МЕТОДОЛОГИЯ ФОРМИРОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Математической моделью эффективности летательных аппара­тов называется математическое отношение, выражающее зависи­мость показателя эффективности от основных определяющих его факторов. В соответствии с формулой (2.1) общая форма этой мо­дели представляется как

W (М, R, S), (3. 1)

где W — обобщенный показатель эффективности летательного аппарата; М — комплексный показатель целевой производительности; R — комплексный пока­затель целевой надежности; 6’ — комплексный показатель целевой экономично­сти.

При, формировании конкретных математических моделей требу­ется установить основные факторы, определяющие значения комп­лексных показателей М, >R, S, и функциональные связи между ни­ми и основными факторами. Особенность данной задачи состоит в многообразии действующих факторов, что требует применения си­стемного анализа.

Процесс функционирования летательного аппарата связан с множеством характеристик наземных систем и внешней среды. При любых аспектах рассмотрения летательного аппарата как транспортного средства анализируется по существу техническая система, включая, помимо летательного аппарата, большую но­менклатуру средств наземного обеспечения, однако значения по­казателей эффективности всей технической системы приписывают­ся главному звену — летательному аппарату. Комплексные пока­затели М, R, S зависят также от состояния технологической, орга­низационной, социальной и экономической систем, которые для ле­тательного аппарата являются внешней средой. Поэтому матема­тические модели для расчёта показателей эффективности летатель­ных аппаратов должны содержать в параметрах характеристики всех перечисленных систем, т. е. строиться в виде:

М = /г (а, р, у); R = /2 (а, р, у); 5 = /8 (а, Р, у), (3:2)

где а —вектор характеристик собственно летательного аппарата; (3— вектор ха­рактеристик других систем воздушного транспорта (технической, технологиче­ской, организационной, социальной, экономической), влияющих на процесс функционирования летательного аппарата; у—-вектор характеристик внешней среды (другие виды транспорта, природа, спрос на воздушные перевозки и др.), влияющих на эффективность.

С точки зрения системного подхода представление эффектив­ности летательного аппарата в форме (3.2) содержит элемент не­корректности: здесь не прослеживается четкой декомпозиции слож­ной системы, уровень «летательный аппарат» определен расплыв­чато. Это связано с тем, что изолированный летательный аппарат не может функционировать. Придание ему какой-то доли обеспечи­вающих систем также не образует функционального звена и в практике не прижилось. Исторически сложившаяся система. учета производственных показателей летательных аппаратов состоит в том, что обеспечивающие системы соотносят ко всему парку лета­тельных аппаратов данного типа и на этой основе получают харак­теристики функционирования списочного летательного аппарата. Этот же подход используется и при исследовании эффективности летательных аппаратов. ■

Модель (3.2) не является единственно возможной. Проблема исследования эффективности воздушного транспорта характеризу­ется — значительным разнообразием возможных математических мо­делей, которые могут отличаться. сложностью структуры, требова­ниями к информационному обеспечению, к вычислительным сред-

ствам и т. д. Однако независимо от того, как система математиче­ских моделей эффективности будет принята исследователями при решении данной конкретной задачи развития или функционирова­ния воздушного транспорта, принцип системного подхода является обязательным.

В ряде задач более подходящей может оказаться модель, пост­роенная на анализе ресурсов и результатов функционирования:

АГ==фх (U, У, У „); R = ф2 (U, У, У Л S — ф3 (Ц, У, Уи), (3.3)

где и — вектор ресурсов, располагаемых для функционирования летательного аппарата; У— вектор конечного результата функционирования летательного аппарата; Ун — норматив необходимого конечного результата.

При построении данной модели нужно иметь следующие мате­матические зависимости:

и = <Pi(ct, ft Y); У = 92 («, ft у); Ук = 9з (а, Р, у). (3.4)

С точки зрения внешних факторов, учитываемых векторами |3 и у, наибольшее влияние на характеристики функционирования ока­зывают производственные условия авиапредприятия (объедине­ния), где используется летательный аппарат. Подробный анализ этих условий будет приведен в гл. IV. Рассмотрим суть вектора а.

По определению вектора а характеризует собственно летатель­ный аппарат. Перечень параметров и характеристик летательного аппарата может быть очень широким, он зависит от целей иссле­дования и находится в прямой зависимости от степени детализации состояний летательного аппарата. При исследовании эффективно­сти необходима агрегированная информация. Это требование за­ставляет обращаться к наиболее общим характеристикам ’изделий и технических систем, в числе которых на первом месте стоит ка­чество, как форма проявления потребительной стоимости изделия (системы). При такой трактовке составляющие вектора а являют­ся показателями качества, основные из которых — показатели тех­нического уровня.

Специфической чертой технического уровня является его срав­нительный характер. Это означает, что для его оценки необходимо иметь базу для сравнения — эталон. Эталон — это перспективный стандарт, обобщающий передовой научно-технический опыт отече­ственных предприятий, лучших зарубежных фирм и обеспечиваю­щий его своевременное внедрение в практику. Вышеизложенное дает основание определить технический уровень как основную ха­рактеристику качества изделия, оцениваемую степенью соответст­вия изделия эталону, отражающему специфику задач функциони­рования изделия и уровень внедрения результатов научно-техниче­ского прогресса.

Количественная оценка технического уровня стимулирует при­менение наиболее перспективных конструкций, систем и методов эксплуатации и необходима при прогнозировании долгосрочного аспекта функционирования объекта.

Новые прогрессивные свойства ррактически любых технических средств справедливо связывают с научно-техническим, прогрессом.

Однако на первых порах новая техника чаще всего бывает эконо­мически невыгодной из-за дорогой и трудоемкой доводки, неизбеж­ность которой обусловлена самой новизной. При этом чем более передовыми в техническом отношении являются разрабатываемые и внедряемые образцы’новой техники, тем значительнее становит­ся накопление научных и производственно-технических знаний й опыта, которые необходимы для перехода к следующим более со — вершенным конструкциям самолетов и обслуживающих систем. Отсюда вытекает объективная потребность в неэкономической оценке технических систем на каких-то этапах их жизненного цик­ла. Основным содержанием такого показателя или системы пока­зателей, видимо, должно быть измерение уровня, научно-техничес­кого прогресса, т. е. уровня новизны технической системы, что по своей природе отвечает смысловому содержанию показателей тсх^ нического уровня.

Показатели технического уровня наряду с характеристиками условий производства определяют эффективность летательных ап­паратов. При этом если учесть, что условия производства являются внешней средой, то управляющими параметрами эффективности летательного аппарата в модели (3.2) оказываются лишь показа­тели технического уровня. Это дает основание модель (3.2) пред­ставить в виде:

. м = («): Л = (а); 5 = 5р т (а); (3.5)

где Afp|T (а), T(a),Sp T (of)—функционалы, учитывающие векторы ^и я.

Целевая производительность,’ целевая надежность и целевая экономичность, т. е. эффективность летательного аппарата, рассмат­риваются как целевые характеристики.• Это, конечно, не означает, что здесь не учитывается экономическая эффективность. Экономи­ческая эффективность также становится целевой, если целью функ­ционирования летательного аппарата (конечным результатом) яв­ляется экономический эффект, а не объем выполненной им работы. Следовательно, целевой подход к исследованию эффективности яв­ляется универсальным. Он учитывает не только производитель­ность функционирования, но и экономичность решения поставлен­ных задач.

Модели эффективности наряду с непосредственной оценкой эф­фективности воздушного* транспорта позволяют решать следующие задачи развития и функционирования: прогнозирование спроса на пассажирские перевозки и объемов транспортной работы на пер­спективный период; формирование потребностей в СВП, расста1 новка и закрепление парка за воздушными линиями; выбор опти­мальной реконструкции аэропортов; размещение СВП по районам базирования и др.

Чем теснее будут увязаны математические модели показателей эффективности летательных аппаратов с перечисленными задача­ми планирования и управления, тем большую пользу принесут они в решении проблем повышения эффективности воздушного транс­порта.

Исследование технического уровня летательных аппаратов яв­ляется первичной и наиболее важной частью комплексной задачи разработки показателей, математических моделей и методов оцен­ки технического уровня и эффективности воздушного транспорта в целом. Оценка технического уровня летательных аппаратов про­изводится с целью установления влияния их параметров на пока­затели эффективности, а также выявления степени соответствия основных технических показателей создаваемых или действующих летательных аппаратов поставленным задачам функционирования и современным достижениям науки и техники. Такая оценка долж­на производиться на всех стадиях жизненного цикла летательного аппарата.

На стадии планирования и проектирования оценка техническо­го уровня должна использоваться для выбора направлений науч­ных исследований, связанных с повышением технического уровня, уточнения программы экспериментальной отработки планера и других систем, выбора методов проектирования, обеспечивающих создание летательного аппарата с заданными техническими харак­теристиками. На стадии опытной отработки проверяется соответст­вие достигнутого технического уровня проектному, проводится до­работка летательного аппарата и его сертификация. Уровень со­вершенства летательного аппарата, достигнутый в конце стадии испытаний, во многом определяет его окончательный технический уровень. Оценка достигнутого на этом этапе технического уровня используется для определения направлений дальнейшего совер­шенствования летательных аппаратов, а также для уточнения вре­менных и материальных затрат на развитие СВП.

Показатели технического уровня летательных аппаратов долж­ны удовлетворять следующим требованиям: иметь четкий физичес­кий смысл, однозначное толкование и количественную оценку; со­вокупность показателей должна характеризовать технический уро­вень летательного аппарата, который, в свою очередь, должен быть чувствительным к изменению каждого показателя; число показа­телей должно быть ограничено для обеспечения их сбора и обра­ботки достаточно простыми и нетрудоемкими способами.

Основываясь на анализе основных функций и состояний, прису­щих летательным аппаратам на различных стадиях жизненного цикла, их технический уровень будем определять на основе четы­рех комплексных показателей, характеризующих функциональное конструктивное эксплуатационное и производственно-технологиче­ское совершенство.

Функциональное совершенство. Самолет — транспортное сред­ство, его основная функция — полеты. Успешность (качество) по­лета характеризуется системной надежностью. С количественной стороны этот процесс характеризуется производительностью. Сле­довательно, функциональное совершенство самолета оценивают по­казатели надежности и производительности: коэффициент исправ­

но

пости парка ТСиспр; коэффициент использования самолетов в рейсах /(рейс; вероятность полетов без летных происшествий Рбп; произво­дительность самолета М; годовой налет часов Г*. В зависимости от топ?, какая цель преследуется при оценке технического уровня, могут использоваться или отдельные из приведенных здесь показа­телей, или их комбинации. При этом наиболее представительным показателем, учитывающим многие стороны процесса функциони­рования летательного аппарата, является производительность са­молета М.

Конструктивное совершенство. Этим понятием определяют со­вокупность свойств и характеристик, присущих непосредственно летательному аппарату и мало зависящих от условий и технологии эксплуатации. Конструктивное совершенство — наиболее общая ха­рактеристика технического уровня самолета, включающая в себя: ■весовое; аэродинамическое; энергетическое; взлетно-посадочное, эргономическое; экологическое; совершенство ресурса; совершенст­во системы пилотажно-навигационного оборудования; комфорт на борту самолета.

Весовое совершенство самолета отражает уровень конструктивно-прочностной проработки самолета.’ Чем при мень­шей взлетной массе реализованы заданные при проектировании ха­рактеристики целевого назначения, тем самолет более технически совершенен и экономически эффективен. Взлетная масса G0 скла­дывается из массы пустого самолета (цгуС и массы полной нагруз­ки GM, т. е.

Gq — GHус -|- GH, . (3-6)

те ■ G„ ус = GK + Gc у + Ооб! GH = GKH GT + GCH:

GK — масса конструкции самолета; Gcy—«масса силовой установки; Gofi— мас­са оборудования; GKh — масса коммерческой нагрузки; GT—масса топлива; GCH—’Масса служебной нагрузки (экипаж, продукты питания для пассажиров, бортинструмент, чехлы, ковры и пр.).

Коммерческая нагрузка и топливо в определенных пределах взаимозаменяемы в весовом отношении, что связано с необходи­мостью замещения некоторой доли GKH топливом при использова­нии самолета на максимальных дальностях. Сумму масс коммер­ческой нагрузки и топлива называют полезной нагрузкой GnH.

Весовое совершенство самолета характеризуется показателем весовой отдачи — отношением массы полной нагрузки самолета к его взлетной массе GH/G0 либо отношением полезной нагрузки к взлетной массе Gm,]G0. У современных пассажирских самолетов ■весовая отдача по полезной нагрузке составляет от 0,33—0,43 для самолётов местных воздушных линий и до 0,51—0,58 для дальних магистральных самолетов. Если характеристики обобщаются или прогнозируются по более узкому классу самолетов, как это бывает при оценке технического уровня, то весовую отдачу целесообразно характеризовать отношением массы коммерческой нагрузки GKH к массе пустого самолета, приходящейся на одно пассажирское крес-‘ ло: Gnvc/Якр, где лКр — число пассажирских кресел.

Ill

.Аэродинамическое совершенство самолета— это интегральная характеристика аэродинамического сопротивле­ния, подъемной силы, аэродинамического качества, скорости и дальности полета. Аэродинамика оказывает непосредственное влия­ние на все характеристики самолета: чем выше аэродинамическое качество, тем при прочих равных условиях требуется меньшая тя­га двигателей, меньший запас топлива для полета на заданное рас­стояние, тем, следовательно, меньше масса самолета. Все это ста­вит аэродинамическое совершенство в число наиважнейших состав­ляющих технического уровня и направлений научно-технического прогресса.

Исследования показывают, что существенное улучшение аэро­динамики самолета может быть получено за счет использования сверхкритического профиля крыла, обеспечивающего уже при не­больших трансзвуковых скоростях полета смещение скачка уплот­нения к задней кромке крыла, что способствует сверхзвуковому об­теканию значительной части верхней поверхности крыла. В резуль­тате эти профили позволя’ют увеличить критическое число М до 0,95—0,98. Более того, сверхкритические профили при увеличении скорости не дают такого сильного снижения аэродинамического ка­чества, как это бывает при обычном профиле.

Другим направлением совершенствования аэродинамических ха­рактеристик самолетов является управление пограничным слоем с помощью его отсоса или сдува. Отсос пограничного слоя позволяет существенно снизить профильное сопротивление, сдув его исполь­зуется для создания супердиркуляции крыла на взлетных и поса­дочных режимах.’Может оказаться, что в перспективе этот способ увеличения подъемной силы вытеснит существующую постоянно ус­ложняющуюся, механизацию крыла.

Все направления совершенствования аэродинамических харак­теристик самолета направлены на снижение энергозатрат, необхо­димых для выполнения полета. В связи с этим аэродинамическое совершенство оценивается величиной энергозатрат или парамет­ром, пропорциональным энергозатратам, в качестве последнего, очевидно, может выступать дальность полета. Для установления ■связи между аэродинамическими параметрами и дальностью поле­та воспользуемся формулой. Бреге

L=(KV/Cyn) In ((1/(1—аг))> (3.7)

где f(=Cv/Cx — аэродинамическое качество; ‘ V— скорость полета; Суд — удельный часовой расход топлива; GT = GT/G0 — относительный запас топлива.

Зависимость (3.7) показывает, что интегральным показателем, характеризующим суммарные энергозатраты, является произведе­ние KV, которое, следовательно, может быть принято в качестве показателя аэродинамического совершенства летательного аппа­рата.

Энергетическое совершенство самолета связыва — • ют с расходом топлива. Воздушный транспорт — наиболее энерго­емкий вид транспорта. Расход топлива зависит от многих факто-

ров, таких, как энергетическое совершенство авиадвигателей, аэро­динамическое совершенство летательного аппарата, время работы двигателей на земле, высота эшелона и др. Важной характеристи­кой самолета и особенно двигателей является удельной часовой расход топлива. Однако энергетическое совершенство нельзя счи­тать характеристикой лишь самолета, это одновременно и харак­теристика системы-эксплуатации. При таком подходе наиболее ■ представительной характеристикой энергетического совершенства следует считать расход топлива на единицу транспортной работы.

Взлетно-посадочное совершенство самолета имеет важное значение потому, что оно связывает самолет с аэродромом. Современный аэродром — это уникальное, чрезвычайно дорогостоя­щее сооружение. Важнейшими характеристиками аэродромов яв­ляются длина и прочность взлетно-посадочной полосы (ВПП), по­этому их и следует рассматривать при оценке технического уровня самолета. Если же ориентироваться непосредственно на характе­ристики самолета, то в качестве определяющих следует принять длину пробега (разбега) и нагрузку самолета на ВПП. Для выпол­нения требований по проходимости (возможности эксплуатации без повреждения ВПП) вводится понятие эквивалентной одноко­лесной нагрузки, которая’ представляет собой нагрузку от одноко­лесной опоры самолета, равную по силовому эффекту воздействия на покрытие нагрузке от реальной опоры самолета с учетом коли­чества и схемы расстановки колес на этой опоре.

Совершенство системы пилотажно-навигацион­ного оборудования обоснованно связывают с ее точностью и автоматизацией. Увеличение плотности -движения и задача более экономного использования воздушного пространства, особенно в района^ аэропортов, неразрывно связаны с необходимостью повы­шения точности наземных и бортовых средств навигационного обес­печения полетов и средств оперативного управления полетами. Кро — . ме того, ставится задача полностью исключить зависимость воз­душного транспорта от погодных условий. Автоматизация управ­ления воздушным движением ориентирована на широкое внедре­ние бортовых вычислительных комплексов,- повышение помехоза­щищенности, исключение субъективного фактора в действиях опе­раторов и диспетчеров службы УВД. Комплексное развитие бор­товых и наземных радиотехнических средств УВД, навигации и ■посадки позволит решать широкий круг практических задач: даст возможность повысить регулярность полетов, пропускную способ­ность воздушных магистралей и аэропортов, безопасность полетов. Наиболее значительное влияние совершенство системы пилотажно­навигационного оборудования оказывает на регулярность полетов и простои исправной авиатехники. То и другое во многом связано с метеоусловиями.

Для посадки в сложных метеоусловиях ИКАО определила ряд эксплуатационных категорий или посадочных минимумов, харак­теризуемых высотой принятия решения и дальностью видимости — на ВПП. Самая низкая автоматизация соответствует категории I

(посадочный минимум 1 категория). Для нее предусмотрен авто­матизированный заход на посадку до высоты принятия решения 60 м и при дальности видимости на ВПП не менее 800 м (60Х Х800 м). Самый высокий уровень автоматизации соответствует ка­тегории ШС (0X0). Это полностью автоматические посадка и ру­ление по аэродрому, т. с. без вмешательства пилота. При этом заход на посадку, руление по ВПП и рулежным дорожкам проис­ходит без использования внешних ориентиров.

Чем выше возможности самолета с точки зрения автоматизация посадки, тем шире диапазон применения самолета в сложных ме­теоусловиях. На этом основании посадочный минимум является одним из’ важнейших свойств технического совершенства системы посадки самолета. Количественно это свойство измеряют точностью выведения самолета в заданную зону (область). Другой параметр— точность навигации на марше — характеризует совершенство на­вигационного маршрутного оборудования. Он измеряется величи­ной бокового уклонения за 1 ч полета и играет особую роль для дальних магистральных самолетов.

Ресурс самолета—это важнейшая временная характеристи­ка его качества. При соблюдении установленной системы техниче­ского обслуживания и ремонта ресурс однозначно определяет дол­говечность самолета. По своей сути ресурс — технико-экономичес­кий показатель. Его технический аспект связан с..массой конструк­ции, надежностью, ремонтопригодностью и восстанавливаемостью самолета и его частей. Увеличение ресурса может быть достигнуто за счет увеличения массы конструкции, например за счет создания резервных силовых элементов, ограничителей распространения трещин, местных усилителей, снижения действующих напряжений для увеличения усталостной прочности и т. п. Однако при этом снижается весовая-отдача самолета, а следовательно, и экономич­ность.

Различают гарантийный, межремонтный и назначенный ресурс. Гарантийный ресурс — это наработка объекта, в пределах кото­рой изготовитель гарантирует безотказную его работу при условии соблюдения потребителем правил эксплуатации, В случаях преж­девременного выхода из строя авиационной техники по конструк­тивно-производственным причинам эксплуатационные предприятия в установленном порядке предъявляют рекламации для возмеще­ния материального ущерба, вызванного отказами. В основном га — оантийный ресурс следует рассматривать как экономическую ка­тегорию, устанавливающую определенную систему взаимоотноше­ний изготовителя с потребителем.

Межремонтный и назначенный ресурсы по существу характери­зуют уровень самолета, поскольку тот или другой виды ресурса связаны с достижением некоторых предельных состояний. При оценке технического уровня, по нашему мнению, следует ориенти­роваться преимущественно на назначенный ресурс, представляю­щий собой суммарную наработку объекта, при достижении которой эксплуатация должна быть прекращена независимо от его состоя-

кия. Межремонтный ресурс учитывается при анализе эксплуата­ционного совершенства летательного аппарата.

Эргономическое совершенство самолета — это ха­рактеристика приспособленности информационной модели самолета ж потребностям оператора и одновременно характеристика инфор­мационной совместимости оператора с машиной. Процесс управ­ления самолетом включает в себя сбор и переработку обширной информации о поведении самолетных-систем и характеристиках внешней среды. Можно сказать, что оператор (пилот) управляет не столько непосредственно самой машиной, сколько ее информа­ционной моделью, которая является как бы «зеркалом» машины. Она представляет собой часть зргатической системы «экипаж—са­молет— среда», предназначенной для отображения информации и передачи воздействия на органы управления с целью приведения самолета в требуемое состояние. Ее назначение заключается, в том, чтобы выдавать оператору такую информацию, при использовании которой он в любой момент времени смог бы определить условия работы самолета и его систем. При переходе от одного этапа по­лета к другому оператор должен получить подтверждение тому, что все оборудование, необходимое для выполнения полета, рабо­тает нормально. Информационная модель должна сигнализиро­вать о развитии аварийных ситуаций и помогать членам экипажа выбирать целенаправленные действия по — устранению возникших неисправностей.,

Бортовая информация должна быть достаточной для того, что­бы перед прибытием в аэропорт посадки обслуживающий персонал знал’, какие меры следует принять при оперативном обслуживании в случае появления неисправностей. Информация, запасенная на борту самолета,’ должна содержать сведения о режиме полета, ус­ловиях работы самолета и его систем. Эти сведения необходимы для прогнозирования работоспособности самолетных систем, а так­же для контроля работы экипажа.

Перспективная бортовая система информации должна осуще­ствлять оценку качества работы самолета и его систем в полете в реальном масштабе времени. Очень важно, чтобы информацион­ная модель обеспечивала максимально возможное сжатие инфор­мации, особенно той, которая не требует немедленной реакции опе­ратора. Прогнозируется, что эти качества будут достигнуты за счет широкого использования’ электронно-лучевых трубок яркого свечения и ЭВМ.

Для успешного выполнения функций зргатической системой с участием оператора информационная модель должна позволять оценивать в каждый момент времени процесс управления системой в целом, из всех данных выбирать информацию о критических си­туациях, заблаговременно прогнозировать надвигающуюся ситуа­цию, чтобы заранее определять возможные способы коррекции. Из­ложенные требования к информационной модели и направления ее совершенствования указывают на то, что’ в качестве критерия оценки информационной модели, а следовательно, и эргономичес-

кого совершенства самолета следует принимать запас времени, предоставляемый системой оператору для принятия решения в аварийных ситуациях. К сожалению, отработанных методов расче­та этого параметра пока нет. Приближенно его можно оценивать величиной степени сжатия информации, т. е. отношением объема информации на входе в информационную модель к объему инфор­мации на выходе.

Экологическое совершенство самолета отражает вли­яние самолета на окружающую среду. Защита окружающей среды и снижение вредного влияния самолетов становится в ряд государ­ственных проблем. Вместе с тем по мере развития техники это вред­ное влияние возрастает. Новые виды энергетики. летательных ап­паратов, увеличение скорости и высоты полета ставят проблему снижения уровня шума. Непрерывно ужесточающиеся требования к уровню шума перестали быть лишь требованиями по организации полетов, времени взлетов и посадок. Они направлены на совершен­ствование летательных аппаратов. Предполагается, что существен­ную роль в этом может сыграть компоновка самолета, снижение вредного взаимного аэродинамического влияния отдельных частей планера и двигателя, усовершенствование процессов горения в ка» мерах сгорания, ламинаризация процессов обтекания, управление этими процессами и др.

Применение сверхзвуковых и ’в перспективе гиперзвуковых ЛА связано еще и с рядом других вредных эффектов: загазованностью воздушного пространства, воздействием на население и животных ударной волны, каталитическим разрушением стратосферного озона. Последнее, по мнению ряда исследователей, может привести к ос­лабленню защитных свойств озона от воздействия ультрафиолето­вого излучения на животный и растительный мир Земли. Среди многообразных вредных воздействий самолета на окружающую сре­ду на первом месте стоит шумовое воздействие. На этом основании в качестве показателя экологического совершенства самолета бу­дем принимать уровень шума самолета, измеряемый в соответствии с международными нормами.

Комфорт на борту самолета складывается из ряда фи­зиолого-гигиенических, бытовых и психологических условий, соблю­дение которых направлено на достижение минимальной утомляе­мости пассажиров, состояния удовлетворенности и спокойствия во время полета. Первостепенное значение имеют размеры пасса­жирской кабины, т. е. объем кабины, приходящейся на одного пас­сажира. В современных самолетах он составляет: в I классе — 1,5— 1,8 м3/чел.; II туристском классе — 1,2—1,3 м3/чел, в III экономи­ческом классе — 0,9—1,0 м3/чел. Важную роль играют шаг кресел, ширина кресел, форма сиденья, угол наклона спинки кресла, ши­рина прохода, форма пассажирского салона, внутренняя отделка и т. д. Удобство пассажира и его утомляемость зависят также от уровня шума и вибраций, качества работы системы кондициониро­вания в полете и на земле, качества, организации питания и бы­товых услуг. Интегральный критерий оценки комфорта пока не

разработан. Однако на все элементы комфорта имеются стандар­ты или нормативы, которые могут рассматриваться как характерис­тики комфорта. Приближенно же комфорт может оцениваться ве­личинами удельного объема и площади пола, приходящимися на одного ‘пассажира.

Эксплуатационное совершенство. Интенсификация транспорт­ного процесса и повышение его эффективности тесно связаны с эксплуатационным совершенством летательного аппарата, под ко­торым понимают совокупность свойств летательного" аппарата, характеризующих его приспособленность к процессу эксплуатации на всех стадиях. К числу основных факторов, определяющих уро­вень эксплуатационного совершенства летательного аппарата, от­носят эксплуатационную и коммерческую технологичность.

Эксплуатационная технологичность характери­зует приспособленность конструкции и бортовых систем к прогрес­сивным, высокозкономичным методам технического обслуживания и ремонта. Решающее влияние на эксплуатационную технологич­ность оказывают контролепригодность, доступность, легкосъем — ность, взаимозаменяемость и унификация систем и агрегатов.

Контролепригодность — это приспособленность летательного аппарата к проведению контроля параметров и характеристик раз­личными средствами и методами. Данные контроля, характеризую­щие состояние конструкции и бортовых систем, являются основой для управления процессом эксплуатации. Важнейшая задача конт­роля заключается в диагностировании состояния летательного ап­парата, его систем, агрегатов и деталей. Трудоемкость ее решения, зависит от уровня автоматизации контроля, которая позволяет значительно расширить область контроля при одновременном со­кращении времени его проведения. Развитие автоматизации идет как по линии создания специализированных подвижных наземных измерительных установок, так и расширения и совершенствования систем встроенного контроля. Контролепригодность оказывает ре­шающее влияние на внедрение в практику новых, более эффектив­ных, прогрессивных методов технического обслуживания и ремон­та и, в частности, метода обслуживания техники по состоянию, т. е. без установления фиксированных ресурсов.

Доступность к объему обслуживания и ремонта и легкосъем — кость оборудования во многом определяют трудоемкость наземной эксплуатации летательного аппарата. Чтобы эксплуатация была удобной и нетрудоемкой, конструкция должна иметь эксплуатаци­онные разъемы и люки, которые обеспечивали бы хороший подход для осмотра и производства всех работ, связанных с монтажом и обслуживанием агрегатов летательного аппарата.

Очень важно, чтобы конструкции узлов крепления оборудова­ния обеспечивали легкосъемность, т. е. возможность замены блоков оборудования с минимальными затратами труда и времени. Важ­ную роль играет взаимозаменяемость комплектующих изделий и деталей. Она способствует сокращению затрат труда, материалов и простоев летательных аппаратов, а также внедрению прогрессив-

ных форм технического обслуживания и ремонта авиационной тех­ники.

Еще одним важнейшим фактором, определяющим эксплуата­ционную технологичность летательных аппаратов, является унифи­кация элементов и отдельных узлов самолетных систем и бортовых разъемов. При выполнении требований унификации эксплуатация самолетов различного типа имеет много общего, что упрощает и удешевляет эксплуатацию, способствует повышению ее качества, сокращает потребную контрольно-проверочную аппаратуру, умень­шает номенклатуру запасных частей.

На практике эксплуатационная технологичность оценивается целым рядом показателей, основные из которых: затраты времени на техническое обслуживание и ремонт; трудоемкость технического обслуживания и ремонта; стоимость запасных частей. Затраты времени па техническое обслуживание и ремонт зависят от харак­тера отказов самолета и их интенсивности и определяются в соот­ветствии с моделью функционирования самолета. Чаще всего эти затраты выражают в виде удельной характеристики, представляю­щей собой простои самолета при техническом обслуживании и ре­монте, отнесенные к 1 ч налета. С точки зрения оценки техническо­го уровня они учитываются с помощью показателей функциональ­ного совершенства.

Трудоемкость технического обслуживания и ремонта является характеристикой технологического процесса обслуживания, а сле­довательно, и летательного аппарата. Показателем этой трудоем­кости являются затраты живого труда в человеко-часах на один час налета. Если учесть, что даже для однотипных самолетов эта характеристика различается в 2—3 раза, то становится очевидной ее роль как одного из показателей технического уровня.

Стоимость запасных частей зависит от ресурсов комплектующих изделий и стоимости каждой единицы. Так же как и трудоемкость, ■стоимость запчастей к 1 ч налета и учитывают при общем анализе эффективности и качества процесса перевозок в себестоимости тон­но-километра.

Коммерческая технологичность характеризует при­способленность летательного’ аппарата к операциям коммерческо­го обслуживания.

Производственно-технологическое совершенство. Этим терми­ном определяют такие свойства конструкции, при помощи которых в процессе производства летательных аппаратов можно достигнуть наиболее высоких производственных показателей: малой трудоем­кости, простоты обработки, коротких сроков освоения производст­ва изделия, высокой степени автоматизации и механизации произ­водственных процессов. Повышению технологичности способству­ют: расчленение конструкции на агрегаты, отсеки, и панели; просто­та конструкции; минимальное число. деталей; простые конфигурации деталей, допускающие применение высокопроизводительных про­цессов; правильный выбор конструкционных материалов с учетом их технологических свойств; минимальный расход материалов.

Современный уровень и масштабы производства летательных аппаратов требуют комплексного решения вопросов проектирова­ния конструкций, разработки технологии и организации производ­ства. Одіним из важнейших результатов такого комплексного под­хода является широкое применение принципов расчленения конст­рукции на отдельные сборочные единицы. Тщательно продуманная’ система разъемных и неразъемных соединений дает возможность повысить производительность труда при производстве летательного — аппарата и его ремонте. Это достигается за счет узкой специали­зации рабочих и создания лучших условий труда на каждой из; операций (так, например, в зависимости от позы, которую вынуж­ден принимать рабочий, производительность его труда может из­меняться в 2—3 раза). Расчленение конструкции позволяет орга­низовать узкую специализацию производства, создавать специали­зированные цехи, заводы и па этой основе сокращать производст­венный цикл за счет параллельного изготовления отдельных частей летательного аппарата. Большие преимущества в эксплуатации дает модульность конструкции, позволяющая значительно умень­шить простои и сократить трудоемкость при техническом обслужи­вании и ремонте. Это особенно сказывается при обслуживании двигателей, которые, как ‘известно, подлежат ремонту и замене- чаще, чем другие самолетные агрегаты и системы.

Простота конструкции, пожалуй, самая комплексная характе­ристика технологичности. Создать простую конструкцию всегда труднее, чем сложную, но зато такая конструкция всегда значи­тельно лучше осваивается производством. Упрощение конструкции: достигается за счет целого ряда факторов. Важное значение имеют простота конфигураций деталей, использование стандартных и нор­мализованных деталей, применение минимального числа типораз­меров и номенклатуры материалов и полуфабрикатов. Большие — возможности упрощения конструкции открывает также использо­вание ранее освоенных в производстве и апробированных в эксплу­атации узлов и деталей. Простота и технологичность конструкций существенно зависит от метода получения заготовок. В зависимо­сти от назначения изделий, "их размеров — и конфигурации могут применяться различные виды заготовок. С ростом скоростей лета­тельных аппаратов и увеличением нагрузок на конструкцию широ­кое распространение находят монолитные заготовки. Технологи­ческие процессы их изготовления (штамповка, прессование, специ­альные виды литья) отличаются высокой производительностью и: экономным расходованием материала.

Значительное влияние на технологические свойства летательно­го аппарата-оказывает применяемый материал. Механические п физические свойства материала должны обеспечивать минималь­ную массу конструкции, допускать применение высокопроизводи-. тельных технологических процессов. Материалы должны быть кор­розионностойкими, иметь низкую стоимость и недефицитное сырье. С точки зрения технологии производства и эксплуатации очень важно, чтобы конструкционный материал не имел склонности к

•образованию трещин и хорошо обрабатывался. Эти качества мате­риала тем іучше, чем выше его пластичность, которая свидетель­ствует о способности материала поглощать энергию при деформи­ровании и потому является важнейшей характеристикой работоспо­собности, а следовательно, и ресурса конструкции.

Производственно-технологическое совершенство летательного аппарата зависит также и от общего технического уровня само­летостроения— степени освоения передовых методов обработки .материалов, состояния станочного парка, уровня автоматизации и механизации производства и т. п. Технологичность конструкций летательного аппарата проявляется на этапе его создания через трудоемкость и себестоимость производства. На последующих ста­диях жизненного цикла летательного аппарата она влияет на его эффективность через такие эксплуатационные факторы, как удоб­ство контроля состояния, обслуживания и ремонта самолета, на­дежность и долговечность его агрегатов и т. п.

Интегральная оценка производственно-технологического совер­шенства летательного аппарата на сегодняшний день является не­решенной задачей. По нашему мнению, для оценки производствен­но-технологического совершенства летательного аппарата наибо­лее представительными являются следующие показатели: время освоения производства нового самолета и его ремонта; удельная трудоемкость производства самолета, представляющая отношение суммарных затрат времени на изготовление самолета к массе пус­того самолета; степень преемственности конструкции, представля­ющая отношение количества деталей, использованных в предыду­щих модификациях, к общему количеству; — степень расчленения конструкции, характеризуемая максимальными габаритами неразъ­емного агрегата (панели); удельная материалоемкость, равная от­ношению массы готовой конструкции к суммарной массе заготовок.

Показатели технического уровня могут быть реализованы по — разному. На этапе планирования работ по созданию новых типов летательных аппаратов и при их проектировании локальные пока­затели технического уровня определяют содержание вначале тех­нического задания, а затем тактико-технических требований по внедрению результатов научно-технического прогресса. При этом используется система показателей. Аналогичным образом система локальных показателей технического уровня используется при ■оценке эффективности летательных аппаратов, отработке програм­мы испытаний новой техники. Вместе с тем во многих случаях тре­буется комплексная оценка технического уровня. Для этих целей многоэлементный анализ с большим числом показателей не подхо­дит, здесь требуется обозримое представление о летательной аппа­ратуре, как о единой системе. При таком подходе локальные пока­затели объединяют по определенным принципам и выражают в ви­де одного или нескольких интегральных показателей.

Математические модели интегрального показателя технического уровня. Применительно к задачам оценки технического уровня ле­тательных аппаратов можно выделить три подхода к формирова­ло

нию интегрального показателя, которые осуществляются: на основе приведения характеристик сравниваемых летательных аппаратов к сопоставимым условиям; с использованием весовых коэффициен­тов; с помощью метода градиентов.

Первый подход. В основе методов приведения лежит пере­счет характеристик исследуемых летательных аппаратов с целью обеспечения сопоставимости сравниваемых вариантов. Наиболее наглядным и потому наиболее убедительным является метод «вы­равнивания» целевого назначения летательных аппаратов, т. е.. пассажировместимости, коммерческой нагрузки, дальности, скоро­сти. Недостатком метода является ограниченная область примене­ния, поскольку подобным образом можно сравнивать лишь само­леты одного класса с мало различающимися характеристиками, и: значительная трудоемкость расчетов. Сопоставимость разнообраз­ных по целевому назначению летательных аппаратов может быть, достигнута с помощью постоянного, единого для широкого их клас­са «эталонного» уровня технического совершенства, заложенного’ в математической модели самолета.

В соответствии с этим методом для всех сравниваемых лета­тельных аппаратов с их целевым назначением по одной и той же — математической модели определяются расчетные технико-экономи­ческие характеристики, а затем фактические сравниваются с рас­четными. Необходимой и достаточной исходной информацией для" определения расчетных показателей являются характеристики: целевого назначения. С помощью математической модели рассчи­тываются геометрические, аэродинамические, весовые и другие — характеристики с последующим определением себестоимости тон­но-километра. Алгоритм расчета основан на ряде типовых «эталон­ных» компоновочных и конструктивно-технологических решений,, выбранных в результате анализа статистического материала и от­ражающих современный опыт проектирования и уровень техноло­гии авиастроения.

Конструктивно-технологические решения, принятые при проек­тировании конкретного самолета, могут по каким-либо причинам отличаться от решений, заложенных ■ в математической модели.. В случае если эти конкретные решения соответствуют более низ­ким значениям себестоимости тонно-километра, то фактические технико-экономические характеристики летательного аппарата ока­жутся более высокими, чем полученные из расчета. Разность меж­ду фактическими технико-экономическими показателями и «эталон­ными» характеризует уровень технического совершенства исследу­емого летательного аппарата в сравнении с уровнем, заложенным в математической модели. Интегральная оценка технического уров­ня производится по величине себестоимости 1 т• км:

Ні = я/ф/я/р. (3.8)

.где Ні — технический уровень і-го ЛА относительно «эталонного» уровня, зало­женного в математической модели; й/ф—себестоимость 1 т — км г-го ЛА, рас­считанная по его фактическим характеристикам; «г р— себестоимость 1 т-км, определенная по расчетным характеристикам при фактических данных целевого назначения.

Сравнительная оценка двух летательных аппаратов проводится путем сопоставления их уровней по отношению к уровню матема­тической модели:

НЛ = H-JHi — (Діф/Д2ф) (а2р/д1р)- (3 ■ 9)

Достоинством данной методики является ее универсальность и относительная простота применения,, поскольку все трудоемкие вычисления выполняются па ЭВМ. Однако она позволяет надежно оценить лишь одну, но очень важную сторону технического уров­ня — конструктивное совершенство самолета.

(Я 25′ (■О

Второй подход. В основе этого подхода лежит использова­ние различного рода экспертных оценок для сопоставления локаль­ных показателей. Наибольшее распространение получили методы, в которых эквивалентирование разнородных показателей произво­дится с помощью весовых коэффициентов. Математических моделей этих методов довольно много. Мы приведем лишь три разновид­ности:

где Я — интегральный показатель технического уровня системы; Я,- — комплек­сный показатель, характеризующий t-e свойство системы; i= 1, т а% — весо­мость t-ro свойства системы; N — количество групп показателей; at, а2, … aN — весовые коэффициенты групп показателей; s, г,… и — количество показателей в группах I, II, …, N; h’, h", hN—единичные показатели в группах I, II, … Я; б’, б", …, — весовые коэффициенты единичных показателей.

Комплексный показатель Я, при определении технического уровня рассматривается как функция независимых переменных — единичных показателей 1щ, являющихся мерами отдельных качеств системы. При этом каждый показатель Яг может быть представлен в виде точки в m-мерном пространстве, координаты которой опре­деляются значениями h{j, а начало отсчета характеризуется значе­ниями показателей эталона Нц0:

(З-ІЗ)

Если в качестве эталона выбирается идеальное образцовое из­делие, tq Л, у0 = 1 и ні =

С учетом весовых коэффициентов GCji

(3.14)

Основная трудность при использовании метода весовых коэф­фициентов состоит в определении самих весовых коэффициентов. Известно много способов их определения, большинство из которых возникло в связи с потребностями решения различного рода экстре­мальных задач с использованием многоцелевых критериев. Объеди­нение нескольких целей или ресурсов в этих задачах производилось с помощью весовых коэффициентов. Для оценки технического уров­ня систем наиболее подходящими являются экспертные методы.

В соответствии с экспертными методами предпочтения весовые коэффициенты рассчитываются по формуле

•г I т г

а; = 2 *>«’/ 2 2 “«> (3.15)

1=1 I 1=11=1

где со і г — место, на которое поставлена весомость г-то свойства у 1-го эксперта; г — количество экспертов.

При малом объеме информации обычно принимают аг=1, если

показатели имеют одинаковую важность, и а і = (0 п j 2 (О " —

если показатели нельзя признать равнозначными.

Для равнозначных показателей одинаковой степени важности (так называемых конкурирующих показателей) все значения весо­вых коэффициентов необходимо пронормировать:

(г *)-!/«*

а / =——— ,

2<‘Т1/ге

(О • —

где ;•—индекс номера показателя по порядку; і* ■—индекс номера показателя по важности; п — общее количество показателей; п*—количество показателей различной важности.

Экспертные методы могут применяться не только для оценки значимости весовых коэффициентов, но и непосредственно для оценки основных свойств системы. На этом принципе, в частности, построен метод балльных оценок, в котором интегральный показа­тель технического уровня системы представляет собой сумму экспертных оценок основных параметров:

т

Н = 2 Ві, ‘ (3.16)

i=i

где В,— оценка в баллах і-го основного параметра системы; т — количество оцениваемых параметров.

Достоинством методов экспертных оценок является их универ­сальность. С помощью этих методов можно сопоставлять и объеди­нять достаточно большое число разнородных показателей, отража­ющих различные стороны системы. Все другие методы в этом смыс­ле уступают весовым коэффициентам и экспертным оценкам. Однако они обладают недостаточной достоверностью и малой убе­дительностью. Поэтому более предпочтительными для практичес­кого использования всегда будут методы, в которых «весомость» отдельных компонентов технического совершенства определяется не экспортно, а с помощью функциональных зависимостей, отража­ющих какие-то существенные связи между этими компонентами. Как правило, такие связи удается установить далеко не между все­ми, а лишь отдельными показателями, что сужает количество учи­тываемых факторов, но повышает достоверность учета главных из них.

Третий подход является методом градиентов, сущность которого заключается в следующем.

Формируется интегральный показатель технического совершен­ства летательного аппарата в виде функции

U = U (xj), j = Пи, (3.17)

где Xj — характеристики летательного аппарата, определяющие его техническое совершенство.

Интегральный показатель технического уровня летательного ап­парата определяется как отношение

h =U/U3, (3,18)

где U — интегральный показатель технического совершенства рассматриваемого летательного аппарата, приведенного к эталону; Ua—интегральный показатель технического совершенства эталона.

Производим линеаризацию функции (3.17)

• П

ди,

U —~U3+ (xj — x3j),

где Xj — коэффициенты, характеризующие весомость влияния Х} на Н.

hj=H — 1 =

(3.2!)

І= 1

 

иногда называют индексом технического уровня. При этом

(Xj~Xaj) hj=j “; ‘

называют частным индексом технического уровня.

При обобщении конструктивного, производственно-технологи­ческого и эксплуатационного совершенства летательного аппарата в качестве комплексного показателя U могут быть приняты приве­денные затраты на единицу транспортной работы. Из числа неэко­номических показателей достаточно представительным комплекс­ным показателем является производительность летательного аппа­рата. Наибольшую трудность при оценке технического уровня в со­ответствии с формулой (3.20) представляет определение коэффи­циентов Aj. Чтобы их найти, как следует из (3.19), необходимо

dU

иметь частные производные На практике обычно используют

статистические зависимости dXjU=U(Xj), при расчетах не учиты­вают потребные капиталовложения, связанные с улучшением ха­рактеристик Xj, пренебрегают взаимным влиянием параметров и т. д. Вместе с тем определение характеристик лу в данном методе должно производиться с учетом приведения исследуемого летатель­ного аппарата и эталона к сопоставимым условиям.

Практических моделей реализации (3.20) может быть чрезвы­чайно много. Исследования показывают, что применительно к ма­гистральным самолетам с газотурбинными двигателями приближен­ная оценка технического уровня может быть произведена с помо­щью следующих статистических показателей.

Показатель весового совершенства (отношение приведенной массы пустого снаряженного самолета к взлетной):

Х = О ПС + *

0,46 (От — 0„) — 98,2 (1 + 0,0075 УЩ) (ц/р — У-э/Рэ),

где Gnyc = GK + Gcу + G0б; Gт и GT3— относительная масса топлива оцениваемо- ‘ го и эталонного самолетов; р и ря — удельная нагрузка на крыло оцениваемого и эталонного самолетов; С» — взлетная масса оцениваемого самолета, т; GK, Gcy, G0о — относительные массы планера, силовой установки и оборудования.

Весовой коэффициент показателя хх определяется так:

Ч = (XI + Gnyc)/2GKH.3.

Показатель скоростного совершенства (рейсовая скорость Ур при полете на практическую дальность Lpa)

*2 = Ур = Укр/(1 + 0,ЗЗУкр/£рЭ), (3.24)

где У„р — крейсерская скорость. ■

Весовой коэффициент а2=1.

Показатель энергетического совершенства

Х3 = С? уд. кр//Скр^"кр> (3.25)

где Суд. кр— удельный расход топлива на крейсерском режиме; К*р— аэродина­мическое качество на крейсерском режиме.

Весовой коэффициент показателя х3 равен:

Х3 = 0,286/G*„ [1 + (24 + 0,00421э)/£э°’83] (Ц + 0,ЗЗКкр) (лг3 e“V* + х3э е-£эд’зэ).

Показатель взлетно-посадочного совершенот — в а

X4 = Lmml{plv)> (3. 26)

ГДЄ £впп — длина взлетно-посадочной полосы.

Весовой коэффициент показателя х4 определяется по формуле

Х4 = [98,2 (1 + 0,0075 /00)/Ок„.э/-впп. э] [(х4 + х4з)/2].

Показатель эксплуатационного совершенства (годовой налет часов среднесписочного самолета)

I + ^оп/^л + ^уэ/^нэ + 2 ^’/^мррЧ-РІ (^1п/^л)+Д2 (Ш г=і

ще ton — среднее время оперативного обслуживания, приходящееся на один рейс; tji — среднее время. пребывания самолета в полете, через которое самолет попадает на оперативное техническое обслуживание; tya — среднее время уст­ранения отказа для эталона; tH3 — среднее время наработки на отказ для эта­лона; (г и tмр/—средняя продолжительность и периодичность — выполнения раз­личных видов регламентных и капитальных работ для эталона (і— 1, т) pi и Pi — вероятности простоя исправного самолета по метеоусловиям и из-за отсут­ствия пассажиров; (щ я t2I[—средние продолжительности таких простоев.

Весовой коэффициент показателя х5 равен Xs — 0,25.

Показатель эксплуатационной технологично­сти самолета

Хц — — 7^/О’пуск, (3.28)

где Т 3 —■ трудоемкость плановых работ по техническому обслуживанию и ре­монту, приходящихся на один час полета.

Весовой коэффициент показателя х6 определяется как

^6 = U-Ю-5 (х6х5э + х6эх5э),

где х5з— показатель интенсивности использования эталонного самолета; Те и *вэ — показатели эксплуатационной технологичности оцениваемого и эталонного самолетов.

Показатели долговечности —’это амортизационный — ресурс планера х1 и авиадвигателей х3, определяемый в часах. Ве­совые коэффициенты показателей х7 и х8 соответственно равны ^7^0,10 и Л8~0,07.

Показатель производственно-технологическо­го совершенства самолета:

XQ = ^ИЗг/ІТпуС» (3.29)

где Тизг — средняя суммарная трудоемкость изготовления самолета, авиадвига­телей и бортоївого оборудоівания с учетом этапа технологической подготовки производства.

т~

 

эталоном Б. Летяо-техіничеіские данные самолетов А и Б:

А]Б

Взлетная масса’ самолета G0, т. 43/53

Масса пустого самолета Gnyc, т…………………………………………………………….. 27,5/127,5

Масса топлива G, т f 9,8/9,8

Взлетная тяговооруженность р,……………………………………… : . , . 0,30/0,276

Масса коммерческой нагрузки GKH, т………………………………………………….. . 7/7/15,7

Удельная нагрузка на крыло р, кгс/ам2 …………………………………………………. 355/580

Крейсерская скорость Укр, км/ч…………………………………………………………….. 84)9/853

Рейсовая скорость Vp, км/ч…………………………………………………………………… 6:79/682

Длина ВПП Авпп, м. . . -…………………………………………………….. 2180^11970

Техническая дальность полета L, км :………………………….. 2840/2540

Практическая дальность полета Lp, км. . ……………………….. 1375/1140

Частные показатели конструктивно-весового и эксплуатацией ного совершенства приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1 Показатель Xj/X9j ч Ч Весовое совершенство 0,5717/0,5190 — 1,84 0,177 Скоростное совершенство, км/ч 679/682 1,0 . — 0,005 Энергетическое совершенство, 104 км-1 0,720/0,654 — 0,316 0,030 Взлетно-посадочное совершенство, км/кгем^2 Эксплуатационное совершенство, 1(Я3-ч 1,84 0,937 — 0,351 0,229 2/3 0,25 0,100 Эксплуатационная технологичность, нормо — Ч/т-ч 1/0,4 — 0,046 0,039 Долговечность планера, 10~4-ч 3/4 0,105 0,035 Долговечность двигателя, 10-4-ч 1/1,4 ■ 0,07 0,024

В табл. 3.1 частный индекс технического уровня определяется

Xj — X3j

как hj = lj—————— , где Xj — коэффициент, характеризующий

1 /2 (xj + хэ j)

весомость влияния Xj на величину технического уровня Н.

Анализ данных таблицы показывает, что самолет А практичес­ки по всем частным индексам hj уступает самолету Б. Его индекс

8

технического уровня h = ‘2lhj= — 0,639 и обобщенный показатель

j=

технического уровня Я = 1 + h = 1 — 0,639 = 0,361,

3.4. ЦЕЛЕВАЯ НАДЕЖНОСТЬ МАГИСТРАЛЬНЫХ САМОЛЕТОВ

Под целевой надежностью летательного ‘аппарата понимается его свойство выполнять поставленные задачи в установленные сро­ки, сохраняя при этом технические и эксплуатационные характе-

ристики в заданных пределах. В общем случае комплексный пока­затель целевой надежности можно представить в виде функции двух компонентов: вероятности Ri безотказного функционирования всех агрегатов и систем летательного, аппарата при выполнении поставленной задачи и вероятности R2 выполнения летательным аппаратом поставленной задачи при условии безотказного функци­онирования всех его агрегатов и систем. Вероятность Ri условимся называть показателем технической надежности, а вероятность R2— условным показателем целевой надежности летательного ап­парата. …

При исследовании надежности* летательного * аппарата обычно анализируются характеристики самолетного комплекса, включаю­щего в себя, помимо самолета, систему наземного обеспечения. Однако при анализе эффективности. характеристики комплекса приписываются летательному аппарату. Это обусловлено тем, что влияние наземных обеспечивающих систем представляет собой функцию свойств, присущих собственно самолету, таких, как техни­ческая надежность, эксплуатационно-ремонтная технологичность, контролеприспособленность и др.

Техническая надежность. Эффективность использования самоле­тов и безопасность полетов в значительной степени зависят от тех­нической надежности [9] авиационной техники. Надежность — неотъ­емлемый показатель качества любой машины, любого техническо­го устройства. Если техническое устройство не обладает необходим мой надежностью, то все остальные показатели его качества в зна­чительной степени теряют практическое значение. Особенно высо­кие требования предъявляются к надежности летательных аппара­тов. Это объясняется прежде всего особыми условиями функциони­рования самолетов, когда отказы техники чреваты тяжелыми по­следствиями. Другая причина связана с тем, что по мере развития научно-технического прогресса авиационная техника непрерывно усложняется. Современные гражданские самолеты все больше оснащаются средствами автоматики, состоящими из большого чис­ла элементов, блоков и узлов. Если в этих условиях не принимать специальных мер по повышению надежности, то исправность само­летов, а следовательно, и безопасность полетов будет непрерывно снижаться.

При определении технической, надежности летательный аппарат рассматривается как совокупность элементов, в качестве которых могут выступать как отдельные элементы (сложные детали), так и целые сложные механизмы, системы и агрегаты. Если с точки зре­ния конструкции, элемент представляет собой самостоятельную часть системы, имеющую определенные функции, то при исследо­вании надежности выбор границ элемента зависит от характера решаемой задачи.

В теории технической надежности фундаментальное значение имеет понятие отказа. Отказ — это случайное событие, заключаю-

щееся в нарушении работоспособности объекта (устройства). Од­нако отказ не только полная утрата работоспособности, но и выход параметров работоспособности объекта за допустимые пределы, возникновение дефектов, требующих внеплановых проверок, регу­лировок и т. п. В соответствии с этим техническую надежность определяют как свойство объекта сохранять работоспособность в течение заданного периода времени при определенных режимах и условиях работы.;

Основными показателями технической надежности являются: вероятность безотказной работы P(t); вероятность отказа Q(t); плотность вероятности отказов f(t); интенсивность отказов X{t); среднее время безотказной работы 7’Ср.

Вероятность безотказной работы — это вероятность того, что за определенное время функционирования самолета (наработки, количества взлетов-посадок, календарного срока эксплуатации и т. д.) в заданных условиях эксплуатации отказ не произойдет:

Р (0 = Вер (Т > t), (3.30)

т. е. p(t) представляет вероятность того, что случайное время без­отказной работы Т больше заданной величины времени функциони­рования і. ’

Вероятность отказа Q(t) —это событие, противоположное p(t), т. е.

Q (0 = Вер (Т < t). (3.31)

• Сумма вероятностей’ безотказной работы и появления отказа как противоположных событий равна единице, т. с. P(t) + Q(t) = 1.

Определение P(t) и Q(t) производится, на основе, обработки информации об отказах и неисправностях авиационной техники, возникающих в процессе эксплуатации парка летательных аппара­тов. В гражданской авиации предусмотрена единая система сбора, учета и обработки информации об отказах и неисправностях на Ессх эксплуатационных и ремонтных предприятиях. Первичным документом информации для анализа надежности авиационной техники является карточка учета неисправностей, которую запол­няют на все отказы и неисправности авиационной техники, выяв­ленные в процессе летной эксплуатации, технического обслужива­ния, ремонта или хранения. Карточки заполняют на основании тех­нической документации, где приводятся первоначальные записи об отказах и неисправностях (бортовой журнал, карты-наряды на тех­ническое обслуживание, ведомости дефектации). Оформленные карточки пересылаются в организации, которые занимаются прове­дением статистической обработки и анализом, а также подготовкой рекомендаций по повышению надежности.

Обозначим через N(t) число безотказно работающих в течение времени t однотипных технических устройств, n(t)—число отка­завших за это время устройств и N0—N(t) + n(t) —число однотип­ных технических устройств, поступивших на э’кеплуатацию. Тогда •статистическая вероятность безотказной работы

P*(t) = N(t)/N0.

С ростом N о эта функция сходится к P(t) и имеют место приближенные равенства:

P*{t)^P(t) (3.33)

и Q* (0 == п (t)JN0 « Q (0- (3.34)

Надежность элементов не всегда удобно характеризовать вероятностью безотказной ра­боты, так как для малых пе­риодов времени работы элемен­тов значения. P(t) будут близкими к единице. Поэтому наряду с вероятностью P(t) в качестве характеристики надежности исполь­зуется плотность вероятности отказов f(t). Статистическая плот­ность вероятности отказов f*(t) есть отношение количества отка­зов Ащ однотипных технических устройств в единицу времени, взя­тых для данного отрезка времени Аііг к числу технических "уст­ройств N0, поступивших на эксплуатацию, т. е.

/* = Atii/N0Aii.

Если перейти от дискретного спектра плотности вероятности отказов к непрерывному распределению, т. е. принять Л(-Ю, то

Типовой опытный график функции f(t) показывает, что интер­вал времени эксплуатации можно разделить на три участка (рис. 3.1). Участок /—приработка, характеризуется большой частотой появления отказов. Здесь преобладают отказы, которые возникают в результате скрытых неисправностей, вызванных ошибками при проектировании или нарушением технологии изготовления. Однако если контроль качества поставлен хорошо, то участок приработки может не иметь четко выраженного характера, показанного на рисунке. Участок II является основным и наиболее длительным. .Он характеризуется почти постоянной частотой появления отказов. Обычно стремятся,. чтобы период эксплуатации технических уст­ройств совпадал с этим участком. Участок III — старения. Здесь частота появления отказов возрастает вследствие действия необра­тимых физико-химических процессов износа.

Наряду с плотностью вероятности отказов f(t) в практике оцен­ки надежности широко используется и другая аналогичная харак­теристика—интенсивность отказов Х(/). Она определяется коли­чеством отказов Ащ в единицу времени, отнесенным не ко всему количеству технических устройств, первоначально взятых под на­блюдение, а к количеству исправно действующих в данный момент технических устройств Nni, т. е. ..

}.) .Ап,;м„лц.

При Д£->0 в выражении (3.36) получим (t) = Подставляя сюда выражения (3.32) и (3.35), имеем * ‘ 4t) = f(t)/P(t).

tlo смыслу интенсивность отказов является условной вероят­ностью того, что элемент, проработавший безотказно до момента t, откажет в последующую единицу времени. Исходя из этого, в тео­рии надежности характеристику K[t) иногда называют «опасностью отказа». ‘

Все основные характеристики надежности связаны между со­бой функциональной зависимостью. Действительно, из уравнений (3.34) и (3.37) имеем

Проинтегрировав это уравнение, получаем

t

f X(t)dt Р(0 = е &

В соответствии с (3.37) и (3.39) имеем — X(t)dt / (0 = X (0 е

Другой важнейшей характеристикой надежности является сред­нее время безотказной работы, представляющее собой математи­ческое ожидание времени безотказной работы, т. е.

Т’ср Е [Т] J tf (о dt.

о

Проинтегрировав это выражение по частим, имеем

t

«■ »—(4t)dt

Гср = f Р (0 dt = | е 0 dt. (3.41)

о о

По результатам испытаний получаем время

No

КР = 2да«.

где ti — наработка 1-го объекта до отказа.

В числе временных характеристик надежности используются также: выработка на отказ

N„

7-о=2*//л(0 (3-43)

г-1

и среднее количество отказов (неисправностей) на 1000 ч налета

где «(О — общее число отказов за время /; t-z— суммарная наработка объектов за рассматриваемый период.

Для практического анализа надежности коэффициент /(юоо обычно представляется дифференцированно по самолету в целом и агрегатам. При этом в качестве основных показателей по самоле­ту используются:

‘ /Сюоос — количество неисправностей, выявленных в полете и при техническом обслуживании на 1000 ч налета;

/Сюооп — количество неисправностей, выявленных в полете на 1000 ч налета;

-Кіооодсд — количество неисправностей, приведших к досрочному съему двигателей с эксплуатации на 1000 ч наработки;

Кшоозр — количество задержек рейсов по техническим причинам на 1000 вылетов, в том числе возвращений со старта.

Опыт эксплуатации и результаты исследований показывают, что в течение периода нормальной эксплуатации (см. рис. 3.1, участок //), когда влияние законов распределения весьма незначительно, можно без большой для практики погрешности считать, что интен­сивность отказов технических устройств от времени не зависит и практически является постоянной величиной, т. е. X(t) =l = const. При этом вероятность безотказной работы описывается экспонен­циальным законом

= (3.45)

Существенно упрощаются и другие показатели надежности:

/(0 = Х(/)Р(0 = Хе_х<; — (3.46)

ОО 00

rcp=f P(t)dt= e~xtdt= ІД. (3.47)

о о

Р( 0*1 Q (t) ss t/Tcp = Х(, Ошибка при таком упрощении не превышает 1/2 ^ Более подробно эти вопросы рассмотрены в литературе [30], [57], [62] и др. Целевая надежность. Приведенные показатели надежности ха­рактеризуют качество самолета, однако не дают полного представ­ления о качестве его функционирования-как транспортного средст­ва и прямого ответа на вопрос, будет ли достигнута цель, ради ко-

	(3.49) (3.50)
I — It;
ср

 

торой создано то или иное транспортное средство. Такое представ­ление можно получить лишь из анализа целевой надежности са­молета.

Цел^ю и основным элементом функционирования самолета является полет. Целевая надежность самолета — это успешность (качество) полета. Величина целевой надежности определяется на­дежностью операций, соответствующих основным стадиям функци­онирования летательного аппарата. К ним относятся стадии: инже-. нерпой подготовки воздушного судна (техническое обслуживание и ремонт); ожидание полета и подготовка к вылету; летной эксплу­атации. Иначе говоря, событие А, обозначающее, что система функ­ционирует, может быть представлено так:

А = ВхВ2Вз, (3.51)

где Bi— событие, состоящее в том, что в момент поступления заявки на полет самолет находится в исправном состоянии; В2 — событие, состоящее в том, что исправный самолет не будет-простаивать; В3—соїбьгтие, состоящее в том, что в течение полета все системы функционируют безотказно..

Применив к выражению (3.51) операцию вычисления вероятно­сти произведения событий, получаем

■ Р(А) = Р (А/ВіВгВз) Р (Вх) Р (Ві/Ві) Р (BJBXB2). (3.52)

Введем обозначения:

Р (Л) = /?; Р0=Р (А/Вф^ВзУ, Диспр=Р (Ві); /Срейс Р (В2/В1); Р6иР= (В3/В2ВХ).

Тогда формула (3.52) может быть записана в следующем виде:

Р — ■^’иелрЛ’реЙС-Рбп^О’ ‘ (3.53)

где Р— комплексный показатель целевой надежности самолета; Днепр — коэф­фициент, и ецр ав ности парка однотипных саімолето®, иначе, вероятность того, что в момент поступления заявки на полет самолет находится в исправном состоя­нии; Дрейе—коэффициент использования самолета в рейсах, т. е. вероятность того, что исправный самолет не ‘будет простаивать; Рбп — вероятность благопо­лучного полета, иначе, вероятность, того, что исправный самолет, своевременно подготовленный к полету, будет безотказно функционировать в полете и выпол­нит поставленную задачу; Р0 —показатель надежности системы при условии успешного проведения всех трех стадий функционирования, т. е. вероятность то­го, что, помимо этих трех стадий, не возникнут непредвиденные обстоятельства, не позволяющие выполнить полет (например, изменились метеоусловия и само­лет вернулся в аэропорт вылета).

Вероятности Днепр, Дрейс, Рбп, До являются ОСНОВНЫМИ показа­телями целевой надежности летательного аппарата.

Коэффициент исправности парка. Рассмотрим рас­пределение годового фонда времени самолета, полагая, что процесс функционирования установившийся, поэтому все параметры мож­но характеризовать их’математическими ожиданиями. Введем сле­дующие обозначения В

Т* — налет часов на списочный самолет в год; Тяр—межремонтный ресурс планера; Грегл —продолжительность нахождения самолета в АТБ на регламент­ном техническом обслуживании за весь межремонтный период; Трем — пгродол-

1 Здесь и далее, если специально не оговорено, имеются в виду математичес­кие ожидания величин,

жительность одного. ремонта самолета (планера); ГП0дг — время подготовки одного самолето-вылета (заправка и ком­мерческое обслуживание); Гп — время простоя исправного самолета; V — -ско­рость полета самолета; L — дальность полета самолета. Тогда очевидно, что: Г*/7’Мр число ремонтов в течение го­да; 7’*/7’Мр(ГреГл + 7’рем) — годовые за­траты времени на техническое обслужи­вание и ремонт; T*V/L — число- само­лето-вылетов в год; ТП1,ЛГТ*У[Ь — годо­вые затраты времени на подготовку к вылету.

С учетом принятых обозначе­ний годовой календарный фонд времени летательного аппарата может быть представлен в сле­дующем виде (рис. 3.2):

8760 = Т* + (7’*/7’мр) (Трегл +

+ Трем) + Т*Тподг (V/L) + Тп. (3.54)

Вероятность того, что в любой момент времени самолет нахо­дится в исправном состоянии, определяется продолжительностью технического обслуживания и ремонта и в случае установившейся системы технического обслуживания, очевидно, представляет собой отношение времени, в течение которого самолеты, находятся в ис­правном состоянии, к общему фонду их рабочего времени, т. е.

Киспр = N испр/К сине = 1 — [(Т*/Т мр) (Греи + Грем)/876Э, (3.55)

где N испр и Лесине — число исправных — и -списочное число самолетов.

Статистика показывает, что трудоемкость технического обслу­живания и ремонта прямо пропорциональна часовому налету и для каждого типа самолета величина трудоемкости технического обслуживания и ремонта, приходящаяся на один час налета, пред­ставляет собой стабильную величину. Аналогичное соотношение справедливо и для простоев самолета при техническом обслужива­нии и ремонте, которые оцениваются коэффициентом

Кто — Tm/T* — (Т регл + Т рем )/Т Мр, (3.56)

где Гто — годовые затраты времени (простои) на техническое обслуживание и ремонт.

С использованием (3.56) коэффициент исправности

Днепр = I — (А)то7’*/8760). . (3.57)

Это соотношение показывает, что при одном и том же значении Кто коэффициент исправности может существенно изменяться в за­висимости от величины годового налета Т*. При этом увеличение Т* при заданном значении Днепр может происходить только. при уменьшении удельных затрат времени на выполнение обслужива­ния и ремонта. Среднее квадратичное, отклонение %спр ‘, характе-

ризуїшцее точность определения коэффициента Кисир, вычисляется по формуле

а’Хис„р= %о/8760,

где ит, г0} —среднее квадратичное отклонение, характеризующее точность оп­ределения величины Ті о.

Простои исправных самолетов. Обеспечение высо­кой исправности парка гражданских самолетов еще не означает, что таким же высоким будет и его использование. Технически ис — — правные самолеты могут простаивать из-за отсутствия грузов, вследствие несовершенства графиков движения, организационных неполадок, по метеоусловиям и пр. Эта часть простоев оценивается случайным временем простоя, математическое ожидание которого Та. Величина Гхг включает в себя также время простоя резервных самолетов, обеспечивающих заданную регулярность полетов. Веро­ятность TOi’Oj что не будет простоев по указанным выше причинам, в литературе часто определяют как отношение времени, в течение которого исправные летательные аппараты готовятся к рейсам и рыполняют полет, ко времени, в течение которого самолеты исправ­ны. При этом в соответствии с выражениями (3.54) и (3.55)

/Ср*ейс — {Т* [1 + Гпояг (7Д)])/8760Киспр.

В данной формуле время подготовки к вылету суммируется со временем полетов Т* и, следовательно, рассматривается как время целевой отдачи самолета. Однако при расчете целевой надежности летательного аппарата такой подход неприемлем.

Целе’вая надежность самолета представляет собой интеграль­ную характеристику качества функционирования летательного ап­парата и, как следует из выражения (3.51), показывает, выполняет ли он свое целевое назначение или нет. Это положение позволяет сформировать должное отношение ко времени подготовки самоле­та к полетам. Иногда эту составляющую рассматривают в качестве характеристики стадии функционирования летательного аппарата и ставят ей в соответствие вероятность того, что исправный самолет будет подготовлен к вылету за время, не превышающее Гцодг — Од­нако эта вероятность не может рассматриваться как составляющая целевой надежности самолета, поскольку даже нулевая вероят­ность своевременной подготовки к вылету еще не означает того, что летательный аппарат не выполнит своего целевого назначения. Он его выполнит, но с опозданием. С точки зрения целевой надежно­сти время подготовки самолета к рейсу представляет собой такой же простой, как, например, задержка вылета по метеоусловиям. С учетом высказанных замечаний коэффициент использования са­молета в рейсах будем представлять как отношение годового нале­та часов ко времени, в течение которого летательные аппараты исправны, т. е.

^РеСс = 7’*/8760/Сйс„р. > . (3.58)

Безопасность полетов. Обеспечение безопасности поле­тов является сложной и актуальной проблемой, от успешного реше-

ния которой зависят жизнь пассажиров и членов экипажа, эконо­мическая эффективность воздушного транспорта.

К факторам, создающим угрозу безопасности полетов, относят: отказы техники в полете, ошибки летного и наземного персонала и неблагоприятные условия полета. Наиболее серьезными отказами техники, угрожающими безопасности полета, являются: разруше­ние элементов конструкции планера, силовых установок, отказы систем управления, топливно-энергетических и других систем, отка­зы в каналах информации и управления полетом, системах жизне­обеспечения экипажа и пассажиров. Отказы техники, могут возни­кать из-за конструктивных и производственных дефектов, наруше­ний технических условий при производстве, некачественного мон­тажа, недостаточной надежности элементов систем, неудовлетвори­тельной контролепригодности самолетов и др. Ошибки личного состава чаще всего связывают с недостаточной квалификацией лет­ного и инженерно-технического персонала, плохим знанием техники и правил ее эксплуатации, отсутствием должных навыков и трени­рованности, нарушениями установленного регламента технического обслуживания летательного аппарата и наземных обеспечивающих систем.

Значительное влияние на безопасность полетов оказывают эрго­номические факторы, воздействующие на психофизиологические состояния пилота и других членов экипажа; неудовлетворительная организация полетов также может привести к созданию летных происшествий и предпосылок к ним.

Проблема безопасности полетов тесно связана с уровнем теоре­тических исследований в этой области и является объектом изуче­ния зарождающейся самостоятельной науки —теории безопасности полетов. Основными задачами этой науки являются: исследование — физических причин летных происшествий, разработка показателей безопасности полетов, исследование зависимости безопасности по­летов от различных факторов, обоснование требований и создание специальных программ по безопасности полетов, реализуемых в процессе проектирования, изготовления и эксплуатации авиацион­ной техники, разработка научных методов расследования летных происшествий и др.

Комплексным показателем безопасности полета является веро­ятность завершения полета без летного происшествия РбШ вероят­ность противоположного события — летного происшествия — (Злп. Оба эти события составляют полную группу несовместимых собы­тий, следовательно, Рбп+(2лп= 1.

Допустим, что известны Pi и Qi — вероятности благополучного и неблагополучного завершения t-ro полета из их общего числа N. Если полеты считать независимыми и в качестве первого приближе­ния полагать, что условия выполнения всех полетов одинаковы (Pi = P2 = ••• =Рі= … =P. n — P) то для вычисления вероятностей

возникновения летных происшествий в N полетах можно восполь­зоваться частной теоремой о повторении опытов. В соответствии с

этим вероятность появления летных происшествий ровно илп раз в М полетах выражается биномиальным распределением [15]:

QnmlN — Cn™Qn™PN~n™, (3.59)

где С^лп = Ы1плп (N — Ллп)!

Вероятность благополучного завершения всех N полетов полу­чим из формулы (3.59) при условии яЛп=0:

Pta = Qo, if = P^- ‘ (3.60)’

Реальное число полетов N очень велико, а вероятность одного происшествия в каждом полете Pi очень мала. Это дает основание перейти от биномиального распределения к пуассоновскому. Тог­да для определения QnmN можно воспользоваться приближен­ной формулой

QnJmN = Wn™/nml) e-NQ’

тде Q = Qi = Q2 = … =Qi= … Qn—вероятность появления летного происшест БИЯ в одном полете. ‘

Для вероятности благополучного завершения всех N полетов р6„ = a~NQ = е_ЛГ(1~Я). Вероятность Q, входящая в эти формулы, является функцией продолжительности полета. Если Q относить к продолжительности полета в 1 ч, то по физическому смыслу она будет соответствовать параметру потока летных происшествий К. В этом случае расчетные формулы упрощаются и принимают вид:

Рби = е-ХЧ — <?лп = 1 —Рбп ~ Xfj; X = 1 /Та, (3.61)

где Тлп — средний налет на одно летное происшествие.

Реальный уровень безопасности полетов выявляется на стадии массовой эксплуатации. Для его оценки за определенный период времени регистрируются следующие данные: ts — суммарный на­лет; N — суммарное количество полетов; (0р—средняя продолжи­тельность полета; £/лп — общее число летных происшествий. Нали­чие этих данных позволяет. решить ряд практических задач без­опасности полетов. Среди них: оценка уровня риска, в одном поле­те или заданном числе полетов; сравнение фактически достигнутого уровня безопасности полетов с заданным; оценка эффективности различных мероприятий, направленных на повышение безопасности полетов.