Разработка логической модели безопасности полета летательных аппаратов на основе непосредственного учета функциональных признаков его элементов и ...
Разработка логической модели безопасности полета летательных аппаратов на основе непосредственного учета функциональных признаков его элементов и систем
к. т. н. C. А. Капитонов
В статье обосновано применение модели безопасности полета летательных аппаратов на основе построения упорядоченной по функциональным признакам многоуровневой логической модели (схемы), в которую входят составные части и системы летательных аппаратов в соответствии с их ролью в обеспечении безопасности полета.
Ключевые слова: безопасность полета, опасная, ситуация, логическая, модель, функции, признак, элемент, система.
Основным предназначением летательных аппаратов (ЛА) является обеспечение управляемого полета для реализации назначенного полетного задания, состоящего в общем случае из этапов: взлета, полета по заданному маршруту, маневрирования для решения поставленной задачи вылета, возврата на аэродром посадки и посадки. При этом предполагается достаточный уровень исправности (работоспособности) бортовых систем и целостности конструкции ЛА для выполнения управляемого полета, а также сохранности транспортируемых грузов и поддержания работоспособного состояния экипажа и жизнедеятельности пассажиров.
Возможность достижения поставленной цели вылета обуславливается возможностью отсутствия (невозникновения) с заданной вероятностью опасных ситуаций (ОС) [1], связанных с потерей или невыполнением ЛА и его бортовыми системами, а также экипажем своих основных функций в заданных условиях применения, основанных на апробированном конструктивном исполнении и директивных предписаниях, изложенных в руководстве по летной эксплуатации, либо парирования (ликвидации) ОС в случае их возникновения. Указанная вероятность является вероятностью безопасного выполнения полета, при выполнении возложенного на экипаж полетного задания и характеризует заданный уровень безопасности полета (БП). Обеспечение максимального возможного либо заданного (гарантированного) уровня БП эквивалентно соблюдение условия отсутствия с максимально возможной либо заданной (гарантированной) вероятностью аварийной ситуации (АС), катастрофической ситуации (КС). Как правило, (в первую очередь для коммерческих авиаперевозок) устанавливается заданный (гарантированный) уровень вероятности невозникновения АС, КС, являющийся достаточно малым числом (10-7 за час полета), гарантирующим практическую невероятность возникновения АС, КС.
Исходя из этого, для разработки достаточных организационно-технических мероприятий по обеспечению заданного уровня БП необходимо провести анализ полной модели БП в условиях выполняемого полетного задания (ПЗ) с целью выявления основных факторов, создающих угрозу БП.
Общий вид модели БП содержит только перечень факторов, влияющих на БП, вероятности их возникновения и парирования последствий их возникновения [1]. В существующем виде она является слабоструктурированной в смысле явного учета влияния этих факторов на основную функцию ЛА и в смысле учета сопутствующих обязательных условий по функционированию составных частей и систем ЛА. Поэтому для удобства анализа модели БП и выработке, в первую очередь, технических решений по обеспечению БП, целесообразно создать логическую модель БП, определяющую обязательные условия выполнения безопасного полета и связанную с явным учетом функциональных возможностей элементов и систем ЛА (без поддержания которых невозможно обеспечение БП). Термин «логическая модель БП» предполагает построение некоторой логической функции, отражающей факт наличия достаточного уровня БП как некоторого события, зависящего от событий (аргументов логической функции), характеризующих состояние элементов и систем ЛА. Это можно осуществить на основе реструктуризации известной одноуровневой модели БП [1], построенной на основе выделения и исследования общих факторов и причинно-следственных связей, непосредственно влияющих на БП, в которой все значимые факторы учитываются, но не группируются по уровням и которая пригодна в полной мере лишь для исследования влияния на БП различных факторов для частного режима полета (например, режима маловысотного полета).
Так как различные функционально необходимые элементы ЛА реализуют различные по значимости функции, то целесообразно построить структурную иерархическую схему модели БП, упорядочивающую по рангу (уровню) составные элементы ЛА и его системы с учетом значимости реализуемых ими функций исходя из непосредственного учета их влияние на основную функцию ЛА и БП. Таким образом, в основу построения модифицированной модели БП ЛА ложится упорядочение и кластеризация (группирование однородных по некоторому свойству [2]) по функциональному признаку составных частей и систем ЛА, исходным пунктом которой является рассмотрение основной функции ЛА – выполнение управляемого полета.
Исходя из общей методики анализа структуры и составных частей авиационного комплекса (АК) [2] для известных компоновочных схем АК, рассмотрим основные функции, реализуемые АК в целом и его составными частями:
а) выполнение управляемого полета, обеспечиваемое:
- целостностью конструкции ЛА, реализующей требуемую аэродинамическую компоновку ЛА, схемы создания управляющих аэродинамических сил и моментов и основанные на ней требуемые пилотажные характеристики [3], которые могут изменяться в некоторых диапазонах (в том числе и при ограниченных боевых повреждениях);
- силовой установкой, реализующей заданные схемы управления вектором тяги, в совокупности с аэродинамической компоновкой, обеспечивающей выполнение управляемого полета при выходе из строя части двигателей (при наличии нескольких двигателей);
- системой управления (СУ) – обеспечивающей управление ЛА при различных степенях участия летчика и при различных допустимых вариантах аэродинамической компоновки и конфигурациях силовой установки, понимаемое как выдерживание заданных параметров полета с точностью, обеспечивающей их невыход из допустимых диапазонов;
- летчиком в контуре управления, обеспечивающим на основе достаточно развитых и прочных навыков правильного восприятия информации и индивидуальной техники пилотирования ручное, полуавтоматическое управление ЛА, либо текущий контроль автоматического управления исходя из текущего «образа полета» [4], формируемого на основе многоканального восприятия информации о параметрах полета и решаемой навигационной (тактической) задачи;
б) обеспечение жизнедеятельности экипажа и пассажиров, реализуемое системой кондиционирования воздуха кабины, автоматическими системами поддержания заданных температуры и давления в кабинах экипажа и пассажиров, специальным снаряжением экипажа;
в) обеспечение устойчивости конструкции, силовой установки и систем ЛА к воздействию деструктивных факторов, их предотвращение либо ликвидация, либо предотвращение их развития до критического уровня, реализуемая:
- противообледенительной системой, предназначенной в первую очередь для предотвращения недопустимых изменений аэродинамической компоновки ЛА и увеличения его полетной массы за счет образования льда;
- системами противопожарной защиты конструкции ЛА, силовой установки, СУ, экипажа и пассажиров;
- защитными устройствами для предотвращения попадания птиц во входные устройства силовой установки;
- системами предотвращения от столкновения с птицами;
- системами молниезащиты конструкции ЛА, силовой установки, экипажа и пассажиров;
- дополнительными конструктивными мерами для повышению живучести ЛА к боевым повреждениям и предотвращение поражение экипажа в условиях боевых воздействий на ЛА;
г) информационное обеспечение экипажа и СУ, в том числе о техническом состоянии (исправности) силовой установки, СУ, бортовых систем, реализуемое бортовым оборудованием ЛА;
д) энергоснабжение систем планера, СУ, систем бортового оборудования, обеспечение жизнедеятельности экипажа и пассажиров, реализуемое системами электроснабжения, гидравлическими и пневматическими системами;
ж) контроль работоспособности и правильности действий экипажа;
з) реконфигурация состава элементов силовой установки, системы управления, оборудования ЛА при отказах соответствующих элементов и систем с целью поддержания заданных функций, осуществляемая экипажем с помощью соответствующих бортовых систем контроля;
и) парирование ОС, классифицируемых не хуже, чем АС, возникающих при отказах силовой установки, бортовых информационных систем, СУ, а также ОС, вызванных выходом параметров полета из допустимого диапазона, либо приближением параметров полета к границам допустимого диапазона, вызванных ошибками экипажа, воздействием атмосферных возмущений или организованных помех, осуществляемое экипажем автоматически с помощью соответствующих бортовых систем контроля и систем активного обеспечения БП, являющихся составной частью СУ;
к) аварийное покидание ЛА экипажем и пассажирами на земле, покидание ЛА экипажем для предотвращения КС.
При этом функции ЛА должны реализовываться:
- по п.п. а, б, г, д, ж – постоянно;
- по п.п. в, ж, з, и, к – при возникновении ОС, квалифицируемых не хуже чем АС.
Функции по п.п. а, б, г, являются основными. Функции по п.п. в, ж, з, и можно отнести к классу функций по обеспечению БП (по предотвращению и ликвидации ОС для ОС не хуже, чем АС. Функция, указанная в п. к направлена на предотвращение КС. При этом утрата функций по п.п. а, б, г, д создает непосредственную угрозу БП, парируемую функциями по п.п. в, ж, з, к.
Приведенный перечень функций может быть положен в основу логической модели БП, построенной по функциональным признакам, в которой используется логическая операция «И» (конъюнкция), а в качестве логических аргументов - логические переменные, отражающие факт наличия (поддержания) перечисленных выше функций по п.п. а - к для элементов и систем ЛА в соответствующих условиях (нормального функционирования и при наступлении ОС). Ее достоинством является ясность и наглядность (для уяснения «вклада» каждого из элементов АК для обеспечения успешного выполнения полета) при анализе уровня БП для ЛА в целом и полнота (в смысле соответствия полному перечню элементов и систем ЛА, «вклад» которых в обеспечение БП должен быть проанализирован и обеспечен на достаточном уровне).
На основе логической модели БП, построенной по функциональным признакам, может быть выведена вербальная формула (модель), определяющая необходимые и достаточные мероприятий по предотвращению АС, КС в условиях внешних атмосферных и боевых воздействий, при ошибках экипажа и нарушении его работоспособности, при отказах функционально-необходимых элементов ЛА:
- контроль факторов, возникновение которых может повлечь утрату функции управляемого полета ЛА;
- сохранение достаточной целостности конструкции и ненарушение аэродинамической компоновки ЛА;
- создание условий для поддержания жизнедеятельности экипажа и пассажиров;
- обеспечение на уровнях не хуже минимально допустимых объемов и качества энергоснабжения бортового оборудования и информационного обеспечения экипажа и СУ, качества управления ЛА;
- реконфигурация режимов работы бортовых систем и ликвидация недопустимых отклонений параметров полета;
- спасение экипажа и пассажиров в АС.
Предложенная вербальная модель БП соответствует определению БП, учитывает состав функционально необходимых элементов ЛА, обеспечивающих и поддерживающих основную функцию ЛА, позволяет проводить анализ влияния каждого из них на уровень БП, является полной и исчерпывающей для разработки вероятностной модели БП ЛА.
Перечисленные функции АК должны выполняться с заданными вероятностями в заданных диапазонах внешних условий (в том числе при наличии естественных или организованных помех) и обеспечиваться высокой выучкой экипажа, применением специальных конструктивных мер, достаточной надежностью либо практической безотказностью соответствующих составных частей ЛА и его оборудования. Расчетная вероятностная модель БП, позволяющая определить эти вероятности, может быть построена с использование структуры АК и соответствующих функциональных признаков каждого из ее элементов, определяемых на основе предложенной вербальной модели БП, а также вероятностей осуществления соответствующих функций в соответствующих условиях.
Заданные вероятности реализации перечисленных функций определяются:
- их значимостью, исходя из их влияния на возможность возникновения АС, КС в случае их утраты и требуемым уровнем БП ЛА;
- соответствующими им алгоритмами действий экипажа при возникновении АС, обуславливаемых их утратой, и условными вероятностями предотвращения в этих случаях экипажем АС, КС (при отсутствии автоматических средств ликвидации ОС или принципиальной невозможности их применения).
Предложенная модель БП является основой для построения продуктивной методики исчерпывающего анализа факторов, влияющих на БП ЛА в целом, совокупность которых формируется исходя из учета влияния на основные функции ЛА и функции предотвращения АС, КС. При этом формируемый перечень опасных факторов, учитывающий дестабилизирующие факторы для основных и вспомогательных функций, будет гарантированно исчерпывающим (в пределах полноты учета дестабилизирующих факторов для каждой из функций).
Предложенная модель БП является основой для создания эталонного описания функционального облика и состава технических средств обеспечения БП для ЛА в целом. Так как условные вероятности парирования летчиком (экипажем) ОС могут изменяться в достаточно широких диапазонах [1] для достижения высокого заданного уровня БП целесообразно функции по п.п. в, ж, з, к обеспечения БП в максимальной степени автоматизировать. Автоматизацию можно провести за счет применения соответствующих высоконадежных вычислительных систем и связей между соответствующими системами, реализующими основные функции, для реализации автоматического (автоматизированного, предназначенного для формирования и выдачи экипажу и пассажирам соответствующих команд) режима поддержания БП специальным программно-аппаратным комплексом на борту ЛА. Архитектура такого комплекса может варьироваться в широком диапазоне - от создания специализированной бортовой системы обеспечения БП (реализующей функцию поддержания БП ЛА в целом) до распределения этих функций по существующим бортовым системам. Вычислители этих бортовых систем должны реализовывать соответствующие алгоритмы парирования ОС, которые построены исходя из учета конкретных условий возникновения ОС, динамики ее развития и возможных мер по их ликвидации (предотвращению, ограничению степени их влияния). При этом состав систем, обеспечивающих БП ЛА в целом (структура системы обеспечения БП ЛА) полностью определяется исходя из предложенной логической модели БП ЛА, основанной на функциональных признаках.
Таким образом, построенная логическая модель БП на основе агрегатирования элементов и систем ЛА по функциональному признаку, содержащая перечень обязательных функций, необходимых для поддержания различных уровней БП и реализуемых составными частями и системами ЛА, является полной и достаточной для разработки мероприятий по обеспечению БП. Лежащий в основе логической модели БП агрегатированный перечень элементов и систем ЛА является основой для построения вероятностной модели БП ЛА в целом, непосредственно учитывающей причинно-следственные связи между соответствующими событиями и вероятности их возникновения.
Литература
1. Безопасность полета ЛА. Методические основы. / Под ред. А.И. Старикова, М.: Транспорт, 1988. 159 с.
2. Платунов В. С. Методология системных военно-научных исследований авиационных комплексов. М.: Дельта, 2005. 344 с.
3. Аэродинамика и динамика полета маневренных самолетов. / Под ред. М.И. Ништа, М: ВВИА им проф. Н. Е. Жуковского, 2006. 837 с.
4. Сильвестров М. М., Козиоров А. М., Пономаренко В. А. Автоматизация управления ЛА с учетом человеческого фактора. М: Машиностроение, 1986. 184 с.
Creating of logical flight safety’s model of flying vehicle upon accounting of vehicle’s elements and systems functional features
S. A. Kapitonov
In the article it‘s founded using of flight safety’s model upon constructing of functional multilevel logical model consisting of vehicle’s elements and systems roles in providing of vehicle’s flight safety.
Keywords: flight safety, dangerous, situation, logical, model, function, feature, level, element, system.