商用飛機發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片對燃油系統(tǒng)影響的風(fēng)險分析

孫纓軍，陳志雄，張林帥，蔡景

1.民航上海航空器適航審定中心，上海 200335

2.上海工程技術(shù)大學(xué) 汽車工程學(xué)院，上海 201620

3.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院，江蘇 南京 211106

發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子爆破是商用飛機風(fēng)險事件中的一種特定風(fēng)險，此風(fēng)險發(fā)生過程中會對飛機飛行安全以及機組和乘客安全產(chǎn)生較大的威脅，在極端情況下，甚至?xí)?dǎo)致災(zāi)難性的后果[1]。2010年11月4日，澳航航空的空中客車A380在前往澳大利亞的途中，發(fā)動機發(fā)生爆炸，碎片擊中飛機，對飛機系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)造成重大損害，并導(dǎo)致左翼燃油箱燃油泄漏。因此，美國聯(lián)邦航空局（FAA）以及中國民用航空局均發(fā)布了相關(guān)的規(guī)章制度和相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，在設(shè)計階段對非包容轉(zhuǎn)子進(jìn)行充分的安全性設(shè)計考慮，要求務(wù)必通過設(shè)計階段的預(yù)防措施盡最大可能降低轉(zhuǎn)子失效對飛機造成的傷害。FAA和歐洲航空安全局（EASA）對非包容問題的研究已經(jīng)有了幾十年的歷史和經(jīng)驗，目前制定的一些安全性評估體系日趨成熟完善，一些相關(guān)的軟件也被應(yīng)用到飛機的設(shè)計研制生產(chǎn)當(dāng)中[2]。當(dāng)前我國對非包容轉(zhuǎn)子領(lǐng)域的研究還不夠成熟，核心內(nèi)容只能自主探索，進(jìn)行我國自主的一系列非包容轉(zhuǎn)子問題研究已經(jīng)迫在眉睫?，F(xiàn)有的一些研究主要涉及轉(zhuǎn)子爆破引起的各種事故風(fēng)險分析評估及安全性評估等方面。

本文給出功能危害樹分析方法的風(fēng)險分析方法，結(jié)合算例給出計算流程，分析非包容性轉(zhuǎn)子碎片對燃油系統(tǒng)的影響。

1 國內(nèi)外適航管理文件

1.1 我國適航管理文件

隨著商用飛機的快速發(fā)展，為了不斷提高飛機的安全性，我國頒發(fā)了相關(guān)適航規(guī)章，對減輕非包容性轉(zhuǎn)子爆破造成危害發(fā)揮重要作用，我國適航管理文件見表1。

表1 我國適航管理文件Table 1 China’s airworthiness management documents

1.2 國外適航管理文件

國外民用航空起步早、發(fā)展相對成熟，相應(yīng)的適航管理文件較為完善，已形成較為完整的體系，F(xiàn)AA及EASA為發(fā)動機非包容性轉(zhuǎn)子爆破頒發(fā)了相應(yīng)的適航管理文件，為其他國家提供了很好的借鑒及經(jīng)驗。國外適航管理文件見表2。

表2 國外適航管理文件Table 2 Foreign airworthiness management documents

2 風(fēng)險分析方法

2.1 概念及定義

燃油系統(tǒng)轉(zhuǎn)子非包容性爆破的風(fēng)險評估是指根據(jù)非包容轉(zhuǎn)子的尺寸大小、飛散角、進(jìn)入進(jìn)出角等特性，結(jié)合飛機燃油系統(tǒng)受影響區(qū)域或部件，對引起較高等級失效的受影響部件進(jìn)行風(fēng)險分析評估，判定轉(zhuǎn)子爆破事故風(fēng)險水平是不是超出規(guī)定的允許范圍[3~5]。咨詢通告AC20-128A于1997年發(fā)布[6]，由于非包容性損壞發(fā)生原因[7，8]（如圖1所示）存在不確定性，有必要對飛機燃油系統(tǒng)非包容性爆破所造成的失效風(fēng)險進(jìn)行安全性分析評估。風(fēng)險分析評估要把剩余風(fēng)險定量化，根據(jù)AC20-128A 中的概念定義，需要進(jìn)行以下評估內(nèi)容[6]，如圖 2所示。

圖1 非包容損壞發(fā)生原因Fig.1 Non-inclusive damage causes

不同飛行階段中發(fā)動機失效概率如圖3所示，評估中需要考慮發(fā)動機特性，重要系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)位置，非包容轉(zhuǎn)子的飛散路徑、進(jìn)入進(jìn)出角度，飛行過程中發(fā)生事故所在的階段等因素[9，10]。

圖2 評估內(nèi)容Fig.2 Evaluation content

圖3 每個飛行階段上發(fā)動機失效概率Fig.3 The failure probability of occurrence of engine in each flight phase

2.2 燃油系統(tǒng)風(fēng)險分析步驟

2.2.1 假設(shè)條件

轉(zhuǎn)子問題涉及的系統(tǒng)和部件相當(dāng)復(fù)雜，為了簡化對轉(zhuǎn)子爆破問題的分析、評估流程。AC20-128A對轉(zhuǎn)子非包容性破壞分析做如下幾條假設(shè)[11（]應(yīng)注意不同的飛機型號之間都有或多或少的區(qū)別，相應(yīng)的假設(shè)條件需要根據(jù)具體的飛機狀況與特定環(huán)境而定）：（1）非包容轉(zhuǎn)子爆破將導(dǎo)致無限能量的碎片垂直于發(fā)動機旋轉(zhuǎn)軸飛出（；2）在飛散角涉及到的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子碎片在每個方向上飛出的概率相同；（3）被轉(zhuǎn)子碎片接觸到的目標(biāo)就失去使用價值（；4）轉(zhuǎn)子碎片有非常大的能量，能夠擊穿接觸到的零部件，并且能夠維持原先的飛行軌跡（；5）被轉(zhuǎn)子爆破碎片擊中的設(shè)備失效概率為1；（6）發(fā)生轉(zhuǎn)子爆破時，不發(fā)生其他特定風(fēng)險。

非包容轉(zhuǎn)子從發(fā)動機飛出時在飛散角度范圍內(nèi)發(fā)生的概率假定為平均，因此，碎片撞擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)零部件的概率P等于平移風(fēng)險角度φ的度數(shù)除以360，即P=（2-1）/360。

2.2.2 風(fēng)險分析步驟

結(jié)合某商用飛機的設(shè)計進(jìn)行燃油系統(tǒng)轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險評估，燃油系統(tǒng)轉(zhuǎn)子非包容性損壞風(fēng)險評估的步驟包括[12]：

（1）確定燃油系統(tǒng)事故可能引起的功能危害性；

（2）建立功能危害樹如圖4所示，確定燃油系統(tǒng)的失效區(qū)域和部件；

圖4 功能危害樹Fig.4 Function hazard tree

（3）考慮對燃油系統(tǒng)產(chǎn)生危害的風(fēng)險因子，并計算不同類別轉(zhuǎn)子的每一種危害的風(fēng)險，判斷燃油系統(tǒng)的事故風(fēng)險水平是不是超出規(guī)定的風(fēng)險水平，如圖5所示給出了燃油系統(tǒng)轉(zhuǎn)子破壞的安全性分析評估流程圖。

圖5 燃油箱轉(zhuǎn)子非包容性損壞的安全性分析框圖Fig.5 Safety analysis of uncontained damage of fuel tank rotor

3 算例

本文以某型商用飛機為例，進(jìn)行發(fā)動機非包容轉(zhuǎn)子碎片對燃油系統(tǒng)影響的風(fēng)險評估，該飛機采用的是在兩側(cè)機翼下部吊掛兩臺渦扇發(fā)動機的布局。主要考慮對燃油箱邊界以及關(guān)鍵燃油管路和電纜束的影響，應(yīng)該對所涉及的燃油箱穿透和燃油流失的影響進(jìn)行評估，并制定相應(yīng)的減輕策略。因為不同轉(zhuǎn)子碎片類型的最大尺寸和飛散角狀態(tài)有較大差異，1/3轉(zhuǎn)子碎片飛散角為±3°、中碎片飛散角為±5°、小碎片飛散角為±15°、風(fēng)扇葉片碎片飛散角為±15°。轉(zhuǎn)子碎片與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件接觸時產(chǎn)生的能量大小不一，所以不同大小的轉(zhuǎn)子碎片在不同的飛散角下對燃油系統(tǒng)造成的風(fēng)險水平是不同的，受篇幅所限，本文研究對象為某型商用飛機（如圖6所示），對其發(fā)動機不同轉(zhuǎn)子碎片在5°飛散角飛出所輻射到的受影響范圍（如圖7所示），包括客艙、機翼、燃油箱、發(fā)動機等進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險分析評估。

圖6 某型飛機二維平面簡圖Fig.6 2D plane diagram of a certain type of aircraft

圖7 某型商用飛機非包容轉(zhuǎn)子5°碎片影響區(qū)域Fig.7 A commercial aircraft non-inclusive rotor 5° fragmentation affected area

根據(jù)某型商用飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子5°碎片影響角度范圍以及發(fā)生概率統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表3。經(jīng)過公式計算得出非包容轉(zhuǎn)子碎片導(dǎo)致災(zāi)難性事件后果的概率結(jié)果見表4。

在整個飛行階段導(dǎo)致災(zāi)難性事件的風(fēng)險因子f=0.336[9]。發(fā)生災(zāi)難性事件的概率為：P=f×P。中央翼左非包容性轉(zhuǎn)子碎片致使飛機發(fā)生災(zāi)難性失效的平均概率（發(fā)生在中央翼左側(cè)失效概率的平均）為：（0.010416+0.007056）/2=0.008736。中央翼右非包容性轉(zhuǎn)子碎片致使飛機發(fā)生災(zāi)難性失效的平均概率為：（0.010752+0.00672）/2=0.008736。中央翼非包容性轉(zhuǎn)子碎片致使飛機發(fā)生災(zāi)難性失效的平均概率為：（0.008736+0.008736）/2=0.008736。

表3 5°碎片影響角度范圍和發(fā)生概率Table 3 Angle range and occurrence probability under influence of 5° fragmentation

表4 災(zāi)難性事件后果的概率Table 4 Probability of the consequences of catastrophic events

通過算例驗算得出：發(fā)動機5°非包容轉(zhuǎn)子碎片致使飛機發(fā)生災(zāi)難性失效狀態(tài)的平均概率為0.008736，沒有超過AC20-128A中設(shè)定的0.05的標(biāo)準(zhǔn)，符合適航條例安全飛行的要求。

4 相關(guān)保護措施

不同情況下（轉(zhuǎn)子碎片的大小不確定，飛散角、碰撞角、進(jìn)入進(jìn)出角等不確定）非包容性轉(zhuǎn)子爆破對燃油系統(tǒng)的破壞不一樣，導(dǎo)致的事件后果嚴(yán)重度等級（分為災(zāi)難性的、危險的、較大的、較小的和無安全影響的5個等級[13]）不同。根據(jù)轉(zhuǎn)子爆破對燃油系統(tǒng)產(chǎn)生的風(fēng)險評估結(jié)果，需要特別關(guān)注會對燃油系統(tǒng)造成危險地或災(zāi)難性的失效。因此，為最大程度降低非包容性轉(zhuǎn)子爆破所帶來的危害影響，AC20-128A中列出了能夠采納的設(shè)計保護措施，見表5[6]。

表5 AC20-128A能夠采納的設(shè)計保護措施Table 5 AC20-128A can adopt the design protection measures

5 結(jié)論

本文給出了一種商用飛機發(fā)動機轉(zhuǎn)子爆破對燃油系統(tǒng)影響的風(fēng)險分析方法，以商用飛機燃油系統(tǒng)為例，介紹了非包容轉(zhuǎn)子爆破風(fēng)險水平的分析過程，表明此方法能夠應(yīng)用于該方面問題的分析研究。經(jīng)過風(fēng)險評估，為了盡量避免相關(guān)災(zāi)難性事故的發(fā)生，應(yīng)該在設(shè)計初期就盡量避免較大碎片的產(chǎn)生。通過設(shè)計優(yōu)化，讓非包容性轉(zhuǎn)子碎片的飛散角角度盡量小，這樣對燃油系統(tǒng)尤其是燃油箱的危害就會降至最低，使得燃油系統(tǒng)的安全性得到足夠的保障。并且建立了功能危害樹，有利于對轉(zhuǎn)子碎片風(fēng)險進(jìn)行分析評估，算例驗證了計算結(jié)果符合適航標(biāo)準(zhǔn)，并提出了相應(yīng)的保護措施。

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