автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методологические основы анализа и оценки безопасности полетов и летной годности воздушных судов

ЗУБКОВ БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ

УДК 629.735.018.7.681.325.53

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ И ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ

)

(теория и практика)

Специальность 05 22 14 ■ Эксплуатация воздушного твансшчч Ш

€ ~ - -

ДИССЕРТАЦИЯ В ФОРМЕ НА'\ ЧНОГО ДОКЛАДА_ „ ,

НА СОИСКАНИЕ УЧЕНО,

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском Государственном техническом Университете Гражданской Авиации

Официальные оппоненты;

академик Академии транспорта РФ , доктор технических наук, профессор Барзилович Е.Ю.,

член-корреспондент Академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Соловьев Б.А.,

заслуженный деятель науки и техники Латвийской ССР, доктор технических наук, профессор Шестаков В.З.

Ведущая организация - Авиационный комплекс им. С.В.Илюшина

«/# С[Л^Щ\991 г. / ^tf■ ^

Защита диссертации состоится

/Г&

в часов на заседании диссертационного совета Д.072.05.01 Мо-

сковского Государственного Технического Университета Гражданской Авиации. Адрес: 125838 , Москва, Кронштадтский бульвар 20, МГТУ ГА.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА. Доклад разослан " f - €>Х 1997 г. • ~ -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Дезинтеграция Аэрофлота привела к появлению многочисленных авиакомпаний, в которых проблемы экономики прочно захватили лидерство, оттеснив другие проблемы гражданской авиации (ГА), в том числе и проблему обеспечения безопасности полетов (БП).

В этих условиях возникает острая необходимость в соблюдении единой политики в обеспечении БП воздушных судов (ВС). Решение этой задачи видится в дальнейшем совершенствовании системы обеспечения и сохранения летной годности, которая используется для: оценки состояния БП; выявления и оценки степени опасности неблагоприятных факторов; нормирования летной годности; сертификации элементов авиацион-но-транспортной системы (АТС); разработки мероприятий по предотвращению АП.

Большой вклад в решение указанных проблем внесен специалистами НИИ, КБ, учебных заведений и предприятий ГА, а также работами Барзиловича Е.Ю., Вороновича А.П., Воробьева В.Г., Доброленского Ю.П., Лысенко Н.М., Румянцева Е.А., Сакача Р.В., Смирнова H.H., Жулева В.И., Иванова B.C., Кузнецова В.И., Хамракулова И.В., и др. ученых. Разработка и внедрение таких методов задерживается из-за отсутствия научно-обоснованных критериев и методик оценки уровня БП. решения задач нормирования летной годности, определения соответ-|ствия авиационной техники требованиями БП на различных этапах созидания и эксплуатации ВС.

I

?: ЦЕЛЬЮ ИССЛЕДОВАНИИ является совершенствование методов „ Здализа и оценки БП и летной годности ВС на различных этапах созда-' ля и эксплуатации. Для чего были решены следующие задачи.

1. Определены основные принципы и методы обеспечения и сохранения летной годности как комплексной проблемы, требующей системного подхода.

2. Разработана методология качественной оценки БП при определении летной годности.

3. Разработан новый методологический подход к проверке соответствия уровня БП заданным требованиям.

4. Определены критерии оценки вероятностей возникновения особых ситуаций при определении соответствия нормам летной годности.

5. Разработаны критерии и методы количественной оценки БП на этапе эксплуатации, позволяющие повысить при ограниченных исходных данных эффективность информационного обеспечения БП.

6. Проведена оценка экономической эффективности мероприятий по повышению БП.

7. Разработаны основные принципы и структура информационной системы обеспечения БП с использованием полетной информации.

8. Предложены методы повышения эффективности использования полетной информации по данным средств объективного контроля (СОК).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В настоящей работе в зависимости от решаемых задач использовались методы математической статистики и теории вероятностей, системного анализа и высшей алгебры, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и др.

Экспериментальной базой являлась информационная база данных Авиарегистра, многоуровневой автоматизированной системы управления (МАСУ) "Безопасность - ПАП", авиапредприятий, реальная полет-

ная информация, зарегистрированная магнитной системой регистрации полета (М'СРП).

Работа проводилась в тесном творческом сотрудничестве с Межгосударственным авиационным комитетом (МАК), Федеральной авиационной службой (ФАС) РФ, ВВИА им.Н.Е.Жуковского, ГосНИИ ГА, ЦНИИ АСУ ГА, АНТ К им. А.Н. Туполева, АК им. C.B. Ильюшина, МВЗ им. М.Л. Миля и др. организациями и учреждениями.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА исследований состоит в следующем.

1. Разработана методология оценки БП при определении летной годности на этапах создания и эксплуатации ВС.

2. Определены критерии оценки летной годности при определении соответствия ВС требованиями БП.

3. Разработаны критерии и методы количественной оценки БП при определении летной годности по ограниченным данным в эксплуатации.

4. Проведена идентификация различных видов АП, позволяющая повысить эффективность и достоверность информационного обеспечения БП.

5. Определены основные принципы построения системы информационного обеспечения БП на уровне авиапредприятий с использованием полетной информации.

6. Предложены методы повышения эффективности использования средств объективного контроля (СОК).

7. Проведена оценка экономической эффективности разрабатываемых мероприятий по повышению уровня БП.

ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных результатов, обоснованность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается строгим теоретическим обоснованием и корректным применением разработанных методов, адекватностью математических моделей реальным процессам и экспериментальным данным по статическим критериям, а также положительным опытом внедрениям в эксплуатационных предприятиях методических рекомендаций по повышению безопасности полетов ВС.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Полученные в работе теоретические и практические результаты позволили применить разработанные критерии и методы оценки БП для решения задач обеспечения и сохранения летной годности на этапах создания и эксплуатации ВС; повысить эффективность и достоверность информационного обеспечения БП для оценки летной годности; определить нормативные значения степеней опасности особых ситуаций; разработать структуру информационной системы обеспечения БП; повысить эффективность использования полетной информации; определить эффективность проводимых мероприятий по повышению уровня БП.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследовательской работы легли в основу разработки следующих документов, указаний и информационных систем.

1. Методики учета рассмотрения и анализа оперативной информации по безопасности полетов в Госавианадзоре (Госавианадзор, 1988 г.).

2. Методические указания "Использование вычислительной техники для обработки и анализа информации по безопасности полетов в ГА" (Госавианадзор, 1989 г.).

3. Дополнительных требований к Нормам летной годности гражданских ВС, использующих в качестве топлива сжиженный газ (АНТК им. А.Н. Туполева, ГосНИИ ГА, 1990 г.). •

4. Методики ранжирования управлений ГА по уровню БП (Госавианадзор, 1988 г.).

5. Автоматизированной информационной системы обработки и анализа полетной информации на базе ЕС ЭВМ. Внедрена на базе КИВИ г. Ташкент, в Ленинградском управлении ГА, на заводе N 407 ГА (г. Минск).

6. Результатов исследований, проведенных автором в части информационного обеспечения были также использованы при разработке проекта АСУ "Безопасность - 3" для эксплуатационных подразделений ГА.

7. Результаты исследований внедрены и используются в ГосНИИ ГА, АНТК им. А.Н.Туполева, АК им. С.В.Ильюшина, МВЗ им. М.Л.Миля, ФАС РФ, МАК, предприятиях ГА (акты о внедрении прилагаются).

ВКЛАД АВТОРА: основные научные результаты, изложенные в научном докладе, получены лично автором. Отдельные результаты, отмеченные в работе, получены совместно с Сакачом Р.В., Воробьевым В.Г., Уриновским Б.Д., а также под руководством автора аспирантами и соискателями Карачуном И.А., Сергой Ю.П., Кармызовым В.П.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ. ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

1. Метод и критерии оценки БП при определении летной годности ВС, включающие выявление и классификацию неблагоприятных факторов; определение возможных последствий выявленных факторов; определение уровня риска и нормируемых значений критерия степени опас-

ности; разработку мероприятий по повышению БП до уровня требований леггной годности.

2. Методы и критерии количественной оценки БП по ограниченным данным эксплуатации и испытаний, включающие вероятностные методы количественной оценки БП; обобщенный критерий БП, позволяющий повысить достоверность анализа БП; метод оценки БП для идентификации АП .

3. Методику оценки экономической эффективности от мероприятий по повышению БП.

4. Систему информационного обеспечения БП с использованием полетной информации.

5. Методы повышения эффективности использования полетной информации.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на;

1. Всесоюзной НТК "Методология создания и опыт эксплуатации АСУ в ГА", Рига 1984 г.

2. 1У Всесоюзной НТК "Безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта", Ленинград, 1985 г.

3. Всесоюзной НТК "Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов", Москва, 1985 г.

4. Всесоюзной НТК "Инженерно-авиационное обеспечение безопасности полетов", Москва, МИИГА, 1986 г.

5. Всесоюзной НТК "Обеспечение безопасности полетов при эксплуатации гражданских воздушных судов", Москва, МИИГА, 1987 г.

6. Всесоюзной НТК "Проблемы совершенствования процессов технической эксплуатации авиационной техники, инженерно-авиационного обеспечения полетов в условиях ускорения научно-технического прогресса", Москва, 1988 г.

7. Всесоюзной НТК "Обеспечение безопасности полетов при эксплуатации гражданских судов", Москва, 1989 г.

8. Всесоюзной НТК "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта", Москва, 1990 г.

9. Научно-практической конференции "Методологические проблемы эксплуатации летательных аппаратов и обеспечение безопасности полетов", Москва, МИИГА, 1991-1993 гг.

10. Международной научно-техническая конференция "Наука и техника гражданской авиации на современном этапе", Москва, 1994 г.

11. 1-ой Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность полетов и государственное регулирование деятельности в ГА", Санкт-Петербург 1995 г.

12. Международной НТК "Инженерно-технические проблемы авиационной и космической техники", Егорьевск 1995 г., 1997 г.

13. Международной НТК "Современные научно-технические проблемы ГА", Москва 1996 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы опубликовано в 34 печатных работах, в числе которых учебник, 3 научных монографии (в соавторстве) и 3 учебных пособия, изданных через центральные издательства. По теме исследования автором в качестве ответственного исполнителя и руководителя темы или с его участием подготовлено и передано ГосНИИ ГА, МГА, ФАС РФ, АНТК им.Туполева А.Н. 15 отчетов,

депонированных в ВНТИЦ. По теме научного доклада были прочитаны лекции в Китайском институте ГА (24 часа, 1994 г.), на предприятиях а /к Люфтганза и Дойч Айрбасс (ФРГ, 1994 г.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. МЕТОДОЛОГИЯ АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ БП И ЛЕТНОЙ ГОДНОСТИ ВС 1Л. Основные принципы и методы оценки БП

Безопасность полетов как свойство АТС осуществлять воздушные перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей определяется вероятностью безопасного полета Рбп.

Вероятность Рб„ , является сложной функцией и зависит от свойств АТС, параметров состояния и воздействия на ВС внешней среды, эксплуатационных факторов и параметров полета. Свойства АТС количественно могут быть представлены различными параметрами, характеризующими отдельные элементы системы, включающей ВС, экипаж, службы обеспечения полетов и управления воздушным движением. Обозначим вектор этих параметров через К параметрам состояния внешней среды относятся: барометрическое давление, плотность, температура и влажность воздуха; направление и скорость ветра, горизонтальные и вертикальные порывы воздуха и их градиенты. Кроме того, на ВС и БП влияют обледенение, град, снег, дождь, столкновение с птицами. Обозначим вектор этих параметров через

Под эксплуатационными факторами подразумевают состав экипажа ВС, класс и категорию аэродромов, параметры и состояние ВПП, продолжительность полета; массу и центровку на определенных режимах; периодичность и виды технического обслуживания, назначенный ресурс; особенности применения ВС; характеристики воздушных трасс.

наземных средств обеспечения полета; минимумы погоды; применяемые топлива, масла, присадки и другие специальные жидкости и газы. Обозначим вектор параметров через ~*Ъ. Параметры полета - высота, горизонтальные и вертикальные скорости, перегрузки, углы атаки и скольжения, крена и тангажа. Обозначим их через ~Ч¥.

Одним из свойств АТС является возможность возникновения в полете неблагоприятных факторов, которые приводят к авиационным происшествиям (АП) и определяют функциональное состояние АТС с точки

зрения БП на текущий момент времени полета. Обозначим их через .

Таким образом, вероятность БП может быть представлена как функционал от этих векторных функций:

рб„ = Р(х,?,2,Рг,0), (1.1)

где 0 < И(.) < 1

Аналитически записать функционал Рб п с учетом ее зависимостей от векторных параметров X , У , ~*Ъ , ~ЧУ , ^ С> не представляется возможным. На практике вероятность Рбп определяют, применяя комбинированные метода исследования: математическое и статистическое моделирование, натуральные и полунатуральные испытания, тренажеры, компьютерно-статистическое моделирование, теорию обучения, психологию и др.

Тем не менее, можно предложить некоторый обобщенный методологический подход к определению вероятности Рбп в функции ряда параметров из совокупностей ~*Х и ^ У.

Пусть БП зависит от вероятностей отказов " К " наиболее важных элементов ВС (двигатель, плоскости, управление и т.д.). В полете ВС подвергается действию различных нагрузок : температур, вибраций, ударов, влажности и др. В свою очередь, каждая нагрузка может включать в себя несколько различных параметров воздействия (для вибраций -

это частота, амплитуда и время воздействия, удар характеризуется максимальным ускорением и продолжительностью действия ускорения). Параметр времени входит в каждую нагрузку, т.е. время является особым типом нагрузки.

Обозначим через Г (х|, Х2......., хп) многомерную плотность вероятности появления в полете величин нагрузок хь хг....... хп, где п обозначает параметры нагрузок. Пусть , далее, Р, (х;, хг, ....., хп) обозначает

вероятность того, что отказ} -го элемента ВС (] ф 1...... к) не произойдет при окружающих условиях х\, хг,...... х„ .

Очевидно, что величина Р] ( Х|, хг, ...... хп) зависит прежде всего от

конструктивных характеристик ] - го элемента. Тогда для времени полета ВС

Если удается выделить для ВС наиболее опасную нагрузку, например, XI. то

где К[ (к| А к ) - число элементов, отказ которых зависит главным образом от нагрузки XI,

Вероятность Ре п для одного элемента отказ которого в основном зависит от нагрузки хь равна

Л * к

(1.2)

Г)рй*

Р6„= /Г(х,)[ПР(х,)№,

J = 1

(1.3)

(1.4)

Реализация предложенного выше методологического подхода позволяет более строго и точно подходить к определению вероятности Рбп.

Многомерные функции Г (х|, хг, пяться экспериментально.

, хп), Р (XI, хг,....., хп) должны опреде-

1.2. Методика качественной оценки БП при определении летной годности

Цель качественной оценки БП - выявление наиболее опасных групп факторов (отказов техники, ошибок личного состава и неблагоприятных условий среды). Качественная оценка БП позволяет выявит наиболее опасные факторы, снижающие БП, наметить и осуществить ряд мероприятий по ее повышению с учетом требований Норм летной годности и провести оценку соответствия общим требованиям летной годности ВС. Методика качественной оценки базируется на системном подходе к исследованию проблемы БП и включает в себя ряд последовательных этапов.

На первом этапе изучают структуру, свойства и особенности эксплуатации исследуемой системы, производят анализ ее функционирования. При этом выявляют факторы, снижающие БП и имеющие место з данной структуре исследуемой системы. Выявление этих факторов производят с помощью частных методик. Так, например, отказы техники выявляют методами математической статистики, теории вероятностей, теории надежности и других наук; ошибки личного состава - методами инженерной психологии и авиационной эргономики; неблагоприятные внешние условия при помощи методов, разработанных в метеорологии, теории управления воздушным движением и др.

Второй этап включает определение возможных последствий воздейст