obespechenie-bezopasnosti-poletov-bespilotnyh-aviatsionnyh-sistem-v-edinom-vozdushnom-prostranstve

У Ч Е Н Ы Е З А П И С К И Ц А Г И

Т о м X L I I 2 0 1 1 № 6

УДК 629-519 629.7.018.7

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЕТОВ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ ВЕДИНОМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Б. С. АЛЕШИН, В. Л. СУХАНОВ, В. М. ШИБАЕВ

Определены базовые Нормы летной годности, на основании которых формируются требования к беспилотным авиационным системам.

Проведена оценка требований к беспилотным авиационным системам в зависимости от кинетической энергии при столкновении с поверхностью земли.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, беспилотная авиационная система, оператор, тренажер.

Одним из самых значимых достижений в авиации за последнее десятилетие является появление и стремительное развитие беспилотных авиационных систем. Например, число беспилотных летательных аппаратов (БЛА), входящих в состав ВВС и армии США, за это время увеличилось в 136 раз: с 50 единиц в 2000 г. до 6800 в 2010, и их число неуклонно растет. Те же процессы увеличения доли беспилотных летательных аппаратов по сравнению с пилотируемыми в общем объеме воздушных судов происходят и в других странах, причем Россия здесь не является исключением. Только за 2010 г. количество типов БЛА, разработанных в России, возросло с 65 до 216. Беспилотные летательные аппараты кардинально поменяли наши представления об авиации в целом и о тактике применения авиации как в военных, так и гражданских целях. Первоначально беспилотные летательные аппараты применялись только в военных целях, в процессе своего развития они стали активно использоваться и в гражданской сфере. Очевидно, что беспилотные авиационные системы (БАС) и дальше будут играть все более важную роль в военной и гражданской сфере: они уже применяются в МЧС, МВД, лесоохране, пограничной службе, осуществляют

73

мониторинг при строительстве олимпийских объектов в Сочи. Такое широкое распространение БАС обусловлено рядом их достоинств: отсутствием экипажа на борту, а значит, устранением риска потерять его; возможностью выполнения маневров с большими перегрузками, превышающими физические возможности летчиков, большими продолжительностью и дальностью полета при отсутствии фактора усталости экипажа; и, наконец, относительно небольшой стоимостью беспилотных летательных аппаратов, которые могут иметь небольшие размеры, что обеспечивает невысокие эксплуатационные затраты.

Однако отсутствие систем, предотвращающих столкновение БЛА с воздушными судами, и высокая вероятность неконтролируемого падения на землю существенно ограничивают возможность выполнения полетов БЛА в общем воздушном пространстве совместно с другими летательными аппаратами, а также возможность использования БАС в населенных районах.

Если в военной области действуют свои законы и правила применения БЛА, то в случае гражданского применения производитель БЛА и эксплуатант обязаны обеспечить должный уровень безопасности полетов, определяемый требованиями ICAO к воздушным судам гражданской авиации. При этом надо помнить, что, как это определено государственной программой обеспечения безопасности полетов воздушных судов (Распоряжение Правительства РФ №641-р от 6 мая 2008 г.), «…Безопасность полетов воздушных судов гражданской авиации (далее — безопасность полетов) представляет собой состояние авиационной транспортной системы, при котором риск причинения вреда лицам или нанесение ущерба имуществу снижен до приемлемого уровня и поддерживается на этом, либо на более низком уровне посредством непрерывного процесса выявления источников опасности и контроля факторов риска…». Это же в полной мере относится и к БЛА, п оскольку требования Конвенции о международной гражданской авиации (док. ICAO 7300) относятся ко всем воздушным судам (ВС), независимо от того, где находится пилот (или экипаж), управляющий этим воздушным судном, а Циркуляр ICAO № 328 AN/190 уточняет относительно БЛА гражданского назначения, что это именно беспилотные воздушные суда (БВС), и дает определение: БВС — воздушное судно, которое предназначено выполнять полет без пилота на борту.

К факторам, оказывающим наиболее сильное влияние на безопасность и эффективность применения беспилотных авиационных систем, относятся:

разрушение беспилотного летательного аппарата (БЛА) при столкновении с землей; нанесение вреда жизни и здоровью людей или их имуществу, находящихся на земле; столкновение в воздухе с другими летательными аппаратами.

При этом для существующих типов БЛА из указанных факторов исключена опасность гибели людей, находящихся на его борту, что выгодно отличает его от пилотируемых летательных аппаратов. Однако с ростом максимальной взлетной массы БЛА, скорости полета и в случае применения БЛА в местах массового скопления людей риски, связанные с оставшимися факторами, могут возрасти.

Непреднамеренное нанесение ущерба людям и имуществу на земле может произойти, в основном, по причине потери управляемости или разрушения конструкции БЛА. Это может быть вызвано неудовлетворительными характеристиками устойчивости и управляемости БЛА, недостатками в системах управления, линиях передачи данных, недостаточной прочностью или аэроупругостью и, наконец, низким уровнем подготовки оператора БЛА.

Для снижения уровня риска нанесения ущерба при потере управляемости БЛА требуется совершенствовать конструкцию БЛА, повышать квалификацию авиационного персонала, а также установить правила подготовки и выполнения полетов БЛА. Для этого необходимо разработать Нормы летной годности для БЛА, требования и программы обучения операторов БЛА, установить процедуры сертификации конструкции БЛА и сертификации их производителей, аналогичные процедурам, применяемым для пилотируемых воздушных судов.

Все перечисленные выше факторы касаются, в первую очередь, производителей БЛА. Они могут быть учтены уже на этапе разработки и производства БЛА, их испытаний и организации демонстрационных полетов. Процедуры сертификации зависят в том числе и от категорий БЛА, которые определяются на основании существующей и принятой международным сообществом классификации БЛА, предложенной международной ассоциацией «UVS International»(см. табл.1) [1].

74

Требования к беспилотным авиационным системам с БЛА различного взлетного веса подразделяются в соответствии со способностью БЛА причинить вред третьим лицам, которая оценивается пропорционально его кинетической энергии. Критическим с точки зрения нанесения вреда является уровень кинетической энергии 95 KДж в момент столкновения БЛА с поверхностью земли (рис. 1) [2, 3].

Данное соответствие выведено на основании критериев сравнения. Они определяются из способности БЛА причинить вред при падении любым третьим лицам, который прямо пропорционален его кинетической энергии при столкновении с поверхностью земли.

В сути метода сравнения предполагается, что есть только два вида столкновения: или столкновение возникает в результате предпринятой вынужденной посадки с управлением, или это следует из-за полной потери управления. Более точно два сценария столкновения определены как:

а) сценарий непреднамеренного снижения — происходит отказ (или комбинация отказов), приводящий к неспособности сохранять безопасную высоту относительно поверхности земли (например, потеря мощности или отказ двигателя и т. д);

75

25)50-местный авиалайнер;

26)авиалайнер рейсовый;

27)широкофюзеляжный авиалайнер;

28)широкофюзеляжный авиалайнер.

На основании работ, проведенных под руководством EUROCONTROL, было принято, что для БВС с характерным уровнем кинетической энергии меньше 95 KДж требования к БАС в целом могут быть упрощены в процессе их создания. В этом случае не требуется выполнения некоторых этапов контроля (например, экспертизы технического задания и др.), а необходимо только проведение экспертизы самого БАС. Если уровень энергии больше 95 KДж, придется полностью следовать всем этапам контроля и экспертизы в соответствии с процедурами, определенными АП-21.

Для определения критериев безопасности [4] необходимо выбрать количественные данные при фатальной катастрофе БЛА. Эти цифры могут быть основаны на имеющейся информации о летных происшествиях с участием легких, транспортных и военных самолетов или вертолетов. Не следует считать БЛА более опасным для гражданского населения, чем другие ЛА.

Оценка энергии крушения и разрушения при ударе о поверхность земли не ограничивается БЛА и может быть применена ко всем ЛА. Применение этого метода к авариям ЛА (гражданских и военных) и корреляция данных согласно статистике позволили проверить правильность метода.

Если принять, что энергии взрыва есть кубическая функция радиуса (E d3), а площадь зоны разрушения — квадратичная функция радиуса (Ac d2), то имеем:

Ac = k E2/3,

где Ac — площадь зоны разрушения при крушении; Е — энергия.

Согласно методике, предложенной EASA, при оценке кинетической энергии БЛА [4] рассматриваются два главных источника энергии: кинетическая и энергия топлива. Принимая энергию топлива пропорциональной кинетической энергии, суммарную энергию ЛА будем считать также пропорциональной кинетической энергии:

Ec = 1/2MV 2,

где М — масса; V — скорость.

Масса ЛА в течение полета изменяется от максимальной взлетной величины (M0) до минимальной (Mmin). Скорость ЛА варьируется от максимальной эксплуатационной скорости (Vmax э) до скорости сваливания (Vс). Чтобы унифицировать и упростить метод определения средней величины кинетической энергии, примем во внимание, что коэффициент подъемной силы су примерно одинаков для большинства ЛА. Преобразуя соотношение равновесия подъемной силы и веса ЛА

Mg = 1/2ρ0 cy SV 2,

можем положить

V 2 = k1M / S.

Используя выражение для полной энергии ЛА

Ec = 1/2k1M 2 / S,

где сy — коэффициент подъемной силы; S — площадь крыла, получаем:

Таким образом, энергия может оцениваться на основании установленных летнотехнических данных, опубликованных в «Таблице летно-технических характеристик ЛА» для максимальной взлетной массы и площади крыла.

78

Зона разрушения при ударе о поверхность земли может быть определена так:

Зона разрушения должна быть откалибрована на базе статистики авиационных происшествий. Для этого можно предложить следующие данные: M0 = 17 000 кг; S = 42.5 м2; Ас = 1000 м2, коэффициент k определен равным 0.028,

Пример расчета зоны разрушения «Ас» по формуле (3) для ВС различного размера приведен в табл. 2.

Т а б л и ц а 2

Для определения требований к безопасности БЛА определим вероятность крушения по формуле:

где P — вероятность катастрофы/летный час; S — площадь крыла (м2); M0 — максимальная взлетная масса (кг).

Применение формулы (4) к большим БЛА устанавливает параметры, позволяющие определить вероятность катастрофы (см. табл. 3).

Сравнивая требования к безопасности воздушных судов (определены в Нормах) и предлагаемые требования к безопасности для БЛА, можно установить соответствие между самолетами категории CS-23/CS-25 (АП-23/АП-25) и категориями БЛА.

79

Опыт практических работ ЦЭСАТ ФГУП «ЦАГИ» показывает, что упрощенные требования, как правило, могут быть предъявлены к БВС малого веса, относящимся к категориям «Нано», «Микро», «Мини», тогда как аппараты категорий «БлД», «МД», «СД» и «БД» уже требуют проведения экспертизы ТЗ и другой проектной документации на предмет соответствия Нормам летной годности БАС. Обязательным требованием в этом случае становится наличие в составе БАС тренажера экипажа беспилотной авиационной системы и других технических средств обучения, с помощью которых операторы и технический персонал БАС могут проходить предполетную тренировку и обучение. Международный опыт показывает, что сложившееся соотношение между тренировками на тренажере и обучением в полетах с реальным БЛА по отдельным видам тренировок может достигать величин 4 : 1, а в отдельных случаях 9 : 1 и более (см. табл. 4) [5].

Дело в том, что, несмотря на содержание в своем названии слова «беспилотный», БЛА в основном управляются по командам оператора с пункта управления, а следовательно, «человеческий фактор» оказывает свое влияние и здесь. Более того, известна печальная статистика: в катастрофах БЛА «Shadow» и «Predator», стоящих на вооружении армии США, «человеческий фактор» оказался их причиной в 21 и 67% случаев соответственно. Следовательно, еще одним фактором решения вопросов уменьшения аварийности является организация обучения и подготовки персонала БАС (операторов-пилотов, операторов полезной нагрузки, технических специалистов). Предполагается, что оператор БЛА должен обладать знаниями пилота-любителя (уровень PPL), поэтому должен прослушать теоретический курс, сдать экзамен, уметь планировать полет и иметь пространственную ориентацию, знать основы управления воздушным движением, отработать полученные знания и умения на тренажере, где моделируются многочисленные отказные ситуации и приобретается автоматизм и слаженность действий оператора-пилота и оператора полезной нагрузки. В конце программы обучения проводятся полеты на реальных БЛА и сдаются итоговые экзамены. В странах ЕС и в США наличие у оператора БЛА (удаленного пилота) лицензии, полученной в специальных центрах обучения с использованием тренажеров, является обязательным условием использования БАС.

Следовательно, учитывая все перечисленные выше аспекты, с целью обеспечения должного уровня безопасности полетов должны быть разработаны нормативные требования для БАС, включающие требования к системам и персоналу. Кроме того, принимая во внимание, что все БЛА гражданского назначения являются беспилотными воздушными судами (БВС), никто не вправе пренебрегать требованиями ICAO (Приложение 2 к Конвенции «Правила полетов») о получении Сертификата о летной годности.

С другой стороны, эти требования могут отличаться от аналогичных требований для пилотируемых ВС, поскольку на борту отсутствует экипаж и (пока что!) пассажиры. Поэтому внимание должно уделяться в первую очередь не безопасности экипажа, а безопасности третьих лиц (и объектов), находящихся на земле. Собственно говоря, этим озаботилось и ICAO (письмо № AN 13/1.8-11/55 от 14.07.2011), и Министерство транспорта РФ, где уже создана Межведомственная комиссия, которая и организует в настоящее время работы в этом направлении. И здесь надо отметить, что учитывая, во-первых, большой многолетний опыт ЦАГИ в области проведения экспертизы пилотируемых ЛА на предмет соответствия их требованиям летной годности; вовторых, тот факт, что в распоряжении ЦАГИ имеются экспериментальная база и квалифициро-

80