Проектирование самолетов с учетом надежности, безопасности и живучести стало нормой. В то же время повышение эффективности боевых и пассажирских самолетов в последние годы обеспечивалось значительным усложнением основных систем. Если у многоместных пассажирских самолетов за счет дополнительного резервирования важнейших систем удается обеспечить высокую безопасность и регулярность полетов, то в отношении боевых машин возникают значительные трудности из-за жестких ограничений, в частности, по взлетной массе. По данным зарубежных периодических изданий, следствием усложнения основных компонентов и систем явилось снижение экплуатационных характеристик новых боевых авиационных комплексов (БАК) и в первую очередь их надежности. Несмотря на использование результатов интенсивно развивающейся с 50-х годов теории надежности и проведение совместных приемочных испытаний при предельных эксплуатационных нагрузках, после начала серийного производства и эксплуатации в строю выявились сложнейшие проблемы, связанные с низким уровнем безотказности, эксплуатационной технологичности, безопасности и живучести новых боевых самолетов США*. Боеготовность некоторых эскадрилий самолетов F-111, F-14 и F-15 в первые годы эксплуатации составляла около 35%. Налет на неисправность у ряда тактических самолетов составляет всего 0,2...0,3 ч. Период конструктивно-технологической доводки новых самолетов сопровождается, как правило, большим числом аварий и катастроф. Относительная трудоемкость технического обслуживания у самолета F-14 оказалось равной 49 чел.-ч/ч. вместо 20 по тактико-техническим требованиям (ТТТ), а у самолета F-15A 29,3 вместо 11,3 (после 18 месяцев эксплуатации парка). Несмотря на значительное увеличение расходов на разработку новых самолетов и их изготовление, доля эксплуатационных расходов из года в год возрастает и составляет около 70% от суммарных расходов на БАК в течение жизненного цикла. В связи с рекламациями и многочисленными доработками в эксплуатации снизилась эффективность труда в авиапромышленности США.
Актуальность проблемы надежности наглядно демонстрируется на примере многочисленных отмен и задержек запусков воздушно-космических самолетов в США. Частые отказы бортовых систем воздушно-космического самолета во время полета вызывали отмену ряда экспериментов в космосе и сокращение времени пребывания на орбите.
Таким образом, показатели надежности, безопасности и живучести имеют такое же важное значение, как и летные характеристики самолета. Учет надежности должен проводиться с самого начала этапа проектирования, с этапа формирования облика будущего самолета. В зависимости от требуемой безопасности определяется количество двигателей, число членов экипажа, кинематика выпуска шасси, кратность резервирования поверхностей управления Требования к живучести боевого самолета оказывают существенное влияние на его облик. Такой самолет должен быть всепогодным, летать с большими скоростями на малых высотах, иметь малую посадочную скорость и базироваться на грунтовых взлетно-посадочных полосах (ВПП). Высокая маневренность обеспечит такому самолету эффективное выполнение противозенитного маневра и ведение воздушного боя. Для обеспечения требуемой живучести в боевых условиях самолет должен иметь соответствующий комплекс обороны, реализующий постановку пассивных и активных помех и огневое противодействие, например, в задней полусфере. Самолет с высокой живучестью должен обладать низкой радио, тепловой, шумовой и визуальной контрастностью, т. е. быть плохо видимым для операторов поражающих его систем. Облик такого самолета будет отличаться плавными очертаниями и переходами от крыла к фюзеляжу. Его двигатели с высокой степенью двухконтурности будут экранированы с нижней полусферы крылом, фюзеляжем и оперением. На облик самолета повлияют также резервирование и пространственное разобщение двигателей, килей и горизонтального оперения. Необходимость укрытия самолета от воздействия поражающих средств на земле тоже потребует критически отнестись к его габаритным размерам при выборе нового облика.
Требования эксплуатационной технологичности также должны быть учтены на этапе формирования облика самолета. Более удобные подходы к менее надежному оборудованию обеспечиваются такими особенностями компоновки, которые влияют на облик самолета. Требования минимального времени замены двигателя, заправки и снаряжения самолета для повторного вылета, особенно в условиях автономного базирования, также потребуют специальных компоновочных решений.
На этапе эскизного проектирования самолета синтез оптимальной структуры основных систем производится с учетом безотказности элементов, которую обеспечивает современный уровень развития промышленности. Безотказность элементов основных систем самолетов определяется путем сбора и обработки статистических данных по отказам и неисправностям в процессе длительной эксплуатации. Расчетные оценки безотказности вариантов структур основных систем лежат в основе метода прогнозирования надежности проектируемого самолета.
На этапе эскизного проекта схемно-конструктивные и компоновочные решения выбираются в рамках принятого облика самолета, исходя из необходимости обеспечения требуемых значений следующих показателей надежности: налета на отказ, вероятности вылета по расписанию (для пассажирских самолетов), удельной трудоемкости технического обслуживания, времени подготовки к повторному вылету и полного ресурса.
На этапе технического проекта принятые решения уточняются после выполнения более полных расчетов указанных показателей надежности. Если расчетное время подготовки самолета к повторному вылету может быть экспериментально подтверждено уже на этапе летных испытаний опытных образцов, то расчетные оценки других показателей надежности проверяются опытными данными после достаточно большого суммарного налета экземпляров нового самолета.
Поэтому совершенствование расчетных методов оценки надежности, безопасности и живучести разрабатываемых самолетов приобретает важное значение, позволяет сократить сроки конструктивно-технологической доводки нового самолета и значительно уменьшить объем дорогостоящих испытаний. Использование ЭВМ для хранения и выдачи информации по статистике летных происшествий, отказов и неисправностей позволяет наиболее полно учесть опыт промышленности. Имитационное моделирование с использованием как достаточно сложных, но зато и точных математических моделей, так и натурных функционирующих стендов, открывает новые перспективы для выявления недостатков конструкции нового самолета и более раннего их устранения.
Особое место в работе конструктора-самолетчика занимает комплекс работ по обеспечению заданной долговечности агрегатов и узлов планера самолета и его шасси. Несмотря на большой разброс экспериментальных данных о фактической долговечности авиационных конструкций, расчетные методы ее оценки в процессе конструирования остаются важнейшим инструментом создания оптимальных решений. Здесь сказывается специфика протекания кривой усталости, когда в зоне больших наработок даже незначительные колебания действующего напряжения, определяемые многими факторами, вызывают существенное изменение фактического ресурса конструкции. Использование методов вероятностной прочности позволяет более полно учесть факторы, от которых зависит долговечность самолета. Новое направление в подходе к проблеме обеспечения максимальной долговечности пассажирских самолетов связано с разработкой безопасно разрушающихся конструкций панелей, стенок, стыковых узлов, кронштейнов навески поверхностей управления и других ответственных деталей. С возрастанием стоимости создания новых авиационных комплексов исключительную актуальность приобретает технически и экономически обоснованное определение оптимального полного ресурса самолета, особенно пассажирского.
Повышение качества конструирования самолетов на современном этапе развития авиационной техники, когда процесс проектирования продолжается многие годы и резко сократилось число разрабатываемых проектов самолетов, связано с развитием экспериментальных исследований. Испытания образцов новых материалов и типовых элементов конструкции во всем диапазоне рабочих условий и нагрузок позволяют заложить основу будущей работоспособности агрегатов самолета. Экспериментальное технологическое опробование новых способов изготовления деталей и агрегатов в процессе разработки их конструкции обеспечивает передачу серийному заводу высококачественной технической документации и сокращение сроков освоения новой машины в серийном производстве. Исследования безотказности и ремонтопригодности вариантов конструкции на натурных и конструктивно-подобных моделях (отсеках) в условиях эксплуатационного нагружения все чаще становятся единственным источником информации для конструктора при разработке принципиально новых решений. Если раньше конструктор с успехом полагался на свой опыт участия в создании многочисленных опытных самолетов, то теперь он с нетерпением ждет результатов испытаний своих разработок в исследовательской лаборатории и только после их получения может принять верное решение. Стендовые экспериментальные исследования важнейших систем на функционирование позволяют еще на этапе разработки вскрыть неудачные конструктивные и компоновочные решения. Чем больше конструктивных недостатков будет выявлено при стендовых исследованиях работоспособности основных систем нового самолета в опытном производстве, тем меньше изменений чертежей придется вносить на серийном заводе и меньше доработок готовых самолетов проводить в эксплуатирующих организациях. Исследования распределения затрат на разработку нового самолета, серийное производство потребного их количества и эксплуатацию парка этих самолетов в течение заданного количества лет показали, что увеличение расходов на разработку, вызванное расширением экспериментальной базы опытного производства и отраслевых НИИ, не только полностью окупается в период серийного производства, но и позволяет получить значительную экономию государственных средств в период эксплуатации более надежного самолета.
Надежность, изделия закладывается при разработке, обеспечивается при изготовлении и поддерживается при эксплуатации. Строгое выполнение этого правила необходимо, поскольку недоработки предыдущего этапа практически невозможно ликвидировать на последующем. Когда конструктор в конце этапа разработки подтверждает расчетным путем, экспериментами и летными испытаниями опытных машин, что показатели надежности нового самолета соответствуют значениям, требуемым заказчиком, то он ориентируется на определенный уровень качества серийного производства и на определенный уровень качества технического обслуживания самолетов в эксплуатации. При полной реализации в процессе проектирования необходимых схемно-конструктивных решений, обеспечивающих заданный уровень надежности, на этапе отработанного серийного производства можно ожидать повышения надежности самолета за счет стремительного развития в эпоху научно-технической революции технологических способов производства, методов контроля качества продукции и внедрения комплексных систем управления качеством, использующих ЭВМ. В процессе длительной эксплуатации прогнозируемая при разработке надежность самолета также может быть повышена за счет совершенствования наземного оборудования, повышения качества предварительной, предполетной и послеполетной подготовок, регламентных работ, целевых осмотров, доработок по бюллетеням и профилактических обслуживании.
На протяжении многовековой истории технического творчества человек заботился о надежности. Древние зодчие и ваятели стремились к тому, чтобы их храмы, дворцы, гидротехнические сооружения, мосты, цирки и статуи были не только красивыми и величественными, но и долговечными, т. е. надежными. Об этом же заботятся и современные конструкторы сейсмостойких высотных зданий, телевизионных башен, гигантских однопролетных мостов и высотных плотин гидроэлектростанций. Древние корабелы стремились получить повышенную мореходность парусников за счет формы обводов судна и его оснастки, определявших устойчивость, подбора специальных сортов древесины, от которой зависела прочность и долговечность корпуса и мачт, создания максимально благоприятных условий для команды, позволяющих быстро управлять парусами и переносить тяготы длительных штормовых плаваний. Современные кораблестроители решают несоизмеримо более сложную задачу обеспечения надежности, безопасности и живучести океанских сухогрузов, ледоколов и подводных лодок с атомными силовыми установками. Проблема надежности очень остро стоит и перед конструктором угольного комбайна и перед конструктором искусственного сердца. Практически нет той отрасли техники, где бы надежность не стала проблемой номер один.
В начале нашего столетия человек, вооружившись знаниями в области аэродинамики и прочности конструкций и накопив достаточный опыт эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, начал освоение воздушного пространства земли. И сразу выяснилось: от надежности летательного аппарата зависит жизнь его создателя. В то время конструкторы, как правило, сами облетывали свои детища. Но обеспечить безотказную работу летящего при сильных порывах ветра одномоторного биплана было значительно труднее, чем парохода, паровоза и автомобиля. Ценой огромных усилий, неутомимой изобретательности и многочисленных жертв конструкторам самолетов удалось преодолеть барьер их ненадежности. Самолетостроение превратилось в ведущую отрасль промышленности ряда стран. Строителям дирижаблей в прошлом этого так и не удалось. Только теперь на новой технической основе намечается второе рождение дирижаблестроения. Обеспечение надежности, безопасности и живучести современного самолета является важнейшей народнохозяйственной задачей. Эта задача комплексная и очень сложная. В ее решении принимают участие специалисты различных научных областей, работающие в НИИ, ОКБ, на заводах и в эксплуатирующих организациях. Результаты работы всех этих специалистов в области надежности, безопасности и живучести должен знать авиационный конструктор, поскольку он выпускает рабочие чертежи, технологическую и эксплуатационную документацию нового самолета.
Если у будущего самолетостроителя, проработавшего эту книгу, появится уверенность в том, что для него задача обеспечения надежности, безопасности и живучести нового самолета не является слишком сложной и он может принять участие в ее практическом решении, то автор будет считать свою задачу выполненной.
* Все примеры в книге приводятся по данным открытой зарубежной печати.
Назад, на страницу описания