Содержание к диссертации
Введение
1 Методы оценки уровня безопасности полетов 21
1.1 Основные принципы и методы оценки безопасности полетов 21
2. Выбор объекта исследования для решения задачи определения уровня безопасности функционирования АТС в условиях воздействия различных групп факторов 38
2.1 Структура авиационной транспортной системы 38
2.2 Анализ факторов, влияющих на безопасность полетов 41
2.3 Авиационное происшествие как сложное событие 53
2.4 Подсистема «Экипаж - Воздушное судно - Среда» 62
3 Метод оценки уровня безопасности полетов 67
3.1 Выбор метода исследования 67
3.2 Математическая модель состояния системы «Экипаж - Воздушное судно - Среда» 76
3.3 Методы решения задачи Коши для системы «Экипаж - Воздушное судно - Среда» 80
4 Примеры решения частных задач 85
4.1 Определение времени очередного регламентного мероприятия 85
4.2. Установление соответствия фактического уровня безопасности полета заданному при изменяющемся уровне надежности авиадвигателей 91
4.3. Учет человеческого фактора при парировании единичного отказа 103
4.4. Метод определения предельных допустимых интенсивностей перехода системы из состояния в состояние 112
5. Разработка требований к системе информационного обеспечения процедур поддержания летной годности и безопасности полетов воздушных судов и авиадвигателей гражданской авиации и определение структуры ее построения 120
5.1. Определение цели создания новой системы информационного обеспечения на основе анализа проблем и особенностей информационного обеспечения процедур поддержания летной годности и безопасности полетов в отрасли 120
5.2. Формирование требований к создаваемой системе информационного обеспечения процедур поддержания летной годности и безопасности полетов воздушных судов и авиадвигателей 129
5.3. Структура построения разрабатываемой Системы 139
5.4. Схема взаимодействия между участниками (абонентами) разрабатываемой Системы 146
Заключение 163
Используемые источники 167
Приложение-1 174
Приложение-2 188
Приложение-3 197
Приложение-4 223
- Основные принципы и методы оценки безопасности полетов
- Авиационное происшествие как сложное событие
- Установление соответствия фактического уровня безопасности полета заданному при изменяющемся уровне надежности авиадвигателей
- Схема взаимодействия между участниками (абонентами) разрабатываемой Системы
Основные принципы и методы оценки безопасности полетов
Одной из задач обеспечения безопасности полетов является ее оценка в процессе проектирования, испытаний и эксплуатации воздушного судна.
Оценка уровня безопасности полетов производится с использованием показателей безопасности полетов (критериев). Показатели безопасности являются индикаторами состояния авиационной системы и используются для оценки эффективности деятельности авиапредприятий и отрасли в целом, поэтому к ним предъявляются специальные требования. Показатели БП должны обладать необходимой чувствительностью, т. е. способностью реагировать на изменение состояния по безопасности полетов, высокой избирательностью, т. е. способностью выявлять те процессы изменения в авиационной системе, которые влияют на БП.
Для оценки БП используют качественные и количественные показатели (рис. 1.1).
Качественная оценка безопасности полетов. Основывается на проведении анализа, основной целью которого является выявление факторов по большому числу экспериментальных данных случайных величин. Факторы должны быть по возможности простыми и достаточно точно описывать и объяснять наблюдаемые величины. Исходной предпосылкой анализа является наличие взаимосвязи между несколькими одновременно наблюдаемыми величинами. Как правило, факторы непосредственному измерению не поддаются и определяются только в результате анализа. Факторный анализ позволяет получить структуру, взаимосвязи случайных величин и факторов, не задаваясь заранее этой структурой [34].
Количественная оценка безопасности полетов. Для оценки БП и выявления ее зависимости от свойств АТС используются статистические и вероятностные критерии. Получение их основывается на математической статистике с использованием большого объема информации.
Статистические критерии основываются на статистических данных об АП и предпосылках к АП. Это единственно объективные показатели БП (при условии достоверно собранной информации), хотя они не позволяют давать прогнозы на будущее, так как получаются по статистическим данным свершившихся событий определенных типов ВС, находящихся в эксплуатации. Однако, они позволяют получать интегральную оценку уровня безопасности с учетом всего спектра причин АП. Эти критерии констатируют состояние БП, но не указывают пути ее повышения. Считается, что статистические критерии БП достигают устойчивого среднего значения примерно к первым 5 млн. ч налета как применительно ко всему парку ВС, так и к каждому конкретному типу, поэтому на начальной стадии эксплуатации обладают низким уровнем достоверности [23].
Все статистические критерии делятся на абсолютные и относительные. Из абсолютных критериев можно назвать количество катастроф или смертных случаев за определенный период времени, например за год. Они характеризуют только общее состояние безопасности полетов в ГА.
Из относительных критериев на практике используются следующие [3,4,10,16,23,34]:
количество АП на 100 тыс. Посадок (полетов), на 100 тыс. ч налета, 100 тыс. км налета соответственно:
Q" (Л = 1.ю5; (1.1)
0.(О = 1О5; (1.2)
#.(0 = -ю5, (1-3) где t - рассматриваемый период времени;
ПАП (0 - количество авиационных происшествий;
Nn (t) - общее число посадок (полетов);
Т (t) - общий налет парка ВС;
Z (t) - общее число километров налета;
количество погибших пассажиров на 1 млн. перевезенных, на 100 млн. пасс-км соответственно:
g"(0= Ш -106 ; (1.4)
QL(t) = %-lO\ (1.5)
где m (t) - количество погибших пассажиров;
NnAC (t) - общее число перевезенных пассажиров;
Ln (t) - общее число выполненных пассажиро-километров.
Часто в качестве относительных критериев используют величины, обратные приведенным, - средний налет на одно АП и налет на одну катастрофу:
Т1 АП _ Tit) .ПАП
Т T(t)пк (1.6)
(1.7) где % - количество катастроф за рассматриваемый период.
Могут быть и другие показатели, например, оценивающие частоты возникновения инцидентов или характеризующие опасность отдельных причин, групп причин, этапов полета. Они тоже могут быть и абсолютными и относительными.
Вероятностные критерии по своей сущности отражают процесс представления катастроф как случайных событий. В качестве вероятностного показателя БП принимают значение Q - вероятность возникновения пк катастроф в N полетах, либо Р - вероятность благополучного исхода полета. При разработке вероятностных критериев применительно к отдельному полету ВС принимаются следующие допущения[34]:
все неблагоприятные факторы составляют полную группу независимых несовместных событий;
события парирования воздействий неблагоприятных факторов являются независимыми.
Причиной большинства АП является воздействие на систему «Экипаж - ВС» трех неблагоприятных факторов:
отказов техники;
ошибочных действий личного состава;
неблагоприятных внешних воздействий.
При этом полет завершится благополучно, если ни одна из групп факторов или их сочетаний не приведет к АП. Учитывая ранее принятые допущения, вероятность благополучного исхода полета будет:
Г Гт Гд гс ,
(1.8) где Рт- вероятность безотказной работы техники;
Рл - вероятность безошибочных действий экипажа;
Рс - вероятность не возникновения неблагоприятных внешних воздействий за время полета.
Влияние каждой из этих групп факторов на БП оценивается частными аналитическими критериями.
Частный критерий благополучного исхода полета Рт определяется вероятностью события, состоящего в том, что техника не отказала, а если отказы произошли, то экипаж парировал их последствия:
4=1Ж+ 7гЛ,), (1.9)
где РТІ и qTi - вероятности соответственно благополучного и неблагополучного исходов в случае і-го отказа техники; ГТІ - условная вероятность парирования в полете і-го отказа; п - число отказов.
Аналогично представляются и остальные члены уравнения (1.8), очевидно, что нет смысла их здесь представлять.
Воспользоваться общим критерием БП (1.8) практически очень трудно, если даже не сказать - невозможно. Связано это с тем, что определить причины АП очень сложно, поскольку «чистых» причин без взаимосвязей не бывает. Несколько иначе решается вопрос о математической интерпретации критерия безопасности выполнения множества N полетов.
Современный уровень БП таков, что всегда является справедливым условие Q«l, т. е. АП являются событиями редкими и независимыми. Следовательно, принимается, что они подчиняются распределению Пуассона. Тогда вероятность того, что в полетах произойдет пдп АП
Авиационное происшествие как сложное событие
АП происходит, как правило, в результате возникновения в полете нескольких неблагоприятных факторов, последовательно во времени усложняющих ситуацию и приводящих, в конечном счете, к потере ВС с гибелью или без гибели людей, т. е. к АП с человеческими жертвами или к АП без человеческих жертв. Так, по статистическим данным [16] за 1960 — 1970 гг. относительное число АП в военной авиации США по числу неблагоприятных факторов, их вызвавших, распределилось следующим образом:
1 фактор — 28 %;
2 фактора — 28 %;
3 фактора — 24 %;
4 фактора — 11%;
5-7 факторов — 9 % .
Из приведенных данных следует, что около 70 % АП обусловлены возникновением в полете совокупности неблагоприятных факторов. Те же количественные соотношения наблюдаются и в гражданской авиации. Таким образом, АП в большинстве своем событие сложное, чаще всего оно возникает не по простейшей схеме: причина — следствие, а является замыкающим событием в цепочке причинно-следственных связей, приводящих к АП.
Прослеживая эти связи, можно выделить следующие категории причин АП:
главные;
непосредственные;
сопутствующие (способствующие).
Главная — это причина, которая создает потенциальную возможность для возникновения АП. Непосредственные и способствующие — это причины, которые создают реальные условия для превращения возможности в действительность. Непосредственной, как это следует из самого названия, является причина, вызвавшая АП. Обычно она — следствие главной причины.
Приведем пример, иллюстрирующий АП как сложное событие с выявлением всех категорий причин [16]. В апреле 1979 г. потерпел аварию Боинг - 727. Как показали исследования, авария произошла из-за самопроизвольного выпуска в полете предкрылка, в результате чего возник большой кренящий момент. Парирование крена затруднялось ограниченным отклонением элеронов из-за попадания болта в систему управления элеронов. Болт, являющийся элементом конструкции проводки управления, был, очевидно, оборван ранее, до происшествия, однако он не мешал управлению при нормальной работе предкрылков. Детальный анализ места повреждения позволил установить, что самопроизвольный выход предкрылка был обусловлен усталостной трещиной крепежного болта. В сложившейся ситуации энергичные многократные попытки экипажа восстановить управляемый полет помогли предотвратить катастрофу.
Из обстоятельств данного АП следует, что главной причиной его является недостаточная усталостная прочность крепежного болта предкрылка, непосредственной причиной — самопроизвольный выход предкрылка, приведший к большому кренящему моменту, и сопутствующей причиной — наличие постороннего предмета в системе управления элеронами, что привело к ограничению их подвижности и, следовательно, к затруднению Парирования кренящего момента.
Последовательное усложнение ситуации в полете вследствие воздействия нескольких факторов можно представить принятой в авиационной практике следующей градацией особых ситуаций [51]:
усложнение условий полета;
сложная ситуация;
аварийная ситуация;
катастрофическая ситуация.
В [47] даны определения этих ситуаций:
Особая ситуация (эффект) - ситуация, возникающая в полете в результате воздействия неблагоприятных факторов или их сочетаний и приводящая к снижению безопасности полета.
Усложнение условий полета (незначительный эффект) - особая ситуация, характеризующаяся:
- Незначительным ухудшением характеристик; или
- Незначительным увеличением рабочей нагрузки на экипаж, например, изменением маршрута в плане полета.
Усложнение условий полета не приводит к необходимости немедленного или не предусмотренного заранее изменения плана полета и не препятствует его благополучному завершению.
При усложнении условий полета допускается изменение плана полета в соответствии с указаниями РЛЭ.
Сложная ситуация (существенный эффект) — особая ситуация, характеризующаяся:
- Заметным ухудшением характеристик и/или выходом одного или нескольких параметров за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных ограничений; или
- Уменьшением способности экипажа справиться с неблагоприятными условиями (возникшей ситуацией) как из-за увеличения рабочей нагрузки, так и из-за условий, понижающих эффективность действий экипажа.
Предотвращение перехода сложной ситуации в аварийную или катастрофическую может быть обеспечено своевременными и правильными действиями членов экипажа, в том числе немедленным изменением плана, профиля и режима полета.
Аварийная ситуация (аварийный эффект) - особая ситуация, характеризующаяся:
- Значительным ухудшением характеристик и/или достижением (превышением) предельных ограничений; или
- Физическим утомлением или такой рабочей нагрузкой на экипаж, что уже нельзя полагаться на то, что он выполнит свои задачи точно или полностью.
Предотвращение перехода аварийной ситуации в катастрофическую требует высокого профессионального мастерства членов экипажа.
Установление соответствия фактического уровня безопасности полета заданному при изменяющемся уровне надежности авиадвигателей
При полете ВС по маршруту не исключена возможность самовыключения двигателей, что объясняется сужением диапазона устойчивости работы камер сгорания с подъемом на высоту. На участке взлета тоже возможны отказы двигателей в связи с напряженным режимом работы.
При этом непосредственными причинами отказов двигателей в полете могут быть: попадание посторонних предметов в воздухозаборник двигателя, резкое изменение положения рычагов управления двигателями (РУД), выключение или отказ в работе насосов подкачки, резкие эволюции самолета, особенно такие, которые связаны с уменьшением подачи воздуха в камеры сгорания, чрезмерное изменение положения лопаток, помпаж компрессора. Во всех этих случаях нарушается соотношение между массами подаваемых в двигатель топлива и воздуха, что вызывает изменение коэффициента избытка воздуха а. В тех случаях, когда а выходит за пределы устойчивой работы камер сгорания, происходит срыв пламени.
Выключение двигателей в полете так же возможно и из-за ошибочных действий экипажа, обусловленных ложным срабатыванием различных сигнализаций, таких как "ПОЖАР ДВИГАТЕЛЯ", "СТРУЖКА В МАСЛЕ" и пр., которые дезинформируют экипаж и резко повышают его психофизическую нагрузку, способствуя принятию неправильных, преждевременных действий. Это может быть обусловлено несовершенным, с точки зрения эргономики, оборудованием пилотской кабины.
В последнее время в силу экономических причин в России замедлилась отработка мероприятий по повышению надежности практически всех типов двигателей.
Состояние и тенденции изменения показателей надежности двигателей гражданской авиации проанализированы в работе [44]:
уровень показателей безопасности эксплуатируемых двигателей находится в пределах нормируемых величин;
за последние три года резко (в несколько раз) уменьшилась суммарная наработка двигателей;
значительное количество большинства типов двигателей вышло на предельные сроки хранения;
заказы на новые и ремонтные двигатели существенно сократились, что задерживает внедрение разработанных мероприятий по дальнейшему повышению надежности;
разработка новых мероприятий не финансируется, а основная масса отказавших двигателей из-за отсутствия финансирования не исследуется;
ухудшилось гарантийное обслуживание, многие эксплуатирующие подразделения не имеют представителя завода-изготовителя из-за финансовых затруднений.
Таким образом, в комплексной системе управления надежностью авиадвигателей не полностью реализуются подсистемы конструктивно-технологического совершенствования и совершенствования эксплуатации с внедрением прогрессивных экономически эффективных форм ТО.
Так как авиадвигатель является составной частью ВС, то при снижении его надежности падает и надежность всего ВС и, как следствие, уменьшается уровень БП.
Поэтому возникает задача установления соответствия заданному уровню фактического уровня безопасности полета ВС как элемента АТС при изменяющемся уровне надежности авиадвигателей.
Поскольку отказ одного двигателя в полете относится к повторяющемуся событию, т.е. к событию которое может встретиться на каждом ВС несколько раз за период эксплуатации, а отказ сразу двух двигателей к умеренно вероятному событию, т.е. к такому событию, которое может не встретиться на каждом ВС данного типа в период его эксплуатации, но может встретиться за тот же период несколько раз на отдельных ВС, то отказы остальных, оставшихся, двигателей рассматривать нецелесообразно в виду того, что эти события крайне маловероятны.
Рассмотрим пример двойного отказа двигателей в полете на четырехдвигательном самолете.
Данная задача является одним из частных случаев рассмотренной выше общей задачи параграфа 3.2.
Принимаем, что в начальный момент времени самолет находится в нормальном состоянии, т.е. ВС было обслужено согласно регламенту по техническому обслуживанию и является исправным.
Допустим, что во время полета из-за различного рода факторов, влияющих на полет, например, попадание постороннего предмета (птицы) в воздухозаборник двигателя у самолета отказывает один из двигателей, а затем из-за создавшихся разворачивающего и кренящего моментов в сторону остановившегося двигателя и запоздалых или некорректных действий экипажа происходит помпаж и последующий останов второго двигателя, т.е. произошел двойной отказ. Для четырехдвигательного самолета отказ одного двигателя вызывает появление ситуации усложнения условий полета, а отказ двух двигателей переводит ВС в сложную ситуацию. В данном примере отказы двигателей произошли последовательно, что привело сначала к усложнению условий полета, а затем к сложной ситуации. Но отказы (остановы) двигателей могут произойти и одновременно, например, при ложном срабатывании сигнализации "ПОЖАР ДВИГАТЕЛЯ №1" и "ПОЖАР ДВИГАТЕЛЯ №2" согласно Руководству по летной эксплуатации (РЛЭ) экипаж необдуманно, не подтвердив факт обнаружения пожара двигателей визуально или по приборам контроля работы двигателей (температура масла, температура газов за турбиной, уровень вибрации двигателя), выключил эти двигатели и тем самым ввел подсистему ЭВСС сразу в сложную ситуацию. Для данного примера построим граф состояний и переходов (рис A3.).
Заметим, что вероятность перехода из одного состояния в другое Хяв есть величина постоянная, заданная разработчиком для типа двигателя, исходя из требований НЛГ [51].
Так как для всех четырех двигателей самолета Хт — CONST, то при двух последовательных отказах вероятности переходов из нормального состояния Ао (рис. 4.3.) в состояние усложнения условий полета Ai и из Аі в состояние Аг — сложную ситуацию, будут равны между собой и будут равны величине А,дв.
При отказе двух двигателей одновременно вероятность перехода из состояния Ао в состояние А2 будет равна произведению вероятностей перехода из состояния в состояние каждого двигателя, так как эти два отказа составляют совместное событие. То есть вероятность перехода из нормального состояния Ао в состояние сложной ситуации Аг при отказе двух двигателей одновременно будет равна А
Для данного графа состояний (рис. 4.3.) система дифференциальных уравнений Колмогорова выглядит следующим образом
Схема взаимодействия между участниками (абонентами) разрабатываемой Системы
Рассмотрим примерную схему взаимодействия между участниками разрабатываемой Системы в части поддержания летной годности АД. В процессе поддержания летной годности АД участвуют:
ГС ГА МТ РФ;
Владелец (эксгшуатант) АД;
ЩПЛГАД(ГосНИИГА);
Разработчик АД (ОКБ);
Завод изготовитель или ремонтный завод;
ГЦБПВТ.
Условно информационный поток, поступающий в ЦОК, а также обработанный им, можно разделить на три информационных блока:
1. Блок обработки информации о состоянии парка двигателей;
2. блок обработки информации по отказам и неисправностям;
3. блок обработки диагностических параметров.
Схема функционирования информационной системы по поддержанию летной годности авиадвигателей гражданской авиации на базе программно-технического комплекса МТК «Сирена» и ПИ «Руслан» представлена на рис. 5.3.
Рассмотрим подробней работу каждого информационного блока.
В данном блоке (рис. 5.4.) поставщиками и потребителями информации являются:
Авиакомпания (владелец АД):
Разработчик АД (ОКБ);
ЩПЛГАД(ГосНИИГА);
ГС ГА МТ РФ.
Авиакомпания (владелец) предоставляет в ЦОК данные о состоянии парка двигателей по форме №37. Также дополнительно предоставляет список двигателей, предназначенных для реализации (продажи или сдачи в аренду).
ГС ГА МТ РФ предоставляет в ЦОК руководящие документы. ГосНИИ ГА предоставляет в ЦОК:
Информацию об установленных ресурсах и сроках службы;
Информацию об изменении ресурсов и сроков службы;
Решения и рекомендации.
Центральный обрабатывающий комплекс, обработав полученную информацию, должен накапливать и выдавать следующие сообщения:
Для авиакомпании:
Информацию по обеспечению моторесурсом самолетного парка компании;
Прогноз по ресурсам;
Ответ на запрос по реализации двигателей других компаний. Эта информация должна делиться по типу двигателей и содержать следующие данные:
Общая наработка;
Наработка СНЭ;
Наработка ППР;
Дата изготовления;
Дата ремонта;
Местонахождение.
Для ГосНИИ ГА:
Печать наработок по парку АД (пономерной список);
Печать по дате изготовления АД;
Печать по дате учета наработки;
Печать по модификациям двигателя;
Печать количества двигателей с продленным ресурсом по категориям двигателей (1-ой категории или ремонтный двигатель);
Печать по количеству ремонтов;
Печать по диапазонам наработки (часы, циклы, срок следующего продления);
По месту базирования;
Среднегодовая наработка парка;
Общая наработка парка за год и СНЭ;
Наработка по управлениям и эксплуатационным предприятиям;
Оценка износа парка;
Списание парка АД;
Список владельцев AT;
Обеспечение моторесурсом самолетного парка;
Остаток ресурса и КСС;
Список двигателей с просроченным ресурсом или КСС с указанием их владельцев.
Для ГС ГА МТ РФ:
Печать по модификациям двигателя;
Среднегодовая наработка парка;
Общая наработка парка за год и СНЭ;
Списание парка АД;
Список владельцев AT;
Остаток ресурса и КСС.
В данном блоке (рис. 5.5.) поставщиками и потребителями информации являются:
Авиакомпания (владелец АД):
Разработчик АД (ОКБ);
Завод изготовитель или ремонтный завод;
ЩПЛГАД(ГосНИИГА);
ГЦБП.
