Проблемы мониторинга надежности функциональных систем самолетов гражданской авиации

Надежность самолетов гражданской авиации (ГА) является непременным условием обеспечения безопасности полетов. Она обеспечивается разработчиком и изготовителем в соответствии с нормами летной годности самолетов (НЛГС) [1]. В эксплуатации вся деятельность инженерно-авиационных служб направлена на поддержание летной годности, т. е. соответствия самолетов НЛГС. В НЛГС выражены минимальные требования государства к надежности авиационной техники. Они определены в виде вероятности возникновения в течение 1 ч полета особых (неблагоприятных) ситуаций, вызванных отказами авиационной техники. Так, катастрофическая ситуация (КС) определена НЛГС как практически невероятная с вероятностью возникновения, равной 10 7 для самолета в целом и 10 7 для отдельной системы самолета. Аварийная ситуация (АС) признана крайне маловероятной, а вероятности ее реализаций определены как 10 5 и 10 6 на 1 ч полета для самолета и системы соответственно. Сложная ситуация (СС) признана не столь опасной. Отказы авиационной техники, вызывающие эту ситуацию, парируются действиями экипажа в соответствии с руководством по летной эксплуатации самолета. Вероятности ее реализации на 1 ч полета определены как 10 3 и 10 4 для самолета и отдельной системы.

В эксплуатационных подразделениях (авиакомпаниях и авиапредприятиях), в соответствии с отраслевыми документами, для контроля за надежностью авиационной техники используются отличные от НЛГС показатели. Это прежде всего средняя наработка на отказ либо неисправность и К 000 - количество отказов на 1000 ч полета. Анализ динамики этих показателей, безусловно, обеспечивает возможность контроля надежности авиационной техники и планирования мер по ее поддержанию. Но средняя наработка на отказ и К 000 применительно к НЛГС являются косвенными оценками надежности. Интегрирование ГА России в международное авиационное сообщество сопряжено с гармонизацией отечественной нормативной базы ГА с нормами ИКАО, которые требуют использования прямых оценок надежности эксплуатирующихся самолетов и их систем [2]. Кроме того, использование косвенных оценок надежности не дает возможности эксплуатантам на основе требований НЛГС разрабатывать предложения по изменению стратегий и режимов технического обслуживания, что широко практикуется зарубежными авиакомпаниями.

Авторами выполнены оценки надежности функциональных систем самолетов Ан-24, Ил-76, Ту-154М и ТУ-154Б с использованием статистических материалов о налете часов, отказах и неисправностях эксплуатанта. Как в процессе выполнения оценок, так и при их сопоставлении с НЛГС возникали определенные проблемы, которые и обсуждаются в данной статье.

Прежде всего следует отметить, что статистических материалов даже крупного эксплуатанта, интенсивно эксплуатирующего 15 самолетов одного типа, недостаточно для построения зависимости интенсивности отказов % ( t ) отдельных агрегатов от налета часов. В этих условиях приходится использовать точечную и, естественно, менее точную оценку в виде параметра потока отказов щ, рекомендованную в [3] авторитетными в области надежности авиационной техники авторами. Использование же отраслевых статистических материалов обеспечивает возможность определения % ( t ) , но сопряжено с погрешностями другого вида. Технический персонал эксплуатантов допускает ошибки, причисляя неисправности агрегатов, не влияющие на безопасность полетов, к отказам, ведущим к тяжелым последствиям. Подобные ошибки чаще встречаются в случаях, когда агрегат вследствие возникшей неисправности снимают и отправляют в ремонт. При работе со статистикой конкретного эксплуатанта подобные ошибки легко выявляются и парируются. Использование отраслевой статистики такое парирование исключает. Кроме того, исследованиями, выполненными в ГосНИИГА [4], показано, что влияние фактора эксплуатанта на надежность авиационной техники многогранно и существенно.

Расчет надежности любой функциональной системы экземпляра самолета выполняется при определенных наработках агрегатов системы, которые всегда существенно различны. В результате расчета вычисляется вероятность безотказной работы либо отказа. Возникает вопрос о том, каким образом привести полученную вероятность отказа к 1 ч полета для сопоставления с требованиями НЛГС. Приведение показателей надежности агрегатов к 1 ч и последующий расчет надежности системы дает существенное расхождение с расчетом надежности системы по показателям надежности агрегатов, полученным для их фактических наработок. В случае параллельного соединения и одинаковых агрегатов, отработавших по Тч каждый, ошибка составляет Р ¹ раз. Остается единственная возможность отнести рассчитанную для функциональной системы вероятность отказа к налету планера самолета. Насколько это оправданно? В НЛГС и нормативных отраслевых документах ответа на этот вопрос нет. Ранее он не возникал, поскольку мониторинг надежности экземпляров самолетов не выполнялся, а при сертификации типа самолета надежность функциональных систем определялась при задании всем агрегатам и планеру одинакового налета часов.

При анализе надежности функциональных систем возникает также вопрос о том, что нас больше интересует: прошлая надежность или будущая, т. е. до момента мониторинга либо на определенном интервале времени

Авиационная и ракетно-космическая техника после него. Ответ на него во многом зависит от закона изменения вероятности отказа системы. Отказ функциональной системы - событие редкое. Для расчета вероятностей разреженных потоков событий целесообразно использовать экспоненциальный закон [3]

P = е-“t, где to - параметр потока отказов, являющийся, по определению, числом отказов в единицу времени, в качестве которой может быть принят 1 ч.

Результаты расчета вероятностей отказа в функции от налета t для различных значений параметра потока отказа to приведены на рис. 1. Там же нанесены прямые вероятностей отказа, нормируемые НЛГС для аварийной ситуации и сложной ситуации. Те же результаты, но для более широкого диапазона to, включающего и катастрофическую ситуацию, показаны на рис. 2.

Рис. 1. Вероятности отказов для аварийной

Рис. 2. Вероятности отказов для АС, СС и КС

Анализ этих рисунков дает ответы если не на все поставленные вопросы, то на многие из них. Экспонента при малых значениях to вырождается в прямую. Так, при to = 10 ^{- 6} в диапазоне t от 0 до 45 000 ч, реализуемом для самолетов ГА, отклонение экспоненты от прямой не превышает 0,5 %. Но в этом случае вероятность реализации аварийной либо катастрофической ситуации на 1 ч полета, определяемая НЛГС, является тангенсом угла наклона прямой g ( t ) для соответствующей ситуации и не зависит от налета часов t , т. е. неизменна во всем диапазоне летной эксплуатации самолета.

В связи с этим более оправданным представляется приведение результатов мониторинга надежности функ циональной системы к 1 ч полета при определении тангенса угла наклона касательной к зависимости Q(t) системы в точке мониторинга t. Такой подход правомерен, поскольку для данных систем g(t) < 10-7.

Со сложной ситуацией все не так однозначно. Вероятность ее реализации на 1 ч полета, нормируемая НЛГС, с одной стороны, является функцией налета часов, - с другой, зависит от способа вычисления для двух различных способов - по секущей (рис. 3) и по касательной (рис. 4). Здесь следует иметь в виду, что сложная ситуация, вызванная отказами авиационной техники, не столь опасна, как аварийная и катастрофическая. Она парируется действиями экипажа в соответствии с руководством по летной эксплуатации и, скорее всего, вследствие этого не столь четко определена в НЛГС.

((Q(45000) -Q(t))/(45000 - t))*10A4

—♦— w=0,0001

Рис. 3. Вероятность отказа, рассчитанная по секущей

Рис. 4. Вероятность отказов, рассчитанная по касательной