернатива часто применяемому разными авторами допущению об исправности ФС перед вылетом.
На основании перечисленных допущений в ОСТ 1 00132 "Надежность изделий АТ. Методы количественного анализа безотказности ФС при проектировании самолетов и вертолетов" установлены зависимости, связывающие вероятности Qа видов отказов ФС с вероятностями дв видов отказов элементов ФС за определенный период эксплуатации и периодичностями контроля и устранения конкретных видов отказов ФС Qa = { (дв, тв), которые могут быть использованы при решении задачи оптимизации системы ТОиР ВС.
Немаловажную роль в практической постановке задачи играет вопрос о совпадении периодичностей контроля и устранения возможных отказов ФС (состояний Н2). В общем случае такое совпадение может и не иметь места, то есть отказ может сначала выявляться, а через некоторое время устраняться. При этом периодичность его контроля будет меньше т2 , что наиболее характерно для случая полетного контроля какого-либо отказа и разрешения определенного числа полетов с данным отказом до его восстановления (при допустимости полета с отказом по условиям безопасности).
Важным свойством рассматриваемой математической модели является ее общность, позволяющая определять совместно как периодичности контроля возможных видов отказов элементов при условии их немедленного устранения при обнаружении, так и периодичности (рациональные величины отсрочки) восстановления отказов при условии их охвата полетным контролем и включения в перечень допустимых отказов.
Теоретически отказы АТ неизбежны. Все возможные отказы можно разделить на две группы:
1) явные для летного экипажа при выполнении им обычных рабочих обязанностей, и
2) скрытые (неявные), то есть не выявляемые экипажем в полете.
Все скрытые отказы должны своевременно выявляться и устраняться. Методы выявления скрытых отказов могут включать:
использование систем контроля и сигнализации об отказах;
проведение плановых работ по ТОиР, то есть проверок работоспособности или исправности подсистем или компонентов, которые включаются в указания по поддержанию летной годности, являющиеся частью ЭД.
Что касается явных отказов, то в принципе любой единичный опасный отказ должен быть исключен конструктивными мерами, либо - при наличии серьезных конструктивных ограничений - вероятность такого отказа должна быть обеспечена в пределах норм ЛГ, предусматривающих:
приемлемую вероятность отказа;
системы предупреждения и поддержки экипажа;
наличие указаний летному экипажу по действиям при отказах, включаемых в руководства, регламентирующие летную эксплуатацию ВС;
проведение плановых проверок исправности (предотказного состояния) АТ, если такие проверки возможны и эффективны, путем включения таких работ в ЭД.
Явные отказы резервированных компонентов обычно не влияют на безопасность полета и работа с ними может строиться также, как со скрытыми отказами. При этом должны определяться плановые восстановительные работы и периодичность их выполнения. Эти работы имеют ту же физическую природу, что и включенные в ЭД работы по контролю скрытых отказов,
но они образуют отдельный документ, известный как Типовой минимальный перечень оборудования для вылета с допустимыми отказами (Master minimum equipment list - MMEL).
Причина сходной природы скрытых и безопасных явных отказов резервированных систем связана с общностью в политике их восстановления. Для скрытых отказов период восстановления равен периодичности плановых проверок системы при ТО с последующим устранением отказов. Для явных же отказов эта периодичность равна разрешенному MMEL времени полетов с отказавшим компонентом.
Разработчик (держатель сертификата типа ВС) всегда имеет выбор в отношении отказов резервированных компонентов. Иногда более эффективно оставлять их скрытыми, не беспокоя экипаж и не тратя средства на создание систем сигнализации, и предусмотреть плановые работы по ТО, направленные на выявление отказов этого типа. В других случаях более предпочтителен контроль таких отказов бортовыми средствами, тогда отказы компонентов подлежат включению в MMEL (рассмотренные принципы сведены в табл. 1 ниже).
Таблица 1
Принципы обеспечения летной годности в отношении явных и скрытых отказов бортовых систем ВС
Опасные явные "единичные" отказы Неопасные явные отказы резервированных компонентов Неопасные скрытые отказы резервированных компонентов
Норма приемлемой вероятности отказа Отказы включаются в ММЕЬ Плановый контроль при ТО
Системы сигнализации и поддержки экипажа, указания в ЭД Приемлемая вероятность отказа с учетом полетов по ММЕЬ Норма приемлемой вероятности отказа с учетом периодичности контроля при ТО
Плановый контроль пред-отказного состояния, если он возможен и эффективен В плановом ТО нет необходимости , возможно использование полетных данных для выявления отказов Плановый контроль работоспособности резервированных компонентов и систем безопасности
Указанные принципы поддержания ЛГ образуют методологическую базу для управления эффективностью системы ТОиР при создании и эксплуатации ВС и апробированы как в отечественной авиации, так и за рубежом [1, 2, 4, 6, 7, 11].
Методические принципы управления эффективностью системы ТОиР ВС
Целью управления эффективностью системы ТОиР является снижение эксплуатационных затрат при сохранении ЛГ и конкурентоспособности ВС. Понятно, что в общей постановке при наличии всей необходимой исходной информации количественное подтверждение эффективности управления ТОиР означает обеспечение заданных вероятностных показателей безопасности и эффективности применения ВС при минимизации затрат на ТОиР. При таком подходе основной трудностью является строгое количественное подтверждение выполнения требований к ВС и системе его ТОиР, требующее адекватного математического аппарата, учитывающего аналитические взаимосвязи характеристик всех элементов системы ТОиР ВС, включая:
вещественные элементы - ВС как объект ТОиР (характеризуемый эксплуатационной и ремонтной технологичностью) и средства ТОиР (средства наземного обслуживания, контроля и инструмент);
информационный элемент - план ТОиР, который определяет принципы и порядок взаимодействия всех элементов системы ТОиР;
исполнителей ТО как неопределенный элемент, поскольку он субъективен и его функции в системе ТОиР многообразны.
Реальной альтернативой строгому количественному подходу является рациональное сочетание качественного инженерного анализа по выбору конструктивных решений ФС, методов эксплуатации и работ по ТОиР ВС с количественной оптимизацией периодичности работ на основе математической модели влияния планового ТОиР на безопасность ФС и ВС в целом. Это позволяет формализовано оценивать влияние возможных отказов систем и их компонентов на безопасность, регулярность полетов и экономичность ВС.
В работах [4, 6-8] обоснована методология управления эффективностью системы ТОиР на основе методов оптимизации режимов ТО, начиная с ранних этапов жизненного цикла ВС. Эти методы предусматривают инженерный логический анализ конструктивного решения всех ФС по разработанным алгоритмам для обоснования методов эксплуатации компонентов и рационального состава работ по ТОиР, а также - математические методы оптимизации периодичности выполнения работ, включенных в план ТОиР.
Первая часть процесса включает три уровня логического анализа:
1. Категоризацию всех возможных отказов ФС по четырем категориям последствий в зависимости от тяжести последствий конкретного вида отказа в полете, а также - оценку необходимости планового контроля работоспособности ФС в целом при ТОиР.
2. Категоризацию важности каждого вида отказа компонента с учетом его влияния на эксплуатацию ВС, уровня резервирования, ожидаемой вероятности и физической природы отказа, а также - выбор методов эксплуатации компонентов.
3. Выбор плановых работ по ТОиР, необходимых для предотвращения отказа, либо его своевременное выявление и восстановление ЛГ компонента.
Вторая часть процесса также включает три этапа:
1. Определение функций отказности для каждого вида отказа ФС и целевой функции удельных затрат на ТОиР. Эти функции определяются как зависимости между следующими критериями и параметрами: физические параметры отказов компонентов и ФС в целом, их последствия для безопасности полетов и выполнения полетного задания, нормативные вероятности отказов, виды и параметры периодичности рассматриваемых работ по ТОиР, включая сроки полетов с допустимыми отказами.
2. Оптимизация индивидуальных периодичностей работ по ТОиР с использованием методов выпуклого программирования на основе рассмотренной математической модели.
3. Установление рациональных значений периодичности работ по ТОиР. Это требует рациональной интеграции индивидуальных работ с их оптимальными периодичностями выполнения в плановые виды ТОиР с известными базовыми значениями периодичности.
Разработанные методы и алгоритмы сохраняют общность для всех этапов жизненного цикла ВС и применимы как для оптимизации системы ТОиР при создании ВС, так и для управления ее эффективностью при эксплуатации ВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Руководство ИКАО по летной годности. - Doc. 9760, т. 1 и 2. - ИКАО. - 2001.
2. Петров А.Н., Карпенко В.А. Опыт разработки и сертификации программы технического обслуживания и ремонта самолета Ил-96-300 // Т ехника воздушного флота. - М.: Изд-во ЦАГИ. - 1994. - Том LXYIII, № 3(608).
3. Петров А.Н. Пути совершенствования эксплуатационной документации отечественных воздушных судов с учетом требований ИКАО и международных стандартов // Инженерно-авиационный вестник. - М.: Русаэро. - 2000. - № 7(37).
4. Далецкий С.В., Деркач О.Я., Петров А.Н. Эффективность технической эксплуатации самолетов гражданской авиации. - М.: Воздушный транспорт, 2002.
5. Петров А.Н. Совершенствование порядка и процедур оформления документации, удостоверяющей летную годность авиационной техники, с учетом международных стандартов // В сб. Вопросы авиационной науки и техники, сер. Стандартизация и унификация авиационной техники. - М. Изд-во НИИСУ. - 2006. - Вып. № 2.
6. Петров А.Н., Томич В. К. Исследование и разработка методов определения рациональной периодичности технического обслуживания функциональных систем летательных аппаратов // Труды ЛИИ. - Жуковский: Изд-во ЛИИ. - 1987. - № 524.
7. Бакаев В.М., Деркач О.Я., Крилык И.О., Петров А.Н., Сорокин А.Н. Принципы и правила назначения методов технической эксплуатации и видов работ по техническому обслуживанию и ремонту элементов функциональных систем летательного аппарата // Труды ЛИИ. - Жуковский: Изд-во ЛИИ. - 1987. - № 527.
8. Петров А.Н. Развитие методов формирования программ технического обслуживания воздушных судов по условиям безопасности и экономичности эксплуатации // Труды 6 Международный симпозиум "Авиационные технологии 21 века", 14-19.08.2001. - Жуковский: Изд-во ЦАГИ. - 2001.
9. Ковалев А.Г., Петров А.Н., Тран Ван Донг Об эксплуатации воздушного судна с допустимыми отказами оборудования // Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем: Межвузовский тематический сборник научных трудов. - СПб.: Изд-во Академии гражданской авиации. - 2002.
10. Миронов А.Д., Петров А.Н., Костюк А.И. Безопасность полета и язык эксплуатационной документации // Полет. - М.: Машиностроение. - 2007. - № 11.
11. Petrov A.N., Susova G.M. Markov Model - Based Reliability and Safety Evaluation for Aircraft Maintenance -System Optimization // Annual Reliability and Maintainability Symposium, 13-16.01.1997 Philadelphia, PA, USA. - IEEE Proceedings. - 1997. - pp. 29-36.
AIRCRAFT CONTINUING AIRWORTHINESS METHODOLOGY BASED ON THE CONTROL OF THE MAINTENANCE SYSTEM EFFECTIVENESS
Petrov A.N.
The paper outlines some theoretical and methodological aspects of an interface between the continuing airworthiness and maintenance system effectiveness control for civil aeronautical products through the design and operation stages in order to improve national regulatory and methodical basis in the field of consideration, taking into account recent developments in reliability theory, information technologies, and international regulations.
Сведения об авторе
Петров Андрей Николаевич, 1957 г.р., окончил МАИ (1980), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник комплексного научно-исследовательского отделения 4 ФГУП Летноисследовательского института им. М.М. Громова, член Группы экспертов ИКАО по летной годности (АІКР), автор 80 научных работ, область научных интересов - теория и практика обеспечения эксплуатационно-технических характеристик и поддержания летной годности авиационной техники.
