CC BY
129
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта
№ 147
УДК 629.735.015
РОЛЬ ПРОЦЕССА ПОДДЕРЖАНИЯ ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ В ЗАДАЧЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛЕТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
К.О. ЧЕРНИГИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье приведен анализ требований к летным характеристикам самолетов транспортной категории. Рассмотрена возможность расширения летных ограничений за счет повышения эффективности процесса поддержания летной годности воздушных судов.
Ключевые слова: поддержание летной годности, эффективность летной эксплуатации.
Эксплуатация является основной стадией жизненного цикла авиационной техники (АТ), на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество. Современная экономическая ситуация ставит задачи постоянного повышения эффективности эксплуатации воздушного транспорта (ВТ). Она требует обеспечения полетов практически в любую погоду, днем и ночью, в самых различных природно-климатических условиях. Но при этом в процессе эксплуатации должен обеспечиваться заданный уровень безопасности полетов. Поэтому одним из основных направлений эксплуатационной науки является расширение норм летной годности воздушных судов (ВС).
Летная годность ВС - это его комплексная характеристика, определяемая реализованными в его конструкции принципами и решениями, позволяющими совершать безопасные полеты в ожидаемых условиях и при установленных методах эксплуатации. Техническая эксплуатация ставит своей целью поддержание летной годности (ЛГ), то есть проведение мероприятий, которые гарантируют, что в любой момент времени всего срока службы ВС соответствует действующим требованиям летной годности и его состояние обеспечивает безопасную эксплуатацию.
Нормы летной годности на самолеты транспортной категории устанавливает Часть 25 АП «Нормы летной годности самолетов транспортной категории» (АП-25). Каждое лицо, подающее заявку на получение сертификатов типа и дополнений к этим сертификатам, должно доказать соответствие применяемым требованиям данной части.
Нормирование летных характеристик самолетов производится в разделе "Полет". Соответствие каждому требованию данного раздела следует обеспечить при всех возможных комбинациях веса и центровки самолета в пределах вариантов загрузки самолета, для которых запрашивается сертификат типа.
Рассмотрим, как нормируются летные характеристики по этапам полета. Для краткости изложения рассмотрим один из самых ответственных и нагруженных этапов полета - взлет.
Траектория взлета простирается от точки старта до точки, в которой самолет находится на высоте 450 м над поверхностью взлета или в которой заканчивается переход от взлетной к маршрутной конфигурации и одновременно достигается скорость У2, в зависимости от того,
какая точка выше. При разгоне до скорости У2 отрыв носовой стойки шасси от земли должен быть выполнен на скорости не меньше чем V. Уборка шасси может начаться только после отрыва самолета от земли. Самолет должен разогнаться до скорости У2 до достижения высоты 10,7 м над поверхностью взлета и должен продолжать полет на скорости, практически наиболее близкой, но не меньшей, чем скорость V2 до достижения самолетом высоты 120 м над поверх-
ностью взлета. До достижения высоты 120 м над поверхностью взлета конфигурация самолета не должна изменяться, кроме уборки шасси и автоматического флюгирования воздушного винта, и нельзя производить изменений мощности или тяги, требующих действия пилота.
На этапе взлета характерными являются следующие скорости:
1) V - земная индикаторная скорость сваливания или минимальная скорость установившегося полета, при которой самолет управляем при нулевой тяге на скорости сваливания, положении элементов самолета (таких, как закрылки и шасси), соответствующем условиям при испытаниях, а также наиболее неблагоприятной допустимой центровке.
2) Умт - минимальная эволютивная скорость разбега (скорость, при которой в случае внезапного отказа критического двигателя можно сохранять управление самолетом и выдерживать режим прямолинейного полета при угле крена не более 5°).
3) УЕб- - скорость, на которой предполагается отказ критического двигателя на взлете.
4) V - максимальная скорость при взлете, на которой пилот должен предпринять первое действие для остановки самолета в пределах дистанции прерванного взлета.
5) V - скорость в момент подъема носовой опоры (при доказательстве соответствия требованиям взлета как при одном неработающем двигателе, так и при работе всех двигателей для любого сочетания условий должно использоваться единственное значение скорости Уя, полученное в соответствии с данным параграфом).
6) У2тт - минимальная безопасная скорость взлета.
Скорости взлета нормируются следующим образом:
У >1 2 V • У >1 1 У •
MCG >Ь^ 2тт > 1 >1 VMCG’
Уер > VMCG;V1 > Уер; Уя > X;
Уя >1,05Умсо.
Потребная дистанция взлета определяется как на сухой искусственной взлетно-посадочной полосе, так и на мокрой или покрытой осадками взлетно-посадочной полосе.
Соответствие каждому требованию данного раздела следует обеспечить при всех возможных комбинациях веса и центровки самолета в пределах вариантов загрузки самолета, для которых запрашивается сертификат типа. При этом уточняется, что это должно выполняться при следующих условиях:
- двигатели работают на режиме располагаемой максимальной взлетной тяги;
- центровка наиболее неблагоприятная;
- самолет сбалансирован для взлета;
- самолет имеет максимальный взлетный вес на уровне моря;
- конфигурация самолета соответствует наиболее критической взлетной конфигурации, которая имеет место на траектории полета после отрыва самолета от земли, за исключением того, что шасси убрано.
Из этого следует, что при более благоприятных условиях эксплуатации самолета летные ограничения могут расширяться. Например, смещение центровки назад ухудшает продольную устойчивость самолета, облегчая тем самым выход самолета на критический угол атаки. Значит, более передняя центровка является более благоприятной, поэтому запасы до скоростей сваливания могут быть уменьшены.
Также можно обратить внимание на следующие аспекты:
- скорость Уд связана с соответствующим критическим углом атаки, который устанавливается из расчета воздействия на самолет вертикального порыва ветра определенной интенсивности;
- скорость У1 является функцией располагаемой дистанции взлета, взлетной массы самолета и скорости реакции экипажа;
- практически все скорости установлены из условия отказа критического двигателя.
Соответственно, исходя из требований раздела "Полет" можно сделать вывод о том, что
нормирование летных характеристик производится для того, чтобы обеспечить безопасный полет в случае отказов техники, ошибок экипажа или неблагоприятных внешних воздействий (условий).
Человеческая ошибка может быть определена как любое действие персонала, которое противоречит поведенческим моделям, считающимся нормальными, или любое действие, которое отличается от предписанных процедур. Человеческие ошибки включают: несовершение действия; некорректное совершение действия; совершение действия, которое не требуется; совершение действия не в той последовательности; несовершение действия за заданное время; неадекватная реакция на непредвиденное обстоятельство. В летной эксплуатации большинство авиационных происшествий объясняется несоблюдением установленных правил, лежащих в основе инструкции, или невнимательность по разным причинам, когда внимание пилота отвлекается от основной задачи или последовательность действий прерывается в несоответствующем месте. Для повышения уровня безопасности полетов при ошибках экипажа или неблагоприятных внешних воздействиях кажется логичным внедрение автоматических систем, созданных для предотвращения нарушения функционирования подсистемы "экипаж - ВС", а также парирования последствий неблагоприятного развития таких ситуаций, обеспечивая перевод системы из более опасных ситуаций в менее опасные или нормальные. Такие системы могут выполнять следующие функции:
- предупреждения особых ситуаций в полете (основываются на прогнозе полетных ситуаций и выработке таких воздействий, которые препятствуют попаданию ВС на нерасчетные режимы функционирования (автомат ограничения углов атаки, ограничение Т за турбиной, предельной скорости полета));
- локализации особой ситуации (обеспечивают противодействие переходу возникшей особой ситуации в более опасную (система нейтрального газа));
- снижения опасности особых ситуаций (система управления с реконфигурацией);
- возвращения в штатную ситуацию (автоматическая система вывода из сваливания, приведение к горизонту, увод с опасной высоты).
Но такие системы имеют существенный недостаток. Это оборудование в основном является электронным и имеет неограниченное число видов отказов, поэтому в случае отказа такой системы пилоту придется действовать самостоятельно, что увеличивает риск ошибки. Также опасно ложное срабатывание такой системы, так как пилоту придется не только исправлять сложившуюся особую ситуацию, но и аварийно отключать систему. Поэтому среди пилотов распространено мнение, что автоматизация не исключает наличия большой индивидуальной опытности и мастерства.
Внешние воздействия - события, источник происхождения которых не связан с конструкцией самолета, такие как атмосферные условия (например, гроза, турбулентность, температурная инверсия, обледенение и др.), состояние ВПП, столкновение с птицами, а также спутный след. По причине неблагоприятных внешних воздействий происходит до 20% авиационных происшествий в гражданской авиации. Для снижения вероятности попадания в неблагоприятные внешние условия, а также для снижения последствий такого попадания возможны следующие решения:
- конструктивные решения, направленные на снижение чувствительности к внешним воздействиям (изменение стреловидности крыла, применение автоматов устойчивости, а также систем активного управления подъемной силой);
- внедрение оборудования, позволяющего распознавать опасные условия и выбрать соответствующий режим полета (например, метеолокаторы с функцией распознавания сдвига ветра);
- применение особой техники пилотирования.
Причины воздействия среды можно рассматривать со следующих позиций:
- самолет спроектирован под определенное неблагоприятное воздействие среды, но недостаточно защищен от него (недостатки проектирования, производства, недостатки сертификации);
- самолет не спроектирован под определенное воздействие среды, но случайно попадает в зону воздействия (недостаточность оборудования на борту для определения условий среды, ошибка УВД, пилота или отказ).
Среда может оказывать следующее влияние на производство полетов:
- напрямую воздействовать на распределение сил и моментов ЛА (турбулентность, спутный след, обледенение, осадки и проч.);
- влиять на работоспособность агрегатов систем ЛА (обледенение, воздействие перегрузок, давлений, температур, засорение и проч.);
- влиять на работоспособность экипажа (туман, осадки, плохая видимость).
Получается, что с точки зрения воздействия среды как отдельного фактора имеет смысл
рассматривать только первый пункт. Второй пункт относится к отказам систем. А третий пункт может стать причиной ошибок. При этом все три пункта могут "закрываться" конструктивными доработками, а значит должны рассматриваться с позиции летной годности. Если это невозможно, устанавливаются процедурные ограничения. Но если процедурные ограничения нарушаются, речь идет об ошибке.
Следует также помнить о том, что сами по себе отказы, а также неблагоприятное воздействие среды увеличивают нагрузку на экипаж, что может привести к ошибкам. Аналогично, ошибки экипажа могут приводить к отказам техники или попаданию в неблагоприятные условия.
Таким образом, можно сделать вывод, что основной проблемой, сдерживающей расширение Норм летной годности, являются вопросы поддержания летной годности, а именно проявление отказов техники. Функциональный отказ - неработоспособное состояние системы в целом, характеризуемое конкретным нарушением ее функций независимо от причин, вызывающих это состояние. Отказное состояние (вид отказа системы) определяется на уровне каждой системы через последствия, оказываемые на функционирование этой системы. Оно характеризуется влиянием на другие системы и на самолет в целом.
Подходить к проблеме отказов АТ можно с двух позиций: позиции безотказности (надежности) и позиции отказобезопасности. При этом под безотказностью понимается свойство изделия сохранять работоспособность в течение некоторой наработки, а под отказобезопасностью -способность ВС продолжать безопасный полет после отказа агрегатов, подсистем или систем, выполняющих определенные функции. В современных условиях к проблеме обеспечения безотказности больше подходят как к экономической проблеме, которая заключается в снижении периодичности замены отказавших агрегатов. А к проблеме безопасности полетов подходят с точки зрения отказобезопасности. Формы периодического технического обслуживания (ПТО) задаются еще в проектных требованиях на самолет для обеспечения минимальных затрат на ТОиР. Например, для разрабатываемого самолета Superjet-100 устанавливаются следующие формы ПТО: "A"-Check - 750 летных часов (л.ч.), "C"-Check - 7500 л.ч., "Si"-Check - 35000 л.ч. В этом случае конструкторам приходится либо выбирать агрегаты с большей наработкой на отказ, либо добиваться необходимой наработки, применяя принцип резервирования систем. Во втором случае применяется MEL - Перечень минимального оборудования, с которым самолету разрешен полет.
Оба подхода имеют определенные недостатки. В первом случае при проектировании можно пользоваться либо статистическими методами расчета наработки на отказ по самолетам-аналогам (что не учитывает условия работы агрегата на новом типе, нагрузки и проч.), либо данными небольшого объема испытаний агрегатов на заводе поставщика. Также следует учесть, что при расчетах используется понятие "усредненной вероятности отказа на час полета", что не отражает реальную картину процесса повреждаемости. Да и в процессе эксплуатации возможен достаточно большой разброс наработок агрегатов на отказ, что в случае досрочного съема приведет к экономическим потерям, а в случае "досрочного" отказа окажет влияние на безопасность полета. Например, можно за остаток ресурса стойки шасси садиться с вертикальной скоростью 0,5 м/с, а можно - со скоростью 1,4 м/с. И то, и другое укладывается в Нормы, но ресурс расходуется по-разному. И поэтому мы можем не только раньше снять деталь, но и «не успеть» это сделать. Также следует отметить, что существует категория так называемых "скрытых" отказов, зафиксировать факт которых (а, соответственно, и наработку) фактически невозможно.
В случае резервирования систем возникают следующие трудности: непонятно, что делать в случае отказа одного контура резервирования, ведь в "идеальном случае" (в случае нагруженного резерва и конструктивной идентичности контуров и агрегатов) у них должна быть одна наработка на отказ, то есть отказать они должны одновременно, что говорит о бессмысленности резервирования. Но абсолютно идентичных агрегатов не бывает, поэтому и наработки на отказ у них разные, но тогда получается, что мы не знаем истинные наработки агрегатов и на самом деле не контролируем процесс! В таком случае самолет должен совершить посадку на ближайшем аэродроме и остаться там до момента устранения отказов, ведь ситуация становится такой, как если бы у нас изначально не было резервирования. Таким образом, получается, что и потеря резервирования оказывает влияние на безопасность и регулярность полетов. Также в случае с резервированием всегда есть так называемая "общая причина" отказа, которая может вывести из строя все контуры резервирования. Обычная такая причина и определяет значение наработки на отказ всей системы.
Самым перспективным методом сохранения летной годности, который позволит расширить Нормы летной годности с точки зрения процесса поддержания летной годности, является применение методов технической эксплуатации по техническому состоянию. Современные средства технической диагностики позволили изменить подход к реальной оценке технического состояния изделий авиационной техники при ее эксплуатации и определить систему правил управления техническим состоянием изделия. В результате этого определилась стратегия технического обслуживания по состоянию, которая предусматривает назначение перечня и периодичности операций технического обслуживания, в том числе замены изделия, по результатам контроля технического состояния каждого изделия. Контроль может быть непрерывным (в полете) или периодическим (при выполнении оперативных и периодических форм обслуживания). Однако при непрерывном контроле возможны отказы самих систем контроля (несрабатывание или ложные срабатывания), а периодические осмотры, во-первых, имеют малую периодичность, а во-вторых, предъявляют высокие требования к персоналу, условиям контроля и инструментам контроля, что в определенных условиях может привести к неправильным результатам.
В связи с этим обратим внимание на методы параметрической диагностики. Предлагается осуществлять прогнозирование технического состояния изделия на основании математической модели работы типового агрегата, в качестве переменных, в которой будут приниматься данные объективного контроля условий работы агрегата, нагрузок и проч. В основу модели может быть положен следующий подход. Предположим, что ни один отказ не бывает внезапным. Это связано с тем, что неработоспособному состоянию всегда предшествует неисправное (правда, продолжительность неисправного состояния всегда разная). Если на объект не было нерасчетных внешних воздействий и объект просто «стареет», то его состояние можно моделировать и соответствующим образом предсказывать. А если говорить о внезапных воздействиях, то от
них надо либо защищаться (конструктивно и процедурно), либо их фиксировать и пересчитывать ресурсы. Остальные методы технической диагностики и прогнозирования технического состояния могут использоваться для контроля расчетов и уточнения данных. При этом в случае отказа от многократного резервирования в системе (или перехода на ненагруженный резерв) можно перейти к резервированию средств объективного контроля для минимизации их отказов (что дешевле и проще чем резервирование всего контура) и получения достоверной информации о техническом состоянии системы.
В случае применения такой системы можно было бы не только расширить Нормы летной годности, но и более точно и эффективно управлять технической эксплуатацией ВС. Зная фактическое состояние ВС и прогноз на заданный период эксплуатации, можно было бы гибко управлять "расходом ресурса" ВС, используя его в рейсах с оптимальным для данного ВС сочетанием условий эксплуатации (температуры, полетные циклы, условия аэродрома и проч.). Также такой подход актуален и для текущих систем с применением резервирования. Допустим, в самолете определенную функцию выполняют два идентичных агрегата, которые дублируют друг друга. Например, это два рулевых привода руля направления, которые работают по принципу "четный / нечетный полет". Рассмотрим ситуацию, когда самолет летит из базового аэропорта в транзитный. При этом в MEL записано, что если один агрегат отказал, то вылет запрещен, так как отказ оставшегося агрегата приведет к авиационному происшествию. Если есть возможность контролировать ТС агрегатов, мы могли бы выявить предотказное состояние одного агрегата, подключить второй, и они бы в паре проработали до базового аэропорта, где можно было бы спокойно сделать замену.
ЛИТЕРАТУРА
1. АП-25. Нормы летной годности самолетов транспортной категории. - М: Авиаиздат, 2004.
2. Динамика полета транспортных летательных аппаратов; Под ред. А.Я. Жукова. - М.: Транспорт, 1996.
3. Техническая эксплуатация летательных аппаратов; Под ред. Н.Н. Смирнова. - М.: Транспорт, 1989.
4. Оуэнс Ч.А. Летная эксплуатация: (Организация работы экипажа) / Пер. с англ. И.М. Алявдина. - М.: Транспорт, 1987.
THE ROLE OF CONTUNUING AIRWORTHINESS PROCESS IN THE TASK OF TRANSPORT CATEGORY AIRPLANES FLIGHT OPERATIONS EFFICIENCY INCREASE
Chernigin K.O.
The analysis of the requirements of transport category airplanes flight characteristics coming from Aviation Rules, Part 25, is provided in this article. The ability of flight limitations expansion because of continuing airworthiness process efficiency increase is shown.
Сведения об авторе
Чернигин Константин Олегович, 1986 г.р., окончил МГТУ ГА (1998), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - летно-техническая эксплуатация воздушных судов, безопасность полетов.
