CC BY
105
2012
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 178
УДК 629.735.015:681.3
РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ ПОЛЕТОВ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Н.Б. БЕХТИНА, М.С. КУБЛАНОВ, К.О. ЧЕРНИГИН
Рассматриваются аспекты построения системы управления безопасностью полетов на базе объективного анализа полетных ситуаций с помощью математического моделирования.
Ключевые слова: безопасность полетов, ИКАО, система управления безопасностью полетов, математическое моделирование, анализ нагрузок на шасси.
Теории системной безопасности присуще утверждение о том, что в производственных системах, в которых устанавливаются амбициозные производственные цели без развертывания необходимых средств и ресурсов для их реализации, создаются потенциальные условия для частых сбоев. В связи с этим ранние этапы развития коммерческой авиации характеризовались высокой частотой авиационных происшествий (АП), поэтому первоочередной задачей обеспечения безопасности полетов (БП) в то время являлось предотвращение АП. Благодаря техническим усовершенствованиям (чему во многом способствовало расследование авиационных происшествий), а также вследствие последующего развития соответствующей инфраструктуры стало наблюдаться постепенное, но устойчивое снижение частоты АП, а также рост тенденций к регулированию. К 1950-м годам авиация стала в плане АП одной из самых безопасных, но также и одной из самых зарегулированных отраслей.
В результате этого появилась распространенная точка зрения о том, что БП можно гарантировать, если следовать установленным правилам, а отклонение от этих правил обязательно приведет к сбоям в обеспечении БП. В связи с этим сформировалась традиционная парадигма БП, которая в качестве основной меры и метода обеспечения безопасности основывалась на процессе расследования происшествий/серьезных инцидентов и строилась на трех основных допущениях [1]:
а) большей частью авиационная система работает в соответствии с проектными спецификациями (т.е. основная деятельность);
б) соблюдение нормативных положений гарантирует основную деятельность системы и поэтому обеспечивает БП (на основе соблюдения норм);
в) поскольку соблюдение нормативных положений гарантирует основную деятельность системы, небольшие, в основном не имеющие последствий, отклонения в ходе регулярных операций значения не имеют, а внимание следует обращать только на крупные отклонения, приводящие к серьезных последствиям (ориентация на результирующие последствия).
В таком процессе обеспечения БП основное внимание уделялось последствиям (т.е. крупным авиационным происшествиям и/или инцидентам), а для определения причины делался упор на расследование авиационных происшествий. Если отказов техники выявлено не было, внимание переключалось на возможность нарушения правил эксплуатационным персоналом.
В настоящее время в практике расследования авиационных происшествий и предпосылок к ним наиболее распространенным является случай констатации причин различного рода отклонений, зарегистрированных с помощью средств объективного контроля. Типичный случай такого уровня анализа - указание причины авиационного происшествия в виде нарушений безопасной высоты полета, минимума погоды, боковых отклонений и т.п., а также различных нарушений требований документов, регламентирующих деятельность экипажа. По существу такой анализ мало чем отличается от уровня непосредственной причины, хотя и не является таковым [2].
Слабой стороной такого подхода является то, что недостаточно внимания уделялось опасным условиям эксплуатации, которые в расследуемом событии хотя и присутствовали, но не имели "причинной" связи, даже если они были потенциально опасными для авиационной деятельности при различных обстоятельствах.
Промежуточное положение в иерархии уровней анализа занимает анализ ошибок, когда устанавливаются отклонения в оценках, представлениях, решениях человека [3]. С точки зрения профилактики происшествий анализ на уровне ошибок неэффективен, если ошибка рассматривается как причина АП (этот уровень анализа достаточно распространен как в отечественной, так и мировой авиации). Особенно это касается "ошибок пилота", которому при расследовании авиационного происшествия нередко приписывают все недостатки авиационной системы.
Технический прогресс в авиации привел к тому, что сегодня ее надо квалифицировать, прежде всего, как большую систему, т.е. описываемую большим числом (сотнями) факторов. В такой системе происшествия являются, как правило, результатом сочетания целого ряда одновременно действующих факторов. Большую систему уже невозможно "зарегулировать" нормативными актами. В авиации будут иметь место отказы и эксплуатационные ошибки, несмотря на самые эффективные и тщательно разработанные меры, применяемые для их предотвращения. Никакая деятельность человека или созданной им системы не гарантирована от полного отсутствия отказов и эксплуатационных ошибок - абсолютной безопасности сложных технических систем быть не может.
Таким образом, безопасность можно рассматривать как состояние системы, при котором возможность причинения ущерба лицам или имуществу снижена до приемлемого уровня и поддерживается на этом или более низком уровне посредством постоянного процесса выявления факторов опасности и управления факторами риска для БП [4].
В настоящее время формируется новая парадигма безопасности, которая основана на принципе управления БП посредством контролирования процессов, выходящих за рамки расследования событий, и она также строится на трех основных допущениях [4]:
а) большей частью авиационная система не работает в соответствии с проектными спецификациями (т. е. эксплуатационная деятельность приводит к эксплуатационному сдвигу);
б) вместо того, чтобы исключительно полагаться на соблюдение нормативных положений, осуществляется постоянный мониторинг работы системы в реальном времени (на основании эффективности деятельности);
в) небольшие, не имеющие последствий отклонения, в ходе регулярных операций постоянно отслеживаются и анализируются (ориентация на процессы).
В данном контексте нормативная роль Международной организации гражданской авиации (ИКАО) заключается в разработке Стандартов и Рекомендуемой практики (САРПС), которые излагаются в Приложениях к Чикагской конвенции и отражают опыт, накопленный государствами в этой области.
В соответствии с согласованными САПРС ИКАО [5] по управлению БП:
а) государства разрабатывают свои государственные программы по БП (ГПБП) с целью обеспечения приемлемого уровня БП (ПУБП) в гражданской авиации;
б) эксплуатанты реализуют систему управления БП (СУБП).
Руководство по управлению безопасностью полетов (РУБП) ИКАО [4] предназначено для оказания помощи государствам в разработке нормативной структуры и вспомогательного инструктивного материала по реализации эксплуатации систем управления БП (СУБП). В нем также содержатся рекомендации по разработке ГПБП в соответствии с САПРС, содержащимися в Приложении 1 "Выдача свидетельств авиационному персоналу", Приложении 6 "Эксплуатация воздушных судов", Приложении 8 "Летная годность воздушных судов", Приложении 11 "Обслуживание воздушного движения", Приложении 13 "Расследование авиационных происшествий и инцидентов" и Приложении 14 "Аэродромы".
Государства также обязаны в рамках своей деятельности по 1 ПБП утверждать и контролировать разработку, реализацию и функционирование СУБП эксплуатантов.
Целью СУБП эксплуатанта является контролирование факторов риска для БП. СУБП - это средство, которое эксплуатант использует для удержания под организационным контролем факторов риска для БП, связанных с последствиями факторов опасности, с которыми он сталкивается в ходе выполнения производственных задач. СУБП должна:
1) выявлять факторы опасности для БП (для установления того, в чем заключается проблема);
2) обеспечивать принятие корректирующих мер, необходимых для поддержания согласованных показателей БП (для поддержания эффективности обеспечения БП);
3) обеспечивать постоянный мониторинг и регулярную оценку показателей БП (проследить, чтобы предложенная мера или меры сработали как задумано);
4) быть нацеленной на постоянное совершенствование общей эффективности системы управления БП (для обеспечения эффективности и действенности предоставления услуг).
Нельзя не отметить, что ключевую роль в выстраиваемой СУБП играет анализ процесса эксплуатации (а для летной эксплуатации - анализ полетной ситуации) с целью выработки "корректирующих мер", призванных обеспечить приемлемые значения показателей БП. Для выполнения такого анализа необходима методика, основанная на определении влияния факторов опасности на развитие особых ситуаций.
Реализация такой методики возможна на основе Системы математического моделирования динамики полета летательных аппаратов (СММ ДП ЛА), разработанной сотрудниками МГТУ ГА и эксплуатируемой более 20 лет [6 - 12]. Несмотря на то, что СММ предназначена в основном для исследования динамики полета, она продемонстрировала свои возможности и за пределами этой области. Так, например, в [10] удалось рассчитать нагрузки, действующие на взлетно-посадочную полосу (ВПП), с одной стороны, и на стойки шасси, с другой.
Покажем возможность применения результатов вычислительных экспериментов на СММ к решению задачи оценки безопасности конструкции самолета по условиям прочности.
Безопасность конструкции по условиям прочности обеспечивается: соответствующей конструкцией самолета; технологическими процессами изготовления самолета; техническим обслуживанием и ремонтом; и подтверждается: результатами соответствующих расчетов; исследованием фактических условий эксплуатации, в том числе характеристик среды и действующих нагрузок; результатами лабораторных и стендовых испытаний натурных конструкций, их частей, конструктивных элементов и материалов; опытом эксплуатации самолетов данного типа и (или) самолетов аналогичных типов, допустимая наработка критического места по условиям сопротивления усталости [13].
Нагрузки на самолет при движении по аэродрому можно разделить на три группы: при рулении, при разбеге на взлете и при пробеге после посадки. Эти нагрузки зависят от характеристик неровностей (высота, протяженность, повторяемость) поверхности ВПП и рулежной дорожки (РД), характеристик амортизации шасси, упругости конструкции, скорости движения, режима торможения, условий маневрирования самолета и т.п.
Оценка величин и повторяемости наземных нагрузок в первую очередь имеет значение для определения усталостной долговечности шасси. Особенность определения нагрузок на шасси связана с наличием трех компонент нагрузки, что создает большие трудности при их измерениях, особенно при посадке. Разные компоненты нагрузки приложены к различным точкам шасси. Вертикальная компонента действует через ось вращения колес, боковая - приложена к точке контакта колеса с поверхностью аэродрома, лобовая - через ось вращения при раскрутке колес и через точку контакта с землей при торможении. Кроме того, оказывает влияние изменение геометрии шасси за счет обжатия амортизатора. С другой стороны, лобовая сила связана с горизонтальной скоростью самолета и локальными условиями трения между колесом и поверхностью аэродрома, в то время как вертикальная компонента зависит от вертикальной скорости и
характеристик амортизатора. Особые трудности при измерении нагрузок на шасси могут принести динамические эффекты.
При моделировании пробега самолета по взлетно-посадочной полосе (ВПП) корректность модели сил трения, действующих на колеса, оказывает заметное влияние не только на дистанцию пробега, но и на достоверное воспроизведение бокового движения. Так в условиях воздействия бокового ветра самолет совершает пробег с неравномерным распределением нагрузок на основные стойки шасси, которые обусловливают реализацию различных режимов работы ан-тиюзовых автоматов торможения колес, а следовательно, различных коэффициентов трения. Таким образом, момент рыскания от сил трения будет определяться не только нагрузками на стойки шасси, но и конкретной логикой работы автоматов торможения колес.
Как правило, антиюзовые автоматы торможения обеспечивают релейное управление тормозным моментом и предназначены для удержания параметра относительного проскальзывания колеса в диапазоне линейного изменения коэффициента сцепления вблизи его максимума. Переключение тормозного момента происходит по сигналам специальных датчиков, как только значение контролируемого параметра (относительное проскальзывание, или угловое ускорение колеса, или их комбинация) выходит за пороговые значения настроек. В зависимости от значений задаваемого тормозного момента, нагрузки на колесо и пороговых значений настроек процесс работы автомата торможения носит либо стационарный, либо циклический характер с частотой, существенно превосходящей частоту короткопериодического движения самолета.
Таким образом, становится ясной невозможность сбора реальной информации об условиях эксплуатации и нагружения элементов шасси. Проведение же специальных испытаний весьма дорогостоящее мероприятие. СММ позволяет учесть все перечисленные факторы, определяющие не только вертикальные нагрузки на шасси [10], но и продольные и боковые [11, 12], которые могут быть исключительно важными для шасси.
ЛИТЕРАТУРА
1. Doc 9422 AN/923. Руководство по предотвращению авиационных происшествий. Международная организация гражданской авиации (ИКАО). - Монреаль, Канада. - 1-е изд. - 1984.
2. Михайлик Н.Ф. Уровни анализа особой ситуации в полете / Теоретические и прикладные проблемы человеческого фактора в авиационной психофизиологии: межвуз. тем. сб. науч. тр. - Л.: ОЛАГА, 1988. - С. 52 - 56.
3. Муштик Э, Мюллер П. Методы принятия технических решений / пер. с нем. - М.: Мир, 1990.
4. Doc 9859 AN/474. Руководство по управлению безопасностью полетов (РУБП). Международная организация гражданской авиации (ИКАО). - Монреаль, Канада. - 2-е изд. - 2009.
5. Doc 9734 AN/959. Руководство по организации контроля за обеспечением безопасности полетов. Часть А. Создание государственной системы контроля за обеспечением безопасности полетов и управление этой системой. Международная организация гражданской авиации (ИКАО). - Монреаль, Канада. - 2-е изд. - 2006.
6. Система математического моделирования динамики полета воздушных судов на базе персональных ЭВМ: отчет о НИР (промежуточный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов.
- № ГР 01910018045; Инв. № 02910024435. - М.: МИИГА, 1991.
7. Разработка общих рекомендаций по летной эксплуатации самолета Ил-96-300 в ожидаемых условиях эксплуатации и режимах, выходящих за ожидаемые условия эксплуатации, на этапах взлета, захода на посадку и посадки: отчет о НИР (заключительный) / Руководитель В.Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М.С. Кубланов. -№ ГР 01930010176; Инв. № 02940003177. - М.: МГТУ ГА, 1993.
8. Обоснование рекомендаций и предложений по летной эксплуатации самолета Ил-96Т на этапах взлета и посадки вблизи минимально-эволютивных скоростей, на больших углах атаки, с учетом аэроупругости конструкции: отчет о НИР (заключительный) / Руководитель В. Г. Ципенко. Ответственный исполнитель М. С. Кубланов.
- № ГР 01960000315. - М.: МГТУ ГА, 1996.
9. Кубланов М.С. Математическое моделирование аварии Ил-76 в Иркутске 26.07.99 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2000. - № 23. - С. 21 - 27.
10. Кубланов М.С. Расчет нагрузки самолета на профилированную взлетно-посадочную полосу // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2007. - № 111. - С. 92 - 99.
11. Бехтина Н.Б. Применение усовершенствованной математической модели работы шасси в системе математического моделирования для расследования инцидента при посадке самолета Ту-154 // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2009. - № 138. - С. 183 - 190.
12. Бехтина Н.Б. Математическая модель бокового коэффициента сцепления колеса пневматика шасси при движении ЛА по ВПП // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Аэромеханика и прочность. - 2006. - № 97. - С. 134 - 140.
13. Арепьев А.Н., Громов М.С., Шапкин В.С. Вопросы эксплуатационной живучести авиаконструкций. - М.: Воздушный транспорт, 2002.
IMPLEMENTATION OF SAFEY MANAGEMENT SYSTEM ON THE BASIS OF MATHEMATICAL MODELING
Behtina N.B, Kublanov M.S., Chernigin K.O.
Aspects of safety management system development on the basis of flight situations objective analysis using mathematical modeling are considered.
Key words: flight safety, ICAO, safety management system, mathematical modeling, gear stress analysis.
Сведения об авторах
Бехтина Наталия Борисовна, окончила МИИГА (1982), кандидат технических наук, доцент кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.
Кубланов Михаил Семенович, 1945 г.р., окончил МГУ (1968), доктор технических наук, профессор кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, ведущий научный сотрудник, автор более 100 научных работ, область научных интересов - механика, математические методы моделирования.
Чернигин Константин Олегович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (2008), аспирант кафедры аэродинамики, конструкции и прочности летательных аппаратов МГТУ ГА, автор 12 научных работ, область научных интересов — летная и техническая эксплуатация воздушных судов, безопасность полетов, математическое моделирование динамики полета летательных аппаратов.
