Как «обуздать» вероятность
Ка-226
Процессы и события, приводящие к отказам техники и нарушению безопасности полета, носят вероятностный характер. Вопрос в том, как «обуздать» вероятность, какими рамками ее ограничить, каково должно быть соотношение определенности и неопределенности в требованиях к безопасности полета.
Надежность конструкции и безопасность полета — две стороны одной медали с момента зарождения авиации. В октябре 1905 года братья Райт в письме известному историку авиации капитану Фердинанду Ферберу сообщали: «3 октября мы совершили полет длиной 24535 метров в течение 25 минут 5 секунд. Вынуждены были прекратить полет вследствие нагревания подшипников в передаче». В январе 1910 года произошла первая катастрофа из-за разрушения крыла, погиб пилот самолета «Блерио» Леон де Лагранж. В 1911 году президент Статистической подкомиссии аэроклуба Франции полковник Бутье отмечал в своем рапорте, что в 1910 году по причине конструктивных недостатков произошло 16 катастроф с самолетами.
Долгое время большая часть аварий и катастроф происходила вследствие прочностных разрушений. Не случайно первыми нормами летной годности становятся именно нормы прочности, которые устанавливают величину расчетной разрушающей нагрузки. В 20-е годы прошлого столетия в нормы прочности вводится коэффициент безопасности, регламентирующий максимальные эксплуатационные нагрузки (речь пока не идет о допустимом риске разрушения конструкции и тем более о нормировании уровня безопасности летательного аппарата в целом).
Попытки задать уровень безопасности полета вероятностью событий относятся к середине прошлого столетия, когда возник повышенный интерес к вероятностно-статистическим методам в авиастроении. В работах 1954–1959 гг. американец Б. Лундберг обосновывает допустимую вероятность прочностного катастрофического разрушения силовой конструкции самолета числом 10'9, а отдельных агрегатов — числом 10'10.
Во второй главе «Норм летной годности гражданских вертолетов СССР» (1971 г.) сформулированы общие требования к безопасности полета вертолета без использования вероятностных понятий. В Нормах летной годности гражданской авиации Великобритании (BCAR 1974, 1986 гг.) есть требования к значениям вероятности возникновения опасных отказов для отдельных систем вертолета.
В Нормах летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР НЛГС-3 (1984) и НЛГВ-2 (1987) вероятностные требования к уровню безопасности полета приобрели системный и всеобъемлющий характер. Центральный в этом плане параграф 2.2.4 НЛГВ-2 (аналогичный параграфу 2.2.4 НЛГС-3) содержит требования к цифровым значениям вероятностей возникновения различных по степени опасности ситуаций. Рекомендуется, например, чтобы любое отказное состояние, приводящее к катастрофической ситуации, могло возникнуть с вероятностью, не превышающей 10'8 на час полета (для самолетов требуется обеспечить вероятность менее 10'9).
Параграф 2.2.5 НЛГВ-2 содержит положения, относящиеся к методам доказательства соответствия вертолета требованиям по отказобезопасности. В частности, применительно к отказным состояниям, являющимся следствием разрушения, заклинивания или рассоединения механического элемента, указывается, что в качестве одного из методов доказательства следует использовать «статистическую оценку безотказности подобных конструкций за длительный период эксплуатации…».
Казалось бы, процедура установления требований к отказобезопасности конструкции вертолета посредством задания количественных значений вероятностей получила свое логическое завершение. Между тем в сравнительно недавно введенных Нормах летной годности винтокрылых аппаратов АП-29, гармонизированных с американскими нормами FAR-29, нет ни одной цифры, нормирующей вероятность какого- либо события. В параграфе 29.571 АП-29 (2000 г.), посвященном усталостной прочности конструкции, вероятностный термин исключен, и требование теперь звучит так: «Оценка прочности основных элементов… должна показать, что не будет катастрофического разрушения из-за усталости…».
Есть мнение, что отсутствие в АП-29 цифровых значений вероятностей отказных состояний и вызванных ими ситуаций — досадная случайность, ущербность, неполнота или недостаток норм, которые должны быть устранены, восполнены или компенсированы при помощи рекомендательных циркуляров или иных документов, имеющих обязательный характер. Так ли это?
Задание уровня безопасности в цифровом выражении привлекает своей четкостью. Получены, скажем, вероятности возникновения катастрофической ситуации, равные 0,9х10-8 и 1,1х10'8. В первом случае требования НЛГВ-2 выполняются, во втором — нет.
В то же время именно конкретность цифр наводит на «детские» вопросы. Откуда взялась сама норма 10-8? Почему для самолетов это число в 10 раз меньше — 10'9? Утверждается, что с учетом интенсивности эксплуатации эта норма практически исключает катастрофы самолетов и вертолетов. Однако такое же суждение справедливо и для норм 10'10, 10'11 и т. д. Где остановиться? Может быть, хватит 10'7? Кто это решает?
Существует и морально-этический аспект проблемы. Любая допустимая величина возникновения катастрофы может вызвать обоснованные возражения, поскольку речь идет, прежде всего, о человеке, о сохранении его жизни. Численная норма угрозы — это легализованная игра в рулетку, где ставка — человеческая жизнь.
Посмотрим на проблему с другой стороны. Строгость постановки задачи требует, очевидно, такой же строгости в ее решении. Однако математически строгих способов подтверждения вероятности порядка 10'8 …10'9 практически не существует.
Сегодня, как и на заре развития авиации, нарушение прочности конструкции — один из основных факторов возникновения аварийных и катастрофических ситуаций. Между тем в действующих нормах прочности самолетов и вертолетов даются только детерминистические способы регламентирования и расчетов. Так, методика расчета безопасного ресурса предусматривает использование нескольких коэффициентов надежности. Эти коэффициенты учитывают разброс параметров законов распределения нагрузок и прочности конструкции и определяются эмпирически с использованием вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний. По технико-экономическим ограничениям испытаниям на выносливость подвергаются не более чем несколько сотен стандартных образцов и несколько образцов реальной конструкции. Полученные значения вероятностей при этом лежат в диапазоне значений 10-1 … 10'3. Теоретически распространить полученные данные на значения вероятностей порядка 10'8 …10'9 возможно только при условии принятия ряда допущений. Такого рода допущения могут быть достаточно правдоподобны, но строгого доказательства их истинности не существует. В то же время надежность методики расчета безопасного ресурса подтверждается опытом: при всех расследованиях причин катастроф не было случая, когда бы эта методика ставилась под сомнение. Причины катастрофических разрушений конструкции достаточно банальны — брак в производстве, некачественный ремонт, неполный учет эксплуатационных нагрузок. По сути — это проявления того же «человеческого» фактора, который является основной причиной приведших к тяжелым последствиям нарушений правил эксплуатации.