持續(xù)適航階段民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

高艷蕾，周燕佩

（中國(guó)民用航空總局航空安全技術(shù)中心，北京100028）

1 引言

在工程中，系統(tǒng)地考慮風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)始于航天領(lǐng)域[1]。

風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)發(fā)展至今，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在交通運(yùn)輸、結(jié)構(gòu)工程、能源工程、航天諸多領(lǐng)域。在航空領(lǐng)域中采用風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估技術(shù)始于美國(guó)。1991年，美國(guó)航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)（AIA）工作小組為美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）提供了1項(xiàng)研究成果，旨在發(fā)展出更為有效的方法，以識(shí)別、確定、解決出現(xiàn)在民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的不安全事件。該工作組即持續(xù)適航評(píng)估方法（CAAM）研究委員會(huì)，其成員主要由美國(guó)GE、PW、空中客車(chē)、波音、加拿大PW、霍尼韋爾、RR等公司組成。持續(xù)適航評(píng)估方法（CAAM）研究覆蓋了各種推進(jìn)系統(tǒng)和輔助動(dòng)力裝置的相關(guān)不安全事件，給出了歷史上上述系統(tǒng)故障引起的飛機(jī)級(jí)事故的發(fā)生頻率和危害程度。美國(guó)聯(lián)邦航空局發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳審定中心利用這些信息確定每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和輔助動(dòng)力裝置的故障風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別和優(yōu)先級(jí)。1994年，F(xiàn)AA發(fā)動(dòng)機(jī)螺旋槳審定中心和運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)審定中心將CAAM方法作為其安全管理程序中的重要組成部分。2003年9月8日，F(xiàn)AA頒布了運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)動(dòng)力裝置和輔助動(dòng)力裝置的持續(xù)適航評(píng)估的咨詢(xún)通告[2]，同時(shí)給出了航空業(yè)飛行風(fēng)險(xiǎn)水平的可接受標(biāo)準(zhǔn)。

本文結(jié)合實(shí)例，對(duì)持續(xù)適航階段民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。

2 持續(xù)適航階段航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估

航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估是1個(gè)識(shí)別、評(píng)價(jià)、控制或降低以及接受風(fēng)險(xiǎn)的管理過(guò)程，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性、風(fēng)險(xiǎn)的暴露程度和風(fēng)險(xiǎn)后果的嚴(yán)重性來(lái)衡量風(fēng)險(xiǎn)潛在的損失，同時(shí)制定和實(shí)施決策，以使風(fēng)險(xiǎn)造成的負(fù)面效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)損失最小化。航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)管理流程如圖1所示，整個(gè)過(guò)程由風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制3部分組成。

（1）定義故障風(fēng)險(xiǎn)并求出風(fēng)險(xiǎn)因子。利用已有的航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法（常用威布爾分析方法）可以得到其故障的分布函數(shù)，再采用數(shù)字仿真方法（常用蒙特卡洛故障仿真方法）模擬故障的發(fā)生情況，預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的故障風(fēng)險(xiǎn)，即求出故障風(fēng)險(xiǎn)因子（指在給定時(shí)間內(nèi)故障風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的平均值，即故障風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的頻率值）。

（2）定義故障風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)等級(jí)，并求得危險(xiǎn)系數(shù)，確定故障風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)先級(jí)。在FAA的持續(xù)適航評(píng)估方法（CAAM）中，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事件給飛機(jī)、乘客和機(jī)組人員帶來(lái)后果的嚴(yán)重程度定義了5種危險(xiǎn)等級(jí)，1級(jí)事件導(dǎo)致的后果最輕，5級(jí)事件導(dǎo)致的后果最重。通過(guò)分析故障風(fēng)險(xiǎn)事件危險(xiǎn)等級(jí)，確定處理風(fēng)險(xiǎn)事件的優(yōu)先級(jí)。危險(xiǎn)等級(jí)在3級(jí)以上的事件是持續(xù)適航風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法優(yōu)先重點(diǎn)考慮消除的風(fēng)險(xiǎn)，其具體描述見(jiàn)表1[2]。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事件危險(xiǎn)等級(jí)

在持續(xù)適航階段中，凡是可能造成表1描述的事件發(fā)生的故障均需要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定該危險(xiǎn)等級(jí)故障的危險(xiǎn)系數(shù)，即該故障導(dǎo)致發(fā)生某等級(jí)危險(xiǎn)事件的頻率或可能性。如該故障至少已經(jīng)導(dǎo)致1次3級(jí)危險(xiǎn)事件發(fā)生時(shí)，則危險(xiǎn)系數(shù)為3級(jí)事件的發(fā)生次數(shù)除以該故障導(dǎo)致的總風(fēng)險(xiǎn)事件次數(shù)；如該故障沒(méi)有造成3級(jí)或3級(jí)以上的風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生，則需使用歷史數(shù)據(jù)，以確定其危險(xiǎn)系數(shù)[3,4]。

（3）計(jì)算每次飛行的風(fēng)險(xiǎn)（當(dāng)多個(gè)故障風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)同時(shí)存在時(shí)，要計(jì)算累積風(fēng)險(xiǎn)因子，即將各種故障風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)因子相加）；通過(guò)（1）和（2）中求得的故障風(fēng)險(xiǎn)因子和危險(xiǎn)等級(jí)系數(shù)求出飛行機(jī)隊(duì)每次飛行的風(fēng)險(xiǎn)。每次飛行風(fēng)險(xiǎn)指任意1架飛機(jī)在每次飛行中由某個(gè)故障狀態(tài)所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，即任意1架飛機(jī)每次飛行中某故障發(fā)生的概率，其數(shù)值由風(fēng)險(xiǎn)因子乘以發(fā)動(dòng)機(jī)總數(shù)除以發(fā)動(dòng)機(jī)總飛行循環(huán)數(shù)得到。如：風(fēng)險(xiǎn)因子為0.5的雙發(fā)飛機(jī)總飛行循環(huán)數(shù)為300000個(gè)，那么，該飛行機(jī)隊(duì)每次飛行的風(fēng)險(xiǎn)為

（4）將每次飛行風(fēng)險(xiǎn)與風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則表對(duì)比，評(píng)估目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)故障存在的風(fēng)險(xiǎn)是否可接受，如60天之內(nèi)短期風(fēng)險(xiǎn)超出風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則表的限制，則需要立即采取降低風(fēng)險(xiǎn)的措施。

表2列出了3級(jí)和4級(jí)危險(xiǎn)事件的可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)計(jì)算得到的飛行機(jī)隊(duì)每次飛行風(fēng)險(xiǎn)高出表中規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)水平時(shí)，則需要采取措施，以控制該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生或產(chǎn)生嚴(yán)重后果。在表2中，短期可接受的風(fēng)險(xiǎn)指在實(shí)施可有效降低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案之前或期間得到的風(fēng)險(xiǎn)水平；長(zhǎng)期可接受的風(fēng)險(xiǎn)指實(shí)施最終可有效降低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案后得到的風(fēng)險(xiǎn)水平。

表2 風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則

以3級(jí)事件為例，按表2中的規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)飛行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，得到每次飛行風(fēng)險(xiǎn)與飛機(jī)飛行循環(huán)次數(shù)的曲線(xiàn)，如圖2所示。從圖中可以看出，3級(jí)事件風(fēng)險(xiǎn)因子大于1和每次飛行風(fēng)險(xiǎn)大于4×10-5時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性高，屬于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，必須采取強(qiáng)制性措施，使得該事件風(fēng)險(xiǎn)降低到可接受風(fēng)險(xiǎn)水平；3級(jí)事件風(fēng)險(xiǎn)因子小于1，且每次飛行風(fēng)險(xiǎn)介于4×10-5和1×10-8之間時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性較高，屬于多風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；3級(jí)事件每次飛行風(fēng)險(xiǎn)在1×10-8以下時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性小，屬于可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。持續(xù)適航階段的任務(wù)就是確保飛機(jī)每次在可接受風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域飛行。

3 實(shí)例分析

某渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)處于起飛階段、未達(dá)到起飛速度時(shí)，第8級(jí)壓氣機(jī)盤(pán)斷裂，該故障屬于非包容事件，所幸沒(méi)有造成飛機(jī)損壞和危及乘客、機(jī)組人員安全。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，壓氣機(jī)盤(pán)由于受到腐蝕而發(fā)生低周疲勞斷裂，腐蝕的主要原因是制造廠采用了不正確的涂層方式。針對(duì)上述風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行的具體分析與評(píng)估及其流程如下。

（1）估計(jì)可能受到影響的發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)盤(pán)的數(shù)量。經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)涂層廠處理的壓氣機(jī)盤(pán)，包括目前正在服役的和備用的在內(nèi)，總計(jì)為433個(gè)，都有可能在使用中斷裂。

（2）威布爾分析和蒙特卡洛仿真。制造廠給出433個(gè)壓氣機(jī)盤(pán)磨損失效的威布爾分布曲線(xiàn)，并利用蒙特卡洛模型進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)仿真評(píng)估，得出的結(jié)論是：如果這些壓氣機(jī)盤(pán)使用到15000循環(huán)后更換，還會(huì)有1.3個(gè)斷裂；對(duì)該模型進(jìn)行檢驗(yàn)，可知運(yùn)行到發(fā)生第1次盤(pán)斷裂時(shí)，會(huì)有0.95個(gè)盤(pán)斷裂事件（≈1）發(fā)生，證明該模型正確。

（3）估計(jì)在實(shí)施可有效降低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案之前的風(fēng)險(xiǎn)因子和每次飛行風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樯鲜霰P(pán)斷裂事件沒(méi)有造成飛機(jī)損壞、乘客及機(jī)組人員傷亡，所以要利用歷史數(shù)據(jù)獲得該類(lèi)非包容事件的危險(xiǎn)等級(jí)和危險(xiǎn)系數(shù)（15年內(nèi)類(lèi)似盤(pán)斷裂的數(shù)據(jù)參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]），從而得到實(shí)施可有效降低風(fēng)險(xiǎn)的解決方案之前的風(fēng)險(xiǎn)因子和每次飛行風(fēng)險(xiǎn)；非包容事件的危險(xiǎn)系數(shù)見(jiàn)表3。得到該故障造成4級(jí)事件對(duì)應(yīng)的短期風(fēng)險(xiǎn)值0.52，遠(yuǎn)大于表2中所規(guī)定的可接受風(fēng)險(xiǎn)水平0.1，因此需要采取措施降低該故障風(fēng)險(xiǎn)水平。

（4）估計(jì)可實(shí)施的降低風(fēng)險(xiǎn)方案的有效性。將原來(lái)15000循環(huán)的更換間隔提前到10000循環(huán)，重新帶入蒙特卡洛故障仿真模型，所得到的風(fēng)險(xiǎn)因子為0.18；利用表3中的歷史數(shù)據(jù)重新計(jì)算，得到該故障導(dǎo)致3～5級(jí)事件的實(shí)施方案前的風(fēng)險(xiǎn)因子，分別為0.09、0.07和0.02；對(duì)比短期可接受的風(fēng)險(xiǎn)因子，4級(jí)事件風(fēng)險(xiǎn)因子0.07小于0.1，可知該措施可有效地降低由壓氣機(jī)盤(pán)斷裂造成的風(fēng)險(xiǎn)。

（5）監(jiān)控可有效降低風(fēng)險(xiǎn)方案的實(shí)施情況。適航當(dāng)局提出法規(guī)制定提案，通告NPRM，然后頒發(fā)適航指令A(yù)D，并授權(quán)制造廠發(fā)服務(wù)通告SB，通報(bào)可有效降低風(fēng)險(xiǎn)方案，局方針對(duì)AD的實(shí)施情況進(jìn)行監(jiān)控，效果顯著。

表3 非包容事件危險(xiǎn)系數(shù)

4 結(jié)束語(yǔ)

在役航空發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的外場(chǎng)使用,積累了一定的故障與維修數(shù)據(jù)，如果能充分利用這些數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估與預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)的故障風(fēng)險(xiǎn),有助于確定發(fā)動(dòng)機(jī)的安全使用期限,從而降低其使用風(fēng)險(xiǎn),提高其可靠性與安全性。采用有效的發(fā)動(dòng)機(jī)故障風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估方法具有重要的實(shí)際意義。

[1] Tim Bedford，Roger Cooke.Probabilistic Risk Analysis:Foundations and Methods.Cambridge University Press,2001.

[2] US Department of Transportation Federal Aviation Administration,Advisory Circular,continued airworthiness assessments of powerplant and auxiliary power unit installations of transport category airplanes,Initiated By AIR-100，sep.8,2003.

[3] a joint effort of the federal aviation administration and the aerospace industries association(AIA),Technical Report on Propulsion System and APU-Related Aircraft Safety Hazards,October 25,1999.

[4] a joint effort of the federal aviation administration and the aerospace industries association(AIA),2nd Technical Report on Propulsion System and APU-Related Aircraft Safety Hazards,January 31,2005.

[5] John P.Kindinger and John L.Darby,Risk Factor Analysis-A New Qualitative Risk Management Tool,Proceedings of Project Management Institute Annual Seminars&Symposium,2000.