Лекция 9 Надежность систем управления

В процессе эволюции самолета и его систем происходило также совершенствование требований к системам управления. Расширение области режимов полета самолета (по скорости, высоте, углам атаки и т.д.)| освоение пилотирования в новых условиях (например, полеты в сложных метеоусловиях, на малых высотах), применение новых компоновок самолетов, конфигурация которых выбирается с учетом структуры системы управления - все это требует от разработчиков систем управления поиска эффективных мер по обеспечению высокой надежности управления и безопасности полета самолета.

Если по какой-то МСУ имеются вполне достоверные данные о функционировании в различных условиях эксплуатации и течение многих лет на обширном парке самолетов, то при переходе к автоматизированным системам эта система и ее показатель надежности на первом этапе могли быть приняты за эталон надежности, который вполне можно было использовать для оценки надежности других функционально значимых систем иной структуры.

Поскольку доверие к МСУ в отношении надежности очень высокое, то было принято, что вес другие системы такой же функциональной значимости должны иметь вероятность отказа по крайней мере выше указанной. Не резервированные электрические, электронные и гидравлические системы не могли обеспечить такой показатель надежности, поэтому необходимо было их резервировать.

Как показала практика, резервирование явилось наиболее эффективной мерой повышение надежности управления и безопасности полета при отказах в функционально значимых системах самолета. Резервирование позволяет сохранить работоспособность системы управления при определенном числе и видах отказов. Однако ввиду того, что каждый вид отказа (электрический, гидравлический, механический) оказывает определенное воздействие на работоспособность системы, для его компенсации и изоляции требуется применение соответствующих конструктивных мер, например, секционирование рулей, применение двух проводок с устройствами расцепки и пружинными звеньями, использование определенных методов резервирования, при которых рассматриваемый отказ не является критичным для системы.

С начала 70-х годов проектирование систем гражданских самолетов велось с учетом новых положений требований норм летной годности самолетов НЛГС (в последствии Авиационных правил АП-25, ФАР-25, BCAR), а военных самолетов - с учетом специальных требований. Информация по этому вопросу содержится в АП-25, ФАР-25. Следует обратить внимание на два принципиальных положения требований, которые имеют существенное значение для выбора структуры системы управления:

структура системы управления должна рассчитываться на один отказ (за исключением заклинивания) без учета вероятности его возникновения. При этом рассматривается также механический отказ типа рассоединения (несмотря на его достаточно малую вероятность) как отказ, по которому необходимо принятие структурных мер, например, дублирования, для сохранения работоспособности системы независимо от вероятности его возникновения. Поэтому все системы управления последних самолетов с механической провод-кой имеют дублирующую проводку или какое-либо средство альтернативного управления (например, управление через другой канал); практическая невероятность возникновения комбинации двух последовательных отказов (в которую включается отказ типа рассоединения) или единичного отказа типа заклинивания согласно требованиям может быть подтверждена расчетными методами.

Однако использование расчетных методов дает в лучшем случае диапазон значений вероятностей отказа (надежности) системы, в котором следует ожидать значение фактической вероятности отказа (надежности) системы. Проведение таких расчетов целесообразно прежде всего для установлений "слабых" в отношении надежности элементов, надежность которых необходимо повышать (например, используя для этого их резервирование).

Применение резервирования систем во многих случаях связано с невозможностью демонстрации улучшенной надежности. Проверка надежности системы с вероятностью отказа 10^-7 на 1 ч полета потребовала бы многолетней непрерывной работы системы. Поэтому количественное значение надежности нельзя с уверенностью подтвердить стендовыми и летными испытаниями. Для этого потребуется информация по всему парку самолетов с новыми системами.

В этом отношении показательна тенденция, которая имеет место при применении ответственных механических систем, ранее традиционно считавшихся высоконадежными. Несмотря на это, признана необходимость резервирования механической проводки и других ответственных механических элементов. В этом можно убедиться, если обратиться к системам управления самолетов Ил-86, В-1В, В-747, механизму управления балансировочным стабилизатором многих самолетов (дублированные шестерни, винтовые механизмы, карданы и т.д.).

По вполне понятным причинам резервирование механических систем было осуществлено позже других систем. Основная причина, сдерживающая применение резервирования механических систем - это значительное увеличение массы системы.

Механические системы выполняют также силовые функции, т.е. служат для непосредственного отклонения рулей, на которые воздействуют большие аэродинамические нагрузки. Резервирование силовых связей требует увеличения массы. Поэтому там, где возможно применение секционирования органов управления, можно избежать значительного увеличения массы от применения такого резервирования, поскольку потерю секции вследствие механического отказа в этом случае можно не рассматривать как критическую с точки зрения безопасности полета.

В общем случае резервирование является универсальным средством повышения надежности и живучести системы управления. Однако это не означает, что резервированная система не должна изменять свои характеристики при возникновении в ней отказов или повреждении функциональных элементов. Важно, чтобы эти изменения характеристик не выходили за пределы, определяемые условиями безопасности полета. В современных требованиях к системе управления степень влияния на ее характеристики отказов или повреждений нормируется и зависимости от того, является самолет транспортным, пассажирским или военным.

Для транспортных (пассажирских) самолетов рассматриваются четыре вида ситуаций, которые различаются тяжестью последствий, вызванных отказными состояниями. К особым ситуациям относятся: усложнение условий полета, сложная ситуация, аварийная ситуация, катастрофическая ситуация.

Так как особые ситуации непосредственно влияют на безопасность полета, частота их возникновения нормируется в требованиях норм летной годности.

В военной авиации принято, что пилотажные характеристики самолета могут иметь различные уровни в зависимости от того, в какой области режимов полета (основной, эксплутационной и предельной) находится самолет и какое состояние системы управления самолетом (нормальное или с отказами). С точки зрения безопасности полета имеются три приемлемых уровня по нормам летной годности.

Несмотря на различие в обозначениях степени изменения характеристик управляемости при отказах, выраженных особыми ситуациями (транспортные самолеты) и уровнями (военные самолеты), между ними существует тесная взаимосвязь, поскольку они оцениваются степенью снижения эффективности выполнения задания к изменением нагрузки на экипаж во время полета, снижающих его способность противодействовать отказам и внешним возмущениям.

Акцент делается на функциональную значимость систем для безопасности полета. В связи с этим целесообразно всю совокупность систем, участвующих в той или иной мере в управлении самолетом, разделить на группы функциональной значимости, а затем изложить требования к безопасности каждой труппы систем.

Таким образом, значимость функций для систем безопасности полета должна служить критерием для градации систем по группам функциональной значимости.

I. Функциональные системы, потеря функции которых в любом случае недопустима по условиям обеспечения безопасности полета. Основная задача при создании таких систем - это обеспечение их работоспособности в течение всего времени полета самолета или, если смотреть более широко, в течение всего жизненного цикла самолета.

II. Функциональные системы, функция которых может быть потеряна, но при ее потере не должны создаваться критические для безопасности полета к посадки самолета условия. Для такой группы систем меры обеспечения безопасности должны быть направлены на создание условий отказобезопасности.

III. Функциональные системы, предназначенные для повышения комфорта экипажа и пассажиров, которые не оказывают существенного влияния на безопасность полета как с точки зрения потери самой функции, так и возможного влияния отказа.

Ниже приведены требования к надежности систем с учетом их функциональной значимости.

Системы группы I. Вероятность отказа систем должна быть менее 10^-9 на 1 ч полета, т.е. отказ системы должен рассматриваться как событие практически невероятное. Такие высокие требования по надежности (или вероятности отказа) могут быть обеспечены многократным резервированием функциональных систем, при котором функциональная система сохраняет работоспособность, по крайней мере, после двух или более последовательных отказов ее каналов. Для обеспечения такой надежности необходимо трех - четырехкратное резервирование системы. При этом после перехода системы (в результате возникновения неисправностей) в состояние "нет резерва " экипаж должен прекратить выполнение плана полета и завершить полет на ближайшем аэродроме.

Системы группы II. Вероятность отказа систем должна быть не менее 10^-5 на 1ч полета. Надежность систем этой группы должна обеспечиваться двух – трехкратным резервированием, при котором функциональная система сохраняет работоспособность, по крайней мере, после одного отказа канала.

Система должна обладать свойством отказобезопасности, т.е. прекращение функционирования не должно сопровождаться недопустимыми возмущениями в движении самолета и отказавшая система не должна препятствовать безопасному завершению полета и совершению посадки. Для обеспечения отказобезопасности системы этой группы должны быть самоконтролируемыми до возникновения последней неисправности, после которой система прекращает функционировать. После отказа системы должны накладываться ограничения на область режимов полета и действия экипажа при пилотировании самолета.

Системы группы III. Вероятность отказа должна быть не менее 10^-3 на 1ч полета. При отказе не должно возникать проблем с обеспечением безопасности полета. Системы этой группы должны быть отказобезопасными. Полет может быть продолжен в соответствии с принятым планом полета. В качестве основной меры обеспечения отказобезопасности рассматривается ограничение эффективности системы или ограничение (чаще механическое) хода ее исполнительного устройства.

Следует отметить, что системы группы I должны обеспечивать заданную работоспособность не только при возникновении собственных расчетных и нерасчетных отказов, отказов взаимодействующих систем (ЭС, ГС и др.), но при возникновении отказа типа нелокализованного разлета масс двигателя (НРМД).

В нормах летной годности указывается, что самолет должен быть способен успешно завершить полет, во время которого произошло повреждение конструкции при НРМД. Эти требования считаются выполненными, если будут достигнуты заданные уровни риска. Обеспечение этих уровней возможно только методом резервирования необходимого уровня систем группы I (СДУ, взаимодействующие системы с СДУ и т.д.), разнесением резервных каналов по разным бортам самолета, минимизацией количества агрегатов и элементов систем группы I в зоне поражения от НРМД и т.д.

Дата добавления: 2013-12-14