Введение к работе
Актуальность работы определяется спецификой развития современного двигателестроения. Обеспечение требуемого уровня безопасности полетов является важной государственной задачей, решение которой может быть достигнуто на пути повышения эффективности всех звеньев авиационной транспортной системы. Рост стоимости жизненного цикла авиационной техники государственной авиации и гражданской авиации, массовости ее использования наряду с усложнением информационно - управляющих связей авиационной транспортной системы еще в большей степени обостряет проблему обеспечения безопасности полетов. Основой системы управления безопасностью полетов являются два основополагающих принципа – управление факторами риска и гарантия безопасности полетов согласно 101 поправки к Приложению 8 Конвенции о международной гражданской авиации. Основным элементом системы управления безопасностью полетов является система управления надежностью парка авиадвигателей, представляющая собой комплекс аппаратных, программных средств и организационных мер на уровне разработчика и авиадвигателестроительного предприятия. Совершенствование системы управления надежностью парка авиационных ГТД в части обновления ее элементов, относящихся к, технической, нормативной базам и организационному обеспечению, включая методическое обеспечение программно-вычислительных средств, должно выполняться с учетом внедрения компьютеризированных способов разработки, испытания и сопровождения по надежности эксплуатации. В технические задания при разработке новых или глубокой модернизации существующих образцов должны закладывать требования о подтверждения величины вероятности безотказной работы. Значение величины вероятности безотказной работы нормируется на завершающем этапе испытаний образца окончательного конструктивного облика и является одной из основных технико-экономических характеристик двигателя в серийной эксплуатации.
О недостаточной эффективности существующей системы управления безопасностью полетов, используемых методов, способов и средств обеспечения безопасности полетов в современных условиях, определяющих рост актуальности проблемы, указано в документе Комплексное исследование по формированию «Национального плана развития науки и технологий в авиастроении Российской Федерации на период до 2030 года»: «Повышение уровня безопасности авиационного транспорта является одной из стратегических целей в области авиационной деятельности». Основные направления достижения стратегических целей представлено в документе «Форсайт развития авиационной науки и технологий до 2030 года и дальнейшую перспективу».
Построение современной системы управления безопасностью полетов, унифицированной с зарубежными системами для коммерческой авиации, и полностью соответствующей требованиям разработки и сопровождения эксплуатации для отечественной государственной авиации, требует решения одной из актуальнейших научно-технических задач газотурбостроения, состоящей в максимально возможной точности прогноза и получения объективной оценки на этапах опытной и серийной эксплуатации технических
характеристик двигателя, выраженных в терминах безотказности и безопасности его функционирования.
Цель работы заключается в разработке методологии оценки технических рисков системы управления надежностью ГТД, являющейся подсистемой системы управления безопасностью полетов авиационной транспортной системы, соответствующей требованиям разработки и сопровождения эксплуатации для отечественной авиации, унифицированной с зарубежными системами для коммерческой гражданской авиации.
Задачи, которые необходимо решить в работе
Выполнить анализ методов идентификации технических рисков этапов жизненного цикла ГТД и оценки их значимости для обоснования возможности управления безопасностью полётов воздушных судов и разработать способ формирования матрицы критичности допустимого уровня вероятности воздействия на эксплуатацию ЛА последствий отказов ГТД маршевой силовой установки.
Разработать способ доводки конструкции ГТД на этапе опытно-конструкторских работ при ограниченном количестве испытаний ГТД окончательного конструктивного облика.
Разработать способ оценки уровня крайне маловероятных (маловероятных) событий, связанных с прямым отказом деталей группы особо ответственных деталей на основе вейбаесовской статистической модели и способ непрерывной оценки и прогнозирования показателей безотказности парка ГТД, определенных байесовским онлайн модифицированием исходных распределений надежности.
Разработать концептуальную модель системы управления комплексом баз данных непрерывной регистрации экспериментальной и эксплуатационной информации по отказобезопасности и способ оптимизации состава и количества восстановительных ремонтов в пределах специальных гарантий авиакомпаниям, основанный на параметрической статистической модели ухудшения параметров с учетом восстановления ресурса группы особо ответственных деталей.
Методы исследования основаны на теории авиационных ГТД, теории надежности, теории безопасности, теории рисков высоконадежных систем, теории вероятности и математической статистике.
Степень разработанности вопроса.
За последние 15 - 20 лет теория рисков и систем управления безопасностью полетов - SMS (Safety Management System) в основном разрабатывались в Европе, в США и в определенной степени в России. Задачи и основные решения в области обеспечения БП на основе организации СУБП (SMS) в РФ были получены в ФГУП ГосНИИ ГА и в СПб ГУГА. Модели рисков описаны в разработках NASA для целей создания системы Flight Operations Risk Assessment System (FORAS), в РФ издан обобщающий документ Doc 9859 ИКАО, Руководство по безопасности полетов (РУБП). По теории рисков и информационном обеспечении систем управления безопасностью полетов известны разработки, выполненные в рамках публикаций специализированных семинаров МАК, выполненных при разработке национальной системы стандартизации в области обеспечения лётной годности с учетом факторов рисков. В меньшей степени известны работы,
связанные с обеспечения безопасности полетов при воздействии на неё технических рисков, индуцируемых силовой установкой, что связано с тем, что, в большинстве своем, указанные разработки выполняются разработчиками авиадвигателей, как в рамках сопровождения эксплуатации, так и в области создания научно-технического задела предприятий-разработчиков. Кроме того, понятия «конструкционной безопасности» транспортных систем, используемых ГТД, связанной с особенностями конструкции объектов эксплуатации, его подсистем и способов поддержания летной годности воздушных судов или промышленной безопасности энергетических объектов, недостаточно формализованы.
В настоящее время анализ безопасности конструкции (Safety Analysis) или анализ рисков (Risk Analysis) разрабатываемой (модернизируемой) конструкции становится обязательным требованием процедуры сертификации типа ГТД коммерческой транспортной авиации и ГТД промышленного применения. Общее представление о порядке выполнения и составе теоретических методов комплексного анализа безопасности конструкции летательного аппарата и его подсистем представлено в руководящих материалах американского общества инженеров-механиков (SAE) для коммерческих гражданских судов на основании 30-летнего опыта разработки и эксплуатации наиболее массовых самолетов коммерческой авиации (Boeing, Airbus), оснащенных ТРДД разной степени двухконтурности 2 и 3-го поколения таких разработчиков, как GE, P&W, RR, SAFRAN AE. На протяжении последних 15 – 20 лет указанная методология была реализована рядом разработчиков специального программного обеспечения. Наиболее известны в РФ комплексные пакеты международных разработчиков ALD ltd, Relex и др. для анализа рисков на этапе разработки, реализующие методы FMECA, FTA, RBD, DD, ETA, Marcov Ch., общих схем назначения матриц критичности и т.д. Частично или полностью эти методы применялись на этапах сертификации российских и совместных разработок – маршевых ГТД: SАM146 (PWJ) и АЛ-55И (ПАО «НПО «Сатурн»). Практическая реализация указанных выше и ряда других проектов, в т.ч. для разработки и модернизации промышленных ГТД, а так же анализ публикаций и исследований, выполняемых в рамках работ по внедрению 101 поправки, для решения задачи сквозного прогнозирования и оценки технических рисков на жизненном цикле ГТД показывает недостаточное внимание совершенствованию теоретического и методического аппарата, обеспечивающего достаточно адекватный прогноз и оценку безотказности парка ГТД с учетом изменения функциональных характеристик и факторов технического риска эксплуатации ГТД. Следовательно, современная теория и методы мониторинга и обеспечения отказобезопасности ГТД на его жизненном цикле, в основе которой лежит классическая теория надежности, не всегда обеспечивает достижение высоких показателей безопасности, и как следствие, не гарантирует безопасность объектов эксплуатации с приемлемым риском. В результате проблема обеспечения гарантированного высокого уровня безопасности с приемлемым техническим риском при высокой коммерческой эффективности эксплуатации до настоящего времени не имеет законченного решения. Поиск рациональных методов и
способов, приводящих к желаемому результату, привел к необходимости применения комплексных подходов исследования отказобезопасности конструкции на жизненном цикле ГТД.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректностью применяемых моделей отказобезопасности авиационных ГТД и используемых допущений при составлении теоретических обоснований уровня надежности отдельных парков ГТД на этапе разработки полученным данным практической реализации, оценкам других исследователей, соответствием известным закономерностям изменения исследуемых величин, совпадением полученных в ходе исследования расчетных и экспериментальных (эксплуатационных) данных.
Результаты, выносимые на защиту:
1) Методология оценки технических рисков системы управления
надежностью ГТД, позволяющей построить теоретическую модель
отказобезопасности вновь разрабатываемой (модернизируемой) конструкции с
дальнейшей ее оперативной корректировкой по данным испытаний и
эксплуатации с регистрацией отказов в сопровождающей процесс системе
управления базами данных (далее – СУБД), и тем самым, обеспечить
непрерывный анализ и прогнозирование технических рисков жизненного цикла
ГТД с целью гарантии безопасной эксплуатации парка ГТД при оптимизации его
параметров безотказности.
-
Результаты исследования и способы обоснования, мониторинга и прогнозирования характеристик параметрической и непараметрической оценки безотказности ГТД при разработке (глубокой модернизации конструкции) на жизненном цикле парка ГТД.
-
Рекомендации по внедрению системы сквозного сопровождения технических рисков жизненного цикла, основанной на исходном матричном определении функциональной отказобезопасности ГТД, как подсистемы транспортного или энергетического объекта, силовой установкой которого он является.
Научная новизна диссертации состоит в разработке методологии оценки технических рисков системы управления надежностью ГТД при проектировании, производстве и серийной эксплуатации. В основу методологии впервые положены выявленные факторы и разработанные способы решения:
1) Установление закономерностей и критериев влияния вида отказа функции составляющих элементов на уровень отказобезопасности конструкции ГТД, и соответственно, матричный способ классификации конструктивных элементов ГТД до уровня неразъемного соединения, основанный на принципе кривой Фармера, позволяющий на начальном этапе разработки (глубокой модификации) выполнить обоснование степени ответственности детали по прямому отказу ее функции на условие завершения полета ЛА или воздействия на уровень промышленной безопасности для промышленных ГТД, тем самым, построить систему классификации общих (безопасность, требования сертификации) и специальных (требования безотказности) гарантий заказчику.
2) Построение теоретических зависимостей способа доводки конструкции
ГТД при ограниченном количестве испытаний окончательного конструктивного
облика дополнительно к оценке величины вероятности безотказной работы. В
основе предложенного решения – оценка и прогноз технического риска зачета
результатов испытания конструкции окончательного образца, полученная на
основе вейбайесовской модификации исходного распределения оценок
эффективности серии предварительных поузловых, полноразмерных стендовых и
летных испытаний.
3) Теоретическое обоснование способа оценки уровня крайне маловероятных
или маловероятных событий, связанных с прямым отказом деталей группы особо
ответственных деталей или риска полного отказа многодвигательной силовой
установки на основе вейбулловой и вейбаесовской статистической модели.
4) Теоретическое обоснование способа распознавания ранних стадий
ухудшения надежности парков ГТД и ее прогноза с использованием
математического аппарата байесовской модификации исходных распределений
модели безотказности и регрессионных статистических моделей видов отказов.
-
Разработка имитационной модели оптимизации количества и состава восстановительных ремонтов в пределах специальных гарантий авиакомпаниям, основанный на известной или прогнозной параметрической модели ухудшения основных рабочих параметров ГТД и результатов FMECA с учетом обязательных требований по замене деталей группы особо ответственных.
-
Разработка концептуальной модели системы управления комплексом реляционных баз данных непрерывного мониторинга экспериментальной и эксплуатационной информации по отказобезопасности при реализации задачи поиска причин неисправностей и принятия корректирующих действий FRACAS (Failure Reporting analysis and corrective action) с дальнейшей оценкой и прогнозированием безопасности и безотказности.
Практическая полезность работы состоит в том, что разработанная методология существенным образом дополняет систему управления безопасности полетов авиационной транспортной системы и позволяет перейти к сквозному анализу технических рисков, генерируемых ГТД, начиная с ранних стадий создания научно-технического задела при разработке ГТД нового поколения или глубокой модернизации конструкции ГТД и (или) ее адаптации в изменяемых техническим заданием условиях эксплуатации в пределах семейства, до сопровождения надежности эксплуатации последнего образца авиационной техники. Такой переход уменьшает неопределенность в области принятия конструктивно-производственных и организационных решений, определяющих уровень безопасной эксплуатации и конкурентоспособность конструкции и способа эксплуатации ГТД в составе силовой установки. Результаты диссертационной работы были использованы и используются в ПАО «НПО «Сатурн», г. Рыбинск при выполнении проектов ГТД: Д-30КП «Бурлак», SA128, SA76, при проектировании, доводке и постановке на серийное производство двигателей 36МТ, SAM146 (в зоне ответственности ПАО «НПО «Сатурн»), АЛ-55И, ГТД-6/8РМ; при сопровождении серийной эксплуатации двигателей серии Д-30КУ-2/КП-2/КУ-154, SАM146, 36МТ, ГТД-6/8РМ, ДО49; при выполнении
работ по госконтракту № 6401.340000.08.028 от 28.12.2006 года с Минпромэнерго РФ, этап 1 в составе технического комитета № 414 Ростехрегулирования «Газовые турбины», ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова; при организации учебного процесса подготовки дипломированных специалистов по направлению «Двигатели летательных аппаратов» в Рыбинском авиационном техническом университете имени П.А. Соловьева.
Апробация работы Основные результаты работы обсуждались и докладывались на мероприятиях различного уровня: семинар рабочей группы «Информационное обеспечение безопасности полетов и надежности авиационного транспорта (РГ-ИНФО)» «Вопросы информационного обеспечения безопасности полетов и надежности авиационной техники», Межгосударственный Авиарегистр МАК, Москва, 22 – 23 сентября 2005 года; Х Международный конгресс двигателестроителей, пос. Рыбачье, Крым, Украина, ХАИ, 11 – 18.09.2005 года; II Международная НТК «Двигатели XXI века», Москва, ЦИАМ, 06–09.12.2005; Международная НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», СГАУ, Самара, 21–23 июня 2006 года; IV НПК. «Исследования и перспективы разработки в авиационной промышленности, Москва», МАИ, 24–25.10.2007; III МНТК Авиадвигатели XXI века, ЦИАМ, Москва, 30.11–03.12.2010 года; конференция «Сложные технические системы: развитие современных инженерных практик», Москва, НИИТУ «МИСиС», 27.04.2011 года; МНФП «Интеллектуальное проектирование. Управление жизненным циклом сложных инженерных объектов», г. Нижний Новгород, 15.06– 16.06.2011 года; ХХХIII Всероссийская конференция по проблемам науки и технологий, Миасс, МСНТ г. Миасс, 4 – 6 июня 2013 года; ХХХIV Всероссийская конференция по проблемам науки и технологий, Миасс, МСНТ г. Миасс, 10 – 12 июня 2014 года; Международная НТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», СГАУ, Самара, 25 – 27 июня 2014 года; III Международный технологический форум «Инновации. Технологии. Производство». Мини -конгресс ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова «Математическое моделирование и проектирование в авиадвигателестроении», г. Рыбинск, РГАТУ им. П.А. Соловьева, 04 – 06 апреля 2016 года; МНТК «Проблемы и перспективы развития двигателестроения», г. Самара, СГАУ, 22 – 24 июня 2016 года и т.д.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 49 печатных работ, из которых 13 статей опубликованы в центральных рецензируемых изданиях, входящих в список ВАК РФ. Основные результаты обобщены в 2 -х научных монографиях. По результатам диссертационной работы получены: 1 патент РФ, 7 свидетельств о государственной регистрации БД и систем управления базами данных, 5 свидетельств о регистрации произведения науки (служебное).
Структура и объем диссертации. Текст диссертации изложен на 485 страницах и состоит из введения, 6 глав, выводов по работе, приложения и списка использованной в работе литературы из 186 наименований.