民用飛機空中應急離機系統(tǒng)可靠性分配研究

本文針對民用飛機空中應急離機系統(tǒng)，建立型清晰直觀，提出的可靠性分配方法有效實用，對國內(nèi)民用飛機空中應急離機系統(tǒng)的設計具有一定借鑒和參考意義。點評人：何舒培，中國上海飛機設計研究院助理工程師，研究方向為民用飛機飛行試驗方法、操作手冊編制。

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民用飛機空中應急離機系統(tǒng)可靠性分配研究

汪 浩

中國商用飛機有限責任公司上海飛機設計研究院

汪浩（1992-）男，碩士，中國商飛上海飛機設計研究院助理工程師，研究方向為民用飛機飛行試驗方法、試飛改裝。

本文針對民用飛機空中應急離機系統(tǒng)，建立型清晰直觀，提出的可靠性分配方法有效實用，對國內(nèi)民用飛機空中應急離機系統(tǒng)的設計具有一定借鑒和參考意義。
點評人：何舒培，中國上海飛機設計研究院助理工程師，研究方向為民用飛機飛行試驗方法、操作手冊編制。

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空中應急離機系統(tǒng)是在飛行試驗過程中保障機組成員安全的重要措施，它的可靠性對試驗飛機非常重要。本文首先介紹一種民用飛機的空中應急離機系統(tǒng)，之后對其進行可靠性建模與可靠性分配，最后針對特殊的“非指令性觸發(fā)”事件進行可靠性分配，得到了可靠性指標的分配結果。

飛行試驗是對飛機在真實飛行條件下進行科學研究和產(chǎn)品試驗的過程。飛行試驗內(nèi)容復雜，具有一定的危險性，特別是試飛一些高風險科目（例如包線擴展、顫振和失速等），有大的可能性會發(fā)生事故。因此，中國民用航空局（CAAC）在民航規(guī)章中針對飛行試驗做出了以下規(guī)定：CCAR-21-R3《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》第35條“（四）除滑翔機或載人氣球外，申請人應當證明每次飛行試驗時，均采取了足夠措施，以便于試飛組成員能應急離機和使用降落傘?！?/p>

為了滿足這項條款要求，國內(nèi)外的通用做法是在試驗飛機上設計一套空中應急離機系統(tǒng)，供機組成員在發(fā)生飛機不可挽救的情況下迅速離開飛機、跳傘逃生。這套系統(tǒng)能否可靠地運行關系到危急時刻機組成員的生命能否成功得以挽救。因此，應急離機系統(tǒng)的可靠性對試驗飛機非常重要。本文將從可靠性角度出發(fā)，對民用飛機空中應急離機系統(tǒng)的可靠性分配方法進行研究。

系統(tǒng)介紹

本文參考研究應急離機系統(tǒng)的相關資料，研究一種國內(nèi)民用飛機的空中應急離機系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

應急通道子系統(tǒng)為機組成員提供迅速逃離飛機的無障礙離機通道，供機組成員跳傘離機。它包括離機通道、艙門機構和輔助設施。

聲光指示子系統(tǒng)為機組成員提供離機時語音和燈光上的指示，分為語音告警和燈光指示兩部分。語音告警系統(tǒng)包括懸臂式話筒、氧氣面罩話筒、手持話筒、功放單元和客艙揚聲器，用于及時有效地指示機組成員進行應急離機。燈光指示系統(tǒng)包括跳傘指示燈和跳傘燈控制面板組件，用于指引客艙機組成員進行跳傘。

圖1 應急離機系統(tǒng)組成

控制子系統(tǒng)用于控制艙門的開啟，包括艙門自動開啟組件和艙門手動開啟裝置。艙門自動開啟組件包括安裝在駕駛艙中的控制面板和一套控制電路，機長通過操作控制面板上的控制開關發(fā)出控制指令，艙門機構接收到指令后開啟艙門并將結果反饋到控制面板上。艙門手動開啟作為備份，提供在自動開啟失效情況下打開艙門的方式。

電源子系統(tǒng)用于向應急離機系統(tǒng)提供和分配電能，包括蓄電池和配電箱。

可靠性建模

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。可靠性的概率度量亦稱可靠度。可靠性建模是指為預計或估算產(chǎn)品的可靠性而建立框圖和數(shù)模模型，是進行可靠性研究的基礎。對于復雜產(chǎn)品的功能模式，用方框?qū)⒏鹘M成部分的故障或它們的組合如何導致產(chǎn)品故障的邏輯圖稱為可靠性框圖。

對于第2節(jié)介紹的應急離機系統(tǒng)，由于系統(tǒng)四個部分共同實現(xiàn)幫助機組成員安全迅速離機的功能，缺一不可，并且各部分之間的故障相互獨立。因此，可以建立串聯(lián)式的可靠性模型，可靠性框圖如圖2所示。

根據(jù)串聯(lián)模型可靠度的計算方法，應急離機系統(tǒng)的可靠度為：式中，

對于應急通道子系統(tǒng)，通常只考慮艙門機構的可靠性，所以系統(tǒng)的可靠度便是艙門機構的可靠度。

對于聲光指示子系統(tǒng)，語音告警和燈光指示為并聯(lián)關系，所以聲光指示系統(tǒng)的可靠度為：式中，表示語音告警的可靠度，表示燈光指示的可靠度。

對于控制子系統(tǒng)，艙門手動開啟是自動開啟的備份，所以兩者均需達到控制子系統(tǒng)的可靠度，即：

對于電源子系統(tǒng)，蓄電池與配電箱為串聯(lián)關系，所以電源子系統(tǒng)的可靠度為：

可靠性分配

可靠性分配是將規(guī)定的產(chǎn)品可靠性整體指標，按照一定的方法和程序分配到產(chǎn)品的各個層次，以此確定各個層次的可靠性指標。對于應急離機系統(tǒng)，可靠性分配就是將系統(tǒng)的可靠性整體指標逐級分配給四個子系統(tǒng)，乃至子系統(tǒng)包含的機載設備。

由于應急離機系統(tǒng)具有以下特點：（1）由四個子系統(tǒng)串聯(lián)組成；（2）各個子系統(tǒng)的復雜程度、技術水平、重要程度和環(huán)境條件相近。本文選用等分配法來進行可靠性分配。

參考《飛機設計手冊第20冊-可靠性、維修性設計》中可靠性分配的計算方法，應急離機系統(tǒng)的可靠性分配流程可以概括為如圖3所示的三個步驟：

根據(jù)應急離機系統(tǒng)頂層可靠度指標，采用等分配法得到各子系統(tǒng)的可靠度；

由各子系統(tǒng)的可靠度以及給定的飛行小時數(shù)計算得出各子系統(tǒng)的故障率；

由各子系統(tǒng)的故障率計算出各子系統(tǒng)的平均故障間隔時間MTBF。

參考國軍標-飛機應急離機系統(tǒng)通用規(guī)范（GJB 4049-2000），本文將應急離機系統(tǒng)完成幫助機組成員安全、迅速出艙的可靠度頂層指標Rs*定為：不低于0.98。

由公式1可得四個子系統(tǒng)的可靠度為：

因此，由應急通道子系統(tǒng)的可靠度可知艙門機構的可靠度為0.995。

由公式2計算出語音告警和燈光指示的可靠度為：

由公式2.3可得艙門自動開啟和手動開啟的可靠度為0.995。

由公式4算出蓄電池和配電箱的可靠度為：

圖2 應急離機系統(tǒng)的可靠性框圖

圖3 應急離機系統(tǒng)的可靠性分配流程

假設所有系統(tǒng)包含的各單元不工作時的故障率可以忽略不計，并且壽命都服從指數(shù)分布，則故障率為：

取時間t為2000飛行小時，則可以得到如下表1所示的應急離機系統(tǒng)的可靠性分配結果。

表1 應急離機系統(tǒng)的可靠性分配結果

圖4 空中艙門意外開啟故障樹

“非指令性觸發(fā)”的可靠性分配

“非指令性觸發(fā)”是指應急離機系統(tǒng)在沒有收到機組指令的情況下，在空中意外觸發(fā)艙門的開啟。它會導致飛機進入快速釋壓狀態(tài)，對飛機以及機組成員帶來極大的危險性。這項危險會迫使機組成員處于危險狀態(tài)并使用應急程序，工作負荷極大增加，完成任務的能力大大降低，極端情況下會造成機組嚴重受傷或者死亡。因此，這類事件被定義為危險級事件。正是由于“非指令性觸發(fā)”事件的危險性和特殊性，應當采用特殊的方法對其進行可靠性分配。

本文采用故障樹分析法對“非指令性觸發(fā)”事件進行分析，通過對引起事件發(fā)生的各種因素進行邏輯因果分析，確定導致事件發(fā)生的可能性原因，再通過定性分析與定量計算來得出可靠性指標的分配結果。

對于危險級事件，設計者應當設法將發(fā)生的概率降低到10-9以下。因此，艙門“非指令性觸發(fā)”的可靠性指標可以概括為：艙門在25000ft以上意外打開的概率小于1×10-9。

選擇“空中艙門意外開啟”作為故障樹的頂事件。初始條件為艙門處于關閉且鎖住狀態(tài)，控制子系統(tǒng)與艙門作動器處于待命狀態(tài)。則根據(jù)第2節(jié)對應急離機系統(tǒng)原理的描述，建立如圖4所示的故障樹。

圖中各事件號碼所代表的故障事件如表2所示。

表2 故障事件的含義

運用下行法進行分析，得到最小割集（MCS）如下：｛4｝，｛5｝，｛6｝，｛7｝。分析這些最小割集可以發(fā)現(xiàn)，四個事件在最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)均為一次。可以定性的認為這四個事件有著同等的重要性。

由于頂事件發(fā)生的概率必須小于1×10-9，所以“非指令性觸發(fā)”的可靠性分配結果為：

艙門自動開啟組件控制面板故障的概率低于2.5×10-10；

艙門自動開啟組件控制電路故障的概率低于2.5×10-10；

艙門鎖結構故障的概率低于2.5×10-10；

艙門開啟作動器故障的概率低于2.5×10-10。

結語

本文介紹了一種民用飛機的空中應急離機系統(tǒng)，并對其進行了可靠性建模和可靠性分配，得到了可靠性指標的分配結果，為可靠性設計提供了依據(jù)，也為國內(nèi)民用飛機空中應急離機系統(tǒng)的設計提供一定的借鑒和參考。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.034