ВКР: Система предупреждения неисправностей ВС

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева» (СибГУ) Кафедра технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажнонавигационных комплексов СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 25.03.02 ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА Разработка системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф Студент ( С.С. Медведев) Руководитель (А.Р. Акзигитов) Нормоконтроль (В.М. Мусонов) Допускается к защите Зав. кафедрой ПНК (А.В. Кацура) «_____» _______________________ 20 г. Красноярск 2019 2 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева» (СибГУ) УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой ___________________ «_____» ________________ 20 г. ЗАДАНИЕ На выполнение выпускной квалификационной работы (ВКР) Студенту Медведеву Сергею Сергеевичу группы БАПЗУ 15-01 Направления подготовки 25.03.02 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов» Тема ВКР: Разработка системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф 1. Утверждено приказом по университету №_____ от ______ 20___г. 2. Срок сдачи студентом первого варианта ВКР: _________________________ 3. Срок сдачи студентом законченного ВКР _____________________________ 4. Исходные данные: 5. Содержание (перечень вопросов, подлежащих разработке в ВКР): __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 6. Перечень графического материала с указанием обязательных чертежей: __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________________ 7. Консультанты по ВКР с указанием относящихся к ним разделов __________________________________________________________________________________ Нормоконтроль Дата выдачи задания ____________________ Подпись научного руководителя ____________________ Задание принял к исполнению: Дата _________________ Подпись студента _______________________ В.М. Мусонов 3 Календарный график работы над проектом на весь период проектирования (с указанием сроков выполнения и трудоёмкости отдельных этапов) № Содержание этапов проектирования Трудоёмкость Срок в% выполнения 10 01.10.18 - Подготовительная часть: 1 Сбор необходимой технической информации 2 Анализ задания 22.11.17 5 23.10.18 30.11.18 Проектная часть: 3 Разработка концепции и функциональной 15 схемы 4 Расчёт и выбор элементов 05.12.18 20.12.18 20 21.12.18 02.01.19 5 Синтез принципиальной электрической 20 схемы 6 Оформление графической части и 10.01.19 25 пояснительной записки 7 Компоновка материала и запись на информационный носитель 03.01.19 - 12.01.19 16.01.18 5 17.01.18 10.02.18 4 СОДЕРЖАНИЕ Список сокращений .................................................................................................... 6 Введение ....................................................................................................................... 7 1. Основная часть ...................................................................................................... 13 1.1. Влияние аварий и катастроф на уровень безопасности полётов .................. 14 1.2. Глобальный план обеспечения безопасности полетов ................................... 17 1.3. Авиационные происшествия ............................................................................. 22 1.4. Динамика изменения числа авиационных происшествий ............................. 25 1.5. Предупреждение и предотвращение неисправностей воздушных судов .... 26 1.6. Управление параметрами безопасности в процессе лётной эксплуатации . 28 1.7. Управление параметрами безопасности в процессе технической эксплуатации .............................................................................................................. 29 1.8. Влияние надёжности на безопасность полётов............................................... 30 2. Практическое обоснование .................................................................................. 33 2.1. Приёмники воздушного давления .................................................................... 33 2.2. Способы защиты приёмников воздушного давления от неблагоприятных воздействий ................................................................................................................ 35 2.3. Анализ авиакатастроф связанных с неисправностями приёмников воздушного давления ................................................................................................ 36 2.4. Выводы из анализа авиакатастроф ................................................................... 45 3. Проектирование системы ..................................................................................... 47 3.1. Конфигурация системы ..................................................................................... 49 3.2. Выбор датчиков температуры........................................................................... 51 3.3. Протокол интерфейса 1-Wire ............................................................................ 53 3.4. Датчики температуры DS18B20 ....................................................................... 56 3.5. Выбор микроконтроллера ................................................................................. 57 3.6. Выбор источника питания ................................................................................. 61 3.7. Силовая часть схемы.......................................................................................... 62 3.8. Синтез принципиальной электрической схемы системы .............................. 64 5 3.9. Надёжность схемы ............................................................................................. 66 Заключение ................................................................................................................ 68 Список использованных источников ...................................................................... 69 6 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АНК - Аэронавигационная комиссия ИКАО; БИНС - безинерциальная система; ВПП - взлётно-посадочная полоса; ВСС - вычислительная система самолётовождения; ВСУП - вычислительная система управления полётом; ГПБП - Глобальный план обеспечения безопасности полётов; КИСС - комплексная информационная система сигнализации; МК - микроконтроллер; НИОКР - научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы; ПВД - приёмник воздушного давления; ППД - приёмник полного давления; ПСД - приёмник статического давления; РСП - радиосистема посадки; СВС - система воздушных сигналов; ЦУВД - центр управления воздушным движением; число М - число Маха; ЭДС - электродвижущая сила; I/O - ввод/вывод. 7 ВВЕДЕНИЕ В современном инфраструктура играет динамично огромную развивающемся роль в мире жизни транспортная людей. Уровень экономического и культурного развития стран и народов не в последнюю очередь определяется развитием транспортной инфраструктуры региона. Транспортная инфраструктура оказывает влияние на многие сферы деятельности человека. Она обеспечивает между городами и поселениями обмен товарами, транспортные услуги, связь, формирует отношения между ними. Если деньги - это кровь экономики, то можно с полной уверенностью заявить, что транспортные магистрали - это её сосуды. Они связывают между собой территории и формируют инфраструктурные связи. Такие связи определяют концепцию экономического развития регионов. В результате формируются глобальные разветвлённые сети, по которым, перевозя в большом количестве ресурсы на огромные расстояния, движутся транспортные потоки. Одним из важнейших компонентов транспортной инфраструктуры является воздушный транспорт. По сравнению с остальными видами транспорта, он обладает рядом следующими преимуществами:  Высокая скорость передвижения;  Возможность посещения районов, изолированных от остального транспорта. Но при этом воздушный транспорт обладает и рядом недостатков:  Высокая стоимость перевозок;  Сложность организации транспортных узлов;  Высокая сложность и трудоёмкость организации и обслуживания. Для того, чтобы в процессе создания и эксплуатации авиационной техники скомпенсировать эти недостатки необходимо принимать ряд мер для 8 предупреждения и предотвращения аварий и катастроф. Эти меры призваны повысить безопасность полётов. За последние десятилетия воздушный транспорт превратился в самый безопасный вид транспорта. Инженеры вынуждены постоянно совершенствовать авиационную технику, чтобы исключить любой сбой во время воздушного перелёта. За всё время существования авиации накопилось большое количество информации о безопасности полётов, поэтому почти все, что может отказать заранее известно, и прописано в инструкциях летчиков. Если в современном летательном аппарате отказывает один из узлов, то ничего страшного не происходит. Обычно в такой ситуации воздушное судно может продолжить полёт в нормальном режиме. Это достигается путём кратного резервирования узлов и датчиков. Для того чтобы произошла катастрофа необходимо стечение сразу нескольких неблагоприятных факторов. Но даже в такой ситуации чаще всего проблема разрешается без трагических последствий. Окончательной преградой всех происшествий, которые могут произойти является экипаж. В этом смысле, между человеком и машиной существует сильная многофункциональная взаимосвязь. Грамотно спроектированный и реализованный симбиоз взаимодополняющих друг друга машины и человека представляет собой наиболее безотказный механизм. В таком симбиозе наиболее интенсивно используются достоинства обоих симбионтов и компенсируются их недостатки. *** В данной работе предлагается вариант разработки наиболее эффективной системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф. Актуальность. В данной работе проводится исследование состояния авиационной безопасности, анализ эффективности использования существующих средств автоматизации и цифровизации системы управления воздушным движением, совместимость различных средств автоматизации с 9 человеческим фактором, их влияние на предупреждение и своевременное оповещение о неисправностях авиационной техники, значение их для авиационной отрасли. В работе содержится подробный и обстоятельный обзор текущего положения дел в той сфере автоматизации управления воздушным судном, которая непосредственно связана с предупреждением и предотвращением аварий и катастроф, рассматриваются пути решения проблем имеющих место в этой сфере. В результате данного обзора выявляются и формулируется недостатки существующих способов предупреждения и оповещения о неисправностях ВС. Тем самым подчёркивается актуальность данной темы и обозначается роль и место данной работе. Также актуальность работы заключается в отсутствии во многих эксплуатируемых воздушных судах систем обеспечивающих автоматическое безучастное включение некоторого критически важного оборудования в критических условиях, для предотвращения трагических случаев с человеческими жертвами. Объект исследования. Данная работа исследует систему автоматического управления оборудованием воздушного судна. Предмет исследования. Данная работа демонстрирует автоматическую систему, реагирующую на изменение внешних условий и формирующая управляющие сигналы для изменения параметров работы бортового оборудования с целью предотвращения критических неисправностей. Цель работы. Основной целью данной работы является разработка системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф. Основные научные положения, выносимые на защиту. В данной работе на защиту выносятся следующие основные научные положения: 1. Множество современных и устаревающих летательных аппаратов имеют недостатки таких автоматических системам управления полётом, которые призваны эффективно реагировать на критическое изменение вешних и внутренних параметров полёта. 10 2. Существуют очевидные и технически реализуемые способы предотвращения тех неисправностей воздушного судна, которые могут повлечь критическое изменение параметров способствующее возникновению аварий и катастроф с человеческими жертвами. 3. Способ предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф, изложенный в данной работе:  является эффективным, экономичным и легко реализуемым;  не требует вмешательства в критически важные узлы воздушного судна;  не требует глубокой модернизации воздушного судна;  обеспечивает приемлемый уровень безопасности. Для достижения поставленной цели в данной работе ставятся следующие задачи:  разработать структуру и функциональную схему проектируемой системы;  оценить её значимость, актуальность и новизну;  проанализировать надёжности работы, преимущества и недостатки системы. Для выполнения поставленных задач используются следующие методы:  Аналитический преимущественным метод. и В данной наиболее работе доступным. является Основными критериями объективности данного метода являются логическая корректность и непротиворечивость.  Математический метод. В данной работе применяется по мере необходимости. Основными критериями объективности данного метода являются математическая тождественность и корректность.  Практический метод. В данной работе применяется по мере 11 возможности. Основными критериями объективности данного метода являются достоверность и воспроизводимость результатов. Новизна. Данная работа направлена на выявление недостатков эффективности автоматизации управления воздушным судном имеющих место в настоящее время в авиационной отрасли. Система, предложенная в данной работе, может быть использована как на новых современных, так и на устаревающих воздушных судах, повышая тем самым безопасность пассажиров и экипажа независимо от возраста воздушного судна. Научность. Научность работы заключается в рассмотрении объекта исследования с объективной точки зрения и получении сведений о его работе, в виде закономерностей в его поведении и взаимосвязи его с другими объектами. Основным ядром данной работы является уникальная принципиальная электрическая схема системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф, описание процесса её разработки, принципа работы, анализ недостатков и преимуществ. Практическая значимость данной работы заключается в том, что авиационная отрасль получает возможность внедрить данную систему в свои воздушные суда без необходимости её адаптации, в результате чего воздушное судно получает эффективную систему для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф. Внедрение данной системы позволит предотвратить многие серьёзные неисправности и снизить вероятность возникновения авиационных происшествий влекущих человеческие жертвы. Структура и объем работы. Работа состоит из титульного листа, оглавления, списка терминов, условных обозначений и сокращений, содержательной части дипломной работы, списка литературы изложенных на 71 странице, включая 6 таблиц, 8 рисунков. Список литературы включает 19 источников. 12 *** Для наиболее полного достижения намеченной цели и точного выполнения поставленных систематизировано задач, множество было различных изучено, переработано источников и информации, сформировано наиболее полное и корректное представление о сути вопроса. В процессе работы постоянно использовалась наиболее важная справочная информация о различных концепциях, системах и оборудовании применяемых в разрабатываемой системе. Поэтому в состав работы входят только наиболее важные аспекты рассматриваемой темы. 13 1. Основная часть В данной главе рассматриваются основные факторы оказывающие влияние на возникновение неисправностей и аварийных ситуаций, а также на факторы имеющие косвенное к ним отношение; рассматриваются возможности влияния на параметры надёжности, как основного показателя безопасности полётов авиационной техники в условиях её эксплуатации; анализируются механизмы влияния этих факторов и параметров и способы управления данными механизмами; устанавливается степень влияния этих механизмов на частоту появления неисправностей; устанавливается связь между неисправностями на борту и авиационными происшествиями; анализируются процессы приводящие к катастрофам и неисправности их спровоцировавшие. Делается вывод о применении технических средств для предотвращения аварий и катастроф. 14 1.1. Влияние аварий и катастроф на уровень безопасности полётов Для создания системы предупреждения неисправностей необходимо изучить уже накопившийся опыт создания существующих подобных систем и тонкости их построения. Для определения факторов приводящих к неисправностям или авариям и установления связи между этими факторами и катастрофами следует уделить большое внимание безопасности полётов, как основному параметру для оценки безопасности воздушных перевозок. Безопасность полётов – это состояние авиационной транспортной системы, при котором риск причинения вреда лицам или нанесение ущерба имуществу снижен до приемлемого уровня и поддерживается на этом или более низком уровне посредством непрерывного процесса выявления источников опасности и контроля факторов риска [7]. При совершении авиационных перелётов множество людей оказываются вовлечёнными в процесс авиаперевозок. Пассажиры, экипаж самолёта, наземные диспетчеры центров управления воздушным движением, инженерные авиационные аэропортов специалисты и аэропортов примыкающих и наземных организаций - все служб, эти служащие люди имеют непосредственное влияние на безопасность полётов. Таким образом, для того чтобы обеспечить эту безопасность, необходимо иметь рычаги влияния на все эти элементы авиационного транспорта. Для этого создаётся нормативная база в сфере авиационных перевозок. Поскольку авиационный транспорт быстро завоевал нишу международных транспортных услуг, пришлось налаживать сотрудничество между государствами с целью гармонизации и унификации норм гражданской авиации и координировать её развитие с целью повышения безопасности и эффективности. Попытки налаживания международного взаимодействия в сфере авиации осуществлялись с 1903 года. Тогда в Берлине была проведена первая конференция Международной комиссии по аэронавигации. В конференции участвовало восемь стран. В 1912 году в рамках этой организации в Лондоне впервые было достигнуто международное 15 соглашение об использовании авиационных радиоприёмников [18]. Настоящим прорывом для международного сотрудничества в сфере гражданской авиации стало подписание в 1944 году Международной конвенции гражданской авиации. Так была создана Международная организация гражданской авиации (ICAO — International Civil Aviation Organization). Это событие ознаменовало эпоху глобализации и международного сотрудничества в сфере авиационного транспорта. В 1970 году СССР стал членом ИКАО, а в 1977 году был принят текст конвенции на русском языке, который вошёл в "Протокол об аутентичном четырёхъязычном тексте" вступивший в силу в 1999 году [15]. Таким образом договаривающиеся государства приняли на себя обязательства по поддержанию международного сотрудничества в сфере гражданской авиации, которое направлено на повышение безопасности и эффективности воздушного транспорта. Были сформированы основные правила организации авиационного сообщения, нормы безопасности воздушных полётов. В настоящее время глобальное обеспечение безопасности полетов, так или иначе, связано с программами разрабатываемыми ИКАО. Среди основных документов ИКАО большую роль играют Приложения к Чикагской конвенции. В них изложены основные общепринятые правила и наименования, которые регулируют деятельность организаций и государств в области гражданской авиации. ИКАО проводит важную работу по улучшению состояния международного сотрудничества и совместно с другими организациями и государствами стремится постоянно повышать уровень безопасности полетов, не снижая при этом высокую степень пропускной способности и эффективности гражданской авиации. Для обеспечения таких результатов используются следующие средства: 1. Выработка глобальных стратегий, которые изложены в Глобальном плане обеспечения безопасности полетов (ГПБП) и Глобальном аэронавигационном плане (документы ИКАО); 2. Разработка и улучшение SARPs (Стандарты и рекомендуемая практика) [15, ст. 37] и PANS (Правила аэронавигационного 16 обслуживания), применяемых и реализуемых в международных гражданских авиаперевозках и дополняемых руководствами и циркулярами, в состав которых входит инструктивный материал с рекомендациями по применению и реализации данных документов; 3. Изучение тенденций и отслеживание показателей безопасности полетов. При этом специалистами Международного авиационного комитета при помощи своей Универсальной программы проверок организации контроля за обеспечением безопасности полетов (УППКБП) проводится мониторинг критических частей системы контроля за обеспечением безопасности воздушных полетов проверяется корректность и точность их выполнения. Кроме того, специалистами ИКАО были создали средства по обеспечению сбора, обмена и анализа информации о безопасности полётов между различными участниками программы. Это позволяет анализировать эксплуатационные данные о работе систем безопасности авиационного транспорта при совершении воздушных полётов, определять и локализовать существующие и потенциальные риски; 4. Внедрение и усовершенствование целевых глобальных программ по обеспечению безопасности гражданской авиации при совершении воздушных полетов для устранения инфраструктурных недостатков и недостатков сферы обеспечения безопасности полётов. 5. Своевременная и адекватная реакция на нарушения работы авиационной системы, обусловленные стихийными бедствиями, конфликтами или другими причинами. Средства, позволяющие своевременно и точно предоставить информацию о безопасности полётов собранную со всего мира играют огромную роль для мониторинга достижений в области обеспечения безопасности воздушного 17 транспорта и контроля за реализацией Глобального плана обеспечения безопасности полетов. Для реализации конечных целей этого плана его участники принимают на себя обязательства по отслеживанию динамики состояния безопасности воздушных полётов. Агрегация данных всех участников проекта даёт возможность сформировать целостное представление о состоянии безопасности воздушных полётов гражданской авиации в глобальном масштабе. Анализируя эти данные, появляется возможность оказывать влияние на развитие гражданской авиации путём воздействия доступными методами на основные параметры безопасности полётов. Для создания концепции системы предупреждения неисправностей и аварийных ситуаций необходимо выделить основные требования законодательных норм в этой сфере. 1.2. Глобальный план обеспечения безопасности полетов Глобальный план обеспечения безопасности полетов впервые был предложен в 1997 году в ходе неофициального совещания между Аэронавигационной комиссией (АНК) ИКАО и представителями авиационной отрасли. ГПБП предназначается для направления и определения приоритетов технической программы работы Организации. Регулярно проводятся конференции ИКАО по ГПБП, на которых он обновляется в целях его развития, совершенствования и поддержания постоянной актуальности [14]. В дальнейшем этот план был расширен с целью определения единых ориентиров для всех заинтересованных сторон. Такое расширение позволило осуществлять более активный подход к обеспечению безопасности полетов и помогло скоординировать и направить деятельность и инициативы в области безопасности воздушного транспорта во всем мире на снижение риска наступления летного происшествия в гражданской авиации. Впоследствии представители авиационной отрасли, входившие в Отраслевую группу по стратегии безопасности полетов (ISSG), совместно с ИКАО выработали общий 18 подход к обеспечению безопасности воздушных полетов. Таким образом была сформулирована цель - разработать Глобальную дорожную карту обеспечения безопасности полётов, которая предусматривала бы комплексный подход к инициативам по безопасности полётов. Основной целью комплексного подхода было обеспечение глобальной координации политики и инициатив по обеспечению безопасности полетов. Для оказания помощи ИКАО в обновлении ГПБП была создана Группа по разработке дорожной карты реализации глобального плана обеспечения безопасности полетов (GASPRG). В состав которой вошли авиационные эксперты из государств, отрасли, а также из различных международных организаций. Основная цель ГПБП – координация согласованной разработки планов обеспечения безопасности полётов. Он направлен на оказание помощи государствам и регионам в области обеспечения этой безопасности. Глобальный план обеспечения безопасности полетов подразумевает стратегию постоянного совершенствования. Основная цель ГПБП включает в себя несколько условных компонентов - этапов реализации его основной цели. Эти этапы реализуются посредством следующих средств:  внедрение эффективных систем контроля за обеспечением безопасности полетов;  реализация государственных программ по безопасности полетов (ГосПБП);  разработка усовершенствованных систем контроля обеспечения безопасности полетов, включая упреждающее управление рисками. Эти этапы условно названы целями ГПБП (при этом подразумеваются главные этапы достижения глобальной основной цели). Они призваны скоординировать работу государств по внедрению надёжных и устойчивых систем контроля обеспечения безопасности полётов и их совершенствование. На начальном этапе всем участникам программы ГПБП предстоит 19 осуществить оценку основных показателей эффективного выполнения критических элементов государственной системы контроля за обеспечением безопасности полетов и сформировать локальную программу улучшения этих показателей для достижения целевой отметки в 60%. Эти показатели были сформулированы в ходе тщательного изучения состояния безопасности полётов. Внедрение государствами государственных программ по безопасности полетов и систем управления безопасностью полетов (СУБП) поставщиками обслуживания осуществляется с опорой на основополагающие системы контроля обеспечения безопасности полётов и на стандарты выработанные ИКАО и изложенные в ГПБП. Эти стандарты подразумевают внедрение подходов, основанных на оценке рисков с целью поддержания приемлемого уровня эффективности в области обеспечения безопасности полётов. Таким образом усиливается роль государства как регулятора в сфере гражданской авиации. На него ложится ответственность за достижение целевых показателей безопасности полётов и за мониторинг эффективности СУБП. Поэтому в процессе внедрения ГосПБП и СУБП требуется расширение сотрудничества между государствами и организациями участвующими в программе для выявления источников опасности и управления рисками. В конечном счёте результатом внедрения ГосПБП и СУБП декларируется создание авиационной системы будущего, в которой станет реальностью интеграция дистанционно пилотируемых воздушных судов в несегрегированное воздушное пространство [14]. Поэтому в документе отмечается, что особое внимание в развитии системы обеспечения безопасности полётов следует уделить использованию технологий обнаружения и предотвращения. Также документ призывает учитывать аспекты работоспособности человека при реализации программ по внедрению новых СУБП. Наряду с глобальными приоритетами по обеспечению полётов ИКАО выделяет новые приоритетные направления развития безопасности полётов. 20 Одним из таких приоритетов стала разработка и внедрение глобальной системы оповещения о бедствии и обеспечения безопасности полетов воздушных судов (GADSS). По замыслу разработчиков, данная система осуществляет регистрацию всех параметров полёта, для определения точного местоположения воздушного судна и лёгкости его обнаружения в случае незапланированной посадки либо катастрофы. Эта система включает в себя четыре составляющих: 1. Непрерывное слежение за движением ВС в любых условиях; 2. Автономное слежение за движением воздушного судна; 3. Поиск полётных данных; 4. Осуществление управления процедурами системы GADSS. При этом эксплуатанты обладают свободой выбора данных систем. Регламент ИКАО ограничивается лишь общими требованиями ко всем участникам воздушного движения. Например, одним из таких требований является отслеживание положения воздушного судна не реже чем раз в 15 минут. В случае если воздушное судно терпит бедствие, то необходимо определять его местоположение с точностью не менее 6 м. миль. Также приоритетными вопросами в области безопасности полётов считается обеспечение безопасности полётов воздушных судов в зонах конфликтов, разработка дистанционно-управляемых рекомендаций летательных для эксплуатантов беспилотных аппаратов, рекомендаций по космическим полётам. Для наиболее эффективного достижения целей ГПБП ИКАО применяет инструменты эффективного обеспечения безопасности полётов. Такими инструментами являются: Стандартизация. В данном контексте подразумевается стандартизация методов повышения безопасности полётов, последовательность выполнения требований ИКАО. Таким образом, достигается наиболее транспарентность информации о повышении безопасности полётов, что в свою очередь упрощает осуществление мониторинга процесса выполнения требований ИКАО. В целом 21 это должно давать мультипликативный эффект и значительно повышать уровень безопасности полётов. Ресурсы. В данном случае имеются в виду человеческие ресурсы надлежащей квалификации задействованные в системе обеспечения безопасности полётов. Для достижения необходимого уровня квалификации и количества таких ресурсов ИКАО разработан ряд обязательных требований для участников организации. Взаимодействие. Для достижения максимальной эффективности работы ИКАО старается привлекать к своей работе представителей всех своих участников: государства ИКАО, международные организации, региональные организации, RASG, RSOO, RAIO, представители отрасли, поставщики аэронавигационного обслуживания, эксплуатанты, аэродромы, изготовители и организации по техническому обслуживанию. Для наиболее успешного взаимодействия, для каждой группы участников определён характер приоритетов в деятельности ИКАО. Таким образом, для участников ИКАО выбираются такие приоритеты, которые смогли бы принести максимальную пользу. Обмен информацией. Общий доступ к информации является ключевым элементом ГПБП. Поскольку в работе над этим планом принимают участие лучшие в мире специалисты из разных областей, это обеспечивает высокое качество выходной информации и высокую эффективность тех мер, которые рекомендуются к внедрению. Таким образом, даже те участники, которые испытывают недостаток квалифицированных специалистов могут получить доступ к информации высокого качества и внедрить у себя меры, разработанные лучшими мировыми специалистами в своей области. Это обеспечивает максимальную эффективность обеспечения безопасности полётов в соответствии с ГПБП. Внедрение ГПБП на уровне государств осуществляется в три этапа. Первый этап подразумевает оценку эффективности обеспечения безопасности полётов и фиксацию усилий по поддержанию этого уровня не 22 ниже начального. Для определения уровня используется показатель эффективного внедрения критических элементов контроля уровня безопасности полётов. Второй этап предусматривает создание рамок контроля обеспечения безопасности полётов и внедрения ГосПБП. Учитывая отсутствие в некоторых странах системы обеспечения безопасности полётов вообще, подразумевается принятие необходимых нормативных актов разработанных с учётом рекомендаций ИКАО и местной специфики. Третий этап подразумевает активный мониторинг уровня безопасности полётов и факторов влияющих на его изменение. 1.3. Авиационные происшествия Авиационное происшествие (АП) - событие, связанное с использованием воздушного судна, которое, в случае пилотируемого воздушного судна, имеет место с момента, когда какое-либо лицо поднимается на борт воздушного судна с намерением совершить полет, до момента, когда все находившиеся на борту лица покинули воздушное судно, или, в случае беспилотного воздушного судна, происходит с момента, когда воздушное судно готово стронуться с места с целью совершить полет, до момента его остановки в конце полета и выключения основной силовой установки и в ходе которого: a) какое-либо лицо получает телесное повреждение со смертельным исходом или серьезное телесное повреждение в результате:  нахождения в данном воздушном судне; или  непосредственного соприкосновения с какой-либо частью воздушного судна, включая части, отделившиеся от данного воздушного судна; или  непосредственного воздействия струи газов реактивного двигателя, за исключением тех случаев, когда телесные 23 повреждения получены в результате естественных причин, нанесены самому себе, либо нанесены другими лицами, или когда телесные повреждения нанесены безбилетным пассажирам, скрывающимся вне зон, куда обычно открыт доступ пассажирам и членам экипажа; или b) воздушное судно получает повреждения или происходит разрушение его конструкции, в результате чего:  нарушается прочность конструкции, ухудшаются технические или летные характеристики воздушного судна и  обычно требуется крупный ремонт или замена поврежденного элемента, за исключением случаев отказа или повреждения двигателя, когда повреждены только один двигатель (включая его капоты или вспомогательные агрегаты), воздушные винты, законцовки крыла, антенны, датчики, лопатки, пневматики, тормозные устройства, колеса, обтекатели, панели, створки шасси, лобовые стекла, обшивка воздушного судна (например, небольшие вмятины или пробоины), или имеются незначительные повреждения лопастей несущего винта, лопастей хвостового винта, шасси и повреждения, вызванные градом или столкновением с птицами (включая пробоины в обтекателе антенны радиолокатора); или c) воздушное судно пропадает без вести или оказывается в таком месте, где доступ к нему абсолютно невозможен [17]. Выделяется четыре категории авиационных происшествий: 1. События, связанные с безопасностью операций на ВПП (RS) 2. Столкновение исправного воздушного судна с землей (CFIT) 3. Потеря управления в полете (LOC-I) 4. Столкновение с другим воздушным судном в воздухе (MAC) 24 Более 60% погибших во всём мире приходится на первые три категории. По статистике ИКАО наиболее часто происходят авиационные происшествия, связанные с безопасностью операций на ВПП. Но при этом они являются самыми безопасными. То есть число погибших при этом оказывается гораздо меньше, чем в других случаях. Другие категории относятся к категориям повышенного риска. Их доля в общем числе АП не велика - около 6%, но на них приходится гораздо большее число жертв - более половины всех погибших [14]. Выживание в результате авиационного происшествия в полёте - это скорее исключение, чем норма. В связи с вышеизложенными фактами первоочередное внимание уделяется предупреждению трёх наиболее опасных категорий происшествий. При создании новых и совершенствовании существующих систем безопасности полётов в первую очередь обращают внимание на эти три категории и стараются снизить их влияние на картину безопасности полётов, потому что инициативы в этих сферах способствуют сокращению частоты аварий и числа погибших. В основном это выражается в предупреждении и своевременном оповещения о неисправностях ВС в процессе лётной эксплуатации, что в свою очередь приводит к снижению числа аварий и катастроф. В частности существуют программы ИКАО для повышения уровня безопасности полётов. В них принимают участие различные государственные и частные компании и некоммерческие организации. Например, для категории происшествий на ВПП был разработан перечень рекомендаций для организации системы захода на посадку. В частности была проведена классификация типов захода на посадку, сформулированы общие требования к основным видам РСП. Это позволило выработать для каждого типа определённый алгоритм действий, минимизирующий возможность возникновения авиационных происшествия связанных с заходом на посадку. Также эта система классификации позволила упростить и систематизировать профессиональную подготовку диспетчеров и пилотов. Для оптимизации удобства получения информации и повышения её 25 транспарентности ИКАО ведёт электронную библиотеку итоговых отчётов. Эта база данных предназначена для широкого круга лиц, а в особенности для всех участников воздушного движения: специалистов по расследованию авиационных происшествий, других сотрудников службы безопасности, эксплуатантов воздушного судна, операторов аэропорта, авиационных диспетчеров, специалистов по техническому обслуживанию и ремонту самолетов и т. д. Данная информация доступна на сайте ИКАО. Преимущество этой базы данных заключается в том, что имеется возможность применять различные фильтры и упорядочивать информацию о разных происшествиях по различным параметрам. Фильтры можно настроить таким образом, чтобы на экран выводились только авиационные происшествия, имеющие необходимые параметры заданные пользователем. Также в данном разделе доступны рекомендации по повышению уровня безопасности полётов и сокращению числа происшествий данного типа [5]. 1.4. Динамика изменения числа авиационных происшествий Эффективность всех усилий направленных на повышение безопасности полётов можно оценить по частоте авиационных происшествий на один миллион вылетов. Таблица 1 [5] Год Число аварий Число пострадавших Частота авиационных происшествий 2005 119 824 4,4 2006 112 806 4,1 2007 122 645 4,2 2008 138 524 4,8 26 2009 102 655 4,1 2010 104 626 4,2 2011 118 372 4,2 2012 99 388 3,2 2013 90 173 2,9 2014 97 911 3,0 2015 92 474 2,8 2016 75 182 2,1 2017 88 50 2,4 Из таблицы 1 видно, что по мере внедрения методики управления безопасностью частота происшествий неуклонно снижается. При этом снижается количество неисправностей ВС которые приводят к авиационным происшествиям. Это означает, что растёт число предупреждённых или предотвращённых авиационных происшествий, следовательно, повышается эффективность систем предупреждения неисправностей. 1.5. Предупреждение и предотвращение неисправностей воздушных судов Предупреждение факторов влияющих на безопасность полётов осуществляется в течении жизненного цикла авиационной техники. Этот жизненный цикл включает в себя несколько стадий: 1. НИОКР; 2. Разработка; 3. Производство; 4. Эксплуатация; 5. Списание [11]. Эксплуатация авиационной техники включает в себя лётную и техническую эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт, хранение, 27 транспортирование, списание [4]. Лётно-техническая эксплуатация подразумевает использование авиационной техники в целях совершения полёта. При этом принимается комплекс мер для своевременного предупреждения и снижения риска возникновения неисправностей ВС. В частности одним из примеров такого комплекса может быть чтение карт контрольных проверок во время управления воздушным судном. Техническое осуществляемых обслуживание это инженерно-авиационными совокупность мероприятий службами поддержания для работоспособности или исправности изделий авиационной техники в рамках её эксплуатации [3]. Ремонт – комплекс мероприятий по восстановлению работоспособности изделий функциональных систем летательных аппаратов или составных частей изделий [11]. В процессе осуществления лётно-технической эксплуатации авиационной техники могут проводиться научно-исследовательские изыскания в этой области. В таком случае эксплуатанты могут осуществлять рекламационную деятельность. Для того чтобы определить неисправность или отказ какого-либо узла часто проводят лабораторные исследования. В таком случае деталь отправляется в лабораторию для исследований. При этом необходимо соблюдать ряд требований для наиболее эффективного проведения исследования. Авиационный транспорт является самым технологичным и сложным транспортом в мире. Если в других сферах транспорта допустимо выпускать недорогие низкокачественные изделия для массового потребления, то в случае с авиатранспортом это может привести к негативным последствиям с человеческими жертвами и большими убытками для самого предприятия и всей экономики в целом. Поэтому чем более часто и регулярно проводится рекламационная работа и лабораторные исследования в отношении 28 определённого узла, тем более надёжным и долговечным он становится. В связи с этим большой вклад в надёжность и безопасность авиационного транспорта вносит обратная связь между эксплуатантом и производителем. 1.6. Управление параметрами безопасности в процессе лётной эксплуатации Для предупреждения неисправностей ВС в режиме лётно-технической эксплуатации, либо, проще говоря, в процессе осуществления перелёта, предпринимают ряд мер организационного или технического характера. К техническим мерам можно отнести, например, системы сбора и локализации отказов (ССЛО). Они непрерывно контролируют исправность аппаратуры и линий связи в полете, способны собирать информацию по отказам, сбоям сопряжённых систем и линий связи и обнаруживать места отказа с точностью до съемного блока и линии связи по специально разработанным алгоритмам. Также примером таких систем могут служить системы предупреждения критических режимов полёта (СПКР). Они предназначены для формирования и выдачи в бортовые системы отображения информации о приближении к критическим показателям следующих параметров:  скорость и направление ветра на этапах взлёта и захода на посадку;  угол атаки и нормальная перегрузка;  угол крена;  приборная скорость;  отклонение от заданной по эшелону высоты полёта. На борту ВС СПКР взаимодействует с рядом систем, входящих в состав бортового оборудования, таких как СВС, БИНС, ВСС, РВ-85, ВСУП и т.п. В качестве организационных мер для предупреждения неисправностей применяют различные инструкции, регламентирующие работу экипажа и 29 диспетчера по управлению ВС. Одной из таких инструкций является карта контрольных проверок воздушного судна. В настоящее время в руководстве по лётной эксплуатации воздушного судна подробно описан порядок выполнения взлёта и посадки самолёта, порядок проверки работоспособности и включения всех необходимых для взлёта систем. Порядок действия экипажа описан в так называемых "Картах обязательных проверок" или "Quick Reference Handbook" [ 13]. Впервые такая система была введена в корпорации "Боинг" после авиакатастрофы прототипа Боинг B-17 в Райт Филд в Дэйтоне, Огайо в 1935 году. После расследования было установлено, что экипаж перед вылетом забыл выключить затворный замок, который блокировал рули высоты и направления при стоянке самолёта [12]. На каждом этапе руления и взлёта производитель самолёта определяет чёткий порядок действий каждого члена экипажа, для наиболее правильной и слаженной работы всех систем и экипажа самолёта. Это необходимо для того, чтобы все системы, непосредственно задействованные в работе самолёта, были должным образом проверены и подготовлены к работе. Карта обязательных проверок, по сути, является списком задач, которые должны быть в обязательном порядке выполнены экипажем самолёта перед взлётом. Обычно карту проверок зачитывает первый пилот или командир воздушного судна. При этом остальные члены экипажа внимательно слушают и по мере прочтения выполняют все пункты входящие в их обязанности. После выполнения члены экипажа докладывают о выполнении. Только после этого КВС переходит к следующему пункту. 1.7. Управление параметрами безопасности в процессе технической эксплуатации Предупреждение и предотвращение неисправностей является одной из 30 основных целей проведения технического обслуживания. Задача по предупреждению и предотвращению неисправностей на авиапредприятиях возложена на инженерно-авиационную службу. Наставление по технической эксплуатации и обслуживанию авиационной техники гласит, что деятельность ИАС по обеспечению безопасности полетов, в числе прочего, имеет в своей основе работу по предупреждению, выявлению и устранению прямых и косвенных причин снижения надежности АТ и качества ТЭ, с регулярным подведением итогов деятельности ИАС по обеспечению безопасности полетов в виде обобщенного ее анализа, выводов и решений. Основным способом предупреждения неисправностей при проведении технической эксплуатации является использование инновационных эффективных средств и методов технического обслуживания, их постоянное совершенствование. На современных авиалайнерах установлены многочисленные компьютерные автоматические системы управления и контроля, которые позволяют самостоятельно производить проверку всех систем самолёта. Для воздушных судов более раннего производства с каждым годом создаются всё более современные и точные средства для проведения технического обслуживания и текущего ремонта. 1.8. Влияние надёжности на безопасность полётов Надёжностью называют свойство объекта сохранять во времени все параметры необходимые для выполнения требуемых функций в заданных условиях эксплуатации [9]. Задача же безопасности полётов состоит в том, чтобы при известном уровне надёжности определить условия и способы эксплуатации наиболее эффективные с точки зрения обеспечения безопасности. Таким образом, безопасность полёта зависит от эффективности использования надёжности авиационной техники. Надёжность любого изделия зависит от многих факторов, но фундаментальный уровень надёжности закладывается при проектировании. На 31 это влияют конструктивные факторы: выбор элементов изделия в зависимости от их параметров; количество элементов в узле и параметры способов их сопряжения; защита от влияния внешних факторов; уровень технологичности, эргономики, ремонтопригодности и т.п. Также на надёжность изделия оказывают влияние производственные факторы: качество материалов и качество сборки; совершенство технологического процесса изготовления и контроля качества. В процессе эксплуатации, посредством применения эффективных методов обслуживания и эксплуатации, надёжность может быть повышена. На это влияют эксплуатационные факторы: условия эксплуатации; качество проведения технического обслуживания и текущего ремонта; профессионализм специалистов инженерно-авиационной службы [2]. С точки зрения теории надежности изделия делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. нескольких Восстанавливаемые невосстанавливаемых. Для изделия обычно восстановления в состоят них из просто заменяются отказавшие изделия. К АТ, по сравнению с другими изделиями, предъявляются более высокие требования надёжности. Высокие показатели надёжности достигаются в основном резервированием основных компонентов, когда это возможно. В случаях когда нет возможности дублировать узел (например фюзеляж) применяют особо надёжные и прочные изделия. На современном этапе развития авиации резервирование стало краеугольным камнем надёжности авиационной техники. Теперь производители АТ не мыслят производства воздушного транспорта без резервирования. Впервые в отечественной практике принцип многократного резервирования для всех основных систем реализован на самолёте Ту-154. В качестве эталонного критерия безопасности полётов в нормах лётной годности принято закладывать в ВС возможность продолжения горизонтального полёта при отказе половины установленных двигателей. При проектировании энергосистемы воздушного судна стремятся сделать 32 дублирующую систему электропитания полностью независимой от основной. Так же стремятся обеспечивать дублирующие системы мощностью не менее основной. Для обеспечения эксплуатации АТ по состоянию проводится её диагностика. Поэтому авиационные изделия стремятся делать как можно более контролепригодными. Это значит, что на этапе проектирования авиационной техники в неё закладывается разрабатывается его методика. возможность контроля состояния и 33 2. Практическое обоснование При проектировании воздушного судна инженеры стараются скомпенсировать все возможные недостатки и свести негативные последствия проявления этих недостатков к минимуму. Для этого приходится учитывать слабо прогнозируемые факторы проявляющиеся в процессе эксплуатации воздушного судна. Одним из таких факторов является взаимодействие человека с машиной – так называемый человеческий фактор. Основным недостатком человеческого фактора является непредсказуемость. Невозможно чётко определить момент, в который ошибётся пилот или механик при взаимодействии с воздушным судном. Поэтому такое взаимодействие должно быть по возможности заменено автоматическими системами, либо происходить под их максимальным контролем. Поэтому в данной главе будет разработана система для компенсации негативного влияния человеческого фактора на безопасность полёта. *** В настоящее время измерение скоростей воздушного судна во время полёта осуществляется многими способами. Каждый из них обладает определёнными преимуществами и имеет свои недостатки. Основным источником информации о скорости воздушного судна служат приёмники воздушного давления. Основной их недостаток – уязвимость к природным факторам – уже много раз просчитан и скомпенсирован. Тем не менее, наличие «узких мест» в этой области вынуждает снова и снова возвращаться к этой проблеме. 2.1. Приёмники воздушного давления Анероидно-мембранные приборы служат для определения местоположения, скорости, высоты, давления, для управления воздушным 34 движением и т.п. К анероидно-мембранным приборам относятся высотомеры, вариометры, указатели скорости, указатели числа Маха (число М), указатели высоты и перепада давлений. Все эти приборы получают сигналы из системы полного и статического давлений от датчиков расположенных за бортом воздушного судна. Для получения полного давления служат "приёмники полного давления" (ППД) (рис. 1), а для получения статического давления "приёмники статического давления" (ПСД). Рисунок 1. Приёмники полного давления Принцип работы приёмников полного давления основан на улавливании встречного потока воздуха. Обычно ППД представляют собой кронштейн с креплениями и с трубкой на конце, которая расположена вдоль главной оси воздушного судна. Во время движения в эту трубку попадает воздушный поток и питает систему полного давления. Для предотвращения обледенения в 35 холодную погоду представляющей из ППД оснащаются себя нагревательный обогревательной элемент системой, расположенный в кронштейне и в самой трубке. Во время полета встречный поток воздуха тормозится перед приемным отверстием трубки ППД. Кинетическая энергия встречного потока воздуха преобразуется в избыточное (динамическое) давление, величина которого зависит от скорости полета. Избыточное давление суммируется с атмосферным (статическим), суммарное (полное) давление поступает по трубопроводам к приборам и блокам, измеряющим скорость полета и число М [1]. Приёмники статического давления представляют собой трубку впрессованную заподлицо с поверхностью фюзеляжа. Во время полёта встречный поток воздуха обтекает корпус по касательной и поэтому не оказывает влияния на давление внутри ПСД. В результате ПСД измеряет статическое атмосферное давление. 2.2. Способы защиты приёмников воздушного давления от неблагоприятных воздействий Для защиты приёмников воздушного давления от внешних воздействий при нахождении воздушного судна на земле на них надеваются специальные защитные кожухи яркого цвета. Они предотвращают попадание в отверстия приёмников посторонних предметов, насекомых осадков, тумана и т.п. Для защиты от обледенения во время полёта служит устройство обогрева. Оно представляет собой нагревательную спираль, помещённую внутрь корпуса приёмника. Обычно не рекомендуется включать обогрев ППД ранее чем за 5 минут до взлёта, иначе может возникнуть риск их перегрева и повреждения. Поэтому чаще всего эта операция определена документацией о летной эксплуатации летательного аппарата и проводится непосредственно перед взлётом по карте контрольных проверок. 36 2.3. Анализ авиакатастроф связанных с неисправностями приёмников воздушного давления Несмотря на большой опыт эксплуатации приёмников воздушного давления, их неисправности всё ещё приводят к аварийным ситуациям и даже трагическим событиям. Одна из подобных катастроф произошла с самолётом АН-148-100В Подмосковье 11 февраля 2018 года. Расследование этого инцидента ещё не окончено, но из промежуточных отчётов комиссии становится ясно, что катастрофа произошла из-за обледенения приёмников полного воздушного давления. В состав системы полного давления самолёта АН-148 входит три приёмника полного давления. Датчики находятся в носовой части самолёта. Каждый датчик оснащён системой обогрева. Органы управления и контроля системы обогрева расположены в кабине пилотов. По карте контрольных проверок из документации самолёта Ан-148 включение экипажем ВС обогрева для приёмников воздушного давления осуществляется во время чтения карты «На исполнительном старте», а по внутренней документации авиакомпании АО «Саратовские авиалинии» данный раздел выполняется во время чтения карты «Перед взлётом». В данном случае при чтении карты «На исполнительном старте» пункт «Обогрев ППД – включен» был отложен, а чтение карты «Перед взлётом» не осуществлялось вообще. После завершения выруливания на ВПП к месту начала взлёта экипаж практически сразу получил разрешение на взлёт и приступил к взлёту. В результате во время взлёта ВС на КИСС выводились сообщения о выключенном. Регистратором параметрической информации данные сообщения регистрировались на протяжении всего полёта. По какой-то причине экипаж эти сообщения не видел, либо игнорировал. На высоте 130 – 150 метров был включен автопилот, на высоте 550 метров были убраны закрылки, а на высоте 900 метров был включен автомат тяги. На высоте 1300 37 метров, через 2 минуты 30 секунд после отрыва от ВПП начала развиваться особая ситуация – начали появляться различия в показаниях приборной скорости датчиков ППД1 и ППД3. Через 25 секунд после этого ППД1 показывал скорость на 30 км/ч больше чем ППД3. Это продолжалось 10 секунд, после чего показания сравнялись. Через 50 секунд скорости вновь разошлись, но теперь уже ППД1 показывал скорость меньше чем ППД3, причём разность скоростей показаний увеличивалась. После этого экипаж отключил автопилот и автомат тяги. Через какое-то время, около 34 секунд, показания ППД1 достигли нуля, в то время как показания ППД3 составляли 540 - 560 км/ч, что являлось превышением эксплуатационного предела для данного режима полёта. Сработал сигнализатор превышения скорости. В дальнейшем, около 50 секунд полёт проходил на высоте 1700 - 1900 метров. Значение перегрузки при этом варьировалось в пределах 0,5 - 1,5 g. После чего начали падать показания скорости от ППД3. Самолёт начал интенсивно снижаться, угол тангажа на пикирование достиг 30-35º, перегрузка составляла 0 g. На высоте около 1200 метров сработала сигнализация EGPWS типа «Pull up». Около 11:27 самолёт столкнулся с землёй. Расследование происшествия ещё не завершено. В дальнейшем, планируется провести анализ подготовленности экипажа, сравнить его с подготовкой других экипажей, оценку действий экипажа при возникновении и развития нештатной ситуации, исследование психоэмоционального состояния экипажа и т.п. Но уже сейчас, на основании предварительного расследования, можно сделать ряд предварительных выводов, которые показывают, что катастрофу определил комплекс одновременно или последовательно возникших неблагоприятных факторов: 1. Экипаж не включил обогрев ППД перед взлётом, как того требует инструкция. Можно предположить, что это была ошибка экипажа, или путаница в инструкциях (поскольку в инструкции РЛЭ самолёта и во внутренней инструкции авиакомпании даются противоречивые указания), но однозначно, такие неисправности 38 должны являться достаточной причиной для приостановления подготовки к взлёту и автоматика должна реагировать на них соответствующим образом. 2. Экипаж, по какой-то причине, не заметил, либо проигнорировал предупреждающий сигнал, появившийся перед взлётом. Нельзя исключать, что могла иметь место неисправность, или программная ошибка оборудования, либо индикации, но вероятно экипаж действительно пренебрёг, либо проигнорировал, предупреждающее сообщение. В любом из этих случаев, автоматика должна была предпринять шаги по упреждению негативного развития ситуации. 3. После осознания неадекватности показаний приборов измерения скорости ВС экипаж совершал ошибочные разнонаправленные действия. *** 21 мая 1986 года по этой же причине случилось происшествие с Ту-154 над Домодедовом. Самолёт выполнял пассажирский рейс из Челябинска в Москву (Домодедово). На борту находились 175 пассажиров. Перед взлётом экипаж также не включил обогрев ППД. За его включение в самолёте Ту-154 отвечает штурман, а по карте контрольных проверок отвечает второй пилот. При этом ПОС была включена полностью, но про обогрев ППД за всё время полёта никто не вспомнил. Над территорией Московской области стояла область низкого давления, а южнее и юго-западнее от восточной части города Москвы продвигалась протяжённая зона облаков и осадков. Немного восточнее на промежутке от 1000 до 5000 м преобладала мощно-кучевая и кучево-дождевая облачность. В центре этой области преобладало сильное обледенение, а в кучево-дождевых облаках сильная турбулентность и электризация. Экипаж самолёта был предупреждён московскими диспетчерами о грозовых засветах к северу от 39 места посадки. Пилотам было рекомендовано обходить эти фронты с южной стороны. Экипаж, снижаясь до высоты 3600 метров, обходил один из грозовых очагов, когда попал в зону ливневого дождя, при этом также наблюдалось обледенение. На этом этапе по командам штурмана пилотировал второй пилот Попцев, а КВС следил за локатором чтобы случайно не угодить в грозовой фронт. Второму пилоту показалось, что скорость начала сильно снижаться, и он начал отдавать штурвал от себя чтобы набрать скорость, но она не увеличивалась даже тогда, когда штурвал почти уже дошёл до упора вперёд. КВС почувствовал что что-то не так, отвлёкся от локатора и бросил взгляд на приборы - вариометр показывал набор высоты, но авиагоризонт наоборот показывал крутое снижение. Экипаж долго не мог понять в чём дело. Пилоты перевели двигатели во взлётный режим. Полёт проходил при этом в облаках, то есть без видимых внешних ориентиров. Затем в 15:21 на высоте 1800 метров машина вышла из облаков, что позволило экипажу сориентироваться и понять, что они несутся к земле с огромной скоростью. Теперь всё встало на свои места - авиагоризонт показывал правильно, а стрелка вариометра так перекрутилась, что была уже на противоположной половине шкалы и создавала впечатление умеренного набора высоты. Тогда командир потянул штурвал на себя, заставив самолёт поднятием носа выйти из пикирования, испытав при этом сильные перегрузки. Как впоследствии было установлено, Ту-154 снижался с вертикальной скоростью 100 м/с и приборной скоростью около 813 км/ч, а в процессе манёвра по выходу из пикирования машина испытала перегрузку в 3,2 единицы, то есть значительно выше расчётных, но не разрушилась. Далее экипаж выполнил нормальный заход на посадку и благополучно приземлился в аэропорту Домодедово. Никто из экипажа или пассажиров на борту не пострадал. Экипаж попытался скрыть факт происшествия, однако это вскрылось при подготовке самолёта к обратному рейсу. Проверка выявила, что авиалайнер имеет остаточную деформацию, в результате которой на обшивке появились 40 гофры. В связи с этим борт 85327 был признан непригодным к дальнейшей эксплуатации, но его не списали, а вместо этого передали Управлению учебных заведений и поставили на хранение в аэропорту Шереметьево. В отношении данного происшествия было проведено расследование, в результате которого в числе прочих были сформулированы некоторые ключевые выводы. Экипаж не выполнил требования РЛЭ, а именно:  перед взлётом, штурманом не был включен обогрев ППД, а второй пилот не проконтролировал его включение;  при попадании в область с высокой облачностью и осадками, даже после того, как показания приборов, информирующие экипаж об изменении приборной скорости, приобрели неадекватный характер, не был проверен обогрев ППД. В РЛЭ Ту-154 в такой ситуации сформулировано требование сохранять установленный режим работы авиадвигателей и контролировать выдерживание заданного режима полёта используя другие приборы (авиагоризонт, вариометр, ДИСС). Данные требования так же не были соблюдены экипажем. Учитывая эти факты, экипажу и пассажирам очень повезло, что самолёт вышел из облачности уже на высоте 1800 м и экипаж успел вывести самолёт из глубокого пике. *** Крупная авиакатастрофа, связанная с неисправностью приёмников воздушного давления, произошла 1 июня 2009 года с самолётом Эйрбас A330203 который выполнял рейс по маршруту Рио-де-Жанейро—Париж. Самолет вылетел из Рио-де-Жанейро 31 мая 2009 года в 22:29. Голосовой контакт с самолетом был потерян приблизительно в 01:35, через 3 часа и 6 минут после вылета. В последнем сообщении говорилось, что самолет прошел путевой пункт, расположенный в 565 км от города Натала, на северо-восточном побережье Бразилии. Самолет покинул бразильское Атлантическое радиолокационное наблюдение в 01:49 и вошел в мертвую зону связи. 41 Airbus A330 предназначен для полета экипажем из двух пилотов. Однако 13-часовое "рабочее время" (продолжительность полета плюс предполетная подготовка), необходимое для маршрута Рио-Париж, превышает 10 часов, разрешенных до того, как пилот должен сделать перерыв, продиктованный процедурами Air France. В соответствии с этими процедурами экипаж состоял из трех пилотов: командир воздушного судна (КВС) Марк Дюбуа (фр. Marc Dubois) и двух вторых пилотов: Давид Робер (фр. David Robert) и Пьер-Седрик Бонэн (фр. Pierre-Cédric Bonin). С тремя пилотами на борту каждый может сделать перерыв в каюте отдыха A330, которая расположена в задней части кабины. В соответствии с общепринятой практикой КВС после взлёта отправил одного из пилотов на первый период отдыха с намерением сделать второй перерыв самому. В 01:55 UTC он разбудил второго пилота Робера и покинул кабину, чтобы отдохнуть в 02:01:46. В 02:06 пилот предупредил экипаж кабины, что они собираются войти в зону турбулентности. Вероятно, через дветри минуты после этого самолет столкнулся с условиями обледенения (диктофон кабины записали то, что звучало как град или снежная крупа на внешней стороне самолета, и включилась система защиты двигателя от льда), и кристаллы льда начали накапливаться в трубках Пито. Второй пилот Бонэн слегка повернул самолет влево и снизил его скорость с 0,82 Маха до 0,8 Маха (рекомендуемая "скорость проникновения турбулентности"). В 02:10:05 автопилот отключился, потому что заблокированные трубки Пито больше не предоставляли адекватную информацию о воздушной скорости, и самолет перешел из нормального режима полёта к альтернативному . Автоматическая тяга двигателей системы отключились через три секунды. Второй пилот Бонэн взял управление самолетом с помощью кнопки приоритета боковой ручки и сказал: "У меня управление". Без автопилота самолет начал скользить вправо из-за турбулентности, и Бонэн отреагировал, отклоняя джойстик влево. Одним из следствий включения альтернативного режима было увеличение чувствительности самолета к крену, но пилот пытался 42 скорректировать полёт. В течение следующих 30 секунд самолет катился попеременно влево и вправо, пока пилот приспосабливался к измененным характеристикам управляемости самолета. В то же время он резко отдернул джойстик и поднял нос. В данных обстоятельствах это действие было излишним и чрезмерным. Предупреждение о сбое самолета прозвучало кратко дважды из-за превышения угла атаки, и зарегистрированная воздушная скорость самолета понизилась резко от 507 км/ч до 96 км/ч. Угол атаки самолета начал расти выше нормального крейсерского уровня. К тому времени, когда Бонэн получил контроль над креном самолета, он набирал высоту со скоростью почти 36 м/с (для сравнения, типичная нормальная скорость подъема для современных авиалайнеров составляет всего 10-15 м/с на уровне моря и намного меньше на большой высоте). В 02:10:34, после неправильного отображения скорости в течение полминуты, левые приборы зафиксировали резкое увеличение скорости до 413 км/ч, как и интегрированная резервная приборная система (ISIS) 33 секунд спустя (правые приборы не записываются рекордером). Обледенение длилось чуть больше минуты. Пилот продолжал полёт с крайне высоким углом атаки. Горизонтальный стабилизатор (THS) переместился от трех до 13 градусов носом вверх примерно за одну минуту и оставался в этом положении до конца полета. В 02:11:10 самолет поднялся на максимальную высоту около 12 000 м. Там его угол атаки составлял 16 градусов, а рычаги тяги двигателя находились в полностью переднем положении (Режим Take-Off/Go-Around (TOGA)). Когда самолет начал снижаться, угол атаки быстро увеличивался до 30 градусов. Вторым последствием перехода в альтернативный режим стало то, что защита от срыва больше не действовала. В то время как в нормальном режиме компьютеры управления полетом самолета действовали бы так, чтобы предотвратить такой высокий угол атаки, в альтернативном режиме этого не произошло. (Действительно, переход на альтернативный режим произошел именно потому, что компьютеры, лишенные надежных данных о скорости, 43 больше не могли обеспечить такую защиту—как и многие другие функции, ожидаемые от нормального режима). Крылья потеряли подъемную силу, и самолет начал сваливание. В ответ на это второй пилот Робер взял на себя управление самолетом и подтолкнул рычаг управления вперед, чтобы опустить нос и выйти из сваливания; однако Бонэн все еще тянул рычаг управления назад. Данные предупреждение манипуляции противоречили "dual поэтому input", друг автоматика другу и вызвали заблокировала обе манипуляции. В 02:11:40 КВС Дюбуа вошел в кабину после того, как его вызвал второй пилот Робер. Заметив, что сработала сигнализация, он спросил обоих пилотов: "Что вы делаете?". Угол атаки тогда достиг 40 градусов, и самолет снизился до 11 000 м с двигателями, работающими почти на 100%. Предупреждения об остановке прекратились, так как все показания воздушной скорости теперь считались недействительными компьютером самолета из-за высокого угла атаки. Самолет поднял нос над горизонтом, но продолжал круто снижаться. Примерно через 20 секунд, в 02:12, пилоты немного уменьшили тангаж самолета, показания воздушной скорости стали действительными, и снова прозвучало предупреждение о сваливании; затем оно звучало с перерывами на протяжении всего оставшегося полета, но прекратилось, когда пилот задрал нос самолета. После этого до конца полета угол атаки никогда не опускался ниже 35 градусов. С момента остановки самолета до его столкновения с океаном двигатели в основном развивали либо 100-процентную тягу, либо тягу TOGA, хотя в двух случаях они были ненадолго снижены примерно до 50 процентов N. Двигатели всегда отвечали на команды и развивали мощность свыше 100 процентов N, когда полет закончился. Второй пилот Робер сказал сам себе: "Поднимись" четыре раза. Второй пилот Бонэн услышав это ответил: "Но некоторое время нос самолёта был в самом верху!". КВС понял, что Бонэн вызвал сваливание и закричал: "Нет, нет, нет, не поднимай!" Самолет был уже слишком низко, чтобы подняться. Вскоре после этого система предупреждения о приближении земли забила тревогу, предупредив 44 экипаж о предстоящем столкновении самолета с океаном. Бонэн, поняв ситуацию, сказал: "Мы разобьемся! Это не может быть правдой. Но что происходит?". Запись самописца обрывается на словах КВС Дюбуа: "Угол тангажа...". Записи самописцев прекратились в 02:14:28, или через 3 часа 45 минут после взлета. В тот момент путевая скорость самолета составляла 198 км/ч и он снижался с вертикальной скоростью 55,43 м/с. Его тангаж был 16,2 градуса (нос вверх), угол крена 5,3 градуса влево. Во время спуска самолет развернулся более чем на 180 градусов вправо по компасу на 270 градусов. Самолет оставался сваленным в течение всего 3-минутного-30-секундного спуска с 12 000 м. Самолет ударился дном об океан со скоростью 282 км/ч, включая вертикальные и горизонтальные компоненты 200 км/ч и 198 км/ч соответственно. Все 228 пассажиров и членов экипажа погибли, самолет был уничтожен. В отношении данного инцидента было проведено расследование. Его итоги подведены, а результаты опубликованы и находятся в открытом доступе на сайте Бюро по расследованию и анализу безопасности гражданской авиации Франции (BEA (фр. «Bureau d'Enquêtes et d'Analyses pour la Sécurité de l'Aviation Civile») [16]. Расследование показало, что катастрофа произошла в результате следующей последовательности событий:  временное несоответствие между измерениями воздушной скорости, вероятно, после блокирования зондов Пито кристаллами льда, что, в частности, вызвало отключение автопилота и перенастройку на альтернативный режим пилотирования;  несогласованные действия экипажа, которые дестабилизировали траекторию полета;  отсутствие какой-либо связи между некорректным отображением указанных скоростей и осуществляемыми экипажем процедурами;  поздняя идентификация отклонения от траектории полета и 45 недостаточная его коррекция;  неспособность экипажа диагностировать ситуацию сваливания и, следовательно, отсутствие манипуляций, которые позволили бы выйти из сваливания. В данном случае, кратковременная потеря информации об истинной скорости самолёта стала первичной причиной ужасной катастрофы. Оказалось достаточным несколько минут не предоставлять корректной информации о скорости, чтобы экипаж начал совершать ошибочные действия, которые привели к фатальному исходу. После перехода из нормального режима полёта в альтернативный настройки чувствительности управления изменились и чувствительность увеличилась. Потеря показаний скорости была для пилотов настолько неожиданной, что они почти сразу же превысили нормы отклонения по крену и ввели самолёт в нерасчётный режим полёта. Электроника оказалась не готова к такому режиму и стала ещё больше сбивать с толку пилотов выдавая разнородные показания. Хватило 4 минут нестабильного управления для того, чтобы самолёт ударился об океан и был полностью уничтожен. *** Несмотря на то, что в эксплуатационной документации воздушных судов допускаются кратковременные искажения показаний приёмников воздушного давления и порядок действий пилотов в такой ситуации чётко определён, такие неисправности всё же иногда приводят к дезориентации экипажа и разнонаправленности действий пилотов. Что ведёт к дальнейшему усугублению ситуации и может иметь неблагоприятные последствия. В такой ситуации возникает необходимость в разработке автоматических систем предупреждающих и предотвращающих такие неисправности. 2.4. Выводы из анализа авиакатастроф Из всех этих примеров можно сделать некоторые выводы, которые 46 помогут сформулировать обоснование для создания системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф: 1. В критической ситуации, когда один или несколько отказавших приборов продолжают визуально отображать некорректные данные для пилотов, последние могут неправильно интерпретировать информацию даже от исправных приборов. Следовательно, если во время полёта прибор отказывает, то его необходимо по возможности помечать, либо исключать из индикации, либо предупреждать такие неисправности. 2. Если на ВС есть системы включение которых критически необходимо в некоторых условиях, то автоматические системы должны не только сообщать об их выключенном состоянии, но и предпринимать активные действия, для предупреждения неисправностей и аварийных ситуаций. 47 3. Проектирование системы Поскольку фундаментальной причиной неисправности приёмников воздушного давления в рассмотренных выше случаях является их охлаждение ниже температуры кристаллизации воды, предлагается применить систему для предупреждения и своевременного оповещения о подобных неисправностях ППД непосредственно перед вылетом. Качественная и надёжная система контроля нагрева ППД могла бы предотвратить аварии и катастрофы связанные с вышеописанными неисправностями, снизить количество человеческих жертв в подобных авариях до нуля, либо вовсе исключить подобные неисправности. Учитывая, что обогрев ППД предназначен только для использования в полёте, автоматическое его включение совместно с подачей питания на остальное оборудование самолёта при рулении по аэродрому, или других манипуляциях с воздушным судном, чревато его повреждением. Для того чтобы автоматическая система включала обогрев и при этом исключала бы повреждение приёмника воздушных давлений, необходимо применить схему терморегулирования - контролировать температуру ППД и при превышении её критического значения автоматически отключать обогрев. Терморегулятор (от греч. θέρμη (терм) - «тепло») - электрическое устройство служащее для автоматического регулирования температуры [10]. Цель работы терморегулятора заключается в выдерживании температуры в заданном диапазоне путём включения или отключения нагревающего или охлаждающего устройства по заданному алгоритму. В базовом варианте схема терморегулирования включает в себя три элемента:  измеритель температуры;  управляющий элемент;  нагреватель или охладитель. Простейшим терморегулятором является самый простой постоянный 48 термостат. Он при достижении определённого значения температуры просто срабатывает как реле, на замыкание либо на размыкание. Если подключить нагреватель к источнику питания последовательно с нормально разомкнутым термостатом, то всякий раз, после снижения температуры ниже номинальной температуры его срабатывания, последний будет включать нагреватель. Если установить этот термостат на нагреватель, то это будет полноценная схема терморегулирования. В этой работе мы будем использовать такие термостаты для контроля схемы и предохранения оборудования от критических температур. Существуют и более сложные приборы предназначенные для терморегулирования. Обычно такие приборы осуществляют преобразование входных сигналов в выходные. Для этого им необходимы датчики температуры и реле для управления большими нагрузками. Рисунок 2. Термостат Современная промышленность представляет огромное разнообразие разных терморегуляторов. От простейших термостатов, до сложнейших преобразователей температуры, в которых регулирование осуществляется по сложным алгоритмам. регулирование по Например ПИД-закону, регулирование для наиболее с гистерезисом, точного или выдерживания температуры в значениях максимально близких к заданному. Обычно же терморегулятором называют собственно управляющий 49 элемент, но иногда он может находится в общем корпусе с измерителем (например простейший термостат - рис. 2). 3.1. Конфигурация системы Самым простым способом управления нагревом ППД является использование простого термостата для автоматического включения обогрева датчиков при снижении температуры ППД до значений близких к температуре кристаллизации воды. Пример функциональной схемы такого устройства GND ППД Источник питания Термостат изображён на рисунке 3. GND Рисунок 3. Функциональная схема термостатирования В данной схеме термостат просто включает нагрев ППД при падении температуры до критической. Для повышения надёжности и функциональности предлагается дополнительно оснастить её системой защиты от перегрева, системой оповещения центра управления воздушным движением (ЦУВД) о неисправности на борту и системой непрерывного активного контроля за температурой за бортом и температурой ППД. В таком случае схема будет включать в себя управляющий элемент, датчики температуры и систему отправки сообщений в ЦУВД (рис. 4). На каждый приёмник воздушного давления установлено по одному датчику температуры, для измерения температуры ППД. Один датчик 50 установлен снаружи, для измерения температуры воздуха за бортом. Датчики подключены к общей шине 1-Wire, которая подключена непосредственно к управляющему элементу (микроконтроллер). Выходное напряжение высокого уровня контроллера – 4,05 в, поэтому для управления нагревом ППД необходимо воспользоваться промежуточным элементом. Для этих целей можно использовать оптрон. Защита от перегрева Реле управления питанием Питание Источник питания ВС 27,5 вольт Резервный термостат Оптрон Управляющий элемент Система отправки сообщений в ЦУВД ППД Датчики температуры ППД Шина обмена данными 1-wire Датчики температуры за бортом Прочие датчики температуры Рисунок 4. Система для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф Алгоритм работы устройства заключается в следующем. На этапе программирования в контроллер загружается информация о количестве датчиков, их адресах и об установленной температуре включения обогрева ППД. Датчики температуры непрерывно измеряют и выдают на шину 1-Wire температуру за бортом и температуру ППД. Контроллер анализирует эти показатели, сравнивает их друг с другом и с уставкой и принимает решение о включении обогрева ППД и выборе его режима. Если температура за бортом значительно ниже температуры ППД, это означает что обогрев уже включен. 51 Если температура всех датчиков одновременно падает до минимального значения, то это означает, что пилоты не включили обогрев ППД. Если температура одного из датчиков значительно ниже остальных, это означает что обогрев датчика работает некорректно и возможны неправильные показания скорости. В таких случаях формируется и отправляется сообщение в ЦУВД с помощью системы спутниковой связи "Гонец" [Приложение 1]. Датчики закреплены таким образом, что они находятся в непосредственном физическом контакте с металлическими элементами ППД, для того чтобы измерять их температуру как можно точнее. Если нет физической возможности установить датчики температуры непосредственно на ППД, то необходимо установить их как можно ближе к нему чтобы имелся непосредственный физический контакт с металлическими элементами ППД расположенными как можно ближе к трубке. Данная система предназначена для установки на воздушные суда оснащённые приёмниками воздушного давления с системой подогрева от источника постоянного тока напряжением 27 вольт. При необходимости, с помощью подбора реле управления питанием и источника питания возможно подключение к ВС имеющим другие источники питания обогрева ППД. 3.2. Выбор датчиков температуры Для измерения температуры служат различные чувствительные элементы - от простейших биметаллических пластин, до сложных электронных термодатчиков. В обычных термостатах применяются биметаллические пластины - это пластины изготовленные из металлов с различным коэффициентом теплового расширения и соединённые скобками таким образом, что при достижении заданной температуры они изгибаются и замыкают контакт. Очень хорошо себя показали в промышленности термоэлектрические 52 преобразователи и термосопротивления. Действие термоэлектрического преобразователя основано на термоэлектрическом эффекте Зеббека [6] - в замкнутой электрической цепи, состоящей из различных металлов, возникает термоЭДС, если разные концы проводников имеют различную температуру. Величина этой ЭДС зависит от материала проводников и от разности температур. Измеряя результирующее ЭДС можно судить о разности температуры, а зная окружающую температуру - о температуре спая. Термосопротивления - это приборы изготовленные из материалов, сопротивление которых зависит от их температуры. Измеряя сопротивление таких приборов можно судить о температуре окружающей среды [8]. Недостатком термопар и термосопротивлений является аналоговый характер их сигнала. При использовании данных устройств необходимо использовать аналоговое оборудование для считывания показаний, либо применять аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Это в свою очередь накладывает ряд ограничений на их использование и вынуждает использовать промежуточные элементы усложняя конструкцию. Существуют также экзотические способы измерения температуры, использование которых либо сопряжено с большими сложностями, либо не отличается высокой точностью. В данной работе будут применены цифровые датчики температуры DS18B20 использующий для обмена информацией протокол интерфейса 1Wire, поскольку они обладают рядом преимуществ перед термопреобразователями и термосопротивлениями:  универсальность выходного сигнала;  независимость показаний от разности температур разных спаев;  возможность обмена информацией непосредственно с компьютером, минуя различные преобразователи;  высокая помехоустойчивость цифрового сигнала по сравнению с аналоговым. Все эти преимущества определяют применение таких датчиков для новых 53 разрабатываемых систем. 3.3. Протокол интерфейса 1-Wire 1-Wire - это шина связи, разработанная Dallas Semiconductor Corp., которая обеспечивает низкоскоростной (16.3 Кбит / с) обмен данными, сигнализацию и питание по одному проводнику [17]. 1-Wire по концепции похож на I2C, но с более низкими скоростями передачи данных и большим диапазоном. Он обычно используется для того чтобы связывать с малыми недорогими приборами, такими как например цифровые термометры, аппаратура погоды, ключ от домофона. Сеть из 1проводных устройств со связанным основным устройством называется "MicroLan". В основе архитектуры Микролана лежит наличие в сети устройств двух типов: Мастер (ведущее устройство) и Слейв (ведомое устройство). Обычно в Микролане есть лишь один мастер (в данной работе не будут рассматриваться возможности реализации режима "мультимастера"), которым может быть ПК или микроконтроллер, и ведомые приборы. Мастер осуществляет общее управление сетью - формирует и отправляет на шину команды для ведомых устройств. Мастер инициирует активность в шине, во избежание конфликтов с данными из ведомых приборов. Протоколы встроены в программное обеспечение мастера для обнаружения конфликтов. После конфликта мастер повторяет необходимую связь. В нормальном режиме (по умолчанию) шина через балластный резистор подтягивается к питанию, обычно это от 3 до 5 вольт. Передача данных ведётся в режиме временных слотов. Один временной слот обычно длится 60 мкс, в это время может быть передан только 1 бит информации. Отсюда ограничение скорости передачи данных в 16,3 Кбит/с. При необходимости создать на шине потенциал логического 0, устройство подтягивает шину к земле. Мастер начинает передачу с импульса сброса (reset), который опускает шину до 0 на 54 хотя бы 480 мкс (8 временных слотов). Это сбрасывает все ведомые устройства на шине. После этого любое ведомое устройство, если оно присутствует, импульсом присутствия (respone) показывает что оно существует: оно удерживает шину на низком уровне в течение, по крайней мере, 60 мкс после того, как мастер отпускает шину (рис. 5). Рисунок 5. Диаграмма импульсов шины 1-Wire Чтобы отправить "1", мастер шины посылает очень короткий ( 1-15 мкс) низкий импульс, оставшееся время слота шина возвращается к состоянию подтянутому к питанию. Для того чтобы послать "0" мастер посылает низкий импульс длительностью не менее 60 и не более 120 мкс. Низкий импульс используется для того чтобы начать режим мультивибратора в ведомом приборе. Мультивибратор в ведомом устройстве считывает строку данных примерно через 30 МКС после нулевого импульса. Таймер ведомого устройства внутренний примитивный аналоговый таймер, он не очень точный, поэтому, импульсы должны быть рассчитаны так, чтобы быть в пределах допусков. Таким образом, импульсы "0" должны быть длиной 60 мкс, а импульсы "1" не могут быть длиннее 15 мкс. При получении данных мастер посылает 1-15-мкс нулевой импульс для запуска каждого бита. Если передающий ведомый блок хочет отправить "1", он ничего не делает, и шина переходит в подтянутое к питанию состояние. Если передающий ведомый хочет отправить "0", он тянет линию передачи данных к Земле в течение 60 мкс. Основная последовательность представляет собой импульс сброса, за которым следует 8-битная команда, а затем данные передаются или принимаются в группах по 8-бит. При передаче последовательности данных ошибки могут быть 55 обнаружены с помощью 8-битного CRC (слабая защита данных). На шине могут присутствовать сколько угодно устройств (конечно в разумных пределах). Каждое устройство на шине имеет уникальный 64разрядный серийный номер. Наименее значимым байтом серийного номера является 8-битный номер, который указывает тип устройства. Наиболее значимым байтом является стандартный (для 1-проводной шины) 8-битный CRC. Существует несколько стандартных широковещательных команд, а также команд, используемых для обращения к определенному устройству. Мастер может отправить команду выбора, затем адрес конкретного устройства. Следующая команда выполняется только адресованным устройством. Протокол 1-wire, как другие подобные протоколы, алгоритм мастер использует для того чтобы прочитать адрес каждого прибора на шине. Поскольку адрес включает в себя тип устройства и CRC, восстановление списка адресов также производит надежную инвентаризацию устройств на шине. Чтобы найти устройства, ведущий передает команду перечисления, а затем адрес, "прослушивание" происходит после каждого бита адреса. Если адрес ведомого устройства совпадает со всеми битами адреса, отправленными до сих пор, он возвращает 0. Мастер использует это простое поведение для систематического поиска допустимых последовательностей адресных битов. Этот процесс намного быстрее, чем грубый поиск всех возможных 64разрядных чисел, потому что как только обнаруживается недопустимый бит, все последующие адресные биты считаются как недопустимые. 64-разрядное адресное пространство ищется как двоичное, позволяющее находить до 75 устройств в секунду. Расположение устройств на шине иногда является значительным. Для этих ситуаций микроконтроллер может использовать несколько контактов, или производитель имеет устройство, которое может выключить или включить шину [19]. 56 3.4. Датчики температуры DS18B20 DS18B20 представляет собой цифровой интегральный измеритель температуры размещённый в удобном типовом корпусе TO-92 либо SOIC. Каждый датчик DS18B20 имеет уникальный 64-разрядный адрес. Это значит, что если необходимо считать показания температуры с конкретного датчика, то нужно отправить в линию связи запрос содержащий адрес необходимого датчика, после чего датчик переходит в активную фазу и осуществляет передачу информации о его температуре. Это очень удобно, потому что позволяет к одной и той же двухпроводной шине подключить сколь угодно большое количество датчиков. Датчик может использовать как фирменную двухпроводную схему протокола 1-Wire, так и обычную трёхпроводную схему. Данный датчик обладает своей собственной памятью, в которой хранится информация необходимая для обмена с контроллером. Для обмена используется протокол интерфейса 1-Wire. В случае использования датчика по трёхпроводной схеме используется аналогичный протокол. Имеется возможность сохранить в энергонезависимой памяти датчика уставку температуры для срабатывания тревожного сигнала. Обычно в таких случаях опросы датчиков настраиваются таким образом, чтобы после опроса каждого очередного датчика происходил опрос тревожного сигнала. В таком случае любой датчик находящийся в режиме тревоги отправит отзыв и в контролер поступит информация об адресе датчика на котором произошло превышение порога уставки температуры. Внешний вид датчика в разных корпусах приведён на рисунке 6. На рисунке 7 показана блок-схема памяти датчика. 57 VDD Датчик питания Память (SCRATCHPAD) GND Логика управления памятью DQ Схема паразитного питания ROM память и 1-wire порт Рисунок 6. Внешний вид датчиков температуры DS18B20 Датчик температуры Верхний порог температуры Нижний порог температуры Регистр конфигурации Генератор 8-бит CRC Рисунок 7. Блок-схема памяти датчика 3.5. Выбор микроконтроллера Ядром системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф является управляющий элемент, который задаёт алгоритм работы 58 системы и принимает решения о ключевых действиях её управляемых элементов. Таким управляющим элементом является микроконтроллер. Для того чтобы выбрать подходящий микроконтроллер, необходимо сформулировать ряд основных требований предъявляемых схемой к данному элементу. Главные требования к контроллеру это надёжность и простота. Только надёжный контроллер сможет обеспечить необходимый уровень надёжности системы в целом. Простые контроллеры, положительно зарекомендовавшие себя в практическом использовании обычно имеют наиболее высокий уровень надёжности. Одним из основных требований должен необходимый для функционирования системы. быть объем памяти, Необходимо рассчитать минимальные требования к объёму памяти микроконтроллера. Исходные данные:  длина адреса одного датчика DS18B20 - 64 бита;  длина значения температуры одного датчика - максимум 16 бит (на самом высоком разрешении 12 бит +4 бита знака). Расчет объёма ПЗУ: 64 = 8 байт; 8 Помимо этого, в ПЗУ будут храниться уставки температуры включения и 64 бита = выключения обогрева для двух типов датчика: температура за бортом и ППД. 16 ∙ 4 = 64 бит = 8 байт; В результате, для нормального функционирования системы из 10 датчиков будет достаточно: 8 ∙ 10 + 8 = 88 байт Это очень небольшой объём памяти. Практически любые существующие на сегодняшний день микроконтроллеры смогут удовлетворить это требование. Для хранения программного кода понадобится не более 2 килобайт 59 памяти. Обычно в микроконтроллерах для ввода и вывода информации служат одни и те же выводы. Они настраиваются программно на ввод или вывод информации. Количество выводов одновременно обрабатываемых АЛУ называется разрядностью. В сложных микроконтроллерах может быть по нескольку таких групп ввода вывода (I/O). Минимальное количество выводов, необходимых для функционирования системы: Входы/выходы: 1. обмен данными с датчиком; 2. запись датчика; Выходы: 3. управление питанием обогрева ППД; 4. индикация; 5. обмен данными с системой отправки сообщений. Входы: 6. кнопка управления; Таким образом 8 битного контроллера с одним портом ввода-вывода будет более чем достаточно. Для того, чтобы МК смог работать с датчиками DS18B20 необходимо, чтобы длина его бита была не меньше чем длина бита датчика - 60 мкС. Это означает что частота тактирования МК должна быть не меньше 16 кГц. Для того, чтобы поддержать отечественного производителя и принять активное участие в государственной программе импортозамещения, можно использовать отечественный микроконтроллер. На сегодняшний день на российском рынке представлено несколько отечественных микроконтроллеров среди которых попадаются вполне интересные изделия. Для удобства подбора можно составить сравнительную микроконтроллеров (Таблица 2). таблицу характеристик различных 60 Таблица 2 Наименование МК Параметры 1882ВЕ53У KMx32_MC_v2 (ООО (АО "НИИЭТ") "КМ211") 8 бит × 4 32 бита 8 бит 24 МГц 3-23 МГц 10 МГц 2К×8бит (ЭСППЗУ) 32 Кб 256 байт 12К×8 бит (Flash) 384 Кб 2K×16 (EEPROM) 25 мА - 5 мА -65° - +85° -45° - +100° -60° - +125° Н16.48-2В CQFP-160L Н09.28-1В Разрядность Частота тактирования Объём ПЗУ 1886ВЕ71У (АО "ПКК Миландр") Объем памяти программ Ток активного потребления Диапазон температур Корпус Исходя из экономичности и надёжности лучше всего выбрать микропотребляющий 8-разрядный микроконтроллер 1886ВЕ71У производства зеленоградской фабрики АО "ПКК Миландр". Основные параметры микроконтроллера приведены в таблице 3. Характеристики выходного тока выводов данного микроконтроллера не позволяют напрямую применять компоненты с потреблением более 5 мА. Поскольку для индикации и управления в схеме будут использоваться светодиоды с потребляемым током в 20 мА, необходимо использовать для них эмиттерный повторитель, который будет пременять транзистор в качестве ключевого элемента, для усиления выходного тока выводов микроконтроллера. 61 Таблица 3 Наименование параметра, единица Значение измерения Тактовая частота, МГц 10 Количество портов I/O 8 EEPROM память данных, байт 256 Выходное напряжение высокого уровня, в ≥4,05 Выходное напряжение низкого уровня, в ≤0,45 Выходной ток высокого уровня, мА 4 Динамический ток потребления, мА 5 Напряжение питания, в 4,5-5,5 3.6. Выбор источника питания Напряжение питания микроконтроллера находится в пределах 4,5-5,5 вольт, поэтому в схему необходимо внести регулятор напряжения для обеспечения данных условий. Для того, чтобы выбрать регулятор напряжения необходимо вычислить максимальную потребляемую мощность системы. Для удобства вычисления потребляющие элементы и номиналы их потреблений сведены в таблицу 4. Далее приведены расчёты последнего столбца таблицы. Таблица 4 Элемент Напряжение Потребляемый Количество Результирующая питания ток Микроконтроллер 5в 5 мА 1 25 мВт Датчик температуры 5в 1,5 мА 10 75 мВт Индикаторный 4в 20 мА 1 80 мВт 1,5 в 20 мА 1 30 мВТ мощность светодиод Диодная оптопара 62 Расчёт результирующей мощности элементов: Контроллер: 𝑃рк = 1 ∙ 𝐼рк 𝑈рк = 1 ∙ 0,005 ∙ 5 = 0,025 (Вт) = 25 (мВт); Датчики температуры: 𝑃рдт = 10 ∙ 𝐼рдт 𝑈рдт = 10 ∙ 0,0015 ∙ 5 = 0,075 (Вт) = 75 (мВт); Индикаторный светодиод: 𝑃св = 1 ∙ 𝐼св 𝑈св = 1 ∙ 0,02 ∙ 4 = 0,08 (Вт) = 80 (мВт); Диодная оптопара: 𝑃рдо = 1 ∙ 𝐼рдо 𝑈рдо = 1 ∙ 0,02 ∙ 1,5 = 0,03 (Вт) = 30 (мВт); Результирующая мощность: 𝑃р = 𝑃рк +𝑃рдт +𝑃св +𝑃рдо = 25 + 75 + 80 + 30 = 210 (мВт); Для питания схемы был выбран понижающий регулируемый DCпреобразователь напряжения HV96LК-5.0. Выбор данного элемента обусловлен небольшими габаритами, достаточной мощностью и широким диапазоном входного напряжения. Это позволит осуществлять питание схемы от любых источников питания ВС напряжением от 4,5 до 80 вольт. Основные характеристики данного преобразователя приведены в таблице 5. Таблица 5 Наименование параметра, единица Значение измерения Диапазон входного напряжения, в Выходное напряжение, в 4,5-80 5 Максимальный выходной ток, А 3.7. Силовая часть схемы 0,2 63 Силовая часть схемы представляет собой систему управления питанием ППД и систему предохранения от перегрева. В состав этой части входят: 1. силовое пусковое реле управления питанием подогрева ППД; 2. резервный термостат; 3. термостат защиты от перегрева. Для выбора элементов силовой части схемы необходимо рассчитать максимальный ток потребления нагревательных элементов. Поскольку система предназначена для включения обогрева датчиков ППД, то расчёт будет производится исходя из следующих условий:  ВС оснащено тремя приемниками полного давления;  номинальное напряжение питания нагревательного элемента ППД 27,5 в;  номинальное потребление нагревательного элемента одного приёмника находится в пределах 10 ампер;  каждый нагревательный элемент включается отдельной группой контактов одного общего реле;  на каждом ППД будет установлен один термостат защиты от перегрева и один термостат резервного включения нагрева. В качестве реле управления питанием из каталога фирмы Finder было выбрано реле 60.13.9.024.2020. Краткие технические характеристики приведены в таблице 6. Таблица 6 Наименование параметра, единица Значение измерения Количество контактов 3 Номинальный ток, А А Максимальное коммутируемое 400 64 напряжение, в Напряжение управления, в 24 Сопротивление катушки, Ом 445 Номинальный ток катушки, мА 53,9 Для того, чтобы обеспечить питание реле в соответствии с номиналом необходимо включить последовательно с катушкой реле резистор, на котором падение напряжения будет обеспечиваться таким образом, чтобы напряжение питания катушки не превышало номинального, то есть 24 в. Исходные данные: Uном = 27,5 (в) - номинальное напряжение питания нагревательного элемента; Uкат = 24 (в) - напряжение питания катушки; I = 53,9 (мА) = 0,0539 (А) - номинальный ток в цепи. Расчёт: Рассчитаем падение напряжения на резисторе: 𝑈р = 𝑈ном − 𝑈кат = 27,5 − 24 = 3,5(в); Рассчитаем номинал резистора: 𝑅р = 𝑈р 3,5 = = 64,9(Ом); 𝐼 0,0539 3.8. Синтез принципиальной электрической схемы системы Синтез принципиальной электрической схемы системы осуществляется в системе автоматизированного проектирования (САПР) КОМПАС 3D - V15 от компании АО "Аскон", с соблюдением требований ЕСКД и ГОСТ. Принципиальная электрическая схема управляющей части системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф изображена на рисунке 8. Принципиальная электрическая схема силовой части системы для 65 предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф изображена на рисунке 9. Рисунок 8. Принципиальная электрическая схема управляющей части системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф 66 Рисунок 8. Принципиальная электрическая схема силовой части системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф 3.9. Надёжность схемы Надёжность системы, главным образом, обеспечивается наличием резервного термостата, который включит обогрев при падении температуры ППД до критических значений, и термостата защиты от перегрева, который выключит питание при повышении температуры выше критической. Данный способ терморегулирования применяется в качестве резервного, потому что температура ППД будет непрерывно измеряться датчиками DS18B20 и применение данной схемы необходимо только в случае выхода из строя датчиков температуры. Так же надёжность повышается благодаря наличию отдельного датчика температуры за бортом и датчика температуры ППД. По 67 показаниям этих датчиков контроллер определяет разность температуры за бортом и температуры ППД, и по этим сведениям принимает решение о необходимости включения или выключения системы обогрева. Таким образом, появляется возможность контролировать температуру в разных местах в непрерывном режиме и корректировать работу системы в соответствии с существующими условиями. 68 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе проведено исследование состояния авиационной безопасности, проанализирована эффективность использования существующих средств автоматизации и цифровизации системы управления воздушным движением, совместимость различных средств автоматизации с человеческим фактором, их влияние на предупреждение и своевременное оповещение о неисправностях авиационной техники, значение их для авиационной отрасли. В работе проведён подробный и обстоятельный обзор текущего положения дел в той сфере автоматизации управления воздушным судном, которая непосредственно связана с предупреждением и предотвращением аварий и катастроф, определены пути решения проблем имеющих место в этой сфере. В результате данного обзора выявлены и сформулированы недостатки существующих способов предупреждения и оповещения о неисправностях ВС. Главным результатом достигнутым в процессе выполнения работы является разработка системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф. В результате выполнения данной работы решены следующие задачи:  разработана структура и функциональная схема системы для предупреждения и своевременного оповещения о неисправностях ВС перед вылетом с целью предотвращения аварий и катастроф;  оценена её значимость, актуальность и новизна;  проанализирована надёжность работы, преимущества и недостатки данной системы. Как показано на практических примерах, в результате внедрения данной системы можно добиться снижения аварийности и снизить количество человеческих жертв вызванных авариями на ВТ. 69 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Акзигитов, А. Р. Комплексная система цифрового пилотажно- навигационного оборудования : учеб. пособие / А. Р. Акзигитов, Р. А. Акзигитов. -Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т., 2016. – 114 с. 2. Александров, В. Г. Авиационный технический справочник (эксплуатация, обслуживание, ремонт и надёжность). / В. Г. Александров, А. В. Майоров, Н. П. Потюков. - Изд. 2-е, перераб. И доп. - Москва: Транспорт, 1975. - 432 с. 3. Воробьев, В. Г. Техническая эксплуатация авиационного оборудования: Учебник для вузов / В. Г. Воробьев [и др.] ; Под ред. В. Г. Воробьева. - Москва: Транспорт, 1990.— 296 с. 4. ГОСТ Р 53863-2010 Воздушный транспорт. Система технического обслуживания и ремонта авиационной техники. Термины и определения. – Введ. 10.11.2010. – Москва : Стандартинформ, 2012. – 20 с. 5. ИКАО. Безопасность полётов. Состояние безопасности полётов в мире [Электронный ресурс]: издание 2018 года. - Международная организация гражданской авиации. - 2018. - Режим доступа: https://www.icao.int/safety/Documents/ICAO_SR_2018_30082018.pdf. 6. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. - Москва: Мир. - 1982. - 520 с. 7. Медведев, В. Л. Безопасность полётов: учеб. пособие / В. Л. Медведев. - Красноярск : Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т., 2002. - 180 с. 8. Пасынков, В. В. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. - 4-е перераб. и доп. изд. - Москва: Высшая школа, 1987. - 479 с. 9. Решетов, Д. Н. Надежность машин. / Д. Н. Решетов, А. С. Иванов, В. З. Фадеев. - Москва: Высшая школа, 1988. - 239 с. 10. Терморегуляторы. Виды и работа. Применение и особенности [Электронный ресурс]. - Информационно-познавательный сайт. - Режим 70 доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektroobustrojstvo/jelektroobogrev/termoreguliatory. 11. Чекрыжев, Н. В. Основы технического обслуживания воздушных судов: учеб. пособие / Н.В. Чекрыжев. - Самара: Изд-во СГАУ, 2015. – 84 с. 12. Cockpit Conversation. / Life. - 1942. - №8. - p. 65. - 86 p. 13. Degani, Asaf. Cockpit Checklists: Concepts, Design, and Use / Degani, Asaf, Wiener, Earl L. / Human Factors: The Journal of the Human Factors and Ergonomics Society. - 1993. - № 6. - 345–359 p. - 422 p. 14. Doc 10004 Глобальный план обеспечения безопасности полетов [Электронный ресурс]. - Международная организация гражданской авиации. 2017-2019. - Режим доступа: https://www.icao.int/safety/Documents/10004_ru.pdf. 15. Doc 7300/8 Конвенция о международной гражданской авиации [Электронный Международная ресурс] : Настоящий организация документ гражданской заменяет авиации. - 7300/7. - Режим доступа: https://www.un.org/ru/documents/decl_conv/conventions/pdf/chicago_conv.pdf. 16. Final Report On the accident on 1st June 2009 to the Airbus A330-203 registered F-GZCP operated by Air France flight AF 447 Rio de Janeiro [Электронный ресурс]. - Ministère del’Écologie, du Développement durable, des Transport set du Logement. - Paris, 2012 г. - Режим доступа: https://www.bea.aero/docspa/2009/f-cp090601.en/pdf/f-cp090601.en.pdf. 17. Jack, R. S. Programming the PIC Microcontroller with MBASIC / Jack R. Smith. - [б.м.] Newnes, 2005. - 284 p. 18. Höhne, S. IT in general aviation: Pen and Paper vs. Bits and Bytes / Sebastian Höhne / Theaterstraße. - 2013. - №8. - 9 p. 19. TUTORIAL 1796 Overview of 1-Wire Technology and Its Use [Электронный ресурс]. - Maxim Integrated Products, Inc. - 2008 г. - Режим доступа: https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/1796.

ВКР: Система предупреждения неисправностей ВС

Related documents

Products

Support

ВКР: Система предупреждения неисправностей ВС

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib