автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Методология оценки безопасности полетов воздушных судов на этапах взлета и посадки с учетом эксплуатационных факторов и применения математического моделирования

/. ".; г: е з w д у и В А К F с- -

■ / • 7 Jf..

• ррисуддл 7Tî:r =ДД.!:1\.

ФЕДЕРАЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СЛУЖБА РОССИИ АКАДЕМИЯ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ТЕПНАДЗЕ СЕРГО АМБРОСОВИЧ

МЕТОДОЛОГИЯ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ С УЧЕТОМ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ И ПРИМЕНЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.22.14 - Эксплуатация воздушного транспорта

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

На правах рукописи

УДК 629.735.015.681.3

Научный консультант

Профессор, доктор технических наук

ЦИПЕНКО ВХ.

Санкт-Петербург -1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................9

1. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ И УСЛОВИЙ НА БЕЗОПАСНОСТЬ ПОЛЕТОВ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ.....................................................27

1.1. Вводные замечания и постановка задачи..............................27

1.2. Анализ авиационных происшествий при взлете воздушных судов...............................................................................................31

1.3. Анализ авиационных происшествий при посадке воздушных судов................................................................................................33

1.4. Влияние отказов функциональных систем............................37

1.5. Влияние внешней среды...................................................................42

1.6. Анализ действий экипажа на обстоятельства и причины авиационных происшествий......................................................50

Выводы по главе 1 ..................................................................54

2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ......................................................................................56

2.1. Вводные замечания.........................................................56

2.2. Методология построения системы управления факторами безопасности полетов воздушных судов на основе системы обработки и анализа полетной информации....................................57

2.2.1. Объекты базисных множеств СО и АПИ.......................57

2.2.2. Отношения между объектами системы управления безопасности полетов воздушных судов.......................66

2.2.3. Структура системы управления надежности полетов воздушных судов.............................................................85

2.3. Принципы построения и реализации системы обработки и

анализа полетной информации...........................................85

2.3.1. Анализ существующих систем и основные требования к ним на базе ЭВМ третьего поколения....................................94

2.3.2. Требования к структуре информационной базы СО и АПИ и принципы его формирования.........................................99

2.3.2.1. Источники и состав информации, способы ее передачи ... 101

2.3.2.2. Организация внутримашинной информационной базы ... 102

2.3.3. Принципы построения и реализации математического обеспечения СО и АПИ.........................................................104

2.3.3.1. Технология обработки данных, состав и структура

математического обеспечения........................................104

2.3.3.2. Подсистема управления решением задач обработки полетной информации.............................................106

2.3.3.3. Подсистема формирования и ведения информационной базы............................................................................................112

2.3.3.4. Подсистема отображения полетной информации......... 113

2.3.3.5. Подсистема формирования и вывода выходных документов..............................................................................114

2.4. Принципы формирования функционально-организационной структуры....................................................................116

2.5. Расчетные методы исследования безопасности полетов воздушных судов на этапах взлета и посадки......................118

Выводы по главе 2..............................................................123

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ.....................................................................125

3.1. Вводные замечания.......................................................125

3.2. Анализ математических моделей динамики полета самолета ... 126

3.3. Математическая модель воздушного судна.........................129

3.3.1. Особенности математической модели воздушного судна ... 129

3.3.2. Особенности математического моделирования движения воздушного судна по взлетно-посадочной полосе............ 135

3.3.3. Описание и структурная схема системы математического моделирования динамики полета воздушного судна......... 144

3.4. Выбор оптимального метода численного интегрирования системы дифференциальных уравнений динамики полета воздушного судна............................................................................149

3.5. Метод идентификации модели пилота............................................154

3.5.1. Математическое описание задачи..............................................155

3.5.2. Метод и алгоритм решения задачи............................................156

3.5.3. Описание программы........................................................159

3.5.4. Настройка программы.......................................................165

3.5.5. Описание контрольного примера........................................165

Выводы по главе 3 ............................................................................170

4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ДВИЖЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ НА ЭТАПАХ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ...........172

4.1. Постановка задачи................................................................172

4.2. Основные положения выбора событий при моделировании полетной ситуации воздушных судов.......................................................173

4.3. Метод оптимального планирования численного эксперимента при математическом моделировании взлета и посадки воздушных

судов ...........................................................................................176

4.3.1. Математическая теория планирования эксперимента ..................177

4.3.2. Вычисление коэффициентов поверхности отклика ....................178

4.3.3. Определение оптимального объема выборки..............................181

4.4. Методы проверки адекватности математической модели....................184

4.4.1. Обобщенная проверка непротиворечивости математической

модели экспериментальным данным ............................................. 185

4.4.2. Оценка достоверности и точности математического моделирования по критериям устойчивости и управляемости ............................203

4.5. Метод оценки влияния основных факторов сложных метеоусловий

на БП ВС при взлете и посадке ......................................................208

4.6. Применение методов теории катастроф к моделированию движения ВС на этапах взлета и посадки ...................................217

4.6.1. Качественно одинаковые условия полета и структурная устойчивость .....................................................................................219

4.6.2. Исследование зависимостей между различными параметрами полета методами теории катастроф .....................................220

4.6.3. Общая схема зависимости траектории движения самолета от управления и начальных условий ..........................................223

4.7. Методика расчета газодинамических параметров обтекания ВС при наличии электрических и молниевых разрядов ...........................226

4.7.1. Постановка задачи ..................................................................226

4.7.2. Система дифференциальных уравнений для расчета электрогазодинамического обтекания заряженного проводящего тела.....................................................................................................228

4.7.3. Алгоритм решения системы дифференциальных уравнений......232

Выводы по главе 4 ............................................................................................233

5. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ СЛУЧАЕВ ДЛЯ

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОСЛЕДСТВИЙ ОТКАЗОВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СИСТЕМ И ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ МЕТЕОУСЛОВИЙ НА ВЗЛЕТ И

ПОСАДКУ САМОЛЕТА .........................................................................235

5.1. Постановка задачи ...........................................................................235

5.2. Разработка перечня расчетных случаев полета самолета Ту-154 M .....236

5.2.1. Нормальные ситуации, предусмотренные РЛЭ ..............................237

5.2.2. Особые ситуации, предусмотренные РЛЭ ......................................243

5.2.3. Особые ситуации, не предусмотренные РЛЭ ............................... 252

5.3. Порядок оценки степени опасных особых ситуации самолета Ил-86 ...255 5.3.1 .Содержание перечня расчетных случаев ........................................257

Выводы по главе 5 .........................................................................................262

6. РЕШЕНИЕ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ ОСОБЫХ СЛУЧАЕВ ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ, ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ ..............................................263

6.1. Вводные замечания и постановка задачи ............................................263

6.2. Моделирование особых случаев взлета транспортных самолетов в условиях опасных внешних воздействий ..........................................265

6.2.1. Исследование возможности взлета самолета Ту-154 M при пониженных коэффициентах сцепления и отказах двигателя и в системе управления ..............................................................................265

6.2.2. Математическое моделирование взлета самолета Ил-86 при отказе двигателя на разбеге по ВПП с пониженным коэффициентом сцепления и боковым ветром .......................................................273

6.2.2.1. Исследование возможности безопасного продолженного взлета самолета Ил-86 ......................................................................273

6.2.2.2. Исследование возможности безопасного прерывания взлета самолета Ил-86 ........................................................................ 275

6.2.2.2.1. Исследование влияния скорости отказа наветренного

двигателя при прерывании взлета на разбеге с сильным боковым ветром по ВПП и пониженным коэффициентом

сцепления ...................................................................... 276

6.2.2.2.2. Исследование влияния скорости бокового ветра при

прерывании взлета на скользкой ВПП .............................278

6.2.2.2.3. Исследование отказа управления носовым колесом при прерывании взлета ...........................................................280

6.2.2.2.4. Исследование влияния уменьшения вдвое скорости поворота носового колеса при прерванном взлете ..........................283

6.2.2.3. Исследование возможности снижения скорости принятия решения при взлете самолета Ил-86 со скользкой ВПП ..........................284

6.3. Моделирование особых случаев посадки самолета Ту-154 М ..........289

6.3.1. Моделирование особых случаев посадки самолета Ту-154 М ......290

6.3.2. Моделирование особых случаев посадки самолета Ил-86 ............ 298

6.4. Особенности движения транспортных самолетов в условиях ливневых осадков и сдвига ветра.............................................................................302

6.4.1. Исследование возможности захода на посадку и посадки

самолета Ту-154 М ...........................................................................304

6.4.2. Исследование возможности захода на посадку и посадки

самолета Ил-86 ...............................................................................311

6.5. Исследование совокупности особых условий взлета и посадки транспортных самолетов с целью выявления критических

ситуаций .....................................................................................................325

6.5.1. Диаграмма предельных значений основных факторов метеоусловий

транспортных самолетов.......................................................................325

6.5.2. Анализ критических ситуаций полета воздушных судов с помощью методов теории катастроф .............................................................332

6.5.3. Анализ критических ситуаций полета воздушных судов при наличии электрических и молниевых разрядов на их поверхностях ..340

6.6. Рекомендации и предложения в руководящую документацию по

летной эксплуатации воздушных судов ................................................342

Выводы по главе 6 .......................................................................................346

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...........................................................................................349

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .....................................352

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ ......................................................................363

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................365

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программа идентификации математической модели пилота. Пример расчета идентификации параметров модели пилота. Оценка влияния коэффициентов усиления модели пилота (к¥; ку; \|/1Н.;\|/3.н.; 23.н.; к2) на управление взлетом самолета Ил-86 .................................................366

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты вычислительных экспериментов. Изменение основных параметров при прерванном взлете и нормальной посадке самолета Ил-86. Влияние сдвига ветра на посадку самолета Ту-154 М ...381 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Документы, подтверждающие внедрение результатов работы.............................................................................................402

ВВЕДЕНИЕ

Основной проблемой, неизменно стоящей на повестке дня в процессе создания и эксплуатации авиационной техники (АТ), является проблема постоянного повышения эффективности лётной эксплуатации и обеспечения безопасности полётов (БП) воздушных судов (ВС) на различных режимах полёта [34-37,54-56, 60-64].

Высокая эффективность ВС и безопасность их полёта неразрывно связаны друг с другом и непосредственно зависят от качеств самого ВС и человека-оператора, управляющего им. Если говорить о таком типе ВС как самолёт, то его качество характеризуется тремя основными свойствами: устойчивостью, управляемостью, маневренностью, а также существенно зависит от надёжной и безотказной работы конструкции и оборудования самолёта. В свою очередь, качества пилота определяются его теоретической подготовкой, пониманием динамики движения самолёта в различных ситуациях и знанием соответствующих инструкций по лётной эксплуатации того самолёта, на котором производится полёт [15-18,58-59].

Поскольку вопросы устойчивости, управляемости и безопасности полётов для транспортного самолёта являются важнейшими и тесно связанными между собой (для транспортного самолёта манёвренность не играет существенную роль), то методы как теоретических, так и экспериментальных исследований обеспечения хороших показателей этих качеств самолёта относятся к числу достаточно сложных проблем.

В отношении связи характеристик устойчивости и управляемости транспортного самолёта с безопасностью его полёта следует различать две стороны вопроса. Во-первых, улучшение характеристик устойчивости и управляемости самолёта обуславливает меньшую утомляемость пилота в полёте и, следовательно, снижает вероятность встречи с опасными ошибками пилотирования. А во-вторых, безопасность полёта в гораздо большей степени зависит от нарушений устойчивости управляемости самолёта прежде всего в

особых случаях полёта, например, при попадании в сложные метеоусловия, при отказах функциональных систем самолёта, при сваливании, при недостатках эффективности рулевых поверхностей и т.д. [23,25-27].

Все трудности в изучении и понимании этих проблем вытекают, с одной стороны, из большого числа параметров и эксплуатационных ограничений, влияющих на режим полёта. Конструкция современного самолёта и его автоматические устройства заметно усложнились и всё большее применение находят в настоящее время гибкие конструкции, которые подвержены значительным деформациям в полёте. Полёты самолётов совершаются днём и ночью, в самых различных природно-климатических условиях. Это всё приводит к дополнительным трудностям в эксплуатации самолётов, к снижению их лётно-технических характеристик (ЛТХ) и уровня БП [7,10-14].

С другой стороны, большое число летных и эксплуатационных ограничений, указанные пилоту в инструкции конкретного типа самолёта, определяют предельные режимы полёта, пилотирование на которых требует от пилота повышенного внимания. Поэтому в некоторых особых случаях полёта из-за ошибок в технике пилотирования возможно попадание самолёта на критические режимы полёта [8,9,22,57].

Наиболее сложными и ответственными с точки зрения обеспечения БП являются режимы взлёта, захода на посадку и посадки транспортных самолётов, специфика которых обусловлена [2,5,24,44,66,67]:

- значительной нестационарностью рассматриваемых режимов с большими изменениями параметров полёта (высоты, скорости полёта и т.п.);

- существенно нелинейным характером аэродинамических характеристик самолёта на больших взлётно-посадочных углах атаки;

- явным проявлением перекрёстных связей продольного и бокового движений самолёта;

- значительным и нестационарным влиянием близости Земли как на аэродинамические характеристики, так и непосредственно на методы пилотирования самолёта;

- наличием принципиально особых этапов движения (в отличие от всех обычных полётных) - отрыва и касания, а также участков движения самолёта по полосе;

- большим повышением психофизической нагрузки на экипаж в связи с резким возрастанием объёма и сложности задач, которые необходимо решить в течение коротких периодов времени;

- необходимостью применения особых, отличных от используемых в течение всего остального полёта, методов пилотирования самолёта, требующих большой точности и чёткости действий экипажа между собой и соответствующими наземными службами;

- значительной и весьма сложной зависимостью характеристик полёта от условий эксплуатации (внешних - атмосферных условий, особенностей работы аэродромных служб и т.д., внутренних - условий работы функциональных систем самолёта и т.п.);

- существенным эксплуатационным разбросом параметров рассматриваемых режимов полёта.

Всё это делает задачу исследования вопросов БП движения ВС на режимах взлёта и посадки в нормальных и особых условиях полёта на сегодняшний день весьма актуальной.

БП всегда была для авиации одной из основных проблем. С увеличением интенсивности и массовости эксплуатации самолётов в настоящее время стали вероятными события, прежде считавшиеся невероятными: столкновение самолётов в воздухе, остановка в полёте всех двигателей, полная потеря работоспособности двух пилотов в одном полёте и др. [1,68-70].

Увеличение пассажировместимости новых воздушных судов до 300-350 человек поставило каждую катастро