резервирование

Рис. 1. Схема системы с раздельным резервированием.

резерви́рование (от лат. reserve — сберегаю, сохраняю) — метод повышения надёжности объектов авиационной техники введением в их состав дополнительных (избыточных) элементов, узлов, устройств, связей для быстрой замены ими (автоматически или вручную) вышедших из строя аналогичных им элементов основного оборудования; обеспечивает высокий уровень выполнения функций или решения отдельных задач системами управления летательных аппаратов, бортовым оборудованием и т. д. Современные летательные аппараты оснащены сложными автоматизированными системами, а в соответствии с требованиями к надёжности летательных аппаратов и безопасности полёта вероятность полного отказа таких систем не должна превышать 10^‑8—10^‑9 за 1 ч полёта. Обеспечить столь малые значения вероятностей отказов систем при существующем уровне надёжности соответствующих элементов (блоков) можно только на основе Р.

Наиболее распространённый вид Р. систем управления и бортового оборудования летательного аппарата — структурное Р. Структурное резервирование (его часто называют прямым Р.) осуществляется введением избыточных (резервных) элементов (блоков, систем) по сравнению с минимальным их числом, необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы. Такое Р. может быть раздельным (поэлементным), общим и смешанным. При раздельном Р. резервируются отд. элементы системы, при общем — система в целом (устанавливается несколько комплектов системы). Смешанное Р. — совмещение раздельного и общего Р. Теоретическая надёжность системы при раздельном Р. выше, чем при общем. Однако при практической реализации раздельного Р. для обеспечения работоспособности резервируемой системы при отказах требуется, в частности, применение дополнительно к резервным элементам устройств контроля и переключения, которые существенно усложняют систему и снижают преимущества раздельного Р. Кроме того, при таком Р. между резервируемыми элементами в тракте передачи сигнала образуются так называемые общие цепи (точки) см. рис. 1. Попадание ложного сигнала в общую цепь или обрыв её может привести к полному отказу резервирующей системы. В связи с этим в авиации предпочтение отдаётся общему Р., которое проще при реализации и позволяет практически полностью избежать образования общих цепей (точек).

В зависимости от способа включения в работу резервных элементов (систем) различают Р. с замещением отказавшего элемента (системы) резервным и с пост, их включением. При Р. с замещением сохраняется неизменность характеристик систем после отказа, так как отказавшая система (элемент) замещается такой же исправной. Однако при этом способе Р. необходима операция переключения. Эта операция должна выполняться быстро и надёжно, в ином случае возможна потеря работоспособности системы. В процессе замещения на выходе системы может появиться возмущение, амплитуда которого зависит от рассогласования между основной и резервной системами, времени запаздывания при переключении и различия в условиях работы основной и резервных систем (основная система подвергается воздействию нагрузки, тогда как на резервные системы она не действует). В полёте устройства переключения практически неконтролируемы, и существует опасность, что в момент замещения устройство переключения может оказаться неисправным.

Надёжность резервируемых систем с постоянно включёнными резервными элементами (системами) меньше зависит от операций переключения. Это в значительной мере определило более широкое применение в авиации этого вида Р. При практической реализации систем с постоянно включёнными резервными элементами (системами) необходимо выполнение ряда условий, к которым относятся: обеспечение приемлемых характеристик резервируемой системы при совместном функционировании элементов (систем), имеющих разброс характеристик в пределах установленных допусков; исключение возможности полного отказа резервируемой системы при отказе любого элемента; сохранение определенного уровня характеристик системы при заданном числе последовательных отказов. Наряду с этим должны также исключаться чрезмерные возмущения на выходе системы в момент отказа какого-либо элемента. Для выполнения этих условий структура резервируемой системы обычно строится на следующих принципах: полное разделение систем от входа до выхода; обеспечение «пересиливания» отказавшей системы исправными с послед, её отключением; исключение чрезмерного рассогласования между выходными сигналами систем; применение автоматических устройств обнаружения и изоляции отказов. На рис. 2 показана схема резервируемой электрической системы дистанционного управления, построенной на основе этих принципов. Она состоит из трёх одинаковых независимых каналов. Каждый канал содержит необходимый состав устройств, обеспечивающих преобразование электрического входного сигнала в механическое перемещение. Исполнительные устройства каждого канала (например, сервоприводы) могут непосредственно управлять отдельной поверхностью управления (например, секцией) или объединяться с помощью механических или гидромеханических связей на общем выходном элементе, которым может быть траверса (как на рис.), силовой шток привода или непосредственно орган управления. Связь выходного элемента каждого канала с траверсой может быть жёсткой или с предварительным усилием (типа пружины или гидромуфты). Применение элементов связей с предварительным усилием даёт возможность весьма просто произвести выбор среднего значения выходного сигнала (рис. 3) как наиболее «правильного» (устанавливается своего рода кворум) и осуществить контроль и изоляцию неисправного канала. В этом случае обеспечивается так называемое гидромеханическое кворумирование выходных сигналов. В электрических цепях выбор среднего значения сигнала осуществляется с помощью специальных электронных устройств — кворум-элементов, или селекторов сигналов. Кворумирование строится на использовании межканальных связей, поэтому требуются особые меры для исключения возможности распространения отказа какого-либо канала на другие каналы. В некоторых случаях возникает необходимость применения разнородного Р., когда, например, электрическая система управления резервируется механической системой, и наоборот. Каждой из этих систем присущи свои причины отказов. Благодаря этому исключается возможность отказа всей резервируемой системы при появлении какого-либо одного вида причины отказа.

Одной из существенных характеристик прямого Р. (как общего, так и раздельного) являет кратность Р. — отношение полного числа элементов (блоков, систем) резервируемой системы к минимально необходимому. В авиации кратность Р. обычно 2—4. Чаще всего используется дублирование, особенно в системах, работоспособность которых контролируется экипажем, а в случае возникновения отказа имеется возможность управляемого включения резерва. В отсутствии такого контроля при постоянном включении резервных каналов в двухканальной системе при отказе одного из них средства автоматики обычно не могут определить какой именно канал отказал, и отключается вся система. Поэтому такие системы с кратностью Р., равной, например, трем, сохраняют работоспособность при отказе одного из каналов и отключаются при последующем отказе любого другого (рис. 6); при четырехкратном Р. система отключается после последовательного отказа любых трех каналов и т. д. Если вероятность q отказа каждого канала известна (например, q = 1·10^‑3 за 1 ч полёта), то для вероятности Q отказа четырёхканальной системы можно получить приближённо Q = 4q³ = 4·10^‑9 за 1 ч полёта.

При Р. отдельных полётных задач помимо прямого применяется функциональное Р. При функциональном резервировании функции какой-либо бортовой системы при полном её отказе перекладываются на другие системы, хотя при этом и происходят некоторые потери эффективности или (и) точности. Например, при решении задач определения высоты и скорости полета используются система воздушных сигналов, радиовысотомер и доплеровский измеритель скорости и угла скоса, а при определении местоположения летательного аппарата — инерциальная система навигации, системы счисления пути по воздушной скорости и курсовому углу, радиотехнические системы ближней, дальней и спутниковой навигации, средства астронавигации. Используются в авиации и другие виды резервирования: по нагрузке, мощности и т. д.

В зависимости от характера отказов система может принимать различные состояния, характеризуемые уровнем изменения её выходных характеристик. Экипажу обычно выдаётся необходимая информация о состоянии системы, на основании которой принимается решение о продолжении полёта на данном режиме, переходе на другой, более благоприятный по условиям безопасности полёта, или о его скорейшем завершении.

Обязательный минимум Р. в зависимости от класса летательного аппарата регламентируется требованиями Международной организации гражданской авиации и национальными Нормами лётной годности.

Литература:
Белецкий В. В., Теория и практические методы резервирования радиоэлектронной аппаратуры, М., 1977;
Голинкевич Т. А., Прикладная теория надежности, М., 1977;
Диллон Б., Сингх Ч., Инженерные методы обеспечения надежности систем, пер. с англ., М., 1984.

В. П. Бочаров, Л. П. Новочадов.

Рис. 2. Схема трёхканальной системы с общим резервированием.

Рис. 3. Зависимость амплитуды сигналов управления от времени в трёхканальной резервированной системе.