直升機(jī)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的編制要求的研究

李春秀 陳圣斌

摘? 要：該文基于以往直升機(jī)型號可靠性設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)提出了直升機(jī)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則的編寫要求。其目的在型號設(shè)計中，能夠編制符合型號要求的直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，消除或減少包括直升機(jī)本身、以及人的失誤和環(huán)境影響造成的故障和事件，從而提高直升機(jī)飛行的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：直升機(jī);人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng);設(shè)計準(zhǔn)則

中圖分類號：V21? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 概述

以往的直升機(jī)可靠性設(shè)計通常研究的是直升機(jī)本身的可靠性，為了簡化研究分析工作，往往都假定人的工作是可靠的，也就是忽略空勤、地勤人員在直升機(jī)使用維護(hù)過程中對直升機(jī)的影響，但研究中發(fā)現(xiàn)：

a） 直升機(jī)的飛行事故中，由于人為操作失誤引發(fā)的事故高達(dá)70%，其中有20%左右的事故是由于設(shè)計差錯/缺陷引起的人的失誤造成的。

b） 直升機(jī)的飛行事故中，也有高達(dá)20～30%是相關(guān)人員在維修中的差錯造成的。

c） 由于人的失誤引起直升機(jī)的故障時有發(fā)生，據(jù)以往型號故障統(tǒng)計，有約20%的故障是人的失誤造成的。

顯然，直升機(jī)飛行安全和可靠性的主宰因素—人對直升機(jī)使用維修保障的影響是不能疏忽的。

另外，外部環(huán)境對直升機(jī)飛行的影響，盡管設(shè)計中已廣受設(shè)計人員的關(guān)注，但是統(tǒng)計表明，由于環(huán)境，象雷電、地面障礙物、飛鳥等造成直升機(jī)飛行事故約5%，環(huán)境變化造成的直升機(jī)故障約20%～30%。因此，直升機(jī)必須作為“人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)”進(jìn)行分析研究，這樣才能完整、全面地揭示直升機(jī)可靠性安全性的相應(yīng)特征。

作為系統(tǒng)工程，直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)除了進(jìn)行可靠性分析和可靠性計算之外，通常應(yīng)根據(jù)以往型號的設(shè)計經(jīng)驗和教訓(xùn)，建立直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，以便指導(dǎo)設(shè)計人員將可靠性要求轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計特征并融入方案設(shè)計中，在設(shè)計評審時，應(yīng)用設(shè)計準(zhǔn)則來檢查驗證和確定可靠性設(shè)計的符合性。

在以往的型號設(shè)計中，也都制定了相應(yīng)型號的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，但是這些準(zhǔn)則存在不全面性，不能很好地指導(dǎo)設(shè)計。從直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的角度來看，這些準(zhǔn)則存在的問題是：

a） 以往型號的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則所設(shè)定的條款內(nèi)容和要求，它關(guān)心的僅是直升機(jī)本身的可靠性設(shè)計要求，對于“人的可靠性設(shè)計”和“環(huán)境的可靠性設(shè)計”，它往往是泛泛而談，沒有詳細(xì)具體的要求和規(guī)定。這些準(zhǔn)則中往往是說“設(shè)計中要考慮人的因素以防人的差錯影響直升機(jī)的可靠性及安全性”等，這樣的要求，因為過于抽象空洞，往往會使設(shè)計人員在直升機(jī)設(shè)計中難以實施和操作，因此對于人與環(huán)境方面的約束準(zhǔn)則也沒有具體的措施。

b） 以往可靠性設(shè)計準(zhǔn)則所提出的要求，有許多條款是空洞泛散的要求，沒有提出量化的指標(biāo)來規(guī)定，以至于在設(shè)計中也是看設(shè)計師個人理解。象“電纜與運(yùn)動部件、液壓管路、燃油管路、操縱線系要保持足夠的距離，以防電纜與這些部件、管路發(fā)生碰撞和摩擦?！憋@然，“足夠的距離”是一模糊的要求，設(shè)計中難以掌握，無法確定。

該文基于對上述問題的認(rèn)識和體會，并根據(jù)以往型號可靠性設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)，提出了直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的編寫目的及編寫要求，為下一步對保證性設(shè)計準(zhǔn)則的編寫奠定了夯實的基礎(chǔ)。

1 可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的編寫目的

可靠性設(shè)計準(zhǔn)則是根據(jù)以往直升機(jī)型號設(shè)計的經(jīng)驗和教訓(xùn)，加以總結(jié)提高形成的可靠性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指南文件以供設(shè)計人員使用，其目的是：

a） 以可靠性設(shè)計準(zhǔn)則為依據(jù)，將型號的人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的可靠性要求轉(zhuǎn)化為圖樣設(shè)計措施，即把可靠性要求設(shè)計到直升機(jī)和其各個系統(tǒng)之中。

b） 以可靠性設(shè)計準(zhǔn)則為指南，使型號的可靠性設(shè)計與直升機(jī)圖樣設(shè)計同步進(jìn)行，即使直升機(jī)的圖樣設(shè)計與可靠性設(shè)計相互有機(jī)地結(jié)合，解決可靠性設(shè)計與圖樣設(shè)計“兩張皮”的問題。

c） 以可靠性設(shè)計準(zhǔn)則為標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計評審中，用以檢查、驗證和審定各系統(tǒng)及整機(jī)可靠性設(shè)計與準(zhǔn)則的符合性。

總之，在型號設(shè)計中，遵循直升機(jī)人—機(jī)—環(huán)境系統(tǒng)的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，消除或減少包括直升機(jī)本身、以及人的失誤和環(huán)境影響造成的故障和事件，從而提高直升機(jī)飛行的可靠性和安全性。

2 可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的編寫要求

為了實現(xiàn)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的編寫目的，顯然，編寫一份完整、全面、易于實用操作的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則是非常重要的，為此，編制可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的要求如下：

2.1 準(zhǔn)則應(yīng)反映直升機(jī)的特點(diǎn)

a）? 旋翼和傳動裝置等動部件是有別于固定翼飛機(jī)的特有部件，它們的性能直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全，是直升機(jī)可靠性的關(guān)鍵件。

b）? 直升機(jī)通常在低于6 000 m的飛行高度飛行，高性能的武裝直升機(jī)要求貼地飛行。因此其飛行環(huán)境非常嚴(yán)酷，它有可能遭受雷電和高強(qiáng)度輻射場損傷、復(fù)雜地形的不利影響以及高壓電纜的飛行阻礙。這種飛行環(huán)境嚴(yán)重地危及飛行安全。

c）? 直升機(jī)操縱系統(tǒng)控制復(fù)雜，不僅有駕駛桿、腳蹬，而且還有旋翼操縱的總距桿、變距桿，這種多方位操縱控制方式大大增加了空勤人員的工作負(fù)擔(dān)，很容易因為操作不當(dāng)引起人為失誤，造成嚴(yán)重后果。

因此，在型號的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則中，應(yīng)根據(jù)直升機(jī)上述的獨(dú)有特征，提出相應(yīng)的設(shè)計要求。

對于主旋翼脫落提出了如下的設(shè)計要求：

a）? 雙載荷通道的主旋翼轂。

b）? 雙載荷通道主旋翼槳葉緊固銷。

c）? 復(fù)合材料的主旋翼轂。

又如，對于尾旋翼操縱的喪失，提出了如下設(shè)計措施：

a）? 尾伺服機(jī)構(gòu)采用雙液壓源供壓。

b）? 尾伺服操縱運(yùn)行，使用復(fù)合材料拉桿代替操縱線系。

c）? 使用雙鎖定自保持螺栓進(jìn)行操縱運(yùn)行連接。

2.2 準(zhǔn)則應(yīng)反映直升機(jī)的型號特點(diǎn)

眾所周知，不同的型號具有不同的功能和結(jié)構(gòu)。所以，必須根據(jù)每個直升機(jī)型號的特點(diǎn)編寫可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，因此不可能有一篇通用的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，設(shè)計師可以根據(jù)自己型號特點(diǎn)任務(wù)需求更改相應(yīng)條款。

在以往的型號設(shè)計中，不論是什么樣的型號，或者說無論是教練機(jī)、武裝機(jī)、搜索救護(hù)機(jī)，還是運(yùn)輸機(jī)等都采用相同或相似的可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，結(jié)果是：

a）? 有些條款要求不適用于某一具體型號的可靠性設(shè)計。

b）? 有些條款要求對某一具體型號的設(shè)計要求不具體，也不完整，甚至于根本沒有提出相應(yīng)要求。

總之，必須根據(jù)型號特點(diǎn)編制相應(yīng)設(shè)計準(zhǔn)則，這樣才能有效地指導(dǎo)型號的可靠性設(shè)計。

2.3 準(zhǔn)則應(yīng)將可靠性要求轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計措施

a）? 為滿足任務(wù)可靠性要求，許多直升機(jī)系統(tǒng)都采用余度設(shè)計。有些直升機(jī)具有2個主電源系統(tǒng)，任一主電源故障，另一主電源仍能滿足全機(jī)供電要求。

b）? 為了滿足基本可靠性要求，減少故障發(fā)生，許多電子、電氣部件采用降額設(shè)計。

c）? 新一代武裝直升機(jī)為減少手動輸入信息的差錯，采用語音輸入代替手動輸入。

2.4 準(zhǔn)則應(yīng)將可靠性分析計算中發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計要求

在FMEA工作中，對于所發(fā)現(xiàn)的滑油系統(tǒng)故障，在其設(shè)計準(zhǔn)則中提出如下要求：

a）? 必須采取雙套獨(dú)立的滑油系統(tǒng)。

b）? 座艙中必須有滑油油面指示系統(tǒng)。

c）? 減速器應(yīng)具有30分鐘的干運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

d） 應(yīng)無外置和易損傷的滑油管路。

又如通過雷電/高強(qiáng)度輻射場保護(hù)系統(tǒng)分析，提出了如下的設(shè)計要求：

a）? 電源系統(tǒng)采用高頻濾波器。

b）? 采用隔離變壓器;c）? 采用光-電隔離器。

2.5 準(zhǔn)則應(yīng)歸納總結(jié)直升機(jī)可靠性設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)

準(zhǔn)則編寫應(yīng)收集以往型號直升機(jī)可靠性設(shè)計的經(jīng)驗教訓(xùn)，經(jīng)分析、提煉、歸納和總結(jié)轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計要求。

應(yīng)該說，這是當(dāng)前可靠性設(shè)計工作的薄弱環(huán)節(jié)，目前，多種型號的直升機(jī)都在外場使用，它們存在許多可靠性設(shè)計問題、或者經(jīng)驗教訓(xùn)。但往往缺少設(shè)計師真正的認(rèn)真的沉淀、思考、分析、歸納和總結(jié)并將之轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計準(zhǔn)則，在以后的型號研制中能夠得到解決。象，艙門由于艙門與艙門框體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度不相協(xié)調(diào)，造成直升機(jī)振動引發(fā)的兩者變形不相一致，使艙門意外打開。

對于上面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，新研直升機(jī)的設(shè)計準(zhǔn)則中增加了如下要求：在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)使艙門與艙門框體的強(qiáng)度、剛度和變形相一致以防它們這些性能差異造成艙門意外打開。

2.6 準(zhǔn)則編寫應(yīng)消化提煉國外設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指南的相關(guān)要求

準(zhǔn)則編寫應(yīng)認(rèn)真消化、學(xué)習(xí)國外的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（如MIL-STD-1472F等），通過對比分析，提煉裁剪，將相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計準(zhǔn)則。

在MIL-STD-1472F的“為維修人員的設(shè)計”所提出的防差錯設(shè)計的措施，可以轉(zhuǎn)化為直升機(jī)人-機(jī)接口的可靠性設(shè)計要求。即：

a）? 防止外形相同或相似但功能不同且不能互換零部件被互換的結(jié)構(gòu)設(shè)計措施。

b）? 防止零部件錯誤安裝的結(jié)構(gòu)措施。

c）? 使可互換的零部件易于識別和互換的設(shè)計措施。

d）? 使零部件易于正確安裝的設(shè)計措施。

2.7 準(zhǔn)則應(yīng)滿足“工程化、具體化、實用化”的要求

可靠性設(shè)計準(zhǔn)則是為型號可靠性設(shè)計而編寫的標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)性文件。它不僅提出要做什么，而且提出應(yīng)如何做，即對型號的可靠性設(shè)計提出具體的實施辦法。這樣，使設(shè)計人員在實際工作中易于掌握和操作，從而將可靠性設(shè)計要求轉(zhuǎn)化為可靠性設(shè)計的具體實施措施。

限于篇幅，對于準(zhǔn)則應(yīng)滿足“工程化、具體化、實用化”的要求，請參見參考文獻(xiàn)“直升機(jī)人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)可靠性工程技術(shù)研究”第七篇專題報告：可靠性設(shè)計分析評估準(zhǔn)則的編制與應(yīng)用研究。

3 結(jié)論

通過上面的研究分析可以得出：

a）直升機(jī)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的內(nèi)容，不僅包括直升機(jī)本身的要求，而且應(yīng)包括“人的因素”及“外部環(huán)境條件”對直升機(jī)安全性可靠性影響的相關(guān)設(shè)計要求。

b）直升機(jī)可靠性設(shè)計準(zhǔn)則編寫，必須符合直升機(jī)的特點(diǎn)和直升機(jī)型號的特點(diǎn)，并滿足“工程化、具體化和實用化”的三原則編寫要求。

c）可靠性設(shè)計準(zhǔn)則的貫徹實施，不僅要進(jìn)行符合性的檢查、分析，找出未能滿足要求的設(shè)計缺陷/差錯，最為重要的要對條款內(nèi)容進(jìn)行分析，找出相應(yīng)的設(shè)計措施，并將設(shè)計措施轉(zhuǎn)化為圖樣設(shè)計。

參考文獻(xiàn)

[1]陳圣斌，郝宗敏.直升機(jī)性能與RMS綜合一體化設(shè)計的研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2006（4）：23-29.

[2]陳圣斌，周曉光，曾曼成.可靠性設(shè)計分析、評估準(zhǔn)則的編制與應(yīng)用研究[R].中航工業(yè)直升機(jī)所，2010.