Самодиагностика самолетов

СДЕЛАЕТ ЛИ ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС НЕНУЖНОЙ ИНЖЕНЕРНО-АВИАЦИОННУЮ СЛУЖБУ?

Все быстрее внедряются новые технологии, конструкции, материалы, способы производства, методики ремонта и роботизированные средства.

Заметный вклад в области безопасности полетов могут внести бортовые системы нового поколения, которые не только проводят мониторинг технического состояния ВС, но и могут точно предсказать момент, когда проблемный агрегат потребует замены. Подобные системы способны также диагностировать эпизодические отказы. Так не устареет ли в конечном итоге техническое обслуживание в его нынешнем виде?

Как считает Аксель Крайн, старший вице-президент Airbus по исследованиям и технологиям, в ближайшее десятилетие произойдет переход от систем мониторинга исправности к системам управления техническим состоянием (HMS, health management system), которые предсказывают отказы и ухудшение характеристик агрегатов и автоматически формируют график работ по ТОиР, что в перспективе может привести к полному отказу от периодических форм обслуживания.

«Сегодняшние системы мониторинга просто регистрируют данные во время полета и сообщают об отказах, а решение о выполнении тех или иных работ принимает бригада технического обслуживания, — говорит Крайн. — Будущие системы управления состоянием займутся этим автоматически».

По его словам, продвинутое программное обеспечение будет в режиме реального времени анализировать данные от различных систем самолета и если произойдет отказ или срок службы детали близится к концу, система сама назначит необходимые работы. При этом потребуется обеспечить место в ангаре и ремонтную бригаду, а также заказать запчасти, чтобы они были вовремя доставлены. Важно, что все это должно происходить без вмешательства человека, причем график работ будет согласован с расписанием полетов самолета.

Например, если система предупреждает, что устройству осталось работать 50 ч, самолет еще может выполнить несколько рейсов. Или, если приближается срок очередного ТО, замену устройства можно отложить до этих работ.

«Это не только минимизирует объем периодического обслуживания, но и поможет избавиться от внеплановых работ. — говорит Крайн. — Более того, благодаря применению таких эффективных и надежных систем авиакомпании смогут сократить запасы запчастей и трудовые ресурсы. Впрочем, едва ли подобные системы будут созданы и интегрированы в бортовое оборудование самолета до 2020 г.».

По оценкам, переход к системам ТОиР, прогнозирующим состояние самолета, может снизить время на обслуживание машины примерно вдвое. Серьезно продвинуться в этом направлении поможет использование компьютерных нейронных сетей. Так называется программное обеспечение, отчасти моделирующее работу человеческого мозга и имеющее способность к «самообучению» по мере накопления данных. Не исключено, что в течение 10 лет подобные программы достигнут настолько надежного уровня прогнозирования, что получат одобрение производителей систем и разработчиков самолета и смогут, например, автоматически принимать обоснованное решение об откладывании ТО на более поздний срок.

И все это уже не фантастика. Разумеется, нынешним системам HMS еще далеко до полной самостоятельности в принятии решений, однако обработка и анализ данных уже сейчас в значительной степени производятся без вмешательства человека.

Вычисления на борту

Как сообщает компания Boeing, в самолете Boeing 787 реализован непрерывный мониторинг 65 тыс. параметров, а вообще бортовая система HMS способна работать с 120 тыс. параметров. Система проводит сравнение текущего состояния ВС с заложенной в нее идеальной моделью функционирования самолета и ищет критические отклонения. Автоматизация процесса позволяет избавить пилотов и службы ТОиР от избыточной информации, к тому же каждый эксплуатант имеет возможность подстроить систему под свои нужды, повышая приоритет тех параметров, которые он считает наиболее важными. Критические предупреждения в полете выводятся на дисплей пилотам и направляются инженерным службам, так что они могут подготовить необходимые действия в пункте прибытия ВС.

Впрочем, возможности обработки данных до сих пор ограничены вычислительной мощностью интегрированных бортовых вычислительных модулей. По словам специалистов компании, Boeing 787 оснащен 16 вычислительными модулями с лучшими процессорами, сертифицированными в настоящее время для использования на борту ВС, однако их мощность недостаточна, для того чтобы добавить в систему новые функции. Тем не менее открытая архитектура авионики Boeing 787 предусматривает возможность обновления модулей, поэтому по мере роста вычислительной мощности система сможет не только проводить мониторинг состояния и отслеживать тенденции поведения агрегатов, но и осуществлять полноценное прогнозирование состояния ВС.

Boeing 787 не является исключением — конфигурируемая система HMS также предусмотрена и на перспективном региональном самолете Bombardier CSeries. Можно ожидать, что подобное направление развития станет доминирующим у всех разработчиков ВС, поскольку перспективы по снижению затрат на ТОиР и обеспечению высокого уровня безопасности полетов открываются уж очень заманчивые.

Мониторинг силовой конструкции

Одно из наиболее перспективных применений дополнительной вычислительной мощности — осуществление мониторинга состояния конструкции самолета. Реализация этой возможности позволит избавиться от трудоемких форм базового обслуживания, в ходе которого производится контроль механического состояния ВС. Вместо этого сенсоры, встроенные при изготовлении самолета в его несущую конструкцию, будут собирать данные и передавать их для анализа на вычислительный комплекс.

Компания Boeing уже провела оценку подобных возможностей на самолетах 737 и 777, у которых сенсоры в зоне дверей отслеживали механические воздействия, а сенсоры на ряде металлических элементов контролировали усталостные повреждения, что особенно важно в областях, требующих специальной проверки на предмет возникновения трещин. В принципе, взятый Boeing курс на создание самолета из композиционных материалов и так минимизирует необходимость проверок, однако, как говорят специалисты, некоторые элементы конструкции, например шасси или направляющие закрылков, подвергаются высоким концентрированным нагрузкам, поэтому маловероятно, что они когда-либо будут выполняться из композитов, и контроль их состояния останется актуальным.

Как убежден Аксель Крайн, дальнейшее развитие HMS приведет к дистанционному мониторингу всех систем, нуждающихся сейчас в периодических проверках. Например, давление в баллонах для надувания спасательных плотов требует контроля каждые восемь дней на протяжении всего жизненного цикла ВС, что соответствует примерно 6 тыс. проверок на самолет. А в случае обнаружения неполадок в этой системе задержка для ее устранения может составить до 8 ч. По словам Крайна, единственный способ избавиться от подобных проблем и связанных с ними издержек — внедрить прогнозирующий дистанционный мониторинг систем самолета.

Дистанционный мониторинг может использоваться для многих агрегатов и элементов конструкции и даже для крепежа. Например, на Boeing 787 композитный киль крепится к хвостовой части фюзеляжа с помощью специальных болтов. Инструменты, применяемые на сборочном заводе для закручивания этих болтов, слишком велики для использования в условиях эксплуатации ВС. Однако встроенные в болты сенсоры позволяют проконтролировать силу их затяжки с помощью измерителя, помещающегося на ладони. При подключении сенсоров к HMS станет возможной дистанционная проверка крутящего момента, который держат эти болты.

Компания Lufthansa Technik разрабатывает онлайновую систему мониторинга и контроля параметров шасси. Как говорят в компании, ее внедрение не только повысит надежность шасси, но и сделает устаревшими многие существующие сейчас процедуры проверки.

Прогнозирование состояния двигателей

По словам специалистов компании Pratt & Whitney, в работы по созданию двигателей следующего поколения и разработке методики их технического обслуживания входят вопросы соотнесения состояния деталей с ограниченным сроком службы (LLP, life-limited parts) с наработкой двигателя, количеством циклов и условиями эксплуатации. Как показывают исследования, сейчас 99,9% деталей LLP, снятых с двигателей, еще имеют некоторый остаточный срок службы, который можно было бы использовать при наличии более тонких методов анализа и прогнозирования.

В частности, идут работы по контролю повреждений, которые накапливаются в деталях LLP. Условия их эксплуатации в газотурбинном двигателе не позволяют оснастить их встроенными сенсорами, поэтому особый упор делается на создание вычислительных моделей, способных использовать данные об условиях работы двигателя.

К примеру, система управления двигателем располагает данными о скорости вращения диска турбины, действующих на него ускорениях, нагрузках и температурном режиме — вопрос в том, как на основе этих данных рассчитать износ двигателя и точно определить срок службы.

Компания Rolls-Royce ищет способы соотнесения срока службы деталей, требующих периодической замены, с межремонтным интервалом двигателя. Например, период работы двигателя без снятия с крыла может составлять 20 тыс. ч, а отдельные узлы требуют замены через 15 тыс. или 30 тыс. ч. Приведение всех замен к межремонтному интервалу позволило бы заметно снизить затраты на ТОиР и издержки от простоя ВС.

Решение этих вопросов лежит в русле создания систем мониторинга технического состояния, которые позволили бы перевести техническое обслуживание полностью на плановую основу. Заметных достижений удалось добиться уже сейчас — к примеру, объем периодического ТО у двигателя Trent 900 в 3–4 раза меньше по сравнению с двигателями, разработанными 15 лет назад.

Для новейшего двигателя Trent XWB система мониторинга будет учитывать более полный набор параметров, например данные о вибрационном режиме отдельных элементов и показатели эффективности работы двигателя.

Самолет по состоянию

Как видно, общая тенденция развития систем мониторинга приведет к полному отказу от проведения периодических работ по обслуживанию ВС; выполняться будут только те работы, которые действительно продиктованы состоянием самолета, причем их график будет оптимизирован с точки зрения эксплуатации ВС.

Этот прогресс уже сейчас можно проследить, сравнивая объемы ТОиР самолетов Boeing 777 и 787. При обслуживании систем у Boeing 777 предусмотрены 583 периодические проверки, а у Boeing 787-8 — только 395. Та же картина и для работ по планеру самолета: вместо 317 периодических проверок у Boeing 777 остается всего 123 проверки для 787-8. Как говорят в Boeing, эти сравнения основаны на утвержденных руководствах по ТОиР данных типов ВС. За 12 лет эксплуатации для обслуживания Boeing 787 потребуется на 48% меньше человеко-часов, чем для Boeing 777.

Разумеется, развитие систем самодиагностики самолета и прогнозирования его состояния не приведет к полному отказу от инженерно-авиационной службы. Однако можно с уверенностью говорить, что внедрение новых подходов в системе ТОиР приведет к качественным изменениям в работе инженерно-авиационной службы, сокращению ее численного состава и повышению требований к квалификации.

Внедрение новых технологий, очевидно, внесет свой вклад в повышение уровня безопасности полетов, однако безудержный оптимизм по поводу самодиагностики едва ли оправдан. Основу поддержания состояния летной годности ВС составляют квалификация и опыт инженеров по ТОиР, но любой из них, вероятно, согласится, что в этой работе есть место и для интуиции. Компьютерные системы этой интуиции лишены, а программы для них — даже самообучающиеся нейронные сети — тоже делают люди, которые иногда и ошибаются. Так что движение к светлому будущему, как всегда, таит в себе новые вызовы.

Источник: Журнал "Авиатранспортное обозрение" № 103, октябрь 2009 г.