Текст книги "Вертолет, 2004 №1"

Автор книги: Вертолет Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 9 страниц)

Уровень безопасности и категории вертолетов

По аналогии с самолетами, гражданские вертолеты также подразделяются на ряд категорий в зависимости от взлетного веса, количества пассажиров, количества двигателей и особенностей конструкции. Такое деление обусловлено рядом причин.

При отказе двигателя на однодвигательном вертолете (вероятность около 10 5) полет заканчивается посадкой на режиме авторотации (и зачастую катастрофой).

Очевидно, что для всех систем такого вертолета нецелесообразно требовать столь же высокого уровня надежности, как для большого многодвигательного вертолета, у которого отказ двигателя не препятствует безопасному продолжению полета и посадке, а вероятность катастрофы из-за единичного отказа составляет 10’. Взаимосвязь требований к общей надежности вертолета и надежности силовой установки видна на примере английских Норм BCAR издания 1975 года, по которым для вертолетов группы А2 (аналог сегодняшней категории В) вероятность отказа, приводящего к немедленной аварийной посадке, должна быть такого же порядка, как вероятность отказа двигателя (в 70-х годах была принята вероятность 10 ^-3-10 ^-4).

Повышения уровня общей безопасности вертолета можно достичь не только за счет применения многодвигательной силовой установки, но и за счет усиления конструкции, резервирования систем и т. п., однако все эти меры влекут за собой существенное увеличение веса, усложнение конструкции, удорожание вертолета и повышение затрат на всю авиатранспортную систему. Однако за счет масштабного фактора для вертолетов большего веса мероприятия по повышению безопасности, связанные с повышением веса, можно реализовать с меньшими экономическими потерями.

Необходимо отметить, что при переходе на категорию более высокого уровня (при увеличении веса вертолета, количества двигателей, количества пассажиров) повышение требований к безопасности происходит одновременно для всех его систем и характеристик. Например, нельзя увеличить количество двигателей с одного до двух – и только, необходимо также выполнить повышенные требования к летным данным, отказобезопасности оборудования и т. п. Здесь учитывается экономическая целесообразность: бессмысленно ужесточать требования к одной системе, если остальные системы недостаточно надежны – это не приведет к существенному повышению безопасности всего вертолета, а только удорожит его. Таким образом, требования ко всем системам и агрегатам. вертолета как бы уравнены по жесткости, что аналогично принципу обеспечения равнопрочности конструкции. Это видно из рис. 3 и табл. 1, где показано изменение требований к безопасности в зависимости о? категории вертолета, взлетного веса, количества двигателей и количества пассажиров.

Следует учитывать, что при увеличении веса вертолета (и расширении возможностей по повышению безопасности), как правило, увеличивается его пассажировместимость. Поэтому при перевозке большого количества людей для вертолета экономически обоснованно ужесточение требований к безопасности (выполнение требований к летным данным, категории А, использование двухдвигательной силовой установки, введение резервирования систем, и т. п.). С другой стороны, невозможность обеспечения высокого уровня безопасности для однодвигательных вертолетов малого веса должна компенсироваться другими средствами, позволяющими минимизировать риск для людей. Одним, из таких средств является введение для легких вертолетов ограничения на количество перевозимых людей, эксплуатационных ограничений и т. п. В частности, в соответствии с требованиями АП-29.1(e) вертолет категории В не может перевозить более 9 пассажиров. Наоборот, вертолет с большим весом и, как правило, большой пассажировместимостью имеет конструктивные возможности для обеспечения более высокого уровня безопасности и, в соответствии с АП-29.1(b), он не может быть сертифицирован по категории В, а только по категории А.

Здесь целесообразно также упомянуть и об эксплуатационных возможностях вертолетов категории А. Обычно требования к летным характеристикам машин категории А (например, обеспечение полета на одном двигателе) не могут быть выполнены во всем диапазоне ожидаемых условий эксплуатации. Поэтому в ограниченном диапазоне условий (вес, высота, температура воздуха) вертолет имеет летные данные категории А, а в остальном диапазоне нет. По этой причине в РЛЭ должен быть выделен диапазон условий, в которых вертолет соответствует требованиям категории А. В остальном диапазоне допустима эксплуатация этого вертолета по категории В с ограничением, количества пассажиров до 9 человек. Если же в этих условиях необходимо перевозить более 9 человек, то для выполнения требований к летным данным категории А необходимо ввести ограничение взлетного веса (например, за счет уменьшения количества топлива).

Итак, для вертолетов разного класса практически невозможно и экономически нецелесообразно обеспечить равный уровень безопасности. Чем больше вес, количество двигателей и пассажировместимость вертолета, чем. больше возможностей для повышения безопасности, тем выше требования к безопасности. Поэтому в Нормах принято, что к вертолетам разных категорий предъявляется разный уровень требований к летным данным, конструкции и оборудованию. Самые низкие требования предъявляются к однодвигательным. вертолетам, нормальной категории, а наиболее высокие требования – к многодвигательным транспортным вертолетам категории А (см. рис. 3). Таким образом, введение категорий – это компенсация за невозможность создания летательных аппаратов разного веса с равным уровнем безопасности. Это узаконено в Нормах, параграфы 27.1 и 29.1, которые являются основополагающими документами и определяют общий уровень безопасности вертолета в зависимости от его категории. Таким образом, Нормы летной годности являются рациональным инструментом обеспечения экономически обоснованного уровня безопасности.

Рис. 2. Распределение АП с вертолетами, по данным NTSB, по видам эксплуатации за 1990–2000 гг.

Для примера рассмотрим требования к оборудованию. Для вертолета нормальной категории оборудование должно быть спроектировано так, чтобы минимизировать опасность для летательного аппарата в случае его (оборудования) вероятной неисправности или отказа. «Минимизация опасности» в данном случае означает допустимость некоторой опасности при условии уменьшения ее до наименьшего достигнутого на практике уровня, который определяется имеющейся технологией и материалами. «Наименьший достигнутый уровень» является своеобразной, «точкой» (это, конечно, условное обозначение), после которой попытки дальнейшего уменьшения опасности не приведут к существенному повышению безопасности, однако значительно увеличат стоимость изделия или стоимость его эксплуатации.

Заметим: в данном случае возникает опасность при рассмотрении вероятных отказов, что связано с наличием двух факторов. Как правило, легкие однодвигательные вертолеты нормальной категории имеют простое оборудование, которое не выполняет функций, утрата которых приводит к катастрофе. Кроме того, согласно данным статистики, летные происшествия с легкими вертолетами происходят, в основном, по причине человеческого фактора, из-за отказов силовой установки и т. п., и в значительно меньшей степени – из-за отказов функциональных систем. Это позволяет предъявлять к системам вертолетов такой категории наиболее мягкие требования по отказобезопасности.

Таблица 1. Требования летной годности, применимые к разным категориям вертолетов

Нормы, категория	Краткое описание вертолета	Требования к летным данным (подчасть В)	Требования к конструкции (подчасти D и Е)	Требования к оборудованию и отказобезопасности (подчасть F)
АП/FAR-27 Нормальная категория	Легкие вертолеты с одним двигателем… Вес менее 2720 кг	Самые простые требования к летным данным, включая проверку зоны H-V при отказе двигателя, прерванном взлете, посадке на авторотации	Самые простые требования к конструкции	Самые простые требования к оборудованию. Вероятные отказы, приводящие к опасности, должны быть минимизированы
АП/FAR-27 Нормальная категория	Легкие вертолеты с несколькими двигателями. Вес менее 2720 кг	Упрощенные требования к летным данным, включая проверку зоны H-V при отказе одного двигателя, прерванном взлете, посадке на одном двигателе и на авторотации	Повышены требования к силовой установке, но не требуется разделение двигателей и их систем. Отказ одной системы может привести к потере мощности и посадке на авторотации	Самые простые требования к оборудованию. Отказы, приводящие к опасности, должны быть невероятными событиями
АП/FAR-29 Транспортная категория В	Вертолеты с одним двигателем, не более 9 пассажиров. Вес 2720…9080 кг	Упрощенные требования к летным данным, включая проверку зоны H-V при отказе двигателя, прерванном взлете, посадке на авторотации	Не требуется разделение систем. Отказ одной системы может привести к потере мощности и посадке на авторотации	Повышены требования к оборудованию. Повышены требования к отказобезопасности (но допустимы общие точки в системах). Опасность в результате отказов должна быть предотвращена
АП/FAR-29 Транспортная категория В с изоляцией двигателей по категории А	Вертолеты с несколькими двигателями. Разрешено перевозить более 10 пассажиров. Вес 2720…9080 кг	Упрощенные требования к летным данным, включая проверку зоны H-V при отказе 1 двигателя, прерванном взлете, посадке на авторотации. Требуется набор высоты на одном двигателе	Самые жесткие требования. Требуется разделение двигателей и их систем, повышены требования к отказобезопасности силовой установки и к пожарной защите, дополнительные требования к аварийному освещению	Повышены требования к оборудованию. Самые жесткие требования к отказобезопасности (включая разделение всех систем). Катастрофический единичный отказ должен иметь вероятность не более 10 -9
АП/FAR-29 Транспортная категория В с изоляцией двигателей по категории А	Вертолеты с несколькими двигателями, но перевозка не более 9 пассажиров. Вес более 9080 кг	Упрощенные требования к летным данным, категории В, включая проверку зоны H-V при отказе двигателя, прерванном взлете, посадке на авторотации	Самые жесткие требования. Требуется разделение двигателей и их систем, повышены требования к отказобезопасности силовой установки и к пожарной защите, дополнительные требования к аварийному освещению	Повышены требования к оборудованию. Самые жесткие требования к отказобезопасности (включая разделение всех систем). Катастрофический единичный отказ должен иметь вероятность не более 10 -9
АП/FAR-29 Транспортная категория А	Вертолеты с несколькими двигателями, число пассажиров не ограничено. Вес более 9080 кг	Самые жесткие требования к летным данным при отказе 1 двигателя, включая продолженный взлет, набор высоты, уход на 2-й круг. Введены требования к динамической устойчивости вертолета	Самые жесткие требования. Требуется разделение двигателей и их систем, повышены требования к отказобезопасности силовой установки и к пожарной защите, дополнительные требования к аварийному освещению	Повышены требования к оборудованию. Самые жесткие требования к отказобезопасности (включая разделение всех систем). Катастрофический единичный отказ должен иметь вероятность не более 10 -9

Совершенно очевидно, что при формулировании таких относительно мягких требований учитывалась экономическая целесообразность: как указано выше, даже при применении на однодвигательном вертолете систем с высокой надежностью общая безопасность существенно не изменится, а будет определяться надежностью двигателя. В то же время применение таких систем существенно (и неоправданно!) повысит стоимость вертолета и стоимость эксплуатации. Поэтому достаточно наличия уровня надежности систем, вероятный отказ/ неисправность которых имеет последствия не более опасные, чем отказ двигателя.

Если на вертолет нормальной категории установить два двигателя, то для оборудования такого вертолета требуется уже предотвратить опасность в случае вероятной неисправности или отказа оборудования или систем. Применение много двигательной силовой установки существенно повышает общий уровень безопасности, в связи с чем термин «минимизировать опасность» заменен на более жесткий – «предотвратить опасность». Из требования следует, что для такого вертолета любой отказ или неисправность, приводящие к опасности, должны быть отодвинуты в область невероятных событий.

При переходе к вертолетам транспортной категории происходи? дальнейшее ужесточение требований: для оборудования и систем вертолета транспортной категории В требуется уже предотвратить опасность в случае их неисправности или отказа, независимо от их вероятности. И наконец, для вертолета транспортной категории А требуется, чтобы появление любого отказного состояния, которое препятствует продолженному безопасному полету и посадке вертолета, было практически невероятным, а появление любого отказного состояния, которое уменьшит характеристики вертолета или способность экипажа справиться с неблагоприятными эксплуатационными условиями, было невероятным. Указанные положения отражают самый высокий уровень общих требований к безопасности вертолета категории А, который может быть реализован только при соответствии характеристик летательного аппарата повышенным требованиям к летным, данным, при полном разделении двигателей и т. п. К системам такого вертолета также предъявляются самые жесткие требования.

Рис. 3. Взаимосвязь уровня безопасности и категории вертолета

Пути повышения безопасности конструкции вертолетов

Совершенно очевидно, что повышение уровня безопасности летательного аппарата тесно увязывается с возможностями авиационной промышленности в целом. Следует отметить, что в западной практике во многих случаях повышение безопасности вертолетов идет через внедрение новых отраслевых стандартов проектирования. Зги стандарты сначала «обкатываются» в проектах военных вертолетов, и таким образом за счет средств, выделяемых на военные программы, приобретается опыт применения новых технологий. В дальнейшем, этот опыт трансформируется во введение новых поправок к требованиям гражданских Норм, летной годности. Например, повышенные требования к авариестойкости сидений пассажиров и топливной системы в 70-х годах были введены в американские военные стандарты и технические требования, разработанные на основе многочисленных исследований, проводимых в армии США, и с учетом опыта войны во Вьетнаме. В соответствии с этими стандартами были спроектированы военные вертолеты UH-60 и АН-64. В гражданские нормы FAR-27 и FAR-29 эти требования были введены значительно позднее, в конце 80-х годов. Таким образом, общегосударственные или отраслевые стандарты (ГОСТы, ОСТы и их аналоги за рубежом.) могут являться аккумуляторами новых технологий для всей авиационной промышленности, как военной, так и гражданской.

Перенос «самолетного» опыта в вертолетную среду Наряду с внедрением, в гражданское вертолетостроение опыта проектирования военных вертолетов в некоторых случаях в практику проектирования вертолетов приходит самолетный опыт. Чаще всего такой «обмен опытом» практикуют в интегрированных или централизованных авиационных структурах, например, в рамках существующих централизованных институтов (ЛИИ, ЦАГИ, ЦИАМ, ГосНИИ ГА, ГосНИИ АН и др.). Таким образом, происходит взаимный обмен и обогащение опытом, получаемым самолетчиками и вертолетчиками при проектировани и сертификации летательных аппаратов на современном уровне.

Однако следует отметить, что простой перенос «самолетного» опыта в вертолетостроение без осмысления специфики вертолетов может давать негативные результаты. Так, специалистам фирмы «Камов» при сертификации своих вертолетов иногда приходится сталкиваться с непониманием специфики вертолета как летательного аппарата со стороны специалистов-самолетчиков из отраслевых институтов. Например, некоторые эксперты требуют для вертолетов наличия дублирования в системе управления по аналогии с самолетом. Для самолета действительно технически возможно в случае разъединения, разрушения или отказа механических элементов конструкции обеспечить безопасность полета за счет резервирования проводки управления, поверхностей управления. Однако требовать аналогичного подхода для вертолета просто бессмысленно. Вертолетчику очевидно, что невозможно дублировать автоматы перекоса, тяги управления лопасти и саму лопасть несущего винта, которая также является элементом, системы управления. Эти элементы вертолета всегда будут критическими и, соответственно, требования к их проектированию, производству и эксплуатации будут чрезвычайно высокими. В связи с этим имеется разница в требованиях АП-25 и АП-29.

Не случайно и отсутствие в российских вертолетных НЛГ раздела АО, который в самолетных нормах введен для формулировки общих требований к отказобезопасности. Один из принципов этого раздела, неприемлемый для вертолетчиков, состоит в применении одинаковых подходов в оценке отказобезопасности функциональных систем и элементов конструкции. Из опыта сертификации вертолетов ОАО «Камов» на западе вынесено четкое понимание, что никакими вероятностными критериями нельзя оценивать отказобезопасность элементов силовой конструкции. Кроме того, требования к отказобезопасности уже изложены в параграфах 27.1 и 29.1, оговаривающих требования к категориям, и этого достаточно.

В развитии вертолетных Норм пройден определенный путь: за последние 15–20 лет из требований к прочности и силовой конструкции вертолетов практически изъяты требования к проектированию, содержащие вероятностные критерии. Сообразуясь с соответствующими разделами Норм, необходимо путем выполнения процедур доказательства прочности и правильного функционирования критических механических элементов конструкции исключить возможность их разрушения или отказа, но ни в коем случае не пытаться доказать практическую невероятность такого отказа с помощью методов анализа отказобезопасности, расчета вероятности или представления статистики таких отказов.

Для функциональных систем, например, систем контроля пространственного положения вертолета при полете по ППП, наоборот, требуемый уровень отказобезопасности подтверждается путем структурированного анализа с применением вероятностных критериев. Для оценки вероятности отказа элементов функциональной системы могут использоваться как статистические данные опыта эксплуатации, так и расчеты. Например, дпя радиоэлектронного блока, содержащего ряд простейших элементов (транзисторов, резисторов и т. п.), можно рассчитать вероятность отказа, используя данные об условиях работы этих элементов в блоке (температура, давление, влажность и т. п.) и статистику отказов таких простейших элементов. Эту статистику можно взять из имеющихся источников, например, американского стандарта MIL-HDBK-217 или российского «Справочника надежности электроизделий». Такой подход возможен в том числе и потому, что простейшие элементы выпускаются сотнями тысяч штук и по ним имеется достоверная статистика отказов на основе опыта эксплуатации.

Силовой элемент конструкции вертолета, например, автомат перекоса системы управления является уникальным агрегатом, работающим, в специфических условиях широкого спектра переменных нагрузок. Его конструкцию практически невозможно разделить на простые элементы, для которых может существовать надежная статистика отказов (за исключением, возможно, подшипников). Это одна из причин, почему для таких элементов описанный выше вероятностный подход применяться не может, а должен применяться метод подтверждения достаточной прочности.

Очевидно, что два таких полярных подхода никогда не следует смешивать, однако положения «самолетного» раздела АО, например, требуют оценить общий уровень безопасности летательного аппарата путем суммирования вероятностей зсех единичных катастрофических ситуаций. Это означает, в частности, что при такой оценке в одну корзину будут сложены катастрофические ситуации, которые могут возникнуть из-за разрушения тяги управления (которые вообще не могут иметь никакой вероятности, так как должны быть исключены!) и из-за отказа двух авиагоризонтов из трех при полете по приборам (вероятность около 10-9). Суммарная вероятность таких ситуаций, согласно требованию самолетного раздела АО, должна быть не выше 10-2. Комменгарии, как говорится, излишни.

Этот пример приведен только для того, чтобы подчеркнуть очевидный факт: в вертолетной практике, конечно, необходимо исследовать и использовать «самолетный» опыт, однако, как и в любом, деле, это нужно делать с умом.

Другим, примером «вертолетной» специфики является наличие требований к критическим частям в параграфах 27.602 и 29.602 вертолетных норм, которых нет в самолетных нормах. Введение этих параграфов в JAR– и FAR-27/29 фактически узаконило общегосударственные требования к критическим частям, которыми уже з середине 70-х годов руководствовались фирмы – разработчики вертолетов. Как мы уже говорили, к критическим частям конструкции вертолета относятся части, отказ (разрушение) которых приводит к невозможности выполнения управляемой посадки на режиме авторотации. Введение такого требования фактически завершило деление конструкции вертолета на две группы (силовая конструкция и системы) с соответствующим разделением методов обеспечения их отказобезопасности. Следует отметить, что в российской практике аналогичный подход заложен в требованиях отраслевого стандарта ОСТ 1 02772-98 «Порядок проведения и содержание работ по особо ответственным составным частям самолетов и вертолетов», однако при его использовании на практике также необходимо учитывать вертолетную специфику.

В завершение хочется отметить, что Россия окончательно встала на путь рыночного развития экономики. В новых условиях создание вертолетов – это бизнес, который нужно вести, зная законы рынка. Проявление этих законов приходится учитывать даже в такой, на первый взгляд, некоммерческой сфере, как безопасность. И другого пути, кроме как изучение, накопление и использование опыта работы в рыночных условиях, у нас нет. Фирма «Камов» уже с 70-х годов занимается сертификацией вертолетов на Западе. Вертолет Ка-26 был первым советским вертолетом, сертифицированным по требованиям FAR-29 в Польше, Западной Германии, Японии и Швеции. Очередным этапом стала сертификация вертолета типа Ка-32А в Канаде, Швейцарии, на Тайване, в результате чего стала возможной успешная коммерческая эксплуатация этих машин в жестких условиях рыночной конкуренции. Эти успехи дают основание считать, что, несмотря на имеющиеся трудности, можно (и нужно!) уметь работать и побеждать в условиях рынка.

Шамиль СУЛЕЙМАНОВ, фирма «Камов»