ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ НА УРОВЕНЬ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ

Определение необходимости установки ТСОБП, а также оценка влияния этих средств на уровень безопасности полетов представляют собой сложную задачу, которая реализуется на

всех стадиях создания и эксплуатации авиационной техники й включает в себя ряд последовательных этапов.

На первом этапе изучают структуру, свойства и особенности эксплуатации системы, анализируют ее функционирование. При этом с помощью частных методик выявляют факторы, снижаю­щие БП. Так, например, влияние отказов техники на безопас­ность полетов определяют с помощью методов, разработанных в теории надежности, математической статистике, теории веро­ятностей и в других науках; влияние ошибок- авиационного пер­сонала — с помощью методов, разработанных в инженерной психологии и авиационной эргономике; влияние неблагоприят­ных внешних условий — при помощи методов, разработанных в метеорологии, теории управления воздушным движением.

Второй этап включает определение возможных последствий воздействия выявленных неблагоприятных факторов, приводя­щих к возникновению различных видов особых ситуаций, и оп­ределение степени их опасности г или вероятности парирования этих последствий р. После определения последствий воздействия различных неблагоприятных факторов и оценки степени их опасности составляют перечень, в котором факторы располага­ют в порядке убывания степени опасности их последствий.

Третий этап заключается в определении частоты q проявле­ния каждого фактора в полете. При этом также используют ме­тоды, применяемые в теории надежности, теории вероятностей инженерной психологии, эргономике и других науках.

На четвертом этапе выявляют причины возникновения раз­личных факторов, для чего можно также использовать разные методы и частные методики в зависимости от группы рассмат­риваемых факторов (отказы техники, ошибки авиационного персонала и внешние условия). Определение причин не исклю­чает и проведения специальных исследований.

На пятом этапе анализируют результаты, полученные на предыдущих этапах, намечают ряд конструктивно-производст­венных, организационно-технических мероприятий по устране­нию выявленных факторов. При этом учитывают потребные за­траты на реализацию намеченных мероприятий. В связи с тем что полностью устранить все факторы, снижающие безопасность полетов, практически невозможно из-за ограниченных производ­ственных, материальных, временных и других возможностей, проводят относительную классификацию факторов с учетом их характеристик: степени опасности г, частоты проявления в по­лете q и стоимости мероприятий по их устранению с.

Для отказов, приводящих к разрушению ВС или к полной потере управляемости, r-И (р->0), так как экипаж не в состо­янии парировать их последствия. Поэтому отказы, приводящие к возникновению катастрофической или аварийной ситуации, не­допустимы и на стадии проектирования должны быть приняты все меры для их исключения вплоть до разработки специальных 94

средств или систем обеспечения безопасности полета. Для от­казов практически не влияющих на безопасность полета, л-Н) (р->1)у ту е. парируемость последствий этих отказов является достоверным событием. Такие отказы в дальнейшем не рас­сматриваются. Для остальных отказов техники ОО (р).< 1, т. е. они могут привести или к усложнению условий полета или к сложной ситуации. Такие отказы на стадии проектирования и изготовления устраняют в основном с помощью конструктивно­производственных мероприятий, на этапе эксплуатации с помо­щью организационно-технических мероприятий, а в случае их возникновения правильными действиями экипажа в соответствии с требованиями Руководства по летной эксплуатации. В заклю­чение этого этапа оценивают эффективность разработанных ме­роприятий по обеспечению БП.

Рассмотрим подробнее некоторые методы определения ха­рактеристик БП, по которым обосновывается необходимость применения технических средств обеспечения БП и производится оценка их влияния на уровень безопасности полетов в соответ­ствии со схемой, предложенной выше.

Выявление и классификация неблагоприятных факторов.

Развитие особых ситуаций, создающих угрозу БП, начина­ется с появления неблагоприятного фактора. В зависимости от причин возникновения неблагоприятных факторов их подраз­деляют на три группы; отказы авиационной техники, ошибки персонала и неблагоприятные внешние условия. По степени опасности и возможностям экипажа парировать последствия неблагоприятных факторов различают факторы, приводящие к усложнению условий полета, сложной, аварийной и катастрофи­ческой ситуациям. По частоте возникновения, отнесенной к 1 ч полета, неблагоприятные факторы можно разделить на повто­ряющиеся 0~3), умеренно вероятные (q= 10"3-^10-5), ма­ловероятные (.<7= 10-‘5-f-10-7), крайне маловероятные (q=Q~7-Jr — f-10~9), практически невероятные (^СЮ-9),

При такой классификации неблагоприятных факторов со­блюден основной принцип проектирования сложных техничес­ких систем, заключающийся в том, что вероятность отказа долж­на быть не больше вероятности той особой ситуации, которая возникает в полете после отказа с учетом вмешательства эки­пажа. Основными причинами отказов авиационной техники яв­ляются: нарушение правил эксплуатации, конструктивно-произ­водственные недостатки, некачественное обслуживание и ре­монт, а также ошибки, допускаемые личным составом в про­цессе обслуживания ВС. Такая классификация отказов полезна при разработке мероприятий по повышению безопасности поле­тов, так как позволяет конкретно предъявлять требования по обеспечению БП разработчикам, изготовителям и эксплуатирую­щим организациям.

Опыт эксплуатации показывает, что особую угрозу безопас­ности полета создают отказы таких функциональных • .систем, как силовая установка, система управления, взлетно-посадоч­ные; устройства, система электроснабжения, в то время.-.как от­казы некоторых элементов радиотехнического оборудования в ряде случаев не приводят к прямой угрозе БП. Опасность от­дельного отказа или их сочетаний определяется в каждом кон­кретном случае на основе расчетов, экспериментов, лаборатор­ных и летных испытаний.

Наиболее опасны факторы, приводящие к аварийношили ка­тастрофической ситуациям, которые заканчиваются, как прави­ло, тяжелым авиационным происшествием. К таким факторам относятся; внезапное разрушение крыла ВС, полный отказ-си­стемы управления и т. д. Однако значительно чаще в полете по­являются такие неблагоприятные факторы, последствия кото­рых с определенной вероятностью парируются своевременными и правильными действиями членов экипажа. Нормированное значение вероятности парирования неблагоприятного фактора можно определить на следующем примере: если вероятность

возникновения катастрофической ситуации, отнесенная к. 1 ч полета, НЛГС-3 определена 10-9, а вероятность особой ситуа­ции (усложнение условий полета), к которой приводит отказ —1СС3, то нормированное значение условной вероятности пари­рования экипажем последствий отказа, т. е. вероятность непере — хода ее в катастрофическую должна быть более или равна К) 6.

Таким образом, рациональное обоснование требований к техническим средствам обеспечения БП с учетом их сложности и стоимости предполагает обязательную оценку вероятности па­рирования экипажем последствий проявления неблагоприятных факторов или степени опасности неблагоприятного фактора, т. е. вероятность непарирования этих последствий.

Определение условной вероятности парирования последствий неблагоприятных факторов. Условная .вероятность парирования последствий неблагоприятных факторов Р на этапах проекти­рования и испытания ВС может быть определена методами; аналитическими или расчетными, испытаний и экспертных оце­нок, а на этапе эксплуатации — статистическим методом.

Рассмотрим более подробно применение этих методов. При аналитическом методе расчета модели действий экипажа ис­пользуют понятия времени вмешательства экипажа и распола­гаемого времени (рис. 4.8).

В установившемся полете в момент времени U произошел отказ функциональной системы ВС, что привело к изменению параметра движения х0. Без вмешательства экипажа текущее значение этого параметра хг через время tnp достигнет, а в дальнейшем и превысит предельное значение Хгпр (кривая 1), что означает наступление авиационного происшествия. Время 96
tm зависит от вида и интенсив­ности неблагоприятного фак­тора, характеристик ВС, режи­ма полета и других факторов.

Значение £пр может быть опре­делено решением уравнений движения ВС.

На практике экипаж, обна­ружив отказ, вмешивается в управление с целью предот­вратить выход параметра Х{ за предельное значение (кри­вая-3). Вероятность парирова­ния неблагоприятного факто­ра в этом случае зависит от времени вмешательства tB экипажа и характера его действий. Под временем вмешательства экипажа в управление следует понимать интервал времени с момента возникновения отказа до начала его действий. В об­щем случае [10]

б. = Д*о + Afnp, (4.1)

где At0 — время обнаружения отказа; Д^пр — время принятия решения.

Время вмешательства tB не может быть менее некоторого минимального значения tB mjn, которое по экспериментальным данным [10] можно принять равным 0,13 с.

Из рис. 4.8 видно, что своевременное обнаружение отказа экипажем и его вмешательство являются недостаточным усло­вием для парирования последствий неблагоприятного фактора, так как в зависимости от характера вмешательства, например скорости и величины передвижения командных рычагов, значе­ния определяющего параметра могут не превысить предельного значения хупр (кривая 3) или достигнуть (кривая 2), а в неко­торых случаях и превзойти его. Интервал времени с момента возникновения отказа до начала вмешательства экипажа, когда обеспечивается условие Ximax <ixiliv, т. е. максимальное значе­ние определяющего параметра не превышает его предельного значения, называется располагаемым временем. Оно так же, как и время вмешательства, зависит от интенсивности изменения оп­ределяющего параметра неблагоприятного фактора и характера вмешательства экипажа для парирования последствий. Реаль­ные значения располагаемого времени можно определить на тре­нажерах или пилотажных стендах. С известной степенью точно­сти эту задачу можно решить аналитически. Методы вычисле­ния располагаемого времени для ряда конкретных случаев при­ведены в [10].

При известных законах распределения времени вмешатель­ства іf(tB) и располагаемого времени f(tp) вероятность париро — 7—822 97
вания последствий неблагоприятного фактора р определяется как вероятность своевременного вмешательства экипажа р’, т. е.

р = p'(tv > б).

Учитывая, что tv — tB = At, запишем

р = р'(М > 0) = J f{At)dAt, (4.2)

о

где f(At) — закон распределения разности располагаемого времени и време­ни вмешательства.

Задача упрощается, если вмешательство экипажа в управ­ление детерминировано, например пилот отклоняет рули в ис­ходное положение и с максимальной скоростью, что в условиях эксплуатации и происходит. В этом случае вероятность париро­вания последствий неблагоприятных факторов

р = = 0,5 + 1п -^£) • <4-з>

где — бтш ; t rnjII —6mm ); »0Е— математическое ожи­

дание времени вмешательства экипажа; D = D (In f в) — дисперсия величины In /V, Фо — функция Лапласа, определяемая по табличным данным; k — численный коэффициент, определяемый видом отказа.

для начала тангажа D = 0,184, £=0,912; для начала крена D=0,223, £ = 0,895 [6].

Аналитический метод применяется в случаях, когда послед­ствия отказов проявляются сразу после их возникновения. Па­раметры движения ВС при этом изменяются быстро и могут превысить предельные значения, если экипаж своевременным вмешательством не предотвратил их изменение.

Вероятность парирования экипажем последствий неблаго­приятного фактора методом испытаний определяется по резуль­татам статистических испытаний, проводимых или на ВС (на­турные), или на тренажерах и специальных стендах (полуна — турные). Натурные испытания создают условия реального поле­та и в этом их главная ценность. Однако летный эксперимент дорого обходится и сложен в проведении, и не все отказы мож­но имитировать по условиям безопасности полетов. Эти недо­статки отсутствуют при испытаниях на тренажерах и стендах, однако существенным недостатком полунатурного испытания является неполное соответствие условий деятельности экипажа условиям реального полета.

Вероятность парирования экипажем последствий неблаго­приятного фактора методом испытаний оценивается или по ча­стоте событий, или по законам распределения экстремальных значений определяющих параметров движения. В первом слу — 98

чае условная вероятность парирования пилотом последствий неблагоприятного фактора,

Р* = ti/N, ■ (4.4)

где N — общее число проведенных испытаний; п — число испытаний, в ко­торых регистрировался неблагоприятный фактор, успешно парируемый эки­пажем. ■ • ■ . •

Соответственно степень опасности этого неблагоприятного фактора или вероятность его непарирования :

г* = n/JV = 1— (n}N), (4.5)

где п — число испытаний, в которых регистрировался неблагоприятный фак­тор,’ непарируемый экипажем.

Ввиду ограниченного числа исследований N оценки р* и г* являются случайными величинами, поэтому не могут быть точ­ной количественной характеристикой. В связи с этим вероят­ность парирования р или непарирования г неблагоприятного фактора может быть оценена доверительным интервалом изме­нения значения риге заранее заданной доверительной вероят­ностью.

В математической статистике распределение числа АП и ПАП, вызванных отказами авиационной техники, как параметра распределения Пуассона, подчиняется ^-распределению {11]. В соответствии с этим 95%-ный доверительный интервал для параметра п определяется йо соотношению

У2/С20,975;2?г У2)С20,025;2(п-И)- (4.6)

В табл. 4.2 приведены значения 95%-ного доверительного интервала для в зависимости от числа п.

Таблица 4.2 п Ха 1 1 2 ■ 3 4 5 6 7 8 %20,025 1U 14,3 17,6 20,5 23,2 26,1 28,6 31,4 5С20,975 0,05 0,48 1,24 2,18 3,26 4,41 5,65 6,9

Продолжение п Хй 9 10 и 12 13 14 15 X2 0,025 34,0 37,05 40,0 42,15 44,8 47,5 50,0 Х20,875 8,26 9,28 11,0 12,38 13,81 15,3 16,78

При nZ> 15 значения %1 приближенно можно рассчитать по формулам:

%Z0,975; 2n = —1,96)г;

5С20,025;2(п + 1) = ‘/2(Г4(й + 1) + 1,96)2.

Верхняя г*і и нижняя г*2 границы 95%-ного доверительного интервала для вероятности непарирования неблагоприятного фактора с учетом формулы (4.6) определяются следующими выражениями:

А так как события р и г представляют полную группу не­совместимых событий, то

РЧ2= 1— Г*2— 1 —- Х20,025;2(п + 1)- ‘ (4.10)

Определение условной вероятности парирования последствий неблагоприятного • фактора по законам распределения экстре­мальных значений определяющих параметров производится по формуле

Р* = р%р… р*хг.. Р*Хт, (4.11)

где pXt = F(x)x. =д-Пр ■— функция распределения экстремальных значений і-го параметра; Хі и хпр — текущее и предельное значения определяющего параметра.

Сущность метода экспертных оценок вероятности парирова­ния последствий неблагоприятного фактора заключается в том, что группы квалифицированных специалистов оценивают сте­пень опасности неблагоприятных факторов по определенной шкале оценок, например 5-балльной. При этом неблагоприят­ные факторы ранжируются следующим образом: 5 баллов — от­каз по мнению эксперта, закончившийся обязательно АП; 4 —■ отказ, чаще заканчивающийся АП, чем без него; 3 — равнове­роятные исходы полета; 2 — полет, заканчивающийся в боль­шинстве случаев благополучно; 1 балл — полет, обязательно закончившийся благополучно.

Если в оценке участвовало k экспертов, то условная вероят­ность парирования такого отказа

р = 1,25 — 0,25(ТсР, (4.12)

1 і

где Пер = і <т,’; — оценка в баллах,, выставленная j-м экспертом.

Метод экспертных оценок применяется в тех случаях, когда неприменимы два ранее рассмотренных метода, например, при отсутствии исходных данных для их реализации, дефиците вре­мени, а также при невысокой точности полученных решений.

На этапе эксплуатации для ВС, имеющих большой налет, вероятность парирования неблагоприятного фактора можно оп­ределить статистическим методом:

г* = яАп/(яАП+ иПАп). (4-13)

где /іАП, «пап ■“ соответственно число АП и ПАП из-за неблагоприятных, факторов.

Учитывая (4.13), условную вероятность парирования небла­гоприятного фактора можно записать так:

р* = 1 ~яАп/(пАП+ иПАп)- (4.14)

Значения г* ир*-— случайные величины ввиду ограниченной статистики АП и ПАП. Доверительные границы р*і и р*2 мо­гут быть найдены способом, изложенным при рассмотрении ме­тода испытаний (см. формулы (4.6—4.9), где N = «ап + + «пап ; п = пш ).

Доверительный интервал для вероятности г исходя из бино­минального закона распределения «ап при заданной сумме У = «ап + «пап также может быть определен, пользуясь табличными данными распределения Фишера, на основании следующих соотношений і[4]:

ЯАП+ (ЯПАП+ IJACfri, #2) где #i, — йг —• числа степеней свободы;

(«ап + i)m, #2)

ЯПАП+ (гаАП + 1)А'(#1, ■б’г)

где #1 = 2(яап +1); #2 = 2«пап > ^Свт. ‘в’а) — распределение Фишера, оп­ределяемое по табличным данным в зависимости от числа степеней. свободы #1 и — йг и заданной доверительной вероятности.

. В практике эксплуатации возможны случаи, когда по рас­сматриваемому неблагоприятному фактору были только, одни ПАП (« = «пап, г* = 0) или АП (« = «ап ; г* = 1,0). Довери­тельные границы в этих случаях можно рассчитать следующим образом:

для	Я = «ПАП И г* =	= 0
Г*! = 0	ППАП г Г* 2=1 —у 1 ■	-Р;	(4.17)
для	« = «АП и г* =	1,0
Г* і	«А Ті Г i=V 1-Р; г*2	= 1.	(4.18)
			101

Определение эффективности технических средств обеспече­ний БП. Влияние техничеЬких’ средств обеспечения БП на ее уровень можно оценить с помощью вероятностных показателей на следующих’ примерах. Рассмотрим два случая применения пассивных и активных ТСОБП.

Пассивные ТСОБП. При выполнении маневра длительно­стью t ПИЛОТ С интенсивностью iXo. nl может совершить ошибку, связанную с превышением ВС допустимого угла атаки. При этом с интенсивностью Xo. nifo. ni возможно АП из-за выхода ВС на опасные режимы полета. Для повышения БП на ВС установ­лены пассивные ТСОБП с сигнализацией углов атаки. Это при­вело к снижению интенсивности совершения пилотом ошибки ДО величины А.0.П2 и интенсивности АП ДО величины Хо. п2Го. п2. ТСОБП с интенсивностью Хоті могут отказывать, не сигнализи­руя пилоту о допущенной ошибке, и с интенсивностью Хот2 до­пускать «ложное» срабатывание, когда он ее не совершал. Для упрощения задачи будем считать, что второй тип отказа не ска­зывается на появлении новой ошибки пилота, и последствия будут такие нее, как и при первом типе отказа. Требуется оце­нить, как изменится уровень риска, связанный с данным видом ошибки при выполнении маневра с введением пассивной сигна­лизации углов атаки. Уровень риска без системы сигнализации

Qa. nt = 1 — е-^0.1, Го. п,?, (4.19)

Для определения уровня риска с системой сигнализации рассмотрим перечень возможных состояний ВС:

БП0 — благополучный исход полета с исправной системой сигнализации с возможными, но парированными ошибками пи­лота (вероятность Ро);

БПі — неблагополучный исход полета из-за ошибок пилота с неисправной системой, сигнализации (вероятность 1Q1);

БП2 — благополучный исход полета с отказавшей системой сигнализации с возможными, но парированными ошибками пи­лота (вероятность Pi);

БП3 — неблагополучный исход полета из-за ошибок лет­чика с отказавшей системой сигнализации (вероятность Q3).

Этому перечню соответствует схема состояния воздушного судна на рис. 4.9.

На ребрах схемы указаны интенсивность переходов ВС из состояния в состояние. Для определения вероятностей пребыва­ния ВС в различных состояниях составим систему дифференци­альных уравнений, обозначив Хо=Аот+Х0.п2і’о. п2:

Решим системы уравнений (4.20), (4.21), приняв £=0,

Ро (0) = 1 и Q (0) = Р2(0) — Q3 (0) =0:

Qi(t) — Яо. П2^О. П2^От/^0І

ХгОТ^-О^О. ПІ ———— А-О’іД’О. ПіЛз. ПІ^ОТ

K0 (Ко — О. Пі)

где <7от = 1 — е_^о Р, q0.Ki = 1 — e~^°-nJ1 °-ni С

Уровень риска при установке пассивной ТСОБП

Q о. п2 = Qi + <2з — (4.22)

Эффективность влияния рассмотренных ТСОБП на снижение уровня риска можно определить как отношение

Qo. nl *?О. П1’1Уот (А’О. пНО. ДІ Ао. п2^0‘Дг)]

Qo. n2 ?Й)Т (Яо. пИО-ПІ ’ Яо. пг’"о. пг)4от

Если интенсивность ошибок пилота и отказов ТСОБП неве­лика и можно принять <7о. пі ~ •А, о.піГо. піПі<7оТ = іЯ01Т, то выраже­ние (4.23) можно упростить:

Qo. nl / Qo. n2 ~Г0.ПіА,0.ПІ jfo. lizho. nl (4.24)

Анализируя уравнение (4.23) и (4.24), можно сделать сле­дующие выводы: эффективность рассмотренной ТСОБП снижа­ется, если она недостаточно надежна, так как выражение (4.23) стремится к 1 при увеличении А, от’, при достаточно большой на­дежности рассмотренная ТСОБП снижает уровень риска во столько раз, во сколько она позволяет уменьшить интенсивность совершения пилотом ошибки и в соответствии с этим вероят­ность АП (4.24).

Активные ТСОБП. На ВС установлены активные ТСОБП, включающие демпфер тангажа и систему встроенного контроля, которая обнаруживает отказы демпфера, связанные с уводом штока исполнительного механизма в крайнее положение, воз­вращает шток в нейтральное положение и отключает демпфер.

4.9. Схема возможных состояний ВС с пассивными ТСО БП

4.10. Схема возможных состояний ВС с активными ТСО БП

Необходимо оценить эффективность влияния ТСОБП на сниже­ние уровня риска, если: интенсивность отказов демпфера Лють условная вероятность парирования пилотом отказов демпфера с исправной системой контроля роті и без нее роть полет с вы­ключенным демпфером тангажа считать безопасным; в системе контроля с интенсивностью Кот2 могут происходить отказы, при которых она не обнаруживает отказа демпфера. Все отказы ТСОБП пилот парирует. Перечислим возможные состояния ВС: БП0 — безопасный полет со всеми исправными системами (вероятность Ро);

БПі, БПі — соответственно благополучный и неблагополуч­ный исходы полета при отказе демпфера с исправной системой контроля (вероятности Pi и Qi);

БП2 — благополучный исход полета при отказе системы контроля и исправном демпфере тангажа (вероятность Р2);

БП3, БП3 — соответственно благополучный исход и небла­гополучный исход полета при отказе демпфера тангажа с отка­завшей системой контроля (вероятности Р3 и Q3).

На рис. 4.10 представлена схема возможных состояний ВС, где на ребрах отмечены интенсивности переходов из состояния в состояние. — Щ

Для нахождения вероятностей пребывания ВС в различных состояниях составим систему дифференциальных уравнений, принимая во внимание, что готі + Роті = 1 и Лото = Лоті + Х0Т2:

Проинтегрировав (4.25) при условии, что Р0(0)’=1, получим:

(4.26)

(4.26) где <7ото = 1 —ехр(—%aTlt) ; 7оті = 1 — ехр(—W). 104

Уровень риска при отказах ТСОБП без системы встроенного контроля при условии, ЧТО ЛотО = о И Гот2 = г оті,

(4.27) ,

Уровень риска ТСОБП с системой встроенного контроля

(4.28) ‘

Эффективность ТСОБП в рассмотренном случае определит­ся из отношения

(4.30)

При значениях Лот<0,1 можно принять q0i 1 ~ tarnt и q0ro^ Лото^* Тогда

(4.31)

Из выражений (4.30) и (4.31) так же, как и в первом при­мере, можно сделать выводы: эффективность влияния системы встроенного контроля в активных ТСОБП на уровень риска уменьшается при снижении ее надежности, так как выражение 4.30 стремится к 1 при увеличении Лото; при достаточно высокой1 надежности (Л0Т2^ 1 • 10-3) система встроенного контроля сни­жает уровень риска, связанный с отказом демпфера тангажа, во столько раз, во сколько раз уменьшается вероятность непа — рирования пилотом этого отказа (4.31).