Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика действующих стратегий формирования облика отечественных и зарубежных самолетов нового поколения 20
1.1. Классификация технико-экономических характеристик современных самолетов 20
1.1.1. Эффективность современных самолетов 20
1.1.2. Оценка значимости массы пустого самолета для выбора облика ЭТХ 26
1.1.3. Требования к аэродинамическому качеству ВС 30
1.1.4. Требования к выбору удельного расхода топлива двигателя ВС 30
1.1.5. Проблема снижения уровня шумов и эмиссии двигателей ВС 31
1.1.6. Особенности обеспечения надежности систем и агрегатов ВС 32
1.1.7. Влияние выбора значения рейсовой скорости (Ур)
на общую технико-экономическую эффективность ВС 33
1.1.8. Особые требования к обеспечение показателей комфорта в самолете для обеспечения конкурентоспособности ВС на мировом рынке авиаперевозок 33
1.2. Современные тенденции и проблемы безопасности полетов гражданской авиации 34
1.2.1. Состояние и динамика показателей безопасности в ГА 34
1.2.2. Анализ авиационных катастроф и происшествий в государствах СНГ за 2000. 2006 гг 38
1.2.3. Недостатки в области обеспечении безопасности полетов в гражданской авиации государств СНГ 40
1.2.4. Основные выявленные причины возникновения авиационных происшествий 42
1.2.5. Значимость проявления человеческого фактора на безопасность полётов 43
1.3. Постановка задачи исследования путём решения проблем выбора оптимального облика ЭТХ 43
1.3.1. Общие проблемы выбора параметров и факторов определяющих облик системы характеристик ВС нового поколения 44
1.3.2. Сравнение особенностей и схем применения методов линейного программирования и векторной оптимизации для выбора параметров сложных систем при заданных целевых функциях 49
1.3.3. Обоснование общей схемы выбора облика характеристик авиационной системы на множестве решений оптимальных по Парето с учётом требований к безопасности систем в пределах диапазона допустимых изменений уровня приемлемого риска 51
1.3.4. Область исследования 53
1.3.5. Методы исследования 53
Выводы-1 54
Глава 2. Исследование влияния критических значений параметров ожидаемых условий эксплуатации гражданских самолетов на безопасность полётов с учетом международных требований (стандартов) 55
2.1. Оценка безопасности сложных систем на основе моделей управления рисками с учётом требований ИКАО 55
2.1.1. Альтернативные направления анализа риска неблагоприятных происшествий и управления безопасностью полетов в гражданской авиации 56
2.1.2. Методология теории системной безопасности 57
2.1.3. Формула определения значимости риска 58
2.1.4. Лётная годность и риски авиапроисшествий 62
2.1.5. Применение матриц оценки рисков 62
2.2. Анализ критических условий взлета-посадки современных самолетов 63
2.2.1. Посадка. Высокие посадочные скорости и массы
конструкции самолетов 63
2.2.2. Определение факторов, влияющих на величину посадочной дистанции в соответствии со стандартами РАА США
и Объединенной Европы 70
сеть РФ 82
2.4. Анализ безопасности полетов при взлете, наборе высоты и пролете препятствий 93
2.4.1. Разработка критических условий взлета-посадки самолетов при отказе одного двигателя 93
2.4.2. Взлет 104
2.4.3. Набор высоты 112
2.5. Проблема пропускной способности воздушного пространства и особенности его использования на этапе эшелонирования 124
2.6. Исследование влияния экстремальных внешних условий Арктики на сохранение летной годности самолетов. Проблемы,
связанные с повреждением двигателей посторонними предметами 134
2.6.1. Система «Оператор-внешняя среда-ВС» 134
2.6.2. Анализ влияния внешней среды на безопасность полётов 137
2.6.3. Модель функций оператора ВС 146
2.6.4. Классификация факторов, влияющих на эксплуатационную надежность самолета 148
2.6.5. Пути повышения эффективности функционирования
системы «Оператор-внешняя среда-ВС» 155
2.6.6. Повреждения двигателей, связанные с попаданием посторонних предметов 160
Выводы-2 164
Глава 3. Методология формирования облика воздушного судна нового поколения с учетом критических ожидаемых условий эксплуатации 165
3.1. Общая методология и алгоритмы многокритериальной оптимизации облика характеристик ВС на основе аксиом
и процедур метода Эджворта-Парето 165
3.1.1. Основные положения и гипотезы методов многокритериальной задачи оптимизации систем с учётом критериев эффективности авиационно-транспортных систем 165
3.1.2. Определение иерархии критериев на фреймовой структуре системы показателей оптимальности модулей облика ЭТХ 167
3.1.3. Обобщённый алгоритм выбора решений по предпочтительному облику ЭТХ 169
3.2. Модель влияния летно-технических и взлетно-посадочных характеристик на безопасность полетов 173
3.2.1. Моделирование профиля полетов ВС классической схемы и самолетов нового поколения 173
3.2.2. Метод снижения риска влияния летно-технических и взлетно-посадочных характеристик на безопасность полетов 185
3.2.3. Моделирование полётов ВС при разработке системы управления рисками на этапах взлёта и посадки 192
3.3. Модель влияния конструкторско-эксплуатационных свойств на безопасность полетов. Корреляционный анализ особо критических условий эксплуатации. Метод управления надежностью '(критерий эффективности) самолета 196
3.3.1. Исследование влияния условий эксплуатации на эффективность функционирования системы «Оператор - Внешняя среда - Воздушное судно» 196
3.3.2. Корреляционный анализ особо критических условий эксплуатации 21
3.4. Оптимизация процесса технической эксплуатации воздушных судов с учетом экстремальных ожидаемых условий 225
3.4.1. Построение модели процесса параметрической оптимизации систем ЭВС 225
3.4.2. Выбор и обоснование эксплуатационных факторов
на основе регрессионного многофакторного анализа 229
3.4.3. Генерация исходной информации к задаче оптимизации 234
3.4.4. Аналитическое представление целевой функции для свойств потока отказов методом группового учета аргументов 239
3.4.5. Многофакторная оптимизация системы методом случайного поиска 247
3.5. Влияние технико-экономических характеристик на безопасность полетов 259
3.6. Влияние совершенства конструкции самолета на экологию 267
3.7. Обликовые характеристики самолетов нового поколения 273
3.8. Достоверность результатов исследования 277
Выводы-3 278
Глава 4. Разработка национальной системы авиационных правил в сфере эксплуатации воздушных судов, регулирующей безопасность полетов с учетом мезвдународных стандартов 279
4.1. Общие требования к нормативно-правовой базе 279
4.1.1. Перспективы гармонизации Европейской и Российской систем НПБ 279
4.1.2. Требования к формулированию правовых норм в типовом Воздушном Кодексе для РФ 282
4.2. Рекомендации эксплуатации гражданских воздушных судов. Коммерческие авиаперевозки с использованием самолетов АП-ЭКС-1 (2004 г.) 283
4.3. Эксплуатация гражданских воздушных судов. Коммерческие авиаперевозки с использованием вертолетов. АП-ЭКС-3 286
4.4. Разработка авиационных правил, регулирующих порядок выдачи лицензий авиационному персоналу 288
4.5. Разработка авиационных правил, регулирующих процессы сохранения летной годности воздушных судов. АП-М и АП-145 290
4.6. Разработка Руководства по производству полетов для авиакомпаний 291
4.7. Новый универсальный критерий количественной оценки уровня безопасности полетов (Критерий ущерба) 293
Выводы-4 301
Глава 5. Реализация результатов исследования 302
5.1. Проект семейства высотных самолетов М-60 303
5.1.1. Аэродинамическое качество самолета ' 303
5.1.2. Прочность самолета М-60 304
5.1.3. Масса конструкции самолета 305
5.2. Надежность систем самолета М-60 312
5.2.1. Управление эксплуатационной надежностью
и безопасностью полетов в условиях Крайнего Севера 313
5.2.2. Формирование программы подконтрольной эксплуатации 317
5.2.3. Разработка рекомендаций по совершенствованию процесса технической эксплуатации в условиях Крайнего Севера 326
5.2.4. Разработка рекомендаций по созданию конструкции систем самолетов нового поколения, устойчивых к влиянию экстремальных воздействий факторов внешней среды 328
5.2.5. Результаты внедрения 328
5.2.6. Оценка масштабов внедрения и перечень актов о внедрении, патентов и авторских свидетельств 331
Выводы-5 349
Заключение 350
Литература
- Требования к аэродинамическому качеству ВС
- Альтернативные направления анализа риска неблагоприятных происшествий и управления безопасностью полетов в гражданской авиации
- Основные положения и гипотезы методов многокритериальной задачи оптимизации систем с учётом критериев эффективности авиационно-транспортных систем
- Рекомендации эксплуатации гражданских воздушных судов. Коммерческие авиаперевозки с использованием самолетов АП-ЭКС-1 (2004 г.)
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение и связанной с повышением эффективности авиационной транспортной системы на основе разработки требований к отечественной промышленности по созданию высокоэффективных самолетов нового поколения. На 36-й Ассамблее ИКАО (сентябрь 2007 г.) мировое авиационное сообщество выделило несколько главных проблем, стоящих перед гражданской авиацией мира:
повышение безопасности полетов в связи негативной тенденцией снижения ее уровня;
снижение степени отрицательного воздействия результатов авиационной деятельности на окружающую среду;
экономические проблемы, связанные с резким повышением цен на авиационное топливо;
обеспечение эффективной и безопасной эксплуатации самолетов в экстремальных условиях (Арктики и Крайнего Севера), обусловленной амбициозными планами освоения Арктических природных богатств пятью государствами (Российская Федерация, Канада, Норвегия, Дания, США).
Широко известны работы ученых, направленные на решение указанных проблем, в частности, следует выделить работы Анодиной Т.Г., Андронова А.М., Барзиловича Е.Ю., Воробьева В.В., Воробьева В.Г., Гузия А.Г., Зубкова Б.В., Ицковича А.А., Кофмана В.Д., Куклева Е.А., Новожилова Г.В., Прокофьева А.И., М. Милде, Мулкиджанова И.К., Сакача Р.В., Смирнова Н.Н., М. Трюмо, Чинючина Ю.М., Шапкина В.С., Шпилева К.Н.
Исследования, выполненные научно-исследовательскими институтами ЦАГИ, ГосНИИ ГА, ЛИИ им. Громова, МГТУ ГА, ГосНИИ «Аэронавигации», ОКБ – разработчиками ВС и др., позволили создать отечественные самолеты нового поколения Ил-96-300, Ту-204, Ан-124-100, Бе-200, Ту-334, Ил-96 М, Ан-148, Ан-74, Ил-76 и др., которые не уступают по ряду эксплуатационно-технических характеристик западным самолетам-аналогам В 767, А-340, В 757, А-320 и др.
Однако, проведенный анализ состояния безопасности полетов в Российской Федерации и государствах СНГ свидетельствует о крайне низком ее уровне. За последние 7 лет в коммерческой гражданской авиации указанных государств произошло 195 авиационных происшествий, в том числе 79 катастроф, в которых погибли 1242 человека.
Кроме того, по результатам системного анализа, проведенного Межгосударственным авиационным комитетом, установлено, что в РФ:
- около 70% авиаперевозок осуществляются на магистральных самолетах 60…70-х годов выпуска, которые не соответствуют современным требованиям по «шумам», «эмиссии», расходам топлива и которые выработали более 70% суммарного назначенного ресурса;
- крайне низкие показатели интенсивности использования самолетов по назначению (в 5 и более раз ниже, чем на зарубежных ВС-аналогах);
- не разработана и не принята значительная часть нормативно-правовых и нормативно-технических правил, гармонизированных с международными стандартами;
- затраты на авиационное топливо в себестоимости авиаперевозок составляют от 40 до 60%;
- система подготовки авиационного персонала требует серьезных преобразований.
Все новые типы западных самолетов В 777, А-340, А-380, В 787 проектируются и строятся по классической схеме, решая вопросы обеспечения требуемой пассажировместимости (500…600 пассажиров) традиционным способом – путем увеличения габаритов фюзеляжа, и увеличивая массу его конструкции (самолет А-380 – более 600 т). Разработчики новой авиационной техники в основном работают над модернизацией серийных типов самолетов.
Начало проектирования любого самолета для нужд ГА связано с созданием первоначального облика будущего типа самолета, базирующегося на необходимости решения проблем, стоящих перед гражданской авиацией.
Как правило, в истории отечественного самолетостроения этот облик формировался головными институтами гражданской авиации (ГосНИИ ГА, ГосНИИ «Аэронавигация», ГП и НИИ Аэропроект) и представлялся в виде технических заданий (ТЗ) ОКБ авиационной промышленности.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является научное обоснование условий и требований по формированию обликовых характеристик гражданских самолетов нового поколения, обеспечивающих их высокоэффективную и безопасную эксплуатацию.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных первостепенных задач:
1. Анализ действующей стратегии формирования облика разрабатываемых отечественных и зарубежных типов самолетов и выбор исследуемых обликовых характеристик.
2. Исследование и обоснование, с учетом международных стандартов, критических параметров ожидаемых условий эксплуатации, обуславливающих облик вновь разрабатываемых типов самолетов.
3. Разработка метода снижения риска при производстве полетов в экстремальных условиях.
4. Исследование и разработка метода управления надежностью систем и оборудования самолетов, эксплуатируемых в экстремальных условиях.
5. Разработка математической модели оптимизации процесса технической эксплуатации самолетов.
6. Разработка методологических основ формирования облика перспективных типов самолетов с учетом критических ожидаемых условий эксплуатации.
7. Разработка универсального критерия оценки уровня безопасности полетов.
8. Разработка системы гармонизированных с международными требованиями авиационных правил национального регулирования в условиях массовой эксплуатации самолетов нового поколения.
9. Апробация и внедрение результатов исследования в теорию и практику эксплуатации серийных, вновь создаваемых и перспективных типов самолетов.
Научная новизна результатов диссертационного исследования заключается в том, что впервые:
1. Проведен выбор и обоснован состав обликовых характеристик вновь создаваемых типов самолетов с учетом повышенных требований по обеспечению эффективности их эксплуатации и безопасности полетов.
2. Научно обоснована минимально необходимая и достаточная совокупность критических параметров ожидаемых условий эксплуатации, учитываемых при формировании облика новых типов самолетов.
3. Разработана методология формирования облика вновь создаваемого типа самолета, основанная на предложенных в работе методах:
управления надежностью систем и оборудования самолетов, эксплуатируемых в экстремальных условиях (Арктика, Крайний Север, Сибирь), построенного по результатам корреляционного анализа влияния критических эксплуатационных факторов на изменение технического состояния авиационной техники;
снижения риска возникновения происшествия при производстве полетов в экстремальных условиях, достигаемого за счет совершенствования конструктивно-технологических свойств самолетов и всей инфраструктуры системы эксплуатации;
оценки уровня безопасности полетов, проводимой с использованием нового универсального критерия («критерия ущерба»), обеспечивающего максимальную объективность анализа безопасности полетов;
оптимизации процесса технической эксплуатации самолетов по критериям эффективности с учетом экстремальных условий эксплуатации с аналитическим представлением целевой функции методом группового учета аргументов на основе регрессионного многофакторного анализа.
4. Проведена сравнительная технико-экономическая оценка эффективности серийных и перспективных типов гражданских самолетов.
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносится методология формирования обликовых эксплуатационно-технических характеристик высокоэффективных самолетов нового поколения, которая включает следующие основные теоретические модели, методы и научно-практические положения:
структурно-логическая схема обоснования исследуемых обликовых характеристик вновь создаваемых и перспективных типов гражданских самолетов и критических параметров ожидаемых условий их эксплуатации;
метод снижения риска катастрофической ситуации при производстве полетов в экстремальных условиях;
метод управления надежностью систем и оборудования самолетов с учетом экстремальных эксплуатационных условий;
математическая модель оптимизации процесса технической эксплуатации самолетов;
универсальный критерий оценки уровня безопасности полетов;
механизм построения системы авиационных правил государственного регулирования безопасности полетов.
Практическая ценность работы состоит в том, что ее теоретические положения и научно-практические результаты позволяют:
разрабатывать научно обоснованные технические требования к обликовым характеристикам гражданских самолетов нового поколения, обладающим как конструктивно-технологическим совершенством, так и повышенными параметрами технико-экономической эффективности эксплуатации и безопасности полетов;
разрабатывать рекомендации по производству полетов в экстремальных условиях, обеспечивающих минимальные риски;
совершенствовать механизмы управления надежностью систем и оборудования самолетов с учетом их эксплуатации в экстремальных (прежде всего, климатических) условиях;
разрабатывать комплексы авиационных правил, гармонизированных с международными стандартами, обеспечивающих регулирование, надзор и контроль авиационной деятельности эксплуатантов.
проводить объективную оценку уровня безопасности полетов самолетов на основе нового универсального экономического критерия;
ставить и решать конкретные задачи управления эффективностью авиатранспортной системы на основе оптимизации процесса технической эксплуатации в целом серийной и перспективной авиационной техники.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы внедрены:
в форме Патента (рег. № 49560 от 19.04.2000 г. в Госреестре промышленных образцов РФ) на новое семейство самолетов М-60;
в виде положений Государственной Программы обеспечения безопасности полетов воздушных судов гражданской авиации, утвержденной Распоряжением Правительства РФ от 6 мая 2008 г. № 641-р;
в Программах подготовки инспекторов по безопасности полетов, утв. IFFAS ICAO на период 2006…2008 гг., проводимой в рамках Межгосударственного авиационного комитета для руководителей Авиационных администраций и ведущих специалистов стран – членов СНГ, в том числе и РФ;
в Рекомендациях:
-
для ОКБ им. А. Туполева при конструировании и доработках элементов топливной и гидравлической систем, электрооборудования и ПНК самолета Ту-204;
-
для ОКБ им. Антонова при конструировании и доработках функциональных систем и эксплуатационной документации по самолету Ан-74 для летно-технической эксплуатации в зонах Арктики и Антарктики;
-
для Харьковского АПО при обосновании нормативов на ЗИПы самолетов Ту-134А, эксплуатируемых в районах Крайнего Севера.
Материалы диссертации были представлены и обсуждались на:
Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы исследований перспектив развития гражданской авиации» (Москва, ГосНИИ ГА, 1982 г.);
Всесоюзной научно-технической конференции, посвященной 60-летию Аэрофлота, «Проблемы повышения эффективности воздушного транспорта в народном хозяйстве» (Москва, МИИ ГА, 1983 г.);
Научно-технической конференции по итогам НИР за 1982 г. (Архангельск, АЛТИ, 1982 г.);
Научно-технических семинарах кафедры «Технической эксплуатации ЛА и АД» (Москва, МИИ ГА, 1985…1987 гг.)
Всесоюзная научно-техническая конференция «Проблемы совершенствования ПТЭ авиационной техники, инженерно-авиационного обеспечения полетов в условиях научно-технического прогресса» (Москва, МИИ ГА, 1988 г.);
33-й Сессии Ассамблеи ИКАО (Канада, Монреаль, ИКАО, 2001г.);
35-й Сессии Ассамблеи ИКАО (Канада, Монреаль, ИКАО, 2004г.);
Международном семинаре ИКАО по техническим проектам COSCAP (Турция, Стамбул, ИКАО, 2003 г.);
Международном семинаре ИКАО по развитию проектов оказания помощи государствам (Египет, Каир, ИКАО, 2005 г.);
22-м Международном симпозиуме по человеческому фактору (Москва, МАК, 2006 г.);
Конференции Генеральных директоров гражданской авиации по глобальному контролю уровня безопасности полетов (Канада, Монреаль, ИКАО, 2006 г.);
Всероссийской научно-технической конференции «VIII научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского» (Москва, ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2007 г.);
36-й Сессии Ассамблеи ИКАО (Канада, Монреаль, ИКАО, 2007г.);
Первом Ближневосточном авиационном саммите по безопасности полетов (ОАЭ, Абу-Даби, 2008 г.);
Международной научно-технической конференции, посвященной 85-летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008);
ежегодных заседаниях Совета по авиации и использованию воздушного пространства государств-участников Соглашения в Межгосударственном авиационном комитете с 2001 по 2007 гг. и научно-практических семинарах и курсах по безопасности полетов (Москва), в Республике Казахстан (Алма-Ата), Азербайджанской Республике (Баку), Киргизской Республике (Бишкек).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 60 печатных работ, в том числе 10 печатных работ в изданиях, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций, 10 изданий ИКАО (русская и английская версии) и международного журнала Flight International (английская версия); автор работы является соавтором патента и авторского свидетельства на изобретение.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы.
Требования к аэродинамическому качеству ВС
Увеличение рейсовой скорости ведет к увеличению часовой производительности (й км х V км/час), но до определенного предела. С какого-то момента с увеличением Ур растут скорости взлета и посадки, длина взлетно- посадочной полосы, возрастает время маневра в воздухе в районе аэродрома, увеличивается радиус разворота, увеличивается тем самым расход топлива, усложняется пилотирование, усложняется и утяжеляется взлетно-посадочная механизация, резко снижается безопасность при взлете и посадке.
До 80% всех аварий совершается именно на этих режимах. При увеличении Увзл. возрастают ограничения по взлету из-за метеоусловий. В результате понижается регулярность и прибыльность полетов. Все это привело в последние годы к тенденции небольшого снижения рейсовой скорости с 950 до 800 км/час [10]. Требования по увеличения комфорта выходят в наши дня на передовые рубежи. Здесь должен быть разумный компромисс между тенденцией к росту уровня требований комфорта и стремлением к повышению экономической эффективности.
Любое удовлетворение требований комфорта приводит к увеличению массы пустого самолета, но в то же время делает самолет более привлекательным для пассажиров, что приводит к росту пассажирозагрузки и к повышению экономической эффективности в эксплуатации.
Характеристиками, определяющими комфортабельность пассажирских мест, являются ширина кресел, шаг их установки, количество воздуха, приходящего на 1 пассажира, свежий воздух, хорошее питание и т.д. Все это снижает степень использования объема фюзеляжа, увеличивает его диаметр, вредное сопротивление, потребную тягу двигателя, расход топлива и, в результате, растет масса пустого самолета и уменьшается экономическая эффективность [99, 203]. Возник барьер комфортабельности.
На рисунке 7 представлена негативная тенденция, возникшая в последние годы, которая характеризуется возрастающим количеством авиационных происшествий на сто тысяч посадок [165, 166, 168, 169, 170, 171, 172]. С 2006 года в ИКАО введено новое Руководство 9859 (РУБП) и поправка 30 к Приложению 6 Чикагской конвенции о гражданской авиации [136]. Разработана система управлению безопасностью полетов (SMS), которая охватывает все составляющие авиационной транспортной системы, кроме развития ВС.
Обеспечение безопасности и надежности авиасообщений признается важнейшей приоритетной задачей для всех государств - участников СНГ [9].
Как свидетельствует международная статистика, ГА является одним из самых безопасных видов транспорта. Однако специфика развития ГА в государствах - участниках СНГ, устойчивый рост объемов перевозок и налета часов
ВС в последние годы в условиях стареющего парка и сохраняющегося в целом значительного числа эксплуатантов не позволяют считать проблему безопасности полетов полностью решенной.
Состояние уровня безопасности полетов принято оценивать дифференцированно, в зависимости от характера полетов, парка ВС и условий их эксплуатации: - регулярные полеты по внутренним и между народным воздушным линиям на тяжелых самолетах; - нерегулярные (чартерные) перевозки грузов и пассажиров на тяжелых самолетах; - перевозки и работы на легких самолетах и вертолетах, используемых в различных отраслях экономики.
Наибольшая аварийность наблюдается в небольших авиакомпаниях и в сфере нерегулярных перевозок, а также в работе по обслуживанию отраслей народного хозяйства.
Динамика абсолютных и относительных показателей аварийности в государствах - участниках СНГ представлена в таблице 1 и на рисунке 8.
Важно подчеркнуть, что, несмотря на известные экономические трудности, в последнее время удается обеспечить высокий уровень безопасности полетов благодаря ужесточению сертификационных требований к авиакомпаниям, оснащению ВС современным оборудованием обеспечения безопасности полетов (системы предотвращения столкновения с землей, предотвращения столкновения в воздухе, точной навигации), некоторому увеличению бюджет ного финансирования расходов на расследование и предотвращение авиацион ных происшествий и инцидентов.
При выполнении регулярных пассажирских перевозок на магистральных авиалиниях катастроф в 2002...2003 годах не зафиксировано.
Однако итоги деятельности ГА государств - участников СНГ в 2006 году в целом свидетельствуют об ухудшении состояния безопасности полетов в ряде государств по сравнению с 2005 годом. При всех видах авиационных перевозок и работ в 1,3 раза возросло количество авиационных происшествий и катастроф (в 2006 году - 33 авиационных происшествия, из них 17 катастроф, в 2005 году - 25 и 13 соответственно), значительно, в 4,6 раза, увеличилось количество погибших в катастрофах людей (в 2006 году - 466 человек, в 2005 году - 101 человек).
Определяющую роль в ухудшении безопасности полетов сыграли катает- рофы тяжелых транспортных самолетов А-320 в мае, А-310 в июле и Ту-154 в августе 2006 года, в которых погибли 408 человек.
Для сравнения уровней безопасности полетов при регулярных и нерегулярных перевозках самолетами 1 - 3 классов на рисунках 9 и 10 представлена динамика относительных показателей аварийности (число авиационных происшествий и катастроф на 100 тыс. ч налета) по этим видам перевозок в ГА государств - участников СНГ за длительный период эксплуатации [9, 107, 108].
Несмотря на сохранение наметившейся за последнее время (за исключением 2006 года) положительной тенденции к снижению аварийности при регулярных перевозках, в сфере нерегулярных перевозок достигнутый уровень безопасности полетов все еще низок: относительные показатели аварийности по авиационным происшествиям и катастрофам превышают аналогичные показатели при регулярных перевозках.
Катастрофы в сфере регулярных перевозок в 2006 году и беспрецедентное число жертв нарушили устойчивую положительную тенденцию последних лет, характеризовавшуюся довольно высоким уровнем безопасности полетов в этой сфере деятельности.
Характерной особенностью авиационных происшествий при нерегулярных перевозках за последние годы является то, что большинство из них произошло при выполнении международных чартерных рейсов. Так, в 2000...2006 годах из 36 авиационных происшествий на нерегулярных линиях значительная часть произошла за пределами государств - участников СНГ.
Альтернативные направления анализа риска неблагоприятных происшествий и управления безопасностью полетов в гражданской авиации
В основу положены модели рисков, разработанные в ИПУ РАН и ВЦ РАН, авторами H.A. Северцевым (Москва, ВЦ РАН), Е.А. Куклевым ( СПб государственный университет граэ/сданской авиации) и Г.Н. Гипичем («Авиатех- приемка») [21, 66].
При этом применена формула трехмерной оценки интегральной значимости величины риска, предложенная профессором Куклевым Е.А. [88] в связи с изучением редких событий типа катастроф, когда возможный или фактический ущерб от авиапроисшествий в ГА существенно превышает приемлемые уровни и значений ущерба и не соответствует приемлемому риску.
Рассматриваемый подход позволил автору настоящей диссертации обосновать введение нового критерия оценки риска, который был признан в ИКАО [136], и нашел применение в представленных диссертационных исследованиях при разработке методологии определения облика ЭТХ перспективных самолетов нового поколения. Разработанный автором подход и результаты, выносимые на защиту, были одобрены в ВЦ РАН [21] (в отделе системной безопасности - рук. Северцев H.A., а также получили поддержку со стороны Каштанова В.А.).
Основные альтернативные направления, получившие признание в ГА, следующие: Вероятностный и статистический анализ безопасности систем (БС) с помощью методов теории надежности (ТН) на основе положении типа "Если надежно, то безопасно " и понятия "Лётная годность"— в гражданской авиации. Анализ безопасности систем как состояния в дискретном вероятностном пространстве путем сравнения потенциальных (расчётных рисков) с "приемлемым риском" возникновения авиапроисшествий.
«Безопасность» в теории системной безопасности [136], согласно международному стандарту ISO-8402 [41], - понятие, обозначающее "состояние", в котором учтены характеристики источников угроз, "вызовов", поражающих воздействий и т.п.
Концепция безопасности обеспечения безопасности техногенных комплексов, согласно ИКАО, базируется на следующих положениях и принципах:
Положение 1. Функционирование систем обеспечения безопасности полетов (Flight Safety) составляют две подсистемы: "Аудит", отражающий мониторинг результатов управления рисками SMS - типа системы управления безопасностью полетов путем управления рисками.
Положение 2. Возможные уровни безопасного и устойчивого функционирования эргатического авиационного комплекса выбираются на основе прогнозирования уровней возможных значимых последствий, вреда и ущерба с использованием прогнозных сценариев попадания систем в критические (опасные) состояния полета.
Из положения 1 вытекает необходимость совершенствования системы государственного регулирования деятельностью в гражданской авиации на основе критерия обеспечения заданного уровня безопасности.
Решение этой проблемы связано с изменениям нормативно-правовой базы (НПБ) и корректировкой федеральных авиационных правил (ФАЛ) [194196]. С формулированный вопрос решается в главе 5 диссертации.
Положение 2 устанавливает определенные критерии и способы оценивания рисков и уровней безопасности полетов, которые должны быть введены в множество параметров, определяющих облик ЭТХ перспективных ВС ГА РФ и АТС в целом.
Сущность изложенной схемы базируется на методологии системной безопасности (по РАН [21, 66]).
Базовые позиции системной безопасности, разрабатываемые в РАН, позволяют определять требования к облику ЭТХ перспективных ВС и АТС через определение значимости рисков возникновения катастрофических событий. Это оправдано тем, что главной характеристикой совершенства системы обеспечения безопасности является малое число катастроф, приведенное к нормирующим множителям - к числу часов «полета» - к 106 ч или к 105 часам, к числу взлетов и посадок Н,, например кЫп=1 млн.
Если приводить этот показатель к вероятностным величинам, то это будет определять маловероятные, редкие события, т.е. катастрофы, значение которых почти нулевые.
Это утверждение отражено в методологии системной безопасности при оценке значимости рисков. Это обстоятельство было учтено в главе 4 при раз- работке нового критерия, базирующегося на оценке ущербов.
В первом приближении можно ограничиться изучением риска возникновения таких катастрофических явлений, как аварии или серьёзные инциденты и происшествия, связанные с разрушением транспортных средств (воздушных судов - ВС), путей, причалов, аэропортов и т.п. с нанесением вреда или ущерба людям (пассажирам, операторам ТС, обслуживающему персоналу или случайным лицам).
При этом модели рисков предлагается строить в рамках некоторой аксиоматики, положения которой были даны в ряде работ ИПУ РАН, ВЦ РАН (им. академика Дородницына A.A. [21]), СПб. ГУГА [66] и др.
На этом основании понятие риска" можно трактовать как некоторую интегральную характеристику или меру количестве опасности. При этом с помощью величины (уровня, цены) "риска" удается измерять необходимые показатели безопасности или опасности через некоторые другие показатели более низкого системного уровня.
Здесь перспективными представляются классификатор рисков РАН и формула 3-х мерной оценки значимости уровня риска.
Основные положения и гипотезы методов многокритериальной задачи оптимизации систем с учётом критериев эффективности авиационно-транспортных систем
Основные понятия, структура системы и процесса технической эксплуатации (ПТЭ) даны в работах [187, 188].
Самолет представляет собой комплекс однооперационных и многооперационных элементов, которые обеспечивают нормальное функционирование всей системы в целом. Наличие разнородных элементов, сложный характер связей между отдельными элементами позволяют отнести самолет к классу сложных технических систем [24, 102, 111, 189].
Самолет обладает структурной, энергетической, функциональной и временной избыточностью. Структурная избыточность вызвана особенностями отдельных систем, способных при отказе сложных подсистем компенсировать их за счет своей избыточности. Например, отказ одного двигателя самолета Ту- 134, компенсируется за счет работоспособности другого. Временная избыточность [87] представляет собой условное название метода обеспечения нормального функционирования систем (выполняющих определенные функции) в условиях воздействия внешних возмущений путем назначения и использования избыточного времени работы.
Методология исследования сложных систем изложена в работе Н.П. Бус- ленко [24].
Для исследования самолета целесообразно разделить по конструктивному признаку на подсистемы. Отдельные подсистемы можно в свою очередь разделить на элементы - подсистемы, не подлежащие дальнейшему разбиению. Структурная схема построения самолета как сложной технической системы представлена на рисунке 67. Глубина деления определяется задачами исследования. К подсистемам 2-го уровня самолета относятся основные системы функционирования: силовая установка, гидравлическая система, масляная, топливная и др. К подсистемам 3-го уровня относятся многооперационные подсистемы основного и дублирующего назначения: основная и бустерная подсистемы гидравлической системы и др. К подсистемам 4-го уровня относятся многооперационные агрегаты и оборудование систем самолета: насосы-регуляторы, авиагоризонты и другое спецоборудование систем самолета. К подсистемам 5- го уровня относятся узлы агрегатов и оборудования самолета: сервомеханизм насоса-регулятора, автопилот, лентопротяжный механизм МСРП-12 и др. К подсистемам 6-го уровня относятся детали узлов агрегатов и оборудования: трубопроводы, элементы радиооборудования, термопары и т.д.
Таким образом, самолет можно рассматривать как сложную шестиуровневую иерархическую систему (рисунок 67), объединяющую подсистемы различных конструктивных уровней.
Объектом исследования настоящей работы является система «Оператор - внешняя среда — ВС» и ПТЭ АТС. Число рассматриваемых конструктивных уровней самолета ограничено 4-мя верхними. Вся информация, сконцентрированная по нижним уровням системы, учитывается в обобщенном виде.
Качество функционирования системы оценивается показателями эффективности выполнения системой поставленных задач. Под показателем эффективности сложной системы понимают [46, 120, 203] количественную характеристику системы, которая оценивает степень ее приспособленности и полноту выполнения поставленных перед нею задач. Иерархическая структура показателей эффективности для различных уровней представлена в работах [44, 45, 105, 188].
Одним из наиболее важных факторов, оказывающих влияние на эффективность функционирования сложных систем можно объединить в следующие группы: - применение более надежных элементов системы; - введение различных видов избыточности; - повышение эффективности технического обслуживания и ремонта; - улучшение условий эксплуатации.
Конкретные мероприятия, которые включают в себя рассмотренные методы, показаны на рисунке 68.
Остановимся на методах 3 и 4 групп, касающихся непосредственно эксплуатации самолета.
3- я группа включает в себя ряд общеизвестных мероприятий: обеспечение нормальных режимов работы самолета; оптимизация режимов и периодичности технического обслуживания (ТО); обеспечение качества системы технического обслуживания и ремонта самолета; диагностика и встроенный контроль.
4- я группа включает: определение зон эксплуатации системы; ограничения нагрузочных режимов.
Задачей является повышение эффективности эксплуатации самолетов гражданской авиации методами 3 и 4 групп для созданных самолетов и 1 и 2 групп для создаваемых самолетов.
Рекомендации эксплуатации гражданских воздушных судов. Коммерческие авиаперевозки с использованием самолетов АП-ЭКС-1 (2004 г.)
Для исследования потоков климатических факторов целесообразно выделить три зоны; 1 - зона устойчивых отрицательных температур; 2 - зона устойчивых положительных температур; 3 - зона переходного термического режима.
Зона устойчивых отрицательных температур охватывает часть календарного года со среднемесячным термическим режимом ниже - 5С. Данная точка выбрана таким образом, что, исходя из массива статистических данных по рассматриваемой зоне, характерными являются воздушные потоки с устойчивыми отрицательными температурами. В этой зоне система «Оператор - Внешняя среда - ВС» испытывает влияние сложного фактора - низкой отрицательной температуры, влажности и ветра. В отдельные дни температурные потоки достигают значения Г/, - 40С
Зона устойчивых положительных температур, определяющая условия, близкие к нормальным, охватывает часть календарного года со среднемесячными термическими режимами выше +5С.
Точка +5С является критической для принятия решения о подготовке к использованию самолета по назначению (требуется дополнительный подогрев от наземных источников энергии).
Зона переходного термического режима характеризуется неустойчивым термическим режимом, интенсивной суточной вариацией влажности. Действие метеорологических факторов на систему определяется совокупностью высокой влажности, знакопеременным термическим режимом и ветром с высокими значениями скорости.
В отдельные дни перепады относительной влажности составляют А с;; =(40...45)%.
Если рассмотреть характер распределения зон в различных точках Крайнего Севера, начиная с запада на восток по побережью морей Ледовитого океана (рисунок 85), то необходимо отметить тенденцию трансформации в сторону увеличения по времени зоны устойчивых отрицательных температур (присвоим ей индекс I) и уменьшения зоны устойчивости положительных температур (присвоим ей индекс П). Самая неустойчивая по внешним факторам переходная зона (присвоим ей индекс III) расширяется и, фактически, начиная с Северовосточной части Баренцева моря, на систему воздействуют внешние факторы I и III зоны.
Анализируя тесноту связи внешних факторов, необходимо отметить тесную положительную связь температуры и влажности наружного воздуха в I термической зоне (rtc=0,575...0,643). В переходной III зоне теснота связи исследуемых признаков несколько слабеет (г(с=0,282...0,357). Во II термической зоне эта связь слабая (г/с=,864... 0,879). Исследование многолетних данных для различных территорий Крайнего Севера показали закономерность связи параметров температуры и влажности, что подтверждает результаты, полученные ранее в трудах: Кобышевой Н.В., Завьяловой И.Н., Прик З.М. [60, 61, 75, 76, 118, 119]. Распределение потоков относительной влажности и связь ее с температурой приведена на рисунке 86. Приведенные гистограммы распределения показывают устойчивую тенденцию к снижению параметров потока влажности при снижении отрицательных значений потока температур.Изменение потока значений влажности в зависимости от изменения потока температур аппроксимировались уравнениями регрессии. Для примера были выбраны зоны а/п Мурманск (влажная зона) и о. Средний (сухая зона). Для о. Средний и архипелага Седова эти уравнения корреляции выглядят следующим образом: у = 1,5447 - 152415 - для I термической зоны, при этом коэффициент корреляции г1с= 0,7262595; у = 0,5449199х- 53,7902 - для III термической зоны, при этом коэффициент корреляции г1с = 0,619738.
В таблице 11 приведены результаты одновременного анализа потоков температуры и влажности. В качестве критерия оценки на соответствие нормальному закону распределения использовались критерии Пирсона, Романовского, Ястремского, Бернштейна, Колмогорова, Мизеса-Смирнова. Одномерный анализ каждого рассматриваемого климатического фактора показывает, что температура и влажность с вероятностью Р — 0,5 соответствует нормальному закону распределения в I и II термических зонах с потоками, имеющими стабильные значения температурно-влажностных характеристик. В то же время в III переходной термической зоне вероятность распределения потоков по нормальному закону приближается к 0. В дальнейшем примем допущения, что распределение потоков внешних факторов соответствует нормальному закону. Рассматривая давление наружного воздуха, необходимо отметить слабую корреляционную связь между температурой, давлением и влажностью [г1р)-0,\2...гср =0,084. В отдельные годы по термическим зонам имеются «выбросы» коэффициентов корреляции гср, г{р до 0,4 [149].
Среди основных факторов, присущих Крайнему Северу, необходимо также выделить скорость ветра, который по определению Прик З.М. накладывает дополнительную «жесткость» климатического воздействия. На рис. 83 приведены суточные изменения скорости ветра по термическим зонам, при этом максимальные значения скоростей воздушных масс наблюдаются в III переходном периоде.
Далее рассмотрим влияние климатических факторов на уровень надежности самолета с учетом выделенных выше термических зон и групп событий.
В таблице 12 приведены данные корреляционного анализа влияния факторов внешней среды на надежность функционирования самолета (агрегатов ряда функциональных систем самолета Ту-134).
