CC BY
113
УДК 629.735.064
В. Г. Бондаренко
ВОПРОСЫ МЕТОДОЛОГИИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ,
ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ САМОЛЕТОВ гражданской АВИАЦИИ
Обсуждаются вопросы методологии обеспечения безопасности полетов, связанные как с разобщенностью систем сертификации разработчиков и эксплуатантов авиационной техники, так и с приходом к стратегии эксплуатации по фактическому техническому состоянию.
Под безопасностью полетов понимается свойство авиа-
ционной транспортной системы осуществлять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей. Безопасность полетов
- понятие широкое, ее обеспечение зависит от деятельности всех звеньев авиационной транспортной системы.
Летная годность является характеристикой самолета и определяется реализованными в его конструкции принципами, конструктивными и технологическими решениями, позволяющими совершать безопасные полеты в ожидаемых условиях и при установленных методах эксплуатации [1]. Летная годность предъявляет к самолетам широкий спектр требований, определяющих возможность совершать безопасные полеты. Одним из них и, безусловно, важнейшим является надежность.
Надежность, в свою очередь, является сложным свойством, характеризующим безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость. Далее нам в большей степени придется обращаться к первым двум свойствам. Коротко определим их. Безотказность - это свойство объекта сохранять работоспособное состояние в течение заданного времени или заданной наработки. Долговечность - свойство объекта сохранять безотказность в течение заданного времени и заданной наработки.
Под сохранением летной годности понимается комплекс мероприятий, гарантирующих, что в любой момент срока службы самолет соответствует действующим требованиям летной годности и его состояние обеспечивает безопасную эксплуатацию [2].
В обеспечении безопасности полетов важная роль принадлежит вопросам системного, терминологического и понятийного порядка. Неоднозначность в толковании терминов и определений часто затрудняет выполнение анализа надежности, безопасности полетов и разработку мероприятий по их обеспечению.
В гражданской авиации России в последние годы сложились две системы сертификации:
- Система сертификации авиационной техники и объектов гражданской авиации (ССАТиОГА) во главе с Межгосударственным авиационным комитетом (МАК);
- Система сертификации объектов воздушного транспорта во главе с ГС гражданской авиации министерства транспорта РФ.
Первая система, в соответствии с законом Российской Федерации «О сертификации продукции и услуг», зарегистрирована в Государственном реестре [2]. Она является системой сертификации разработчика и изготовителя авиационной техники. В соответствии с ней обязательной сертификации подлежат следующие объекты
гражданской авиации: воздушные суда, авиационные двигатели, воздушные винты, комплектующие изделия, международные и категорируемые аэродромы, оборудование аэродромов, разработчики авиационной техники, производство авиационной техники.
Вторая система является системой эксплуатанта. Она также обязательна и зарегистрирована Госстандартом России 28.08.95 в Реестре за номером Росс^У001.АТ.01 как система сертификации на воздушном транспорте (ССВТ).
Разобщенность систем ССАТиОГА и ССВТ, отсутствие единой методологии их создания привело к тому, что в них не нашел системного решения комплекс задач обеспечения и поддержания летной годности самолетов.
На реализацию подходов к обеспечению надежности и летной годности оказывает влияние запоздалое введение в Советском Союзе норм летной годности самолетов (НЛГС). Впервые вопросы летной годности рассматривались в 1919 г. на Парижской конвенции. В соответствии со ст. 14 этой конвенции между государствами-участни-ками (11 стран) действовало соглашение о взаимном признании норм летной годности. В Приложении В к Парижской конвенции 1922 г. были впервые установлены международные нормы летной годности.
В отечественной практике нормы летной годности гражданских самолетов впервые приняты в 1967 г. Затем следовали их изменения и дополнения в 1972, 1974 гг. и окончательно они сформированы для самолетов в 1984 г., для вертолетов - в 1987 г. В настоящее время вместо норм летной годности приняты авиационные правила АП-25 для самолетов и АП-29 для вертолетов.
Эксплуатирующиеся и стареющие без замены самолеты Ту-154М и Б, Ту-134, Ил-62, Ил-76Т и ТД, Ан-24, Ан-26, Ан-32, Ан-12, Як-40 создавались не по нормам летной годности, а по отраслевым и внутрифирменным нормалям. Каждая фирма часто по-своему понимала вопросы обеспечения устойчивости, управляемости, надежности и других характеристик самолетов. Достаточно рассмотреть архитектуру функциональных систем, чтобы убедится в этом различии, например, при обеспечении надежности. Так, гидравлическая система Ту-154М и Б имеет трехкратное полное резервирование, а Ил-76Т и ТД -двукратное. И это, как правило, у одних и тех же заводов-поставщиков агрегатов и комплектующих изделий.
Самолеты Ил-86, Як-422 и Ан-28 создавались с использованием НЛГС-2, а Ту-204, Ил-96-300, Ан-74 и Ил-114 -НЛГС-3.
Система сертификации ССАТиОГА опирается на нормы летной годности, в которых степень опасности отка-
зов авиационной техники определена опасностью ситуаций, приводящих к отказам. В качестве таких ситуаций приняты усложненные условия полета (УУП), сложная ситуация (СС), аварийная ситуация (АС) и катастрофическая ситуация (КС).
Усложненные условия полета определены в нормах как ситуация, характеризующаяся незначительным увеличением психологической нагрузки на экипаж, незначительным ухудшением устойчивости управляемости и летных характеристик самолета. Эта ситуация отнесена к категории повторяющихся с вероятностью не более 10-3 на 1 ч полета.
Сложная ситуация характеризуется в НЛГС заметным повышением психологической нагрузки на экипаж, значительным ухудшением летных характеристик, устойчивости и управляемости самолета, а также выходом одного либо нескольких параметров полета за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений и расчетных условий. Предотвращение перехода сложной ситуации в аварийную должно быть обеспечено действиями экипажа в соответствии с Руководством по летной эксплуатации (РЛЭ). СС отнесена в НЛГС к категории умеренно повторяющихся с вероятностью 10-4 на 1 ч полета.
К эксплуатационным относятся ограничения, выход за которые недопустим в нормальной эксплуатации. Предельные ограничения и расчетные условия - ограничения, выход за которые недопустим ни при каких обстоятельствах, например достижение предельного ограничения по перегрузке чревато разрушением самолета.
Аварийная ситуация характеризуется значительными психологическими нагрузками на экипаж и приводит к достижению предельных ограничений и расчетных условий. Предотвращение перехода аварийной ситуации в катастрофическую, в соответствии с НЛГС, требует высокого профессионального мастерства членов экипажа. Аварийная ситуация, вызванная отказами авиационной техники, отнесена к событиям крайне маловероятным с вероятностью не более 10-6 на 1 ч полета. Следует иметь в виду, что авария сопряжена с потерей (списанием) самолета, но без человеческих жертв.
Катастрофическая ситуация определена как ситуация, при достижении которой предотвращение гибели людей невозможно, либо как ситуация с непредопределенным исходом полета. Эта ситуация признана практически невероятной с вероятность появления не более 10-7 на 1 ч полета.
Подробный перечень особых ситуаций в данной статье обусловлен тем, что оценки надежности самолета и его систем, допустимых вероятностей появления в полете тех либо иных отказов должны сопоставляться с этими ситуациями. Использование же этих определений в ряде случаев вызывает затруднения. Так, степень психологической нагрузки на экипаж, его мастерство, степень ухудшения устойчивости, управляемости и летных характеристик самолета не имеют инженерных (количественных) оценок. Количественные оценки перехода к сложной и аварийной ситуации замкнуты только на параметры полета. Но можно привести множество отказов авиационной техники, приводящих к авариям и катастрофам, при сохранении в нормальных пределах параметров полета, устойчивости, управляемости и летных характеристик самолета. К ним относятся нелокализуемые пожары, разгерметизация салонов на эшелоне полета, интенсивное
попадание масла в систему наддува салонов, невыпуск хотя бы одной опоры шасси, отказ системы навигации и связи в сложных метеоусловиях и т. п.
Скорее всего, по этим причинам особым ситуациям в системе ССВТ присваивают свои категории: инцидент, серьезный инцидент и авиационное происшествие (АП).
Инцидент определен как событие, связанное с использованием самолета с момента вступления на борт человека, имеющего намерение совершить полет, и обусловленное отклонениями от нормального функционирования самолета, экипажа, служб управления и обеспечения полетов, воздействия внешней среды, могущее оказать влияние на безопасность полета, но не закончившееся АП.
Инцидент, создавший реальную угрозу безопасности полетов и не закончившийся АП благодаря мастерству экипажа, либо благоприятному стечению обстоятельств, называется серьезным инцидентом.
В разряд инцидентов попадают усложненные условия полета и сложная ситуация. Иногда вместо инцидента и серьезного инцидента в системе Эксплуатанта применяется понятие «предпосылки к авиационному происшествию» (ПАП).
Под АП понимается авиапроисшествие без человеческих жертв и авиапроисшествие с человеческими жертвами. Часто их, как и в системе разработчика, именуют авариями и катастрофами.
В Правилах расследования авиационных происшествий и инцидентов [3] в определение серьезного инцидента дополнительно внесено понятие выхода параметров полета «за пределы ожидаемых условий эксплуатации». В НЛГС сложная ситуация связывается с «достижением параметрами полета эксплуатационных ограничений». Возникает вопрос: как соотносятся ожидаемые условия эксплуатации с эксплуатационными ограничениями? В НЛГС ожидаемые условия эксплуатации характеризуются большим числом параметров, отнесенным к трем группам: параметры внешней среды, полета и эксплуатационные.
В обоих определениях количественных оценок наступления соответствующих ситуаций нет. С позиций надежности авиационной техники к состояниям инцидента и ПАП правомерно отнести любой отказ, не приведший к АП (аварии и катастрофе). Инцидент становится слишком широким понятием, включающим отказы с существенно различным по тяжести последствий влиянием на безопасность полетов. Очевидно, что в связи с этим, вводя градацию внутри особых ситуаций, определяемых как инцидент, в системе ССВТ применяют такое понятие, как инцидент, приведший и не приведший к изменению плана полета, т. е. была ли посадка вынужденной или нет.
Следует также иметь в виду, что разработчик классифицирует отказы по тяжести последствий на стадии проектирования и сопровождения эксплуатации, а эксплуатант - в процессе использования самолета по назначению. Но в системе ССВТ градация тяжести последствий отказа авиационной техники выражена несколько четче:
- если отказ не привел к изменению плана полета, но влиял на безопасность полета, то это инцидент;
- если отказ потребовал изменения плана полета (привел к вынужденной посадке), то это серьезный инцидент либо ПАП;
- если последствием отказа явилось разрушение самолета (тем более с человеческими жертвами), то это авиационное происшествие.
Но и здесь в определениии инцидента присутствует неясное высказывание: «но влиял на безопасность полета». Нет четких критериев по выявлению этого влияния. Используются экспертные оценки, а они всегда субъективны.
Отсутствие взаимоувязанного подхода в системах ССАТиОГА и ССВТ к определениям и понятиям в области влияния отказов авиационной техники на безопасность полетов особенно остро сказывается при оценке надежности самолетов в процессе перехода к эксплуатации по техническому состоянию. В этом случае агрегаты и комплектующие изделия самолета распределяются на группы по методам эксплуатации. Пример такого распределения для самолета Ту- 154М [4] приведен в таблице.
Метод эксплуатации до безопасного отказа определен 934-м агрегатам и комплектующим изделиям. Их техническое обслуживание осуществляется при условии контроля уровня надежности. Разработчиком установлен одинаковый для всех изделий уровень надежности, определенный значением к 000, равным 0,2, т. е. допускается два отказа на 10 000 ч налета или один отказ на 5 000 ч. Поскольку таких изделий 934, нормативный налет на отказ по ним составляет 5,353 ч. В то же время при анализе влияния надежности авиационной техники на безопасность полетов по Красноярскому МТУ ВТ МТ РФ [5] отмечается, что в целом по всем типам самолетов налет на один инцидент составил 2 279 ч, а налет на один отказ -22,8 ч. Для Ту- 154М налет на один отказ в 2003 г. составил 33 ч, что в 6 раз больше установленного разработчиком [4]. Всего по парку самолетов на один инцидент приходилось 100 отказов авиационной техники.
Приведенную статистическую информацию эксплуатанта о надежности авиационной техники трудно интерпретировать в категориях разработчика, т. е. НЛГС. Так, при налете на инцидент, составляющий 2 279 ч, частота появления инцидентов равна 0,439 • 10-3 на 1 ч полета. Если инцидент является УУП, то вероятность его появления из-за отказов авиационной техники по НЛГС будет составлять не более 10-3 на 1 ч полета, и в рассматриваемом регионе надежность авиатехники будет бо-
лее чем в два раза выше нормативной. Но если считать УУП сложной ситуацей с вероятностью появления не более 10-4 на 1 ч полета, то оценка надежности авиационной техники, согласно НЛГС, меняется на обратную, т. е. становится ниже нормативной более чем в два раза. Очевидно, что 100 отказов, приходящихся на один инцидент, необходимо идентифицировать подробнее, определив их либо как инцидент или серьезный инцидент, либо как УУП или СС.
В статистике ИКАО инциденты разделяют на инциденты, требующие изменения плана полета, и инциденты не требующие этого. В соответствии с ней число аварий и катастроф примерно одинаково: на одну катастрофу приходится 200..300 инцидентов, требующих, и 300...400 инцидентов не требующих изменения плана полета, в сумме 500...700 инцидентов. Если учесть, что по Красноярскому МТУ ВТ МТ РФ налет на один инцидент составил 2 278 ч, то, с учетом статистики ИКАО, вероятность возникновения катастрофической ситуации в среднем по всем типам самолетов может быть оценена как (0,877...0,626) • 10-6 на 1 ч полета, что не совсем удовлетворяет требованиям НЛГС по надежности авиационной техники. Она оказывается примерно на 30 % ниже, что может быть вполне объяснено различиями в трактовке понятия «инцидент» в системе ССВТ и ИКАО.
Поскольку разработчик Ту-154М нормирует налет на отказ в по рассматриваемому региону 6 раз меньше фактического, повышая вероятность возникновения катастрофических ситуаций до (0,526.. .0,375) • 10-5, что совсем не удовлетворяет требованиям НЛГС и действительному состоянию надежности самолетов, определяемому их бескатастрофной эксплуатацией.
Продолжим анализ имеющейся статистической информации в вероятностных представлениях. Рассматриваемое в методике значение К1000 = 0,2 является статистически средним значением числа отказов агрегата за 1 000 ч налета. Приведя его к 1 ч полета, найдем интенсивность отказов X = 0,2 • 10-3, которую допустимо рассматривать как математическое ожидание числа отказов за 1 ч. По региональной статистике налет Ту-154М на один отказ составил 33 ч, что дает возможность определить Хф = 0,030 3. Воспользовавшись выражением для закона
Наименование системы Количество изделий Количество изделий по методу эксплуатации
По ресурсу до предотказного состояния до отказа
Пилотажно-навигационная 37 8 4 25
Радио-электронная 61 12 1 48
Силовая установка 16 6 1 9
Топливная 41 6 6 29
Планер 53 13 7 33
Шасси 53 12 10 31
Г идравлическая 86 2 5 79
Управления 48 8 2 38
Электрооборудование 468 8 3 457
Высотная 48 3 7 38
Противообледенительная 12 1 4 7
Кислородная 5 1 - 4
Бытового оборудования 110 - 3 107
Водоснабжения 29 3 1 25
Противопожарная 7 3 - 4
Итого 1074 86 54 934
распределения вероятностей Пуассона [6], перепишем его в удобном для анализа виде:
Р(ш)=(' п 'Х') е~‘пХ, т!
где t - отрезок времени, за который рассчитывается реализация вероятности отказов Р(т); п - число агрегатов в рассматриваемой совокупности; т - число одновременно отказавших агрегатов на отрезке t.
В наших исследованиях (см. таблицу) п = 934 для самолета Ту-154М в целом и п = 79 для гидросистемы самолета. Для t также приняты два значения; t = 1 ч, что соответствует НЛГС, и t = 4 ч как продолжительность некоторого беспосадочного полета.
По зависимости вероятности появления более одного отказа в течение 1 ч полета для агрегатов Ту-154М, эксплуатирующихся до безопасного отказа, при интенсивности отказа, определяемой по нормам методики и статистических данных Красноярского региона (рис. 1), следует два вывода:
- вероятность возникновения в течение 1 ч полета нескольких отказов присутствует и она весьма существенна;
- вероятность реализации отказов, нормируемая по [4], существенно превышает фактическую.
1 2 т
Рис. 1. Зависимость вероятности отказов от числа отказавших А и КИ для Ту-154М на 1 ч полета
Согласно зависимости вероятности реализации более одного отказа для агрегатов гидросистемы на отрезке времени 1...4 ч, вероятность отказа более одного агрегата гидросистемы самолета осталась ощутимой.
Чтобы в оценках вероятностей отказаться от таких понятий, как существенная, ощутимая вероятность, нами рассчитаны X, п и t количества отказов т, реализующихся с вероятностью Р(т) = 10-4. Это пороговое по НЛГС значение вероятности, возникающее в полете сложной ситуации.
Приведем вначале значения числа отказов т, рассчитанные при X = 0,000 2 (К1 000 = 0,2). Для самолета в целом (п = 934) число отказов равно:
- при 1ч полета - 4;
- при 4 ч полета - 7.
Для гидросистемы самолета (п = 79) (рис. 2) число отказов равно:
- при 1 ч полета - 2;
- при 4 ч полета - 3.
По региональным статистическим материалам, при X = 0,030 3 для самолета вцелом (п = 934) число отказов равно:
- при 1 ч полета - 3;
- при 4 ч полета - 4 (3,6).
Рис. 2. Зависимость вероятности отказов от числа отказавших А и КИ гидросистемы
При X = 0,000 2, п = 934 и t = 4 ч с вероятностью Р(т) = 10-6 аварийная по НЛГС ситуация пороговая для реализации в полете, при выполнении 4-часового полета будет равна восьми отказам А и КИ.
Здесь рассматриваются отказы, не влияющие на безопасность полетов. Вместе с этим степень их безопасности никто не оценивал, тем более при реализации в одном полете далеко не одного, а семи и даже восьми отказов. По этому вопросу ведущий ученый в области безопасности полетов Б. В. Зубков высказался следующим образом [7]: «Во-первых, выявилась полная несостоятельность установления ресурсов, как средства предотвращения авиационных происшествий. При современном уровне промышленного производства интенсивность отказов изделий авиационной техники (так называемая лямбда-характеристика) все еще далека от вида дельтафункции и более близка к нормальному распределению. А это означает большие дисперсии сроков безотказной работы и появление отказов при самой различной наработке и бессмысленность введения ресурсных ограничений. По этой причине во всех случаях, когда отказы не связаны с тяжелыми последствиями, вводится эксплуатация до отказа, что позволяет использовать индивидуальные ресурсные возможности каждого изделия, но исключает возможность решения задачи предотвращения авиационных происшествий» [7].
В работе не ставилась задача найти ответы на все вопросы обеспечения надежности и безопасности полетов. В ней показана необходимость выполнения дополнительных исследований в области безопасности полетов при внедрении методов эксплуатации авиационной техники по фактическому состоянию и, в частности, эксплуатации до безопасного отказа.
Библиографический список
1. Авиационные правила. Нормы летной годности: АП-26 / МАК. М, 1996.
2. Гипич, С. Н. Современное состояние проблемы поддержания летной годности ВС / С. Н. Гипич // Инженерно-авиационный вестник. 1999. № 5(23). С. 4-15.
3. Правила расследования авиационных происшествий и инцидентов с гражданскими воздушными судами в РФ. Утв. 18.06.98 №» 609. М., 1998.
4. Методика автоматизированного контроля, анализа и подготовки решений по управлению уровнем надежности А и КИ самолетов Ту-154, эксплуатируемых по техническому состоянию: утв. гл. конструктором А. С. Шен-гардтом. М., 2001.
V. G. Bondarenko
THE QUESTIONS OF METHODOLOGY PROVIDING RELIABILITY OF FLYING SUITABILITY AND SAFETY OF CIVIL AVIATION AIRPLANES
The questions of methodology providing reliability offlying are discussing in the work. These questions are connected with aviation technique developers and exploiters certification systems separation. They are also connected with transition to fact technical condition exploitation system.
5. Анализ инженерно-авиационного обеспечения безопасности полетов в авиапредприятиях Красноярского МТУ ВТ МТ РФ. Красноярск, 2004. 28 с.
6. Венцель, Е. С. Теория вероятности / Е. С. Венцель. М.: Физматгиз, 1962. 563 с.
7. Зубков, Б. В. Методология расследования авиационных происшествий и инцидентов / Б. В. Зубков, А. В. Майоров // Научный вестник МГТУ ГА. 2004. № 75(9). С. 10-19.
