CC BY
212
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Аэромеханика и прочность
№ 151
УДК 629.735.015
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ОЦЕНКЕ ОТКАЗОБЕЗОПАСНОСТИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
К.О. ЧЕРНИГИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье приведен анализ требований к отказобезопасности воздушных судов, исходя из Части 25 Авиационных правил. Рассмотрена возможность применения математического моделирования при анализе отказобезопасности воздушных судов.
Ключевые слова: воздушное судно, отказобезопасность, требования к результатам анализа, математическое моделирование.
Современные воздушные суда (ВС) представляют собой предельно сложные технические системы. Очевидно, что во вновь разрабатываемых и перспективных ВС эта сложность будет лишь возрастать. В связи с этим особую роль в обеспечении безопасности полетов играет такое свойство функциональных систем ВС, как надежность, что означает сохранение во времени в установленных пределах значений всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость, или определенные сочетания этих свойств. Особую роль в обеспечении летной годности ВС играет безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.
В течение ряда лет системы ВС оценивались на соответствие требованиям с точки зрения безотказности конструкции или критерия "единичного отказа". При разработке самолетов последнего поколения потребовалось наличие более критичных для безопасности функций, что в общем случае привело к усложнению систем, спроектированных для выполнения этих функций. Возникла необходимость учитывать потенциально опасные для самолета и находящихся в нем людей факторы, появление которых возможно в случае утраты одной или нескольких функций, выполняемых системой, или последствия нарушения функционирования этой системы, а также взаимодействие между системами, выполняющими разные функции. Возникли сомнения в эффективности и адекватности методов, применяемых для оценки аспектов безопасности систем с высокой степенью интеграции, выполняющих сложные и взаимосвязанные функции, особенно, с использованием электронных технологий и программного обеспечения. Сомнения заключаются в том, что методы проектирования и анализа, традиционно применяемые для определения рисков или для оценки традиционных простых систем, могут не обладать достаточной адекватностью для более сложных систем. Таким образом, появился новый принцип - принцип отказобезопасности.
Для обеспечения необходимого уровня безопасности полетов устанавливаются требования к летной годности ВС или "Нормы летной годности". Отечественные Нормы летной годности на самолеты транспортной категории устанавливает Часть 25 Авиационных правил "Нормы летной годности самолетов транспортной категории" (АП-25) [1]. В данном документе устанавливаются требования к летным характеристикам, к устойчивости и управляемости самолета, к прочности конструкции, к проектированию и конструкции систем, к силовой установке и обо-
рудованию самолета. Аналогично, в зарубежных странах существуют свои "Нормы летной годности", из которых стоит выделить европейские СБ-25 и американские БЛЯ-25.
Часть 25 «Норм летной годности» основывается на целях и принципах или методах концепции отказобезопасности конструкции, в соответствии с которой при определении безопасности конструкции принимаются во внимание последствия отказов и сочетаний отказов, а также включает эти цели и принципы или методы.
В отношении отказов установлены следующие основные цели:
- в любой системе или подсистеме следует предположить наличие отказа любого одиночного элемента, компонента или соединения в течение любого одного полета вне зависимости от его вероятности, такие одиночные отказы не должны быть катастрофическими;
- следует также предположить наличие последующих отказов в течение того же полета, будь-то обнаруженных или скрытых, а также сочетаний этих отказов, если не доказано, что их совокупная вероятность (вместе с первым отказом) соответствует уровню "практически невероятно".
В концепции отказобезопасности конструкции для обеспечения безопасности конструкции используются следующие принципы и методы проектирования. Применение только одного из этих принципов или методов редко обеспечивает требуемый результат. Обычно требуется сочетание двух или более принципов или методов для обеспечения отказобезопасности конструкции:
- расчетная прочность и расчетное качество, включая предельные сроки службы, для обеспечения функционирования по назначению и предотвращению отказов;
- избыточность или применение резервирования для обеспечения функционирования в случае любого одиночного отказа (или другого установленного числа отказов); например, два или более двигателей, гидравлических систем, систем управления полетом и т. д.;
- изоляция и/или разделение систем, компонентов и элементов, выполненные таким образом, чтобы отказ одной (одного) не приводил к отказу другой (другого);
- доказанная малая вероятность возникновения множественных независимых отказов в течение одного полета;
- предупреждение о неисправности или индикация неисправности для обеспечения обнаружения отказа;
- наличие процедур для летного экипажа с указанием корректирующих действий, которые необходимо выполнить после обнаружения отказа;
- контролепригодность: возможность контроля технического состояния компонента;
- конструктивное ограничение влияния отказа, включающее способность выдерживать повреждения, чтобы ограничить влияние или воздействие отказа на безопасность;
- конструктивный путь распространения отказа для обеспечения возможности контролировать и направлять последствия отказа таким образом, чтобы ограничить его влияние на безопасность;
- запасы или коэффициенты безопасности, вводимые для учета неопределенных или непредвиденных неблагоприятных условий;
- устойчивость к ошибкам, вводимая для учета неблагоприятных последствий предусмотренных ошибок во время проектирования, испытаний, изготовления, эксплуатации и технического обслуживания самолета.
Г лавное различие между подходами с точки зрения безотказности и отказобезопасности заключается в том, что безотказность - свойство объекта сохранять работоспособность в течение некоторой наработки, а отказобезопасность - способность ВС продолжать безопасный полет после отказа агрегатов, подсистем или систем, выполняющих определенные функции. В первом случае рассматривается работа агрегата до отказа, и исходя из причины отказа, ставится задача по увеличению времени работы агрегата. А отказобезопасность рассматривает влияние отказа агрегата на работоспособность всей системы и оценивает его критичность, главной задачей яв-
ляется снижение критичности. Главное не то, исправен агрегат или нет, главное - сможет ли при этом самолет продолжать безопасный полет.
Основные требования к надежности и безопасности систем ВС изложены в относящемся к разделу F "Оборудование" пункте 25.1309 Авиационных правил "Оборудование, системы и установки". Данный пункт дополняется и конкретизируется параграфом А-0 Авиационных правил "Общие требования летной годности самолета при отказах функциональных систем". В зарубежных Нормах отсутствует раздел А-0, и требования к безопасности и надежности систем изложены только в пункте 25.1309. Оценка соответствия ВС требованиям «Норм летной годности» производится согласно отечественным Методам определения соответствия требованиям летной годности (МОС) [2] и зарубежным Приемлемым методам демонстрации соответствия (Acceptable means of compliance - AMC). Например, в рекомендательном циркуляре AMC 25.1309 "Проектирование и анализ систем", в котором описываются приемлемые методы демонстрации соответствия требованиям пункта CS 25.1309. Согласно данному циркуляру, целью пункта CS 25.1309 является обеспечение приемлемого уровня безопасности оборудования и систем, установленных на самолете.
Согласно пункту 25.1309, оборудование, системы и установки, назначение которых соответствует требованиям настоящих Норм, должны быть сконструированы таким образом, чтобы обеспечить надежное выполнение ими намеченных функций во всех ожидаемых условиях эксплуатации.
Системы самолета и связанные с ними элементы, рассматриваемые отдельно и в сочетании с другими системами, должны быть спроектированы таким образом, чтобы:
- возникновение любых отказных состояний, которые могли бы воспрепятствовать безопасному продолжению полета и посадке самолета, было бы практически невероятным, и
- возникновение любых других отказных состояний, которые могли бы уменьшить способность самолета или возможность экипажа справляться с неблагоприятными условиями эксплуатации, было бы редким (невероятным).
Соответствие требованиям настоящего пункта должно доказываться путем анализа и расчета вероятностей возможных видов отказов функциональных систем и оценки влияния этих видов отказов на безопасность полета самолета. Такая оценка должна проводиться для каждой системы и во взаимосвязи с другими системами и (при необходимости) подкрепляться наземными и/или летными испытаниями, испытаниями на пилотажном стенде или другими видами стендовых испытаний, расчетами или моделированием.
Анализ должен включать:
- возможные виды отказов и их причины (в том числе, сочетания видов отказов в различных системах, а также необнаруженные отказы);
- оценку вероятностей этих видов отказов;
- условий эксплуатации и внезапности для экипажа возникновения соответствующего отказного состояния, последствия реально возможных предвидимых ошибок экипажа после возникновения отказа или состояния отказа;
- предупреждающие сигналы для экипажа, требуемые корректирующие действия и возможность обнаружения неисправностей;
- возможность обнаружения отказа;
- процедуры контроля состояния и обслуживания самолета, последствия реально возможных предвидимых ошибок при выполнении действий по техническому обслуживанию;
- конечные последствия для самолета (уменьшение запаса безопасности, ухудшение летных характеристик, потеря способности выполнять определенные операции, ухудшение степени защиты окружающей среды или потенциально возможное или последующее влияние на целостность конструкции) и находящихся на борту экипажа (повышение рабочей нагрузки по сравнению с нормальной, ведущее к снижению способности бороться с неблагоприятными условиями эксплуатации или неблагоприятными условиями окружающей среды или с последую-
щими отказами) и людей с учетом этапа полета, эксплуатационных условий и условий окружающей среды.
В качестве причин отказного состояния (вида отказа системы) рассматриваются отказы и совокупности отказов ее элементов, а также отказы систем, функционально связанных с данной системой. При анализе особой ситуации, вызванной отказным состоянием (функциональным отказом, видом отказа системы), необходимо учитывать факторы, которые могут усугубить последствия (степень опасности) начального отказного состояния (функционального отказа, вида отказа системы), включая связанные с отказом условия на самолете, которые могут влиять на способность экипажа справиться с прямыми последствиями (например, наличие дыма, перегрузка, прерывание связи, изменение давления в кабине и т.п.).
При анализе последствий определенного отказного состояния (функционального отказа, вида отказа системы), включая необходимые действия экипажа, должны учитываться вероятность отказа (отказов), наличие и характер сигнализации (информации) об отказе, сложность действий экипажа, а также периодичность соответствующей тренировки экипажа. Большое количество отказных состояний (видов отказов систем), требующих неинстинктивных действий экипажа, может оказать влияние на правильность действий экипажа по парированию отказов.
Вне зависимости от применяемого вида оценки классификация отказных состояний должна во всех случаях сопровождаться учетом всех сопутствующих факторов, например, связанных с системой, экипажем, летными характеристиками, условиями эксплуатации, а также внешних факторов.
В случае, если отказное состояние приводит к возникновению аварийной ситуации и не отнесено к категории практически невероятных, Руководство по летной эксплуатации (РЛЭ) должно содержать рекомендации, позволяющие экипажу принять все возможные меры для предотвращения перехода аварийной ситуации в катастрофическую. Если отказное состояние приводит к возникновению сложной ситуации и не отнесено к категории практически невероятных, РЛЭ должно содержать указания экипажу по завершению полета при данном отказном состоянии. Если отказное состояние приводит к усложнению условий полета, РЛЭ должно содержать указания экипажу по продолжению полета, методам эксплуатации систем и парированию неисправностей в полете.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что главными проблемами при выполнении анализа являются задачи полной идентификации отказных состояний, учет всех факторов и корректной и точной оценки критичности и последствий отказных ситуаций. Усложняется решение таких задач тем, что их необходимо решать на этапе проектирования, так как необходимый уровень отказобезопасности должен закладываться при проектировании ВС и реализовываться при его производстве. Также следует отметить многофакторность и системность анализа, опасность или невозможность отработки критичных отказов в летных испытаниях.
Наиболее полно эти задачи можно решить, применяя математическое моделирование динамики полета ВС. Хотя теоретические основы построения и применения математического моделирования движения ВС сейчас все еще находятся в стадии разработки и становления, тем не менее, как уже показывает практика, математическое моделирование полета самолета является наиболее перспективным методом предварительного определения его характеристик (как дискретных, так и статистико-вероятностных) до начала летных испытаний (ЛИ), в процессе их проведения и по окончании испытаний для распространения полученных в результате испытаний данных на весь объем ожидаемых условий эксплуатации.
Для решения задач анализа отказобезопасности предлагается использовать систему математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА), разработанную сотрудниками кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА. СММ ДП ЛА представляет собой развитую систему унифицированного программного обеспечения и набора методик планирования, проведения и обработки вычислительных экспериментов (ВЭ).
Существующие методы предполагают "пессимистическую" оценку последствий отказного состояния. Так, потеря возможности управления передней стойкой шасси на разбеге/пробеге оценивается как аварийная ситуация (АС). Но ведь можно предположить, что если мы теряем данную функцию на малой скорости на взлете, да еще и при благоприятных погодных условиях (отсутствует боковой ветер), то ситуация будет не хуже сложной, так как будет возможность безопасно прервать взлет.
Рассмотрим результаты исследования отказа управления передней стойкой шасси самолета Ил-86 при прерванном взлете самолета с применением системы математического моделирования. Под отказом управления передней стойкой шасси понимается его свободное ориентирование в процессе движения самолета по ВПП. В СММ ДП ЛА эффект свободного ориентирования колес управляемой стойки шасси моделируется отсутствием боковой составляющей сил взаимодействия колес с ВПП. В ВЭ отказ управления передней стойкой имитировался в наиболее опасный момент отказа двигателя.
ВЭ проводились при двух значениях центровки хТ 0,33 и 0,35, трех значениях скорости отказа двигателя 100 км/ ч, 150 км/ч и 200 км/ч, значения скорости бокового ветра W принимались равными 5 м/с, 10 м/с и 15 м/с, а значения коэффициента сцепления ц сц - 0,3 и 0,6. Способ прекращения взлета штатный по РЛЭ. Основные характеристики прерванного взлета с отказавшим управлением передней стойкой шасси представлены в табл. 1.
Таблица1
Результаты ВЭ прерванного взлета самолета Ил-86 при отказе управления передней стойкой шасси (свободное ориентирование)
У словия Расчетные параметры движения
м/с М СЦ хТ Скорость отказа двигателя, км/ч Дистанция прерванного взлета, м Максимальное отклонение от оси ВПП, м Отклонение от оси ВПП в момент остановки, м Максимальное отклонение руля направления, град Максимальный поворот передней стойки, град
5 0,6 0,35 150 1120 -0,9 0 -27 -3,5
5 0,6 0,35 200 1740 0,6 1,3 -25 -1,4
5 0,3 0,35 200 2020 -1,5 0,9 -15,2 -3,7
10 0,6 0,35 200 1730 -1,4 1,5 -27 -2,1
10 0,3 0,33 200 2010 -6,5 -1,2 -26,9 -3,7
15 0,6 0,33 100 1710 -3,0 1,6 -27 -2,8
15 0,3 0,33 100 2040 -18,9 0,5 -27 -6,1
Анализ результатов ВЭ показывает, что свободное ориентирование передней стойки шасси при различных исследованных скоростях бокового ветра и состояниях ВПП не приводит к боковому выкатыванию самолета (то есть возникновению АС) при прерванном взлете, кроме случая сильного ветра W = 15 м/с на скользкой ВПП с ц сц = 0,3. Отклонение от оси ВПП достигает своего максимума не в конце пробега и затем парируется; на сухой ВПП (ц сц = 0,6) это происходит хуже, чем на скользкой.
Данный пример показывает, что математическое моделирование движения ВС способствует более точной оценке последствий отказных состояний для самолета и находящихся в нем людей. Оно позволяет также выявить "границы перехода" одной особой ситуации в другую. На основании этого можно более точно определить критичность конкретной ситуации с учетом
всех возможных факторов. По результатам моделирования появляется возможность выработать корректирующие действия, необходимые экипажу для парирования отказа, и дать более четкие рекомендации экипажу по минимизации последствий отказа.
Также, исходя из результатов моделирования, можно решать обратные задачи анализа, благодаря чему достигается системность анализа:
- выделить дополнительные виды отказов, приводящие к определенным последствиям;
- выявить потенциальные ошибки экипажа, которые могут быть усугубляющим фактором при развитии особой ситуации;
- назначить предупреждающую сигнализацию для экипажа (исходя из скорости развития особой ситуации и степени ее опасности);
- назначать эксплуатационные ограничения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авиационные правила. Часть 25 (АП-25). Нормы летной годности самолетов транспортной категории. - М: Авиаиздат, 2004.
2. Методы определения соответствия гражданских самолетов требованиям ЕНЛГ - С. Глава М.2. Определение соответствия общим требованиям к летной годности. - М., 1986.
USE OF MATHEMATICAL SIMULATION IN AIRCRAFT SAFETY ASSESSMANT
Chernigin K.O.
The analysis of requirements of aircraft and system safety coming from Aviation Rules, Part 25, is provided in this article. The ability of using mathematical simulation in aircraft safety assessment is shown.
Сведения об авторе
Чернигин Константин Олегович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности ЛА МГТУ ГА, область научных интересов - летная и техническая эксплуатация воздушных судов, безопасность полетов.
