Вертолет, 2004 №1

История создания и разинтия HUMS

А-129 Mangusta

Деятельность создателей вертолетной техники всегда была направлена на совершенствование летн о-технических характеристик летательных аппаратов, увеличение их весовой отдачи, маневренности и боевой эффективности. Однако вертолетостроители прекрасно понимали и понимают, что за все усовершенствования приходится платить существенным увеличением нагруженности силовых элементов конструкции, ужесточением режимов работы агрегатов, систем и оборудования. Это обстоятельство, а также то, что конструктивно вертолет является одним из наиболее сложных летательных аппаратов, обусловило то, что их эксплуатация всегда сопряжена с повышенным риском. Статистика отказов и летных происшествий подтверждает этот факт. По данным Британского управления гражданской авиации, количество летных происшествий на тяжелых двухмоторных вертолетах в 20 раз превышает количество происшествий на коммерческих реактивных самолетах. Федеральное управление транспорта США в принципе не расходится в своих выводах с англичанами: общий уровень происшествий на 100000 летных часов для JIA с неподвижным крылом составляет 0,63 (из них катастроф — 0,14), а для вертолетов — 5,43 (катастроф — 1,34). Это данные 10-15-летней давности. Но, к сожалению, и сегодня это соотношение существенно не изменилось и вряд ли изменится в будущем, поскольку причина такого соотношения — и конструктивные особенности вертолета, и особенности его применения.

Основной конструктивной особенностью вертолета является система привода несущих винтов, исключающая дублирование силовых потоков от двигателя к винтам. К этой системе относится такой сложный механический агрегат, как редуктор. Редуктор вертолета соосной схемы без преувеличения можно считать уникальным по сложности конструктивного исполнения механическим агрегатом. Статистические данные показывают, что наибольшая доля отказов и летных происшествий — около 80 % — связана с неисправностями именно главного редуктора, трансмиссий и несущих винтов. Из-за неисправности этих агрегатов происходят 30 % аварий.

Еще одна особенность или причина, являющаяся существенным фактором, приводящим к тяжелым последствиям, — это условия эксплуатации вертолетов. Как правило, вертолеты эксплуатируются в сложных условиях: высокая скорость ветра, осаждение морской соли при работе над морем (например, на морских буровых платформах), сложный рельеф местности, особые условия при работе в горной местности и т. д.

Идея создания системы, обнаруживающей зарождающиеся и развивающиеся во времени неисправности, появилась давно. К середине 60-х годов размеры зарубежного вертолетного парка и интенсивность его эксплуатации достигли такого уровня, что задачи повышения надежности и безопасности полетов, а также необходимость снижения затрат на обслуживание вертолетов перешли в разряд особо актуальных. Стала очевидной необходимость совершенствования существовавшей системы эксплуатации вертолетного парка, основанной на календарном гарантийном и профилактическом обслуживании и плановых ремонтах.

В то же время ряд катастроф, произошедших на шельфах Великобритании над Северным морем, причиной которых оказались неисправности главного редуктора, свидетельствовал о том, что отсутствие на борту достаточно эффективных способов обнаружения зарождающихся и развивающихся неисправностей может свести на нет любые усовершенствования системы эксплуатации. Как показали результаты расследования, при наличии таких средств катастроф могло бы не произойти. Трагедии над Северным морем послужили толчком к началу работ, практическим, результатом которых явилось создание системы HUMS (Health and Usage Monitoring Systems — «Система мониторинга работоспособности и использования»). Путь создания этой системы оказался долгим и трудным.

Задача по разработке мероприятий, повышающих безопасность полетов вертолетов и снижающих стоимость их технического обслуживания, была сформулирована Управлением гражданской авиации Великобритании (САА) во второй половине 60-х годов. С этого же времени под эгидой САА и начались научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по ее решению.

0 действительной сложности поставленной задачи говорит тот факт, что последующие десять лет труда не принесли никакого практического результата. Однако актуальность проблемы была по-прежнему велика. Работы не только не были остановлены, но даже получили развитие благодаря участию в них Министерства обороны Великобритании. В 1974 году в министерстве состоялось совещание, на котором было принято решение об организации на базе фирмы Steward Hughes специальной рабочей группы для проведения этих работ (фирма Steward Hughes в то время являлась ведущей в области компьютерной обработки сигналов вибрации вращающегося оборудования).

Исследовательские работы с участием и при финансировании Министерства обороны продолжались еще 7–8 лет. В результате был разработан и предложен новый подход к эксплуатации вертолетов. Он в корне ломал существовавшую до того времени привычную технологию эксплуатации и был первым шагом, сделанным на пути перехода к эксплуатации «по состоянию».

Главным итогом этого этапа, который продолжался с момента постановки задачи почти 15 лет, явился не сам «переход к эксплуатации по состоянию», а вывод о том, что эксплуатация «по состоянию» возможна. Практически же фирма Steward Hughes совместно с одной из ведущих в то время мировых фирм — разработчиков электронных технологий Teledyne разработала концепцию и архитектуру системы, которая предназначена отслеживать техническое состояние вертолета в реальном времени. На тот момент казалось, что предлагаемая система позволит решить все вопросы по переходу на эксплуатацию «по состоянию».

Система (и концепция), как мы уже говорили, получила название Health and Usage Monitoring System. Аббревиатура HUMS с этих пор традиционно используется другими фирмами — разработчиками систем аналогичного назначения.

Создание системы HUMS стало возможным после того, как фирма Steward Hughes разработала три новых направления (или подхода), позволяющих оценивать техническое состояние агрегатов вертолета по сигналам соответствующих датчиков в любой момент времени без приостановки его эксплуатации. Эти направления определены разработчиками как ключевые для диагностики состояния наиболее сложных и жизненно важных систем вертолета. Итак, оценка технического состояния вертолета предполагает:

— диагностику редуктора и трансмиссии с целью обнаружения неисправностей на ранней стадии их возникновения;

— контроль положения лопастей (определение соконусности) и проведение балансировки несущей системы вертолета;

— диагностику двигателя с целью «определения загрязнения газового пути».

Разработка этих направлений завершилась созданием соответствующих автономных подсистем, которые, как правило, входят в базовый состав современных систем HUMS. Технические решения, которые были получены, являются ноу-хау фирм Teledyne/ Steward Hughes и могут использоваться другими разработчиками только в виде готовых покупных плат. Каждое из этих направлений имеет свои трудности в реализации, связанные не только с несовершенством используемых алгоритмов, но и с необходимостью учитывать специфику конкретного типа вертолета при адаптации к нему системы. Развитие и совершенствование основополагающих подходов з диагностике состояния вертолетов продолжается до настоящего времени.

Первый готовый продукт, созданный фирмой Steward Hughes в 1982 году, — это система обнаружения дефектов шестерен и анализа состояния подшипников MSDA. Эта система широко использовалась в промышленности для контроля качества изготовления зубчатых колес и подшипников при производстве вертолетов. Она являлась прообразом HUMS, в нее были заложены и отрабатывались основные принципы контроля и диагностики.

АН-64 Apache

Одновременно разрабатывались рекомендательные документы. В 1982 году САА приняло Положение по безопасности полетов (ARB), рекомендующее в дальнейшем при выпуске стандартов по сертификации вертолетов учитывать текущий современный уровень достижений в области конструирования, технологий и материалов. ТЬгда же была сформирована специальная группа — Комиссия по безопасности полетов (HARP). В 1984 году эта группа выпустила отчет с рекомендациями для САА. В следующем году была организована рабочая группа по диагностике для изучения рекомендаций HARP и разработке требований по безопасности на новые вертолеты. В августе 1985 года группа выпустила первый отчет.

Очередная трагедия над Северным морем, произошедшая с вертолетом Boing-234 Chinook в 1986 году и унесшая жизни почти 100 человек, заставила форсировать работы по созданию системы и расширить их фронт. Причиной катастрофы стал выход из строя главного редуктора из-за трещины зубчатой передачи. Проведенные исследования выявили причины быстрого распространения трещины и подтвердили необходимость создания системы, которая позволяла бы определять в нужное время наличие трещины и отслеживать динамику ее распространения.

САА включило в работу по созданию системы фирму Marconi Electronic System (разработчик электроники) и фирму-эксплуатанта Bristow Helicopters. Работа шла параллельно с использованием ноу-хау Teledyne/Steward Hughes. Новая разработка получила название IHUMS, хотя по функциональным особенностям аналогична HUMS фирмы Teledyne/Steward Hughes.

Между 1987 и 1991 годами были проведены два рабочих испытания HUMS на вертолетах, эксплуатировавшихся над Северным морем. Финансировали их САА, Британская ассоциация операторов морских установок и Управление энергетики и транспорта. Испытания HUMS на вертолете AS.332L Super Рита проводились совместно компаниями BHL, Smith Industries, MJA Dynamics, Westland Helicopters Snstoiv, на вертолете S-61N — BHL, Steward Hughes, Hawker Siddeiey Dynamics.

В июле 1991 году IHUMS, установленная на борту вертолета S-61N компании Sfkorsfcy, получила сертификат САА. Это была первая система мониторинга работоспособности и использования в мире, получившая сертификат. Таким образом, с момента выпуска фирмой Steward Hughes первого готового продукта — системы MSDA — до установки на вертолет первой сертифицированной системы HUMS прошло 9 лет.

С появлением HUMS связано решение о введении в систему в обязательном порядке регистратора полетных данных в той конфигурации, в какой он разработан: для HUMS это блок FDR как составная часть системы. САА установило, что вертолеты гражданского назначения с максимальным весом более 2730 кг (или перевозящие более 9 пассажиров) должны быть оснащены FDR с 1 февраля 1991 года. Подобные требования были введены И октября 1991 года и Федеральным управлением авиации США.

В самом общем виде HUMS можно представить как систему, состоящую из датчиков и компьютеров и включающую в себя программное обеспечение и аналитические методы, которые все вместе позволяют регистрировать уровни вибраций и другие параметры для обеспечения контроля и оценки состояния систем и агрегатов вертолета. При характеристике этой системы важно знать ее конфигурация, поскольку она определяет перечень функций, выполняемых конкретной системой. Самые первые системы разработки Teiedyne/Steward Hughes и Marconi/Bristow Helicopters состояли из бортовой и наземной частей. Они выполняли следующие функции на борту:

— мониторинг состояния редуктора и трансмиссии;

— мониторинг состояния» ресурса и эксплуатационных характеристик двигателя;

— контроль положения лопастей и дисбаланса винта;

— регистрация полетных данных (блок FDR);

— запись переговоров в кабине экипажа (блок CVR);

и следующие на наземной станции:

— обмен данными в операционной среде;

— взаимодействие с пилотом (до и после полета);

— осуществление поддержки технического обслуживания (расшифровка показаний датчиков, корректировка положения лопастей и балансировка винта);

— учет ресурса деталей;

— анализ и хранение исходных сигналов и результатов обработки.

Рис. 1. Общая схема системы HUMS

На рис. 1 показана общая схема такой системы.

Интеграция FDR и CVR в HUMS предпринимается из следующих соображений. Во- первых, такая система экономически выгодна в целом, поскольку исключает необходимость установки дополнительных, периферийных систем. Во-вторых, такая интеграция удобна эксплуатанту, так как ограничивает количество поставщиков, участвующих в оборудовании вертолета. HUMS такой конфигурации называется полнофункциональной. Однако время постоянно вносит свои коррективы, и к настоящему времени уже разработаны и выпускаются системы с более широкими, по сравнению с перечисленными, функциональными возможностями.

Сегодня созданием HUMS занимается целый ряд зарубежных фирм. Наиболее известными из них являются Teledyne/ Steward Hughes, GEC Marconi/Brigtow, BF Goodritch, Eurocopter, Chedwick Helmuth, Howcle Instruments. Systems amp; Electronics, Inc (SEI), Signal Processing Systems, Smith Industries, AMS, WTI, RSL Electronics LTD u другие.

В полной конфигурации системы до конца 90-х годов выпускали только фирмы Teledyne/Steward Hughes и GEC Marconi/ Brigtow (хотя системы этой фирмы и назывались системами полной конфигурации, однако не выполняли обработку данных в реальном времени, ограничиваясь лишь наземной обработкой данных, зарегистрированных на борту).

Большинство других фирм — это поставщики систем различной (неполной) конфигурации. Одни, например, ограничиваются мониторингом состояния двигателей, другие совмещают эту функцию с системой контроля, балансировок и соконусносги винтов. Фирма Rotor Dynamics American Inc. расширила функции усеченной HUMS возможностью формирования в реальных условиях полета интегральной оценки состояния по общим уровням вибраций с использованием минимального количества датчиков и последующей обработкой этой информации на наземной станции обработки. Фирма WTI построила свою систему M-HUMS по модульному принципу: один модуль базовый и три автономных, дополняющих базовый по желанию заказчика. Такой вариант удобен, если стоимость и вес полной системы оказываются слишком большими, а эксплуатанту необходимо сосредоточить внимание на мониторинге проблемных зон. Эта продукция не представляет серьезной конкуренции системе Teledyne/Steward Hughes или GEC Marconi/ Brigtovv вследствие гораздо меньших масштабов разработок. Системы с ограниченными функциональными возможностями также традиционно используют в своих названиях аббревиатуру HUMS.

На протяжении последних двадцати лет фирмы, занимающиеся созданием HUMS, конкурируют друг с другом. Как уже говорилось, в течение долгого времени мировыми лидерами в этой области были Teledyne/ Steward Hughes и GEC Marconi/Brigtow, производившие полнофункциональные системы. Однако в последнее время соотношение сил на мировом рынке HUMS меняется. Серьезную конкуренцию мировым лидерам составила компания MEGGIT, объединившая фирмы BFGoodrich, Vibrometer и Endevco.

Входящая в эту компанию фирма BF Goodrich занимается разработкой и созданием HUMS более 20 лет, 12 из них она находится в состоянии острой конкурентной борьбы с ведущими производителями Teledyne/Steward Hughes и GEC Магсот/ Brigtow. Система диагностики IMD HUMS является в настоящее время продуктом совместного производства BYGoodrich и Vibrometer. За IMD HUMS закрепилось название «HUMS второго поколения».

В 1997 году BYGoodnch/Vibrometer выиграли тендер США на систему диагностики, удовлетворяющую единым требованиям на HUMS для гражданских и военных вертолетов, которые действуют в США с того же года. В тендере принимали участие известные в мире фирмы-разработчики этих систем, в том числе ведущий промышленный производитель HUMS — Steward Hughes.

BYGoodrich/Vibrometer является в настоящее время главным разработчиком и поставщиком HUMS по программам оснащения военных вертолетов США этими системами (программа COSSI).

Фирма Sikorsky Aircraft подписала ограничительный контракт с BYGoodnch/Vibrometer на право покупки диагностических систем только у данной фирмы. Таким образом, BFGoodnch/Vibrometer стала эксклюзивным поставщиком HUMS для фирмы Sikorsky, а система IMD HUMS включена в список стандартного оборудования этой фирмы.

Другим заслуживающим внимания конкурентом как Teledyne/Steward Hughes и GEC Marconi/Brigtow, так и BYGoodrich/ Vibrometer является израильская фирма RSL Electronics LTD, которая в 2000 г. заявила о создании HUMS третьего поколения. Эта система (Total HUMS — T-HUMS) самой современной разработки обладает более расширенными функциональными возможностями, в частности, в ней реализована функция диагностики состояния и управления общевертолетным оборудованием.

Технологии HUMS развиваются уже более 20 лет. На первых порах казалось, что найденные на тот момент решения смогут успешно «закрывать» все вопросы по автоматической оценке состояния вертолета, а построенные с использованием этих решений системы возьмут на себя роль интеллектуального советчика и подсказчика летчику в полете и обслуживающему персоналу на земле.

Однако эти ожидания оказались преждевременными. Приходится констатировать, что диагностические возможности современных HUMS еще не достигают требуемого уровня и необходимы дополнительные интеллектуальные усилия, чтобы обеспечить 100-процентный охват всех возможных дефектов с требуемой надежностью.

ЕН-101

На пути внедрения HUMS оказалось множество подводных камней, которые не были видны вначале и устранение которых требует разработки нестандартных подходов, продолжительных исследований и др. Существенным препятствием в этом процессе является высокая стоимость HUMS. Например, расходы только на установку и адаптацию системы I-HUMS составляют в зависимости от типа вертолета от $2500 до $6000, а наиболее сложные случаи установки обходятся в сумму более $50000. Можно утверждать, что HUMS является наиболее сложным компонентом в общем комплексе вертолетного оборудования. Это определяется не только сложностью аппаратной части и программного обеспечения системы, но и трудностью внедрения дополнительных функций в существующие процедуры обслуживания.

Вышесказанное означает только то, что, как и во всякой другой технической области, в области HUMS имеются свои проблемы. Достижений все же там. гораздо больше, чем недостатков. Многие задачи уже решены и относятся к классическим функциям. HUMS, реализованным в серийных системах.

Несмотря на проблемы и отсутствие в полной мере желаемого результата, реальное положительное влияние HUMS на безопасность полетов не подлежит сомнению. Этот факт признается всеми зарубежными фирмами, имеющими многолетний опыт эксплуатации HUMS (Eurocopter, Sikorsky. Bell, Boeing, Agustа и др.).

Кроме этого, отмечается и экономический выигрыш, так как HUMS позволяет с меньшими затратами решать следующие задачи:

— повышение надежности выполнения полетных заданий;

— повышение комфорта и уменьшение нагрузки на экипаж;

— увеличение ресурса компонентов;

— уменьшение количества испытательных полетов, необходимых для балансировки;

— сокращение времени на внеплановое обслуживание;

— повышение надежности оборудования;

— выборочное (необходимое) обслуживание.

Безусловно, положительный опыт эксплуатации HUMS привел к широкому распространению этих систем на зарубежном рынке. На ранних этапах HUMS устанавливалась только на гражданские коммерческие вертолеты, теперь же ими оснащены или оснащаются как гражданские некоммерческие, так и военные вертолеты, включая боевые. В настоящее время за рубежом, активизируются работы по перестройке существующей системы эксплуатации под использование данных HUMS.

Важным, показателем признания технологий HUMS является изменение отношения к ним военных. Если раньше это отношение было откровенно скептическим, то в настоящее время в Англии, США, Канаде и в других странах системами HUMS оборудуются уже не отдельные машины, а целиком эскадрильи и парки военных вертолетов. В 2003 году генерал армии США Джо Бергантс одобрил внедрение HUMS з военную авиацию, назвав HUMS общей системой, которая должна быть установлена на всех армейских вертолетах.

Армия США внедряет HUMS для решения следующих задач: оценки технического состояния вертолета в воздухе и на земле, учета наработки и условий применения, контроля за действиями летчиков в полете, обучения. С помощью HUMS американские военные надеются достичь 90-процентного уровня готовности вертолетного парка, что сложно сделать при существующей системе эксплуатации и обслуживания.

На зарубежном, рынке HUMS стала влиять на конкурентоспособность вертолета. Применение этих систем перестало быть «актуальной проблемой», а перешло в разряд осознанной политики, проводимой разработчиками и эксплуатантами. Все ведущие страны — производители вертолетной техники имеют Государственные программы разработки и внедрения HUMS на гражданские и военные вертолеты. Работы по этим программам финансируются государством и военными ведомствами. Распространено явление, когда вертолетная фирма за счет собственного финансирования разрабатывает диагностические системы с полным или ограниченным перечнем, функций для внедрения их на своих вертолетах.

О возрастании интереса к HUMS за рубежом. свидетельствует ежегодно нарастающий поток публикаций на эту тему. Например, на последнем 59-м Международном вертолетном форуме (он проходил 6–8 мая 2003 года) по теме HUMS было представлено 20 докладов в течение трех дней. Соизмеримое количество докладов на форуме прозвучало только по теме «Аэродинамика».

Глеб ГЛАДУН, Галина КАРФИДОВА, Григории Л КЕМ ЕН КО, ОАО «Камов»