民機(jī)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破特定風(fēng)險(xiǎn)分析方法

司馬駿 / Sima Jun

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

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民機(jī)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破特定風(fēng)險(xiǎn)分析方法

司馬駿 / Sima Jun

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

基于美國(guó)聯(lián)邦航空局咨詢通告給出的發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子爆破特定風(fēng)險(xiǎn)安全性評(píng)估指南，提出了一種簡(jiǎn)單易用的發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子爆破安全性分析方法。建立了簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子碎片碰撞角度計(jì)算模型，以確定受轉(zhuǎn)子碎片影響的系統(tǒng)部件；改進(jìn)了失效部件組合檢查單，提高分析工作效率，并確定轉(zhuǎn)子碎片對(duì)系統(tǒng)的安全性影響。相比于傳統(tǒng)分析方法，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)安全性分析過(guò)程，減少了分析工作量，適用于飛機(jī)系統(tǒng)研制初期對(duì)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)的危害性進(jìn)行保守性評(píng)估，以指導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

安全性分析；民機(jī)系統(tǒng)；發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破；特定風(fēng)險(xiǎn)

0 引言

民用飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與安全性分析是一個(gè)重復(fù)迭代的過(guò)程，特定風(fēng)險(xiǎn)分析是安全性分析工作的一部分[1]。特定風(fēng)險(xiǎn)是指可能導(dǎo)致飛機(jī)及其系統(tǒng)功能失效，影響飛機(jī)運(yùn)行安全的外部事件或因素[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子爆破是民用飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中典型的特定風(fēng)險(xiǎn)事件，雖然發(fā)生的概念很小，但一旦發(fā)生通常會(huì)對(duì)飛機(jī)安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。民用飛機(jī)適航取證過(guò)程中會(huì)關(guān)注針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破展開的安全性分析與設(shè)計(jì)，中國(guó)運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR 25第903(d)(1)條規(guī)定必須采取設(shè)計(jì)預(yù)防措施，能在一旦發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子損壞或發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)起火燒穿發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣時(shí)，對(duì)飛機(jī)的危害減至最小[3]。

美國(guó)聯(lián)邦航空局FAA于1997年發(fā)布了咨詢通告AC 20-128A，為非包容轉(zhuǎn)子爆破特定風(fēng)險(xiǎn)的安全性分析與設(shè)計(jì)提供指南，包括降低轉(zhuǎn)子爆破危害的設(shè)計(jì)措施、轉(zhuǎn)子爆破安全性分析方法以及可接受的剩余風(fēng)險(xiǎn)值[4]。AC 20-128A給出的轉(zhuǎn)子爆破分析方法可靠有效，在民用飛機(jī)安全性分析與設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

民用飛機(jī)系統(tǒng)研制初期，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)不盡完善，采用AC20-128的建模方法難以對(duì)轉(zhuǎn)子爆破進(jìn)行準(zhǔn)確建模。此外，AC20-128提供的安全性分析過(guò)程較為復(fù)雜且工作量大。本文基于AC20-128給出的轉(zhuǎn)子爆破安全性分析指南，給出了一種簡(jiǎn)化的發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)安全性分析方法，旨在對(duì)民用飛機(jī)系統(tǒng)研制初期的轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步的保守性評(píng)估，指導(dǎo)系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)。該方法首先通過(guò)建立簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子爆破碎片碰撞角度計(jì)算模型，來(lái)確定受影響的系統(tǒng)部件及其碰撞角度范圍。其次，基于受影響的部件和碰撞角度數(shù)據(jù)，建立一種簡(jiǎn)單直觀的失效部件組合影響檢查單，用于分析不同失效部件組合對(duì)系統(tǒng)造成的危害等級(jí)。

1 轉(zhuǎn)子碎片碰撞角度計(jì)算模型

分析轉(zhuǎn)子碎片對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)造成的危害，首先需建立轉(zhuǎn)子碎片碰撞角度計(jì)算模型，以確定轉(zhuǎn)子沿任一可能路徑飛出時(shí)，與碎片發(fā)生碰撞的系統(tǒng)部件以及碰撞角度范圍。轉(zhuǎn)子碎片飛散角如圖1所示。

1.1 轉(zhuǎn)子碎片掃描路徑建模

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)子爆破時(shí)，意味著發(fā)動(dòng)機(jī)某些輪盤或葉片斷裂，產(chǎn)生不同尺寸碎片，這些碎片具有不同能量，并沿不同的飛散角飛散出來(lái)。碎片飛散角是指從單級(jí)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)平面中心向前和向后所測(cè)量的角度，如圖1所示。此外，碎片可能沿發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸0°～360°任一角度飛出，碎片碰撞角度為碎片與部件發(fā)生碰撞時(shí)的飛出角度，定義為φ，如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子碎片飛散角示意圖

為了簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)子碎片掃描路徑模型，做以下保守性的建模假設(shè)：

(1)轉(zhuǎn)子爆破時(shí)只有一塊碎片飛出，且碎片具有很大能量，可穿透碰撞到的部件，且不會(huì)改變軌跡方向；

圖2 轉(zhuǎn)子碎片碰撞角示意圖

(2)碎片飛出路徑的寬度為碎片飛散角范圍。

基于建模假設(shè)條件，建立碎片掃描路徑模型如圖3所示，碎片掃描模型可沿轉(zhuǎn)子軸0°～360°旋轉(zhuǎn)，其中掃描寬度為碎片飛散角Δr范圍，Δφ為碎片沿掃描路徑飛出并與目標(biāo)物體發(fā)生碰撞時(shí)的角度范圍。

1.2 失效部件碰撞角度計(jì)算方法

碎片掃描模型沿轉(zhuǎn)子軸0°～ 360°旋轉(zhuǎn)，若某一部件被檢測(cè)到在某個(gè)角度與碎片發(fā)生碰撞，則保守性認(rèn)為該部件喪失功能，即部件失效。失效部件與碎片碰撞角的具體計(jì)算方法為：

(1)碎片模型沿掃描方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碎片掃描路徑與該部件發(fā)生第一次碰撞時(shí)記下碰撞角度φ1，φ1定義為碎片與部件的碰撞進(jìn)入角；

(2)讓碎片模型沿掃描方向反向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)碎片飛出路徑與該部件再次發(fā)生碰撞時(shí)記下碰撞角度φ2，φ2定義為碎片與部件的碰撞退出角；

(3)進(jìn)一步根據(jù)碎片與部件的碰撞進(jìn)入角、退出角，可計(jì)算碰撞角度范圍Δφ=φ2-φ1。

2 失效部件組合檢查單

根據(jù)轉(zhuǎn)子碎片碰撞角度計(jì)算模型，可找出所有失效部件及碎片碰撞角度，并確定失效部件檢查單，典型檢查單見表1。實(shí)際分析過(guò)程中，由于檢查單中的失效部件數(shù)量非常多，且不同失效部件的碰撞角會(huì)有重合區(qū)域(即碎片沿某一角度飛出時(shí)，會(huì)同時(shí)導(dǎo)致多個(gè)部件失效)，利用表1檢查單不能直觀判斷在任一碎片飛出路徑上所有的失效部件組合，大大降低了分析失效部件組合影響的工作效率。

表1 典型的失效部件檢查單

為了提高失效部件組合影響的分析工作效率，改進(jìn)失效部件組合檢查單如表2所示。該檢查單將碰撞角度分為360等分，360個(gè)柵格依次代表1°～ 360°，并通過(guò)帶顏色的柵格(表2中黑色部分)來(lái)描述失效部件的碰撞角。例如，表中部件1的碰撞進(jìn)入角與退出角分別為2°、5°，則將代表2°～ 5°的柵格填充為黑色。通過(guò)改進(jìn)的檢查單可以很方便的開展失效模式分析工作，例如當(dāng)碎片飛出角度為2°時(shí)，失效模式為部件1喪失；碎片飛出角度為3°時(shí)，部件1、部件3喪失；碎片飛出角度4°時(shí)，部件1、部件2、部件3喪失。

利用改進(jìn)的失效部件檢查單，在1°～ 360°角度范圍內(nèi)以1°角度為步長(zhǎng)，逐個(gè)分析每個(gè)碎片飛出角度對(duì)應(yīng)的失效部件組合，則可獲得轉(zhuǎn)子碎片可能導(dǎo)致的所有失效組合。

根據(jù)確定的所有失效組合，結(jié)合系統(tǒng)故障樹分析結(jié)果，可確定任一失效組合導(dǎo)致的系統(tǒng)級(jí)失效狀態(tài)，即對(duì)系統(tǒng)的危害。

3 分析方法應(yīng)用

本節(jié)以民用飛機(jī)電傳飛行控制系統(tǒng)為例，進(jìn)一步說(shuō)明如何使用本文1、2節(jié)給出的轉(zhuǎn)子爆破分析方法開展安全性分析。

(1)檢查飛控系統(tǒng)失效部件

使用轉(zhuǎn)子碎片掃描路徑模型與碰撞角計(jì)算方法，找出所有與碎片發(fā)生碰撞的飛控系統(tǒng)部件，如通道1副翼作動(dòng)器、通道2副翼作動(dòng)器、通道3擾流板作動(dòng)器等。

(2)獲得接口系統(tǒng)失效部件

飛控系統(tǒng)的功能運(yùn)行還依賴于其他接口系統(tǒng)的正常工作，安全性分析中同樣需要考慮接口系統(tǒng)的故障狀態(tài)，如液壓系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等。根據(jù)接口系統(tǒng)開展的轉(zhuǎn)子爆破安全性分析結(jié)果，獲得所有接口系統(tǒng)的失效部件。

(3)建立失效部件組合檢查單

根據(jù)(1)、(2)獲得飛控系統(tǒng)與接口系統(tǒng)失效部件，建立失效部件組合檢查單如表3所示。

(4)對(duì)飛控系統(tǒng)的危害性影響

為了保證系統(tǒng)安全性與可用性要求，飛控系統(tǒng)通常采用多余度配置，如左右兩塊副翼會(huì)采用四個(gè)獨(dú)立的作動(dòng)器控制通道進(jìn)行控制，每個(gè)通道使用獨(dú)立的液壓源與電壓源。對(duì)于每個(gè)獨(dú)立的控制通道，該通道任一部件失效(如作動(dòng)器、液壓管路、供電設(shè)備等)均會(huì)導(dǎo)致該控制通道功能失效。

根據(jù)表3給出的檢查單，結(jié)合飛控系統(tǒng)故障樹分析結(jié)果，可得到檢查單中所有失效部件組合導(dǎo)致的飛控系統(tǒng)級(jí)失效事件，并得到轉(zhuǎn)子爆破對(duì)飛控系統(tǒng)的危害性影響等級(jí)見表4。

(5)系統(tǒng)架構(gòu)改進(jìn)的設(shè)計(jì)考慮

根據(jù)表4給出的轉(zhuǎn)子爆破對(duì)飛控系統(tǒng)的危害性分析結(jié)果，重點(diǎn)關(guān)注會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成危險(xiǎn)級(jí)或?yàn)?zāi)難級(jí)的失效部件組合，并考慮采取部件防護(hù)、隔離等措施，改進(jìn)系統(tǒng)架構(gòu)，盡量避免多個(gè)余度通道的設(shè)備布置在轉(zhuǎn)子碎片同一飛出路徑上。

4 結(jié)論

本文給出了一種民機(jī)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破特定風(fēng)險(xiǎn)安全性分析方法，建立了簡(jiǎn)化的轉(zhuǎn)子碎片碰撞角度計(jì)算模型，并改進(jìn)了失效部件組合檢查單。以民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)為例給出了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險(xiǎn)的安全性分析過(guò)程，表明該分析方法簡(jiǎn)單有效。

文中提出的分析方法旨在應(yīng)用于民機(jī)系統(tǒng)研制初期，對(duì)初步定義的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行保守性評(píng)估。在飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)趨于完善的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)考慮建立更精確的轉(zhuǎn)子碎片模型，在初期分析基礎(chǔ)上重點(diǎn)分析轉(zhuǎn)子碎片危害等級(jí)嚴(yán)重的失效組合，以保證系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)符合安全性指標(biāo)要求。

[1]SAE ARP 4754A Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems [S]. America: The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space, 2010.

[2]SAE-ARP4761 Guidelines and Methods for the Safety Assessment Process on Airborne Systems and Equipments[S]. America: The Engineering Society For Advancing Mobility Land Sea Air and Space, 1996.

[3]中國(guó)民用飛機(jī)航空局.CCAR-25-R4中國(guó)民用航空規(guī)章第25部：運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)民用航空局，2011.

[4]Advisory Circular. AC20-128A Design Considerations for Minimizing Hazards Caused by Uncontained Turbine Engine and Auxiliary Power Unit Rotor Failure [S]. Boston：Federal Aviation Administration, 1997.

[5]FAR25-Part25-airworthiness standards: transport category airplanes[S].Boston：Federal Aviation Administration,2003.

[6]陳志達(dá). 民航客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子非包容性損壞分析[J]. 航空制造技術(shù)，2011,13：75- 79.

[7]艾玲英. 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子爆破碎片碰撞角度計(jì)算方法的研究[J]. 科技信息，2011,22：373- 374.

[8]李雪姣，付仁合. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)非包容性碎片的危害評(píng)估方法研究[J]. 裝備制造技術(shù)，2011,2：21- 23.

[9]黃慶南，張連祥，劉春華，等. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子非包容頂層事件安全性分析與思考[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)，2009，35(2)：6- 9.

Particular Risk Analysis Method of Engine Rotor Burst for Civil Aircraft System

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Based on the safety assessment guidance of uncontained engine rotor burst given in FAA advisory circular, an easy and convenient safety analysis method is proposed for engine rotor burst risk. A simplified fragment collision angle calculation model is established to check the system components affected by rotor fragment. An improved checklist for failure components is established to reduce human analysis workload and verify the rotor fragments’ safety effect on the aircraft system. Analysis process is simplified and workload is reduced compare to traditional rotor burst risk safety analysis method. The method is applicable to preliminary stage of civil aircraft system development, used for system hazards assessment caused by engine rotor burst risk and optimizing the system architecture.

safety analysis; civil aircraft system; engine rotor burst; particular risk

V231.96

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