Вопросы методологии обеспечения надежности, летной годности и безопасности полетов самолетов гражданской авиации

Под безопасностью полетов понимается свойство авиационной 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.КУ.001.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-участниками (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 k _{1 000} , 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 • 103 на 1 ч полета. Если инцидент является УУП, то вероятность его появления из-за отказов авиационной техники по НЛГС будет составлять не более 103 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 104 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 ³ , 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 К ₁₀₀₀ = 0,2 является статистически средним значением числа отказов агрегата за 1 000 ч налета. Приведя его к 1 ч полета, найдем интенсивность отказов % _т = 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 % ф = 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
Гидравлическая	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 ( m )ALn%L _е -™% , m !

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.

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 % , 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 % = 0,000 2 ( К ₁₀₀₀ = 0,2). Для самолета в целом ( п = 934) число отказов равно:

• -    при 1ч полета - 4;

• -    при 4 ч полета - 7.

Для гидросистемы самолета ( и = 79) (рис. 2) число отказов равно:

• -    при 1 ч полета - 2;

• -    при 4 ч полета - 3.

По региональным статистическим материалам, при % = 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 % = 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.