民用飛機功能可靠性評估方法

楊學(xué)蕊

摘 要

運營可靠性是航空企業(yè)可靠性設(shè)計中最核心的指標(biāo)之一，提高民機可靠性可以降低研制成本和運營費用。為了達(dá)到這一目標(biāo)，需要研究一種方法能夠在設(shè)計階段有效控制運營可靠性指標(biāo)。因此，從功能失效狀態(tài)入手，借鑒功能危險性評估的工作理念，提出分解和驗證運營可靠性指標(biāo)的方法和流程，提高飛機投入市場后的運營可靠度，增強市場競爭力。

關(guān)鍵詞

可靠性;運營可靠性;功能危險性評估;功能可靠性評估

中圖分類號： V267 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 56

0 引言

民用飛機具有周期長、復(fù)雜度高、市場競爭激烈、重視成本及運營經(jīng)濟(jì)性等特點[1]，因此民機的運營可靠性是最受業(yè)界和航空公司關(guān)注的指標(biāo)之一，也是民機可靠性設(shè)計中最核心的指標(biāo)之一。運營可靠度是與運營可靠性有直接關(guān)聯(lián)的可靠性指標(biāo)，現(xiàn)階段國內(nèi)設(shè)計工作中對該指標(biāo)的設(shè)計實現(xiàn)方式，是從確定整機運營可靠度開始，然后依據(jù)工程經(jīng)驗向系統(tǒng)、設(shè)備進(jìn)行分解分配，之后再反向預(yù)計，迭代修改分配結(jié)果。通過型號工作發(fā)現(xiàn)，該方法對飛機的設(shè)計不是一種正向指導(dǎo)性設(shè)計，在設(shè)計階段對提出的運營可靠性指標(biāo)進(jìn)行控制和驗證時，比較困難，在設(shè)計階段對指標(biāo)實現(xiàn)工作的管控力度欠缺且方法單一，造成在飛機投入運營后才暴露出運營可靠度低的問題，使運營成本增加，直接影響了飛機的市場競爭力。

因此有必要研究一種在設(shè)計階段提高飛機運營可靠度的設(shè)計方法。通過廣泛調(diào)研并參考SAE ARP 4754A[2]、國際同行做法等工作，本文提出了功能可靠性評估（FRA）方法，該方法從功能失效狀態(tài)入手，借鑒功能危險性評估（FHA）工作理念[3-4]，在設(shè)計階段提出明確的可靠性定量要求，通過故障樹分析（FTA）和失效模式與影響分析（FMEA）等手段，對影響運營可靠性的設(shè)備失效率進(jìn)行直接控制，提高飛機的運營可靠度。

1 功能可靠性評估方法

功能可靠性評估（FRA）是基于功能危險性評估（FHA）開展的運營可靠性分析方法。FHA單純從安全性影響的角度考慮，使本來應(yīng)該作為最低設(shè)計目標(biāo)（滿足適航要求）的安全性設(shè)計目標(biāo)，成了我們的一般設(shè)計要求。但有些失效狀態(tài)雖然安全性影響不大，但會造成飛機不能簽派或在空中備降，這會大大增加航空公司的運營成本，因此需要嚴(yán)格控制這類失效狀態(tài)的發(fā)生概率。FRA就是在FHA基礎(chǔ)上綜合考慮可靠性、維修性等因素，給出一個更加嚴(yán)酷的設(shè)計目標(biāo)，以增強飛機投入運營之后的市場競爭力，樹立良好的市場口碑。

FRA是一個自上而下的分析方法，關(guān)鍵是確定功能和失效狀態(tài)并評估其影響。由于FHA已經(jīng)確定了飛機和系統(tǒng)功能和相關(guān)的失效狀態(tài)，因此，F(xiàn)RA以FHA為基礎(chǔ)，確定各失效狀態(tài)對運營的影響，主要包括以下內(nèi)容：

（1）識別需要分析的失效狀態(tài);

（2）分析失效狀態(tài)對飛機運營的影響;

（3）確定失效狀態(tài)的可靠性影響等級;

（4）確定每一個可靠性影響等級對應(yīng)的概率要求;

（5）提出用于驗證失效狀態(tài)要求的符合性方法。

1.1 識別需要分析的失效狀態(tài)

基于FHA建立的飛機/系統(tǒng)失效狀態(tài)清單，識別需要進(jìn)行功能可靠性評估的失效狀態(tài)?？筛鶕?jù)失效狀態(tài)的安全性和可靠性影響等級對應(yīng)的概率要求來進(jìn)行篩選，例如，假設(shè)安全性HAZ類的概率要求比可靠性最高等級的要求還要嚴(yán)格，那么可以只篩選出安全性影響等級為MAJ、MIN、NSE類的失效狀態(tài)來進(jìn)行功能可靠性評估。識別后的失效狀態(tài)列表如表1所示。

1.2 分析失效狀態(tài)對飛機運營的影響

進(jìn)行功能可靠性評估應(yīng)確定各失效狀態(tài)對飛機運營的影響，可以從失效狀態(tài)對飛機、機組和乘客的影響，機組發(fā)覺方式，機組/維修措施和采取措施后的飛機狀態(tài)等幾個方面進(jìn)行分析判斷，如失效狀態(tài)是否會導(dǎo)致飛機不能準(zhǔn)時簽派，是否會導(dǎo)致飛機飛行狀態(tài)發(fā)生改變，是否對機組成員身體造成傷害，是否對乘客身體造成傷害，以及是否降低了乘客的舒適度等。失效狀態(tài)的影響分析也應(yīng)包括駕駛員發(fā)現(xiàn)失效狀態(tài)的方式以及駕駛員針對失效狀態(tài)可采取的應(yīng)急措施。分析示例如表2所示。

在對每一條失效狀態(tài)進(jìn)行分析時，可參考以下原則：

（1）飛行階段。如果同一功能故障在不同階段對飛機或人員產(chǎn)生的影響不同，則在分析中要分別列出。

（2）飛行安全。如果再發(fā)生一個相關(guān)聯(lián)的失效狀態(tài)，是否會導(dǎo)致災(zāi)難性事件發(fā)生？如果是，則機組需要執(zhí)行緊急降落或返場等操作，該航班無法完成本次飛行任務(wù)。

（3）乘客舒適度。發(fā)生該失效狀態(tài)后，考慮最嚴(yán)酷情況，是否會超出乘客的生理承受極限？如果是，則簽派員會做出不準(zhǔn)許放行的指令，或者機組需要執(zhí)行緊急降落或返場等操作，該航班無法完成本次飛行任務(wù)。

（4）機組決策。機組對失效狀態(tài)的處置程序如圖1。機組通常首先由系統(tǒng)警告得知失效狀態(tài)的發(fā)生，此時機組首先要做的并不是對故障做出處理，而是首先要確保自己獲得飛機的控制權(quán)，并且保持飛機的航徑穩(wěn)定。機組需要控制或監(jiān)控飛機的姿態(tài)，確保飛機按照正確的姿態(tài)、坡度、空速、推力飛行。在此基礎(chǔ)上，按照訓(xùn)練和手冊要求執(zhí)行檢查單進(jìn)行故障處置。在執(zhí)行檢查單后，機組將對失效是否需要飛行中斷做出判斷，除飛行手冊明確寫明“盡快著陸”之外，機組往往不會直接做出飛行中斷的決策，而是與公司溝通，在充分分析當(dāng)前狀況的情況下做出是否中斷的決定，以便盡可能減少航空公司的損失。

（5）機務(wù)決策。發(fā)生故障后飛機放行操作流程如圖2所示。DOM手冊里確定為GO和GO IF的失效狀態(tài)，在滿足條件要求的情況下可以帶故障飛行，不會影響本次飛行任務(wù)，但如果是NO GO項，或者不滿足限制條件，那么飛機不會被放行。這時，需要進(jìn)行維修，那么需要考慮是否能在過站時間+15分鐘內(nèi)修復(fù)完畢？如果不能，則可能導(dǎo)致航班延誤甚至取消。

1.3 確定失效狀態(tài)的可靠性影響等級

應(yīng)根據(jù)失效狀態(tài)對飛機運營的影響程度，確定失效狀態(tài)的可靠性影響等級。一般可分為3類：飛行中斷（FI）、簽派中斷（DI、無運營影響（NOE）。各影響等級的影響描述如表3所示。

根據(jù)表3對失效狀態(tài)可靠性影響的分析，對照表4的影響等級，可以得出失效狀態(tài)對應(yīng)的可靠性影響等級判斷結(jié)果，如表4所示。

1.4 確定可靠性影響等級對應(yīng)的概率要求

失效狀態(tài)的可靠性影響等級對應(yīng)的概率要求由可靠性頂層設(shè)計要求決定，不同機型會有所不同。假設(shè)在空中飛機級可靠性設(shè)計目標(biāo)是99.98%，那么飛行中斷這一失效發(fā)生的飛機級設(shè)計目標(biāo)即為2×10-4/起落，假設(shè)全機有一百個導(dǎo)致飛行中斷的失效狀態(tài)，根據(jù)公式（1）。

計算可得，飛行中斷在失效狀態(tài)層級的概率要求即為2×10-6/起落，再假設(shè)平均航段時間為10小時，則飛行中斷在失效狀態(tài)層級的概率要求即為2×10-7/飛行小時。同樣可得到簽派中斷這一影響等級的失效狀態(tài)層級概率要求。表5給出了某型民用飛機失效狀態(tài)的可靠性影響等級和概率要求的對應(yīng)關(guān)系。

1.5 提出符合性驗證方法

開展功能失效分析，列出功能清單，分析每一功能可能對運營產(chǎn)生的影響，根據(jù)失效狀態(tài)影響等級確定可靠性設(shè)計目標(biāo)，及失效分析的深度和分析方法：針對影響等級為空中中斷和地面中斷的失效狀態(tài)，應(yīng)該采用FTA及FMEA進(jìn)行定量分析;針對影響等級為無運營影響的失效狀態(tài)，可以通過設(shè)計和安裝評估進(jìn)行驗證。最后，給出驗證結(jié)論，針對不滿足可靠性要求的情況采取改進(jìn)措施或重新設(shè)計。

2 優(yōu)化方法

通過對功能可靠性評估指標(biāo)的驗證，有些功能失效狀態(tài)無法達(dá)到要求，這種情況下，可以通過以下方式進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化：

（a）提高設(shè)備或組件的固有可靠性，如通過高加速壽命試驗（HALT）和高加速盈利篩選（HASS）等可靠性試驗增加設(shè)備或組件的MTBF值。

（b）提高維修效率，優(yōu)化維修程序，縮短維修時間。

（c）修改MMEL清單[5]，如減少NO GO項數(shù)量，增加MMEL項的維修周期等。

3 總結(jié)

運營可靠性是國際民航運輸行業(yè)衡量機隊/飛機運營效率的最重要的參數(shù)之一。本文以功能失效狀態(tài)為分析對象，提出了功能可靠性評估方法，可以在設(shè)計階段對影響運營的設(shè)備失效率進(jìn)行直接控制，提高了運營可靠度，增強了我國民用飛機的市場競爭力，為后續(xù)型號應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]Prasad VR， TillmanFA， HwangCL. Optimal Reliability Design： Fundamentals and Applications [D].Cambridge University Press， 2001.

[2]SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and System[S]. SAE International， 2010.

[3]李偉，鄭智明.民用飛機安全性分析研究[J].科技咨詢，2015，19：49-50.

[4]賀娜.民用飛機系統(tǒng)功能危險性評估[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14（8）：49-51.

[5]包麗，韓冰冰，包健波.民用飛機初始主最低設(shè)備清單的制定[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（10）：55-58.