Совершенствование процессов испытаний бортовых систем самолётов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совершенствование процессов испытаний бортовых систем самолётов

Введение

бортовой контроль полет безопасность

Безопасность полетов - актуальная проблема современной авиации, решение которой требует системного подхода. На безопасность функционирования авиационно-транспортной системы влияет огромное количество факторов. Поэтому большое значение имеет исследование любых причин, влияющих на безопасность полетов.

Учет неблагоприятных факторов, исследование причинно-следственных связей и разработка мероприятий по снижению роли неблагоприятных факторов позволят повысить показатель безопасности полетов.

В результате анализа отказов бортовых систем и воздушного судна (ВС) в целом было выявлено влияние нового неблагоприятного фактора, получившего название дефекта допусков и субъективных ошибок операторов при проведении контроля, испытаний и отработки ВС, заключающихся в снижении достоверности наземного контроля. Исследования показали, что оба эти фактора могут быть парированы, внедрением автоматизированного контроля.

Известно, что повышение достоверности обнаружения отказов и неисправностей при испытаниях воздушного судна и его бортовых систем представляет собой один из основных путей обеспечения качества и предотвращения проникновения отказов и дефектов производства в эксплуатацию, что напрямую связано с безопасностью полетов.

Решению этих проблем посвящены работы многих авторов: Е.Ю. Барзиловича, Ю.К. Беляева, В.Г. Воробьева, Б.В. Зубкова, Л.Г. Евланова, Ю.В. Кожевникова, Е.И. Кринецкого, А.Н. Коптева, А.В. Мозгалевского, П.П. Пархоменко, Р.В. Сакач, И.Ю. Юсупова и других.

Такую авиационную технику невозможно создать без развитой испытательной базы, совершенной технологии испытаний и объективного испытательного оборудования. Одним из основных направлений является создание автоматизированных систем контроля. Эти системы увеличивают производительность труда, достоверность и объективность контроля, исключают субъективный фактор. Все это повышает качество изделий авиационной техники и является производственной компонентой безопасности полетов.

Объект исследования

Обеспечение безопасности полетов.

Предмет исследования

Методы повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов ВС.

Цель работы

Разработка методов повышения достоверности и автоматизации наземного контроля бортовых систем и комплексов воздушного судна для обеспечения безопасности полетов.

Для достижения цели, в работе решаются следующие задачи:

1. Анализ отказов бортовых систем и воздушного судна (ВС), достаточности уровня достоверности контроля и методы его повышения.

2. Оценка влияния повышения достоверности и автоматизации контроля на уровень безопасности полетов.

3. Создание математической модели контролируемых параметров при многоуровневой организации допускового контроля.

4. Разработка математической модели достоверности допускового контроля при наличии дефекта допусков, порождающего вероятности рисков изготовителя и заказчика и исследование дефекта допусков.

5. Разработка критериев качества, обеспечивающих требования к отклонению выходного сигнала бортовой системы или ВС в целом, исключающих дефект допусков. Исследование гиперповерхности качества.

6. Разработка метода бездефектного допускового контроля.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе используются математический анализ, аналитическая геометрия, теория вероятностей и математическая статистика, теория проектирования автоматизированных систем управления техническими процессами (АСУ ТП), автоматизированных систем контроля (АСК), САПР.

Научная новизна

1. Проведен анализ отказов ВС, порожденных дефектом допусков. Получены аналитические зависимости вероятностей риска изготовителя и риска заказчика путем интегрирования в «n-мерном пространстве при распределении контролируемых параметров по закону равной плотности и по нормальному закону.

2. Разработана математическая модель контролируемых параметров для многоуровневой организации допускового контроля, которая позволяет представить функцию критерия качества как функцию критерия качества от контролируемых параметров, представленной в виде разложения в степенной ряд.

3. Выполнена оценка влияния дефекта допусков и субъективного фактора при наземном контроле на уровень безопасности полетов.

4. Разработаны критерии качества, обеспечивающие отклонения выходного сигнала от заданного уровня или от расчетного переходного процесса бортовой системы или ВС в целом.

5. Проанализирован опыт внедрения автоматизированных систем контроля, САПР программ контроля и программных комплексов для испытаний; разработаны технические требования к новому поколению АСК и требования к бортовым системам ВС.

Практическая значимость работы

Возможно внедрение результатов работы в ВУЗе.

Глава 1. Анализ наземного контроля и состояние теории и практики контроля бортовых систем

Современное состояние авиационной отрасли в целом является весьма тяжелым. Новые экономические условия негативно сказались на производстве, т.е. на самолетостроительных предприятиях, являющихся фундаментом для остальных предприятий и организаций авиационной промышленности. Одним из основных аргументов в условиях совершенной конкуренции является качество авиационной техники, в частности, отсутствие дефектов и безопасность воздушного судна. Достижение этой цели обеспечивается решением многих задач. Одно из основных направлений превышения качества - выявление дефектов и отказов на всех этапах жизненного цикла воздушного судна. Созданию автоматизированных систем контроля и решению некоторых неразработанных вопросов в области теории испытаний и посвящена данная работа. В настоящее время важно собрать воедино опыт прежних лет и переосмыслить его в свете новых экономических условий для восстановления прежних позиций авиационной промышленности. Повышение качества является стратегическим направлением, имеющим философские аспекты [12, 23].

1.1 Анализ отказов бортовых систем и воздушного судна в целом

Анализ отказов позволит определить перечень мероприятий, проведение которых обеспечит дальнейшее повышение качества изделий авиационной техники, особенно в части повышения ее надежности, живучести и эффективности. Данная задача приобрела особую актуальность для широкофюзеляжных самолетов, что, как показано в работе [42], связано с тем, что темпы роста надежности отдельных элементов отстают от роста их числа на изделии. Распределение отказов по системам приведено в табл. 1, а по причинам возникновения отказов в целом по изделию - в табл. 2. Таблицы составлены на основании данных, опубликованных в работах [42, 48].

Таблица 1.

Наименование системы	Распределение отказов, %
Радиотехническое оборудование	28,7
Электрооборудование (ЭО)	19,9
Десантно-транспортное оборудование (ДТО)	16,9
Силовая установка	12,4
Приборное и навигационное оборудование	7,7
Планер	7,3
Шасси, гидросистема, управление	3,9
Кондиционирование и противообледенительная система	3,2

Таблица 2.

Причины возникновения неисправностей	Распределение отказов, %
Конструктивные	30
Производственные	20
Дефекты покупных комплектующих элементов (ПКИ)	43
Эксплуатационные	7

В работе [42] установлено, что 15-30 % всех отказов изделий в эксплуатации обусловлено технологическими факторами. В работе [48] отмечается, что если принять все авиационные происшествия, происходящие из-за отказов техники за 100 %, то распределение их по причинности следующее:

- конструктивно- производственные недостатки - 50--70 %;

- недостатки ремонта - 3-5 %;

- отказы, причины которых установить не удалось, -- 20-30 %.

Максимальное количество отказов приходится на систему радиотехнического оборудования - 28,7 %, а суммарное количество отказов по электронавигационному оборудованию (ЭРАНО) равно 36,4%, из них, 90% отказов вызвано отказами покупных комплектующих элементов и 10 % - конструктивно-производственными причинами, связанными с монтажом на основном изделии.

Эти данные приведены на рис.1.

Рис. 1. Средняя наработка на отказ для широкофюзеляжных и транспортных самолетов: 1 - отечественные самолеты; 2 - В-747; 3 - С-5А; 4 - «Конкорд»; 5 - А-300; ОКБ - опытно-конструкторское бюро

Основными причинами отказов ЭРАНО, выявляемых при испытании изделия на заводе-изготовителе и в эксплуатации, являются обрывы проводов из-за несовершенства технологии выполнения монтажей (некачественная пайка, натяг проводов, недопустимый изгиб электрожгутов, надрез токоведущих и т.п.) и расположения монтажей в зонах повышенных температур и вибраций - эти данные являются обобщением результатов обработки по испытаниям бортовых систем самолетов. Практика показывает, что до 40-50 % неисправных изделий (агрегатов, узлов, блоков, покупных элементов) выявляется на начальной стадии эксплуатации, т.е. при транспортировке на предприятие-потребитель, входном контроле и прохождении производственного цикла сборки, приработки, регулировки и испытаний основного изделия [5]. На основании указанной цифры можно считать, что 50-60 % общего количества отказов и дефектов проходят в эксплуатацию после проведения всего цикла контрольных испытаний.

Из приведенного анализа статистических данных можно сделать следующие замечания:

1. Общее количество отказов на изделиях достаточно велико (средняя наработка на отказ равна 2 ч).

2. Доля отказов наиболее велика в радиотехническом, приборном, навигационном и электротехническом оборудовании (в сумме 56,3 %). Эти отказы, в свою очередь, подразделяются на отказы ПКИ (80-90 %) и на отказы, связанные в основном с электромонтажами на основном изделии (10-20 %).

3. Значительное количество отказов (10-20%) «просачивается» через контрольные испытания в эксплуатацию.

Таким образом, для самолетостроительного предприятия важно не пропустить через входной контроль дефектные ПКИ и своевременно выявить отказы в электромонтажных изделиях. Прохождение отказа на комплексные испытания изделия, проводимые в цехе окончательной сборки, контрольно-испытательной станции и летно-испытательной станции (ЛИС), связано со значительными затратами на их обнаружение и локализацию, причем эти затраты тем выше, чем выше уровень иерархии испытаний. По иностранным данным [34, 47], рост затрат от уровня иерархии испытания описывается экспоненциальной зависимостью, точнее, кривой аллометрического роста (рис. 2).

Затраты на выявление отказа при испытаниях изделия в целом значительно выше приведенных. Учитывая, что общее количество отказов и дефектов может достигать нескольких сотен, особенно при запуске нового изделия, затраты на отработку могут достигать значительной суммы. В связи с этим трудно переоценить важность любых мероприятий, направленных на предотвращение и выявление максимального числа отказов и дефектов на предшествующих уровнях иерархии испытаний, т.е. на этапах входного контроля и общей сборки изделия, тем более что общая трудоемкость испытательных работ составляет около 20 % от общей трудоемкости изготовления изделия.

Рис. 2. Зависимость затрат на отказ от уровня иерархии испытаний

На основании приведенного анализа можно сделать вывод о необходимости снижения числа отказов и дефектов, «просачивающихся» через входной контроль, через испытания в ЦОСе, КИСе, ЛИС и на эксплуатацию. Общее количество электрожгутов и электросборок, монтируемых на современных изделиях, достаточно велико, так, например, для изделий тяжелого класса можно привести следующие цифры:

- общее количество электрожгутов - 1000-1300 шт.;

- общее количество электросборок - 150-280 шт.;

- общее количество разъемных контактных пар 80-90 тыс. шт.

После изготовления всей номенклатуры электрожгутов и электросборок проводятся автономные испытания каждого электрожгута и электросборки в цехе электрожгутов, а затем в ЦОСе проводятся испытания совокупности взаимосвязанных электрожгутов и электросборок в пределах одной системы, называемой фидером. При выполнении этих работ объективно существует значительная вероятность необнаружения отказов по следующим основным причинам:

- субъективные ошибки операторов [1, 52];

- ошибки при составлении программ испытаний;

- несоответствие конструкторской документации (проведение извещений об изменении не в установленные сроки);

- организационные причины.

Текущий этап развития авиационного производства ставит задачу создания единой системы контроля и управления монтажом для цехов электрожгутов, цехов окончательной сборки и контрольно-испытательных станций серийных предприятий отрасли. Количество отказов, выявляемых при испытаниях основного изделия по причинам отказов ПКИ, до настоящего времени продолжает оставаться достаточно высоким, например, 90 % отказов по ЭРАНО и ЭО, что составляет 36,4 % отказов по отношению к числу отказов всего изделия. Полученная цифра очень велика, особенно если учесть то, что на изделие устанавливается только ПКИ, успешно прошедшие входной контроль. При этом в течение времени проведения заводских испытаний (наработка 10-20ч) выявляется 40-50 % неисправностей [5].

Если принять следующие допущения:

- все ПКИ прошли прогон на заводах поставщиках в течение времени, определяемого директивными документами и, следовательно, их интенсивность постоянна;

- методика испытаний ПКИ на входном контроле совершенна и достоверна;

- все ПКИ прошли входной контроль и были признаны годными.

В этом случае становится невозможным объяснить полученные цифры дефектов за счет естественного старения комплектующих элементов за время заводских испытаний при среднем времени наработки на отказ отдельных систем, равном 200-300 ч. 70 % отказов выявляется на стадиях входного контроля и технологической отработки, т.е. 30 % отказов выявляется в эксплуатации, причем при достаточно большой доверительной вероятности получается, что в течение первого года эксплуатации выявляются отказы технологической отработки. В настоящее время, несмотря на сплошной жесткий контроль по большому числу параметров, на этап эксплуатации «просачивается» значительный процент (от 10 до 15) некачественных приборов.

На каждом уровне иерархии испытаний может быть обнаружено только определенное число отказов, вследствие несовершенства испытательной программы, в частности, имитации всей совокупности условий. Так, например, при обычных испытаниях на функционирование невозможно выявить дефект, заключающийся в недостаточной механической прочности пайки или в надрезе токоведущей жилы при отсутствии воздействия в течение определенного времени вибрации, ударов и линейных перегрузок. Но, в то же время несовершенство методики не позволяет выявить всех отказов и дефектов, которые могли бы быть выявлены на каждом уровне иерархии испытаний. В практике авиаремонтных предприятий имеет место постоянный процесс совершенствования методики испытаний.

Обычно после набора определенной статистики происходит корректировка испытательной программы или в сторону сокращения снижение трудоемкости, если это не ведет к потере качества), или в сторону увеличения (до объема приемно-сдаточных испытаний) [9, 24]. По набранной статистике могут корректироваться номинальные значения контролируемых параметров и допустимые границы на них. Однако даже при большом времени серийного выпуска не удается полностью исключить возможности пропуска негодных агрегатов.

В последние годы большое количество работ посвящено достоверности контроля, и существует много подходов, заключающихся в оценке различных причин, порождающих недостоверность контроля. В настоящее время этот вопрос изучен далеко не полностью и требует дальнейших исследований как бортовых систем, так и методик и средств контроля с целью сокращения отказов на ВС и повышения безопасности полетов.

1.2 Методы повышения достоверности контроля

Повышение достоверности контроля всегда было целью технологии испытаний. Результаты контроля образуют полную группу. В работах В.М. Разумного [45] и А.С. Касаткина [30, 31] эти же вопросы рассматриваются с более общей точки зрения и вводятся следующие возможные ситуации [18]:

Р₀ - исправное изделие признано исправным;

Р_н - неисправное изделие признано неисправным;

б - исправное изделие признано неисправным;

в - неисправное изделие признано исправным.

Р₀ + Р_н + б + в = 1.

В результате контроля надо насколько возможно уменьшить вероятности б и в. Эта задача является одной из основных при проектировании технологии контрольно-испытательных работ. На этом этапе рассматривается последовательность и цель проверок и испытаний. Определяются объекты контроля, подлежащие автономным и комплексным испытаниям, контролю логики функционирования совместно с имитаторами и эквивалентами борта, отработке совместного функционирования бортовых систем. Последовательность этих работ может записываться в директивной технологии. В директивную технологию вносятся статические, динамические, ресурсные, периодические, приемо-сдаточные и заводские испытания. Все эти испытания обладают свойством гомоморфности, т.е. свойством частичного подобия. Это подобие всегда стремятся увеличить, т.е. стремятся к изоморфизму испытаний, который, по известной теореме теории испытаний, является недостижимым и достигается только при натурных или летных испытаниях. Для достижения большего подобия в технологии испытаний применяются различные имитаторы внешних условий: термобарокамеры, камеры влажности и дождевания, холода, соленого тумана, солнца, вибростенды, ударные стенды, испытания на взаимовлияния и электромагнитную совместимость.

Таким образом, источником недостоверности контроля иногда могут и являются сами методики контроля. Эффективные методики испытаний отдельных систем и всего изделия в целом могут быть созданы путем целенаправленного проектирования процесса испытаний [2]. Существует недостоверность контроля, обусловленная ошибками измерения.

В настоящее время в практике проведения испытаний широкое распространение получил допусковый контроль ввиду простоты его технической реализации. Развитие методов допускового контроля и практические задачи испытаний потребовали оценки вероятностей признания годного изделия негодным из-за ошибок измерения (риск изготовителя) и негодного изделия годным (риск заказчика). Впервые задача определения вероятностей риска заказчика и риска изготовителя поставлена Н.А. Борадчевым и Е.Ф. Долинским [13]. Решены задачи определения требуемой точности измерения контролируемых параметров при заданных рисках изготовителя и заказчика при симметричном и несимметричном поле допуска, показано влияние поля допуска. Позже исследована задача оптимального выбора границ допусков контролируемых параметров. В связи с тем, что при сужении поля допуска растет вероятность риска изготовителя, а вероятность риска заказчика уменьшается, была поставлена задача обеспечения минимума риска заказчика при постоянном риске изготовителя (задача условного экстремума).

Существует еще одна причина недостоверности контроля, обусловленная надежностью аппаратуры контроля.

Проведя анализ оценки достоверности и эффективности систем контроля, можно сделать вывод о том, что выбор основного метода анализа, структуры системы, контроля и объекта контроля (ОК), определение тех элементов, отказ которых приводит к появлению ложной тревоги и пропуска дефекта, дает более точные результаты, т.к. в этом случае рассматривается тонкая структура отказа системы контроля. Однако практически реализовать этот метод возможно лишь на этапе заключительной разработки системы контроля.

Таким образом, в настоящее время существует достаточно полно проработанная теория оценки недостоверности контроля, вносимой непосредственно системой контроля.

Кроме перечисленных выше источников недостоверности контроля, существует еще одна причина, заключенная в методе назначения допусков на контролируемые параметры, получившая в литературе название дефекта назначения допусков.

Процедура проведения допускового контроля основана на сравнении измеренной величины с наперед заданным допуском, который является постоянной величиной. В действительности назначение допуска выполняется приближенно, т.к. в самом способе назначения допуска существует методическая погрешность. Наличие этой методической погрешности проявляется при проведении контроля в том, что при определенных условиях неисправное изделие может быть признано исправным (риск заказчика) или, наоборот исправное неисправным (риск изготовителя). Данная ситуация, обусловленная методической погрешностью назначения допусков, в теории контроля получила название дефекта назначения допусков. Термин дефект назначения допусков означает возможность недостоверного выявления неисправности из-за методического несовершенства назначения допусков.

Назначение допусков выполняется из условия обеспечения значений критерия качества W(x₁,x₂,...,xn)>WЗад, где (x₁,x₂,...,xn) - контролируемые параметры. Это может быть выполнено, если контролируемые параметры бортовой системы принадлежат замкнутому выпуклому множеству, которое в первом приближении является n-мерным эллипсоидом или гиперэллипсоидом, лежащим в n-мерном пространстве контролируемых параметров.

Дефект допусков является самой малоизученной разновидностью допускового контроля. Это явление подробно рассмотрено в главе 3.

Решение задач дефекта допускового контроля требует представления критерия качества как функции контролируемых параметров и разработки методики бездефектного допускового контроля, а также решения сложнейших организационно-технических задач. Необходимо отметить, что качество определяется совокупностью свойств изделия и, следовательно, сам критерий качества может рассматриваться как n-мерная величина.

Кроме достоверностей контроля, связанных с техническим решением ряда задач, встают проблемы, связанные с человеческим фактором. К их числу можно отнести:

- ошибки при составлении программ контроля;

- ошибки испытателя при проведении испытаний;

- преднамеренное искажение результатов испытаний.

Все эти проблемы можно отнести к субъективным факторам достоверности контроля. Кроме того, существует проблема трудоемкости испытательных работ, которые не относятся к производственным затратам и в то же время составляют от 20 до 43 % от общей трудоемкости на самолетостроительных предприятиях, и до 70 % на ряде предприятий.

Обеспечение безопасности полетов является видом деятельности, которым занимаются все без исключения, кто связан с авиационной техникой. Она обеспечивается на всех этапах жизненного цикла ВС от проектирования и разработки до изготовления и эксплуатации. Вопросам безопасности полетов посвящены работы [7, 8, 27, 43]. Общепринято, что начальным условием этого процесса является качество ВС, достигнутое в производстве. Отсутствие скрытых дефектов и неисправностей является одним из важнейших компонентов безопасности полетов. Для этого на этапе производства необходимо обеспечить высокую достоверность и объективность контроля. Применение в производстве автоматизированных систем контроля и САПР программ контроля позволяют получить следующие факторы:

- обеспечить объективность контроля и исключить субъективный фактор;

- снизить трудоемкость испытаний и контроля;

- сократить время проведения испытаний и контроля;

- исключить ошибки операторов и технологов, составляющих программы контроля;

- исключить или учесть дефект допусков;

- автоматизировать процесс исключения инструментального и методического риска изготовителя и риска заказчика;

- автоматизировать процесс контроля и испытаний от конструкторской документации до испытательного стенда;

- автоматизировать процесс документирования;

- автоматизировать режим рабочего и тестового диагностирования при этих испытаниях;

- собрать информацию о состоянии дел для верхнего уровня автоматизированной системы проведения испытаний (АСПИ).

Выполнение всех этих требований приводит АСК и САПР программ

контроля совместно с испытательными программными комплексами к интегрированным автоматизированным системам контроля.

В самом общем виде проблему создания автоматизированных систем контроля надо рассматривать с точки зрения методологии системного анализа [19, 51].

1.3 Обзор существующих автоматизированных систем контроля

Совокупность указанных ниже причин еще несколько десятилетий назад вызвала объективную необходимость разработки различных автоматизированных стендов для контроля, в первую очередь, электрожгутов. К основным устройствам этого класса можно отнести следующие системы контроля: САК-5000; СПК-05, СПК-06; «Сокол-М» и др., для проверки электросборок применялась система УМАК. Широкий перечень подобных устройств технологического назначения приведен в работах [10, 40, 49].

Подобные системы, ориентированные на свои конкретные объекты контроля, создавались и в других отраслях. В Минрадиопроме применялась система «Куст», подобные системы применялись в судостроении, электронной промышленности, на ремонтных заводах МГА, Минобщемаше. Первоначально они реализовались как логические автоматы, устройства на шаговых искателях, предназначенные для контроля электрожгутов, кабелей и блоков релейной автоматики. Постоянно происходило их усложнение, и в качестве ядра системы стали применяться различные ЭВМ. Потом произошел переход от простых ЭВМ к современным персональным вычислительным машинам (ПВМ) с устройствами ввода-вывода информации от внешних устройств.

Автоматизированные системы контроля производственного назначения предназначались для контроля ПКИ на заводах-изготовителях и в автономных испытаниях на самолетостроительном предприятии. Применение их в контроле технического состояния авиационной техники не предусматривалось.

Надо отметить, что применение бортовых автоматизированных систем контроля (БАСК), наземно-бортовых автоматизированных систем контроля (НБАСК), встроенного контроля (ВСК) в целях заводских испытаний тоже не предусматривалось. Так, например, наземная система контроля УСК-6 применялась, только в эксплуатирующих частях для контроля легких самолетов.

Диагностический центр системы «Поиск», разработанный в а/п Шереметьево, предназначался для использования на международных воздушных линиях (МВЛ). Надо отметить, что применение подобных диагностических комплексов предусматривалось путем создания центра дальней связи. Система диагностических испытаний авиационных двигателей АСОИ-74 использовалась только для целей заводского контроля [29, 44]. BACK технического состояния авиационной техники (AT) первого поколения использован принцип логических автоматов. К таким АСК относятся АКУН-1, TRACE-600, АТЕС, УСК-6.

АСК этого класса второго поколения содержали в своем составе ЭВМ; что расширяло функциональные возможности. К системам этого класса относятся ПУМА, Н-2600 (фирмы HONEYWELL), VAST (фирмы PRD), MARTZON-1200 (фирмы MARTIN MARIETTA). АСК третьего поколения характеризуются развитием систем сбора и обработки информации и создания бортовых АСК, БАСК и НБАСК.

К этому классу относится система AIDS для самолета А-310. С более широкими возможностями была разработана система CFDS, реализованная в соответствии со стандартами ARINK 415, для самолета А-320. На самолетах В-757, В-767 установлена система контроля пилотажно-навигационного оборудования BITE.

Подобные системы на базе авиационно-вычислительной системы (ABC) реализованы на самолете Ан-124 и Ан-70 (БАСК «Г-002»), системы КИСС и СЭИ - на самолетах Ту-204 и Ил-96-300. В настоящее время в НИАО разработан интегрированный комплекс бортового оборудования ИКБО-95. Основным фактором, определяющим конкурентоспособность наших ВС, является надежность бортового электронного оборудования. Для этого комплекса установлена наработка на отказ в 10000 л. ч. Создается новый комплекс ИКБО-2005, выполняющий функции контроля и имеющий наработку на отказ в 30000 л.ч. [36]. Разработанная наземная автоматизированная система контроля НАСК-204 обеспечивает контроль на уровне цифровых (кодовых) сигналов ввода-вывода [89].

Дальнейшее развитие этих систем приводит к созданию автоматизированных систем контроля и управления. Ведутся работы по созданию экспертных систем, систем искусственного интеллекта, систем, подсказывающих решение экипажу. Директивные решения по проведению этих работ в настоящее время существуют.

Из этого обзора вытекает тот факт, что АСК служат различным целям и могут ограниченно применяться в смежной области. Это нерационально, особенно если учесть, что у них должна быть общая база данных, совместно сопровождаемая эксплуатацией, производством и разработчиком основного изделия. Такой подход повышает эффективность работ. Таким образом, можно сделать вывод о том, что АСК имеют ограниченную область применения по жизненному циклу объекта контроля.

Одной из основных целей при проектировании бортовых систем и комплексов должна быть их контролепригодность в широком смысле этого слова. Задачи контроля должны ставиться в техническом задании. При этом понимается не только унификация в виде сигналов контролируемых параметров и выполнение характеристик контролепригодности. Набор контролируемых параметров от бортовой системы должен быть достаточно информативным для принятия правильного решения по результатам контроля.

Бортовая система должна быть спроектирована так, чтобы обеспечивать идентичность результатов натурных испытаний или функциональных испытаний с результатами допускового контроля. Одной из причин этого несоответствия может быть явление дефекта допусков, рассмотренное в работах [26]. Практически оно может проявляться как несоответствие контрольных допусков реальному состоянию проверяемой бортовой системе, комплексу и т.п. Для решения этой задачи целесообразна разработка методики бездефектного допускового контроля.

Важной задачей является определение функциональной связи критерия качества системы с контролируемыми параметрами, т.е. критерий качества должен быть функцией от контролируемых параметров. Прежде всего, он может быть выражен как функция от конструктивных элементов системы, поэтому встает задача получения зависимости от контролируемых параметров. Решение данной задачи желательно иметь в двух вариантах: теоретическом и практическом, по результатам цеховых или лабораторных экспериментов.

Качество производимой авиационной техники может быть достигнуто не только разработкой автоматизированных систем контроля, но и проектированием бортовых систем и комплексов с необходимым уровнем контролепригодности, который обеспечит забраковывание некачественных бортовых систем, ПКИ для обеспечения безопасности полетов.

Критерий качества был сформулирован Л.Г. Евлановым в самом общем виде, но тем не менее он очень важен для понимания явлений недостоверности контроля и обеспечения качества.

Представляется целесообразным разработать критерий качества, в большей степени связанный с воздушным судном.

В настоящее время идет интенсивное развитие теории испытаний и ее практических приложений, вызванное требованиями практики, происходит постоянный рост объемов испытательных работ [54]. Данную проблему невозможно решить без создания новых методов и средств испытаний. В научном плане задачи, стоящие перед теорией управления и испытаний, сформулированы Ю.Н. Андреевым [4], где предлагается решение, заключающееся в освоении богатых теоретических результатов развитого математического аппарата, например, дифференциально-геометрических методов и других математических дисциплин, изложенных в работах [14, 16, 17].

В настоящее время не решены следующие задачи:

1. Разработка математической модели контролируемых параметров бортовых систем и комплексов. Модель должна представлять контролируемые параметры как функции как от конструктивных элементов, так и от контролируемых параметров и позволять переход от одной формулы представления к другой. Модель должна учитывать иерархию параметров.

2. Разработка математической модели вероятностей рисков заказчика и изготовителя, порожденных дефектом допусков. Уточнение достоверности допускового контроля с учетом дефекта допусков.

3. Анализ структуры решения системы дифференциальных уравнений ВС для управления и контроля с целью получения структуры диагностической матрицы этапов полета для построения базы данных.

4. Разработка критерия качества бортовых систем, основанного на нахождении выходного сигнала канала управления в пределах допуска в статистическом режиме с учетом автоматизированной регулировки.

5. Разработка критерия качества бортовой системы, реализующей минимальное отклонение переходного процесса. Выявление контролируемых параметров, влияющих на критерий качества. Уточненное исследование гиперповерхности качества и определение ошибок контроля. Использование гиперповерхности качества для изучения комплексирования, представление диаграммы «ВС - внешняя среда».

6. Разработка метода бездефектного допускового контроля.

7. Обобщение опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных систем контроля на УАПК. Выбор направления работ по автоматизации окончательных стадий производства самолетостроительного предприятия. Рассмотрение всей номенклатуры работ по внедрению, автоматизированных систем контроля, САПР программ контроля и программных комплексов.

8. Анализ результатов внедрения автоматизированных систем контроля: технико-экономических эффектов; сроков внедрения в опытную и промышленную эксплуатацию; определение зависимости коэффициента автоматизации от капитальных затрат на создание системы контроля и определение оптимального коэффициента автоматизации; тенденций развития весогабаритных, энергоемкостных характеристик, коммутационной емкости АСК; достоверности, объективности и субъективности контроля по опыту внедрения; определение предотвращенного ущерба от авиационных происшествий.

9. Разработка технических требований к новому поколению автоматизированных систем диагностического управления, контроля и испытаний с учетом технологии CALS.

1.4 Выводы

В результате проработки состояний теории и практики испытаний летательных аппаратов на окончательных стадиях производства можно сделать следующие выводы:

1. Анализ отказов показывает, что 80-90 % отказов приходятся на ПКИ, а остальные 10-20 % связаны с отказами электрожгутов, электросборок, электрофидеров и с неправильным монтажом на изделии.

2. Через входной контроль и приемосдаточные испытания на сборку «просачивается» от 10 до 15 % дефектных изделий, из которых 40-50 % выявляется только в эксплуатации, что объясняется несовершенством методик входного контроля и приемосдаточных испытаний.

3. Большое количество отказов, проходящих через входной контроль и приемосдаточные испытания, может быть объяснено наличием методической погрешности, заключающейся в приближенном способе замены гиперповерхности качества гиперпараллелепипедом при назначении допусков и получившей название дефекта допусков.

4. Рассмотрены различные причины недостоверности контроля, в частности: технологические, обусловленные несовершенством программы испытаний:

- невозможность одновременного воссоздания действия всех факторов:

- ошибок измерения;

- дефекта допусков;

- ошибок субъективного характера.

5. Выполнен обзор АСК производственного и эксплуатационного назначения. Недостатком является их ограниченная область применения, что ставит задачу разработки нового поколения автоматизированных систем контроля.

6. Проведен анализ контролепригодности бортовых систем и комплексов,

выявивших недоработанные теоретические вопросы в области испытаний.

7. Целесообразно более глубокое изучение дефекта допусков (расчет вероятностей рисков изготовителя и заказчика и их влияние на качество ВС).

8. Сформулированы нерешенные задачи.

9. Выполнение данных работ актуально-для развития теории технологии производства летательных аппаратов, теории контроля и эксплуатации воздушного транспорта, при этом необходимо отметить, что для решения указанных проблем существует достаточно развитый математический аппарат.

Глава 2. Оценка влияния уровня достоверности и автоматизации контроля на уровень безопасности полётов

2.1 Влияние на безопасность полетов достоверности контроля

Безопасность полета -- комплексная характеристика воздушного транспорта и авиационных работ, определяющая способность выполнять полеты без угрозы для жизни и здоровья людей [7].

Требования по безопасности полетов закладываются при конструировании ВС и реализуются в технологии изготовления и испытаний. Заложенный уровень безопасности поддерживается в эксплуатации. Исторически сложилось так, что изучение безопасности полетов основывалось на расследовании авиационных происшествий (АП). В настоящее время ставится задача разработки методов комплексной оценки безопасности полетов на протяжении всего жизненного цикла ВС. Это сложная комплексная задача, решить которую можно методами системного подхода, путем анализа всех факторов для предотвращения их влияния на безопасность полетов. Таким образом, необходимо своевременно выявлять и устранять факторы, которые ведут к АП.

В разработке и производстве ВС существует этап работ, испытаниями, которые служат для проверки правильности принятых решений и выявления любых несоответствий. Задачей заводских испытаний является выявление конструктивных и производственных отказов и дефектов для обеспечения требуемого качества ВС. Эти работы в конечном итоге направлены на обеспечение безопасности полетов. Эти испытания являются контрольными

испытаниями, после которых, если это необходимо, следует отработка, заключающаяся в доработке (устранении отказов и дефектов), и повторное проведение испытаний.

Определены следующие виды испытаний:

- автономные испытания;

- испытания комплексирования;

- комплексные испытания;

- натурные испытания.

Определены последовательность и распределение задач по видам испытаний, исходя из оптимальности по критерию трудоемкости, минимуму объема доработок и максимуму выявления отказов. Наибольшие экономические затраты имеют место при устранении отказов в эксплуатации.

Каждый этап испытаний имеет свое подобие с функционированием AT в эксплуатации. Существует термин - гомеоморфизм испытаний. Подобие возрастает от этапа к этапу. Полное подобие называется изоморфизмом испытаний.

Существует теорема, которая доказывает, что изоморфизм достигается только при летных (натурных) испытаниях. С точки зрения обеспечения безопасности полетов, можно говорить, что полный изоморфизм достигается только на этапе эксплуатации (государственные испытания в эксплуатирующих организациях). Только в эксплуатации проверяется эксплуатационная технологичность.

Кроме того, в ОКБ, на самолетостроительном заводе проводится анализ функциональных отказов. При проведении этих работ делается допущение о возникновении конкретного отказа и рассматриваются дополнительные ситуации или отказы разной степени опасности. В результате этой работы отбираются комбинации неблагоприятных факторов, сочетание которых может привести к катастрофе или аварии. На этом этапе применимы экспертные методы анализа.

Из проведенного выше анализа отказов и неисправностей бортовых систем и ВС в целом следует, что далеко не все отказы выявляются на испытаниях.

Как было показано выше, необходимо работать над методами повышения достоверности контроля, которые можно реализовать в полном объеме только путем автоматизации контроля и разработки САПР программ контроля, реализованных в составе интегрированных систем автоматизированного контроля. В настоящее время ведутся работы по созданию наземных систем автоматизированного контроля (HACK) для эксплуатации, которые позволяют контролировать изделие в целом и его бортовые комплексы и системы.

В то же время автоматизированные системы появляются в составе бортового оборудования ВС. В Нормах летной годности есть требования о наличии в составе оборудования встроенного контроля (ВСК) или возможности подключения к внешним устройствам контроля работоспособности. Кроме того, должны быть предусмотрены устройства контроля отказного состояния и обеспечения выдачи сигнала для индикации экипажу или обеспечения блокировки для невозможности включения отказавшей системы.

Встроенный контроль не может обеспечить необходимого уровня достоверности. Например, к самолету Ту-204 предъявлялось требование обеспечения достоверности ВСК, равной 0,74 (по эксизному проекту), в реальности была обеспечена достоверность, равной 0,7. В новых ВС на борту появляются бортовые автоматизированные системы контроля (БАСК). Вариант их использования был проработан с разработчиком БАСК для использования её в наземных испытаниях. Таким образом, повышение безопасности полетов связано с повышением достоверности контроля. В данной главе не рассматриваются следующие виды достоверности:

- достоверность допускового контроля, обусловленная ошибками измерения;

- достоверность, обусловленная надежностью аппаратуры;

- несанкционированный доступ.

Первая задача в настоящее время решена и доведена до уровня отраслевого стандарта. Следующий вид недостоверности зависит от разработчика аппаратуры и в данной работе не рассматривается. Несанкционированный доступ к результатам испытаний может быть устранен только организационными мероприятиями.

Одним из основных направлений повышения достоверности контроля - является внедрение АСК и САПР программ контроля или интегрированных АСК. Кроме того, как производственное оборудование, они должны обеспечить:

- повышение качества;

- сокращение трудоемкости и времени поведения испытаний;

- повышение объективности контроля;

- повышение коэффициента автоматизации;

- возникновение технико-экономического эффекта;

- исключение субъективного фактора.

Дальнейшее развитие интегрированных АСК позволяет реализовать повышение качества бортовых систем и ВС в целом за счет разработки критериев качества.

Проектирование интегрированных АСК должно вестись с учетом полученного опыта. Дальнейшее развитие этих систем обеспечит дальнейшее

повышение безопасности полетов. В то же время необходимо разрабатывать бортовые системы с учетом требований контроля и испытаний, закладывать необходимый уровень контролепригодности.

Таким образом, интегрированные системы автоматизированного контроля должны применяться в тех случаях, когда нужно предотвратить «просачивание» отказов и неисправностей через систему испытаний, где это особенно актуально.

Как показал анализ отказов бортовых систем, обеспечение безопасности полетов связано с проблемой парирования негативных факторов.

Одним из таких сравнительно новых факторов является дефект назначения допусков. Признание негодного изделия годным позволяет ему пройти через производственный контроль и проявится только в полете.

Другим таким фактором является давно известный фактор - субъективность контроля. Этот фактор объединяет в себе ошибки операторов при проведении контроля, ошибки инженерного персонала при составлении программ контроля, любые другие ошибки, порожденные человеческим фактором, вплоть до преднамеренного искажения результатов контроля и испытаний.

Общей чертой этих факторов является не только то, что они ведут к недостоверности контроля, но и могут быть предотвращены одним общим мероприятием - автоматизацией контроля и испытаний.

Для предотвращения дефекта допусков необходимо исследовать это явление и получить его количественные характеристики. Это позволит количественно оценить степень влияния этого нового фактора на комплексную оценку безопасности полетов. Такой подход будет реализацией системного подхода, который заключается в выявлении и учете всего многообразия факторов.

Для его предотвращения потребуется разработка математических методов, которые могут быть реализованы на электронной вычислительной машине (ЭВМ), входящей в состав автоматизированной системы контроля.

Для решения этой проблемы будут применяться количественные вероятностные критерии аналитического типа с последующей оценкой уровня безопасности полетов (УБП).

Рассматриваемая проблема является комплексной, т.к. рассматривается одновременное воздействие следующих факторов:

- проявление дефекта назначения допусков, которое приводит к признанию «негодного» изделия «годным» (риск заказчика);

- субъективные ошибки оператора при выполнении испытательных работ;

- субъективные ошибки инженерной службы при составлении программ контроля.

Поскольку автоматизация контроля и разработка САПР является достаточно дорогостоящим мероприятием, появляется задача выбора систем и работ, подлежащих автоматизации.

Для решения этой задачи необходимы следующие исходные данные:

- вероятность сбоя автоматизированной системы контроля:

q_A = 10^-4 ч^-1

- вероятность сбоя ЭВМ при составлении программы контроля с помощью САПР, которая, как правило, в интегрированных системах реализуется в АСК:

Q_САПР = 10^-4 ч^-1

Допускается, что вероятность безотказной работы АСК равна единице, т.к. время проведения испытаний в автоматизированных испытаниях в большинстве случаев меньше часа.

Теперь можно записать выражение для вероятности правильного выполнения программы контроля в варианте ручного проведения испытаний:

Р_Р = (1--q_ОПЕР)(1--q_ПК)(1--б--в) = Р_ОПЕРР_ПКР₀

где Р_ОПЕР - вероятность безошибочной работы оператора;

Р_ПК - вероятность правильного составления программы контроля;

Р₀ - вероятность признания годного годным;

б - вероятность риска изготовителя;

в - вероятность риска заказчика.

То же самое для варианта автоматизированного контроля можно записать в следующем виде:

Р_АСК = (1--q_А)(1--q_ПК) = Р_АР_ПК

где: Р_АСК - вероятность правильного проведения автоматизированного контроля.

При автоматизированном контроле можно исключить дефект допусков

полностью: б = 0; в = 0, следовательно, 1 -- б -- в = 1.

Принимается последовательная надежностная схема вероятности отсутствия ошибок в производстве бортовой системы. Если принять, что Р_Рбс-- вероятность отсутствия ошибок в производстве бортовой системы, то можно записать:

В общем случае, можно записать

Если x_i = 1, то Р_бс = Р_Абс . Если x_i = 0, то Р_бс = Р_Pбс. Это выражение можно свести к линейному выражению логарифмированием. Если вероятность 0 ? Р ? 1, то основание логарифма должно быть меньше 1;

0 < с < 1.

Для всего ВС в целом (т.е. i = 1,...,n, где п - число всех систем), эта формула примет вид



Величина x_i - дискретная величина, которая может принимать одно значение из двух (0 или 1). В этом виде задача свелась к задаче, получившей название диаграммы Парето. Отличие в том, что ищется наименьшее значение, а не наибольшее. Если переформулировать задачу через альтернативное событие - отказ, то она примет обычный вид. Но можно решить её при такой форме записи. Делается сортировка всех слагаемых и выбирается наименьшее из них, затем процесс повторяется.

Наименьшее значение будет суммой наименьших слагаемых.

Пусть задано. Тогда решение этой задачи будет представлять собой набор х_i = 1, а индекс i укажет номера бортовых систем, которые наиболее целесообразно автоматизировать. Это задача директивной технологии испытательных работ или проектная задача выбора тех систем ВС, которые должны иметь встроенный самоконтроль (ВСК). Предполагается, что нет ограничений по контролепригодности.

Если существуют весовые ограничения (проектная задача) или стоимостные ограничения на технологическую оснастку вида:

Задача станет задачей целочисленного линейного программирования (задача Гомори). Решение представляет собой комбинацию 0 и 1, которые определяют структуру системы контроля, и оптимальное сочетание средств автоматизированного и ручного контроля. Решение задач линейного программирования представляет собой определенный алгоритм. Дать решение в общем виде сложно, и обычно решение оканчивается на этом этапе. Для решения таких задач в настоящее время существуют пакеты прикладных программ.

Разработка технологического плана испытаний на основании обеспечения минимальной вероятности необнаружения отказов и неисправностей является условием повышения качества при широком внедрении АСК и САПР.

Таким образом, выявлены факторы (дефект допусков и субъективные ошибки контроля), влияние которых на общую безопасность полетов следует оценить.

2.2 Оценка уровня безопасности полетов, обусловленного достоверностью контроля

В данном разделе рассматривается влияние на безопасность полетов следующих факторов:

- исключение недостоверности контроля за счет исключения дефекта допусков;

- исключение субъективных ошибок при контроле и составлении программ контроля при применении интегрированных систем контроля и испытаний.

Для выполнения количественной оценки необходимо собрать исходные данные для расчета. Определение прогнозируемой частоты катастроф выполняется по заданному уровню суммарного риска, который основывается на свойстве нисходящего тренда. По уравнению среднего значения тренда катастроф определяются частоту на 2010 г. -- 1,0 Х 10^-7 ч^-1, на 2000 г. -- 1,8 Х 10^-7 ч^-1 [53]. Частоту катастроф на настоящее время можно получить интерполяцией этих значений, что составит -- 1,5 Х 10^-7 ч^-1. Эта частота обусловлена всеми причинами.

По статистическим данным, катастрофы происходят по следующим причинам [7, 50, 53]:

- человеческий фактор -- 70 %;

- отказы AT - 25 %;

- метеоусловия (внешняя среда) -- 5%.

Учитывая свойство стабильности относительных частот, можно считать что эти цифры сходятся по вероятности к вероятности соответствующих причин. Законы распределения для человеческого фактора и метеоусловий неизвестны. Известен закон для отказов AT -- экспоненциальный закон. На основании этого можно определить вероятность отказа за один летный час. Интенсивность катастрофических отказов составит 25 % от прогнозируемой частоты катастроф [7].

л_ТК = 0,25л = 0,25 Х 1,5 Х 10^-7 = 0,375 Х 10^-7 ч^-1

где л_ТК - интенсивность катастрофических отказов AT;

л -- прогнозируемая частота.

Тогда вероятность благополучного завершения полета за один летный час по отказам AT будет равна

Вероятность катастрофического отказа AT (как противоположное событие) будет равна

Q_тк = 1-P_Б (1) = 1-(1-л_ТК) = л_ТК = 0,375 Х 10^-7 ч^-1

...