9.6. Фактор надежности

Ранее мы определили понятие «техническая характеристика» как величину, выражающую возможности некоего технического средства. Вероятно, точнее было бы эту мысль выразить как возможности технического средства, если все его элементы будут действовать должным образом. Если один или более элементов самолета или ракеты, например, действуют неправильно или полностью выходят из строя, то характеристики системы в целом могут быть существенно хуже расчетных. Возможны даже катастрофические последствия. Анализ надежности занимается главным образом двумя сторонами этой проблемы: 1) стремится оценить вероятность появления подобных отказов и 2) оказать помощь в выборе конструкции и методов эксплуатации оборудования, позволяющих уменьшить вероятность отказа в работе системы в целом или ее элементов или уменьшить хотя бы степень опасности последствий подобных отказов. Рассмотрим некоторые проблемы и принципы анализа надежности на примере анализа опасности режимов вертикального взлета и перехода к горизонтальному полету многомоторного самолета с вертикальным взлетом.

На рис. 9.5 представлена схема рассматриваемой ситуации. Самолет совершает вертикальный взлет под воздействием силы тяги нескольких реактивных двигателей (число их не оговорено). Затем, когда самолет достигнет высоты, необходимой по условиям безопасности полета и по требованиям к уровню шума двигателей, вектор тяги наклоняется вперед и самолет плавно переходит к горизонтальному полету. Рассмотрим возможные последствия выхода из строя одного из двигателей самолета при различных высотах полета. Если двигатель отказывает до взлета, во время рулежки, то все оставшиеся двигатели можно выключить без какой-либо опасности для самолета или его экипажа. Если это военный самолет и вылет связан с выполнением боевой задачи, то такое событие, естественно, будет крайне нежелательно.

Если отказ двигателя произойдет после подъема само­лета ка несколько метров над поверхностью аэродрома, то последует удар о землю с большей или меньшей силой, однако амортизаторы посадочного устройства позволят предупредить повреждение самолета, а экипаж не пострадает. Если двигатель прекратит работу на несколько большей высоте, то летчик может совершить управляемую аварийную посадку, тогда самолет, возможно, будет более или менее серьезно поврежден, однако экипаж и здесь не пострадает. В этом случае не только будет сорвано решение задачи полета, но и сам самолет может выйти из строя на продолжительное время.

Если двигатель откажет на еще большей высоте, то даже при управляемой посадке может пострадать экипаж, а самолет будет разрушен. При отказе двигателя на еще большей высоте, приблизительно на высоте порядка 60 м, экипаж самолета катапультируется и безопасно опустится на парашютах, а самолет разрушится. Если двигатель выйдет из строя уже после перехода к горизонтальному полету, то вполне возможно, что удастся совершить обычную горизонтальную посадку, и, хотя задание будет сорвано, самолет и экипаж, вероятно, не пострадают. Наконец, можно считать, что в подавляющем большинстве случаев двигатели будут работать исправно и самолет сможет завершить переход к горизонтальному полету и выполнить свою задачу как положено.

Вероятность каждого последствия аварии зависит, естественно, от ряда факторов: степени надежности каждого из двигателей, т. е. вероятности его отказа на взлете, числа двигателей самолета, характера траектории взлета и перехода к горизонтальному полету и пр. На рис. 9.6 приведены в качестве примера некоторые результаты вычисления этих величин. На горизонтальной оси показано количество двигателей самолета, а па вертикальной оси в логарифмическом масштабе - вероятность каждого из рассмотренных событий. Все кривые построены в предположении, что вероятность выхода из строя любого двигателя в любой момент времени в процессе взлета и перехода к горизонтальному полету составляет 1% (Р = 0,01). Ординаты кривых, приведенных на рис. 9.6, подчиняются линейно-масштабному закону. Это означает, что величины шкалы ординат представляют собой фактически отношение вероятностей наступления одного из событий (прекращение полета, срыв задания, разрушение самолета и пр.) к вероятности отказа любого из двигателей.

Как показывает верхняя кривая, вероятность срыва задания с увеличением числа двигателей увеличивается, так как чем больше двигателей у самолета, тем большая вероятность отказа одного из них. Очевидно, что наибольшую надежность выполнения задания сможет обеспечить одномоторный самолет.

Вероятность повреждения самолета при отказе двигателей в процессе взлета и перехода к горизонтальному полету также зависит от их числа. Однако при любом числе двигателей вероятность повреждения самолета всегда будет несколько меньше вероятности срыва задания, поскольку отказ двигателя может произойти или на земле, или в самом начале взлета. С увеличением числа двигателей, например до 12 и более, выход из строя одного двигателя не имеет серьезных последствий, так как тогда суммарная тяга двигателей уменьшается незначительно и самолет сможет приземлиться с малой посадочной скоростью. Однако даже

при большом числе двигателей вероятность повреждения самолета уменьшается не до нуля, а только до некоторого уровня, поскольку существует вероятность одновременного отказа двух двигателей и последующей аварии самолета. Как видно по характеру конечного участка средней кривой, вероятность аварии в случае отказа двух двигателей будет также увеличиваться, хотя и медленно, с увеличением общего числа двигателей самолета.

Самая нижняя кривая рис. 9.6 демонстрирует вероятность того, что экипаж может пострадать при аварии самолета. Однако эта вероятность всегда будет меньше, чем вероятность повреждения самолета, ибо остается возможность посадки самолета без аварии, или катапультирования при отказе двигателя на высоте полета выше критической.

Цель рис. 9.6 заключается не в том, чтобы сообщить читателю некоторую количественную информацию, а чтобы указать ему на два важных обстоятельства. Первое заключается в следующем: количественная мера надежности сама по себе почти не имеет смысла, так как расчетная величина надежности технических средств сильно зависит от критерия, принятого для оценки надежности. Так, в рассмотренном нами примере вероятность срыва задания самолета с 12 двигателями примерно в тысячу раз больше, чем вероятность того, что экипаж пострадает при аварии. Естественно, вопрос о выборе критерия надежности нельзя решить только на основе расчетов, подобных приведенным выше. Выбор одного приемлемого критерия надежности из числа рассмотренных либо другого должен основываться на широком анализе задач, решаемых данным вертикально-взлетающим самолетом в составе военной или гражданской транспортной системы.

Второе обстоятельство заключается в том, что надежность не обязательно будет гладкой или монотонной функцией числа элементов системы, вроде двигателей самолета в пашем примере. Так, если требуется свести к минимуму вероятность ранения экипажа, а создание самолета с 12 или более двигателями нежелательно из-за трудностей его обслуживания, то по соображениям надежности будет целесообразнее избрать одномоторный самолет (если имеется двигатель нужной мощности), а не самолет, имеющий некоторое промежуточное число двигателей, например 6.

К сожалению, кривые на рис. 9.6 построены на основании совершенно нереальных предположений, сделанных для упрощения. Так было принято, что все двигатели независимо от их мощности имеют равную вероятность отказа - 0,01%. Однако в действительности двигатели разной мощности, выпускаемые разными фирмами, имеют различную компоновку деталей, детали работают в разных условиях и т. д. Их вероятность выхода из строя в определенный промежуток времени также различна. Последствия подобного различия в надежности двигателей показаны в табл. 9.2.

Таблица 9.2

Число двигателей, N	Вероятность отказа двигателя Р1	Вероятность того, что экипаж может пострадать Р2 (из рис. 9.6)	Результирующая вероятность того, что экипаж пострадает
10	0,01	0,6	0,6 х 0,01 = 0,0060
6	0,001	1,1	1,1 х 0,001 = 0,0011

Данные первой строки таблицы соответствуют самолету с десятью двигателями, каждый из которых может отказать с вероятностью, равной 0,01, которая была положена в основу расчета кривых рис. 9.6. Как показано на нижней кривой рисунка, вероятность выхода из строя экипажа в этом случае составляла 0,006. Во втором случае мы рассматриваем самолет с шестью двигателями большей мощности и надежности, вероятность выхода из строя которых составляет только 0,001. В результате вероятность того, что экипаж пострадает при аварии, будет 0,0011, т. е. в 5 раз меньше, чем в первом случае.

Задача главы заключается в том, чтобы указать на некоторые технические факторы, которые имеют большое значение в анализе, связанном с подготовкой военных решений. Это выполнено с помощью нескольких примеров, взятых из различных областей техники. Хотя эти примеры интересны сами по себе, их главное назначение заключается в иллюстрации следующих основных положений:

1. Технические характеристики (скорость или высота полета) служат только мерой физических возможностей технических средств, а не мерой их военной или экономи­ческой ценности.

2. Исходя из определенных представлений о современном уровне развития техники (например, из возможной величины удельного импульса ракетного топлива), можно оценить основные технические характеристики перспективных технических средств (например, ракет-носителей), но не сроки и стоимость их разработки.

2. Отдельные конструктивные решения, например использование многоступенчатых ракет вместо одноступенчатых, позволяют серьезно увеличить возможности современных технических средств.

2. Масштабные законы чрезвычайно полезны для понимания основных физических связей в системе и для сокращения объема вычислений и экспериментов при анализе. Однако следует учитывать свойственные им ограничения, особенно при анализе экономических факторов.

3. Кривые физических или экономических параметров в зоне оптимальности обычно имеют плоский характер, если они не связаны с искусственными ограничениями.

4. Если реальные условия ограничивают возможный диапазон выбора вариантов технических средств, то технические условия следует задавать в возможно более гибкой форме, чтобы конструктор имел возможность выбрать наилучший для заказчика компромиссный вариант.

7. Критерии (или критерий), по которым измеряется надежность, должны быть четко оговорены.