基于MSG-3 的民用直升機(jī)系統(tǒng)和動(dòng)力裝置分析技術(shù)研究

曲建東/中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所

0 引言

當(dāng)今世界各國航空公司普遍采用MSG-3 技術(shù)制定計(jì)劃維修要求。計(jì)劃維修要求是航空器投入商業(yè)運(yùn)營的通行證，是用戶制定維修方案和運(yùn)營計(jì)劃的重要依據(jù)。民用航空器計(jì)劃維修要求制定是否合理和科學(xué)，既是民用航空器研制和商業(yè)成功的保證，也是用戶運(yùn)營安全和經(jīng)濟(jì)效益的重要保證。

本文闡述和分析了基于最新版MSG-3 的民用直升機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力裝置分析技術(shù)的流程、方法和準(zhǔn)則等內(nèi)容，并以AC313 直升機(jī)主槳葉MSG-3 分析為例，驗(yàn)證了該技術(shù)方法的有效性和可行性，為國產(chǎn)民用直升機(jī)制定初始計(jì)劃維修要求提供參考，也為用戶進(jìn)一步制定維修方案提供依據(jù)。

1 國內(nèi)外情況

國外先進(jìn)的航空器制造商如波音、貝爾、西科斯基、空客和萊昂納多等公司一直致力于航空器計(jì)劃維修要求制定技術(shù)的研究，紛紛采用MSG-3 方法制定其航空器維修大綱。貝爾429 直升機(jī)是第一款應(yīng)用MSG-3 方法制定計(jì)劃維修要求的國外直升機(jī)型號(hào)。隨后，萊昂納多的AW139 和AW189 直升機(jī)、空客的H175 直升機(jī)也相繼采用了MSG-3 方法制定初始計(jì)劃維修要求并獲得了適航當(dāng)局的批準(zhǔn)。隨著MSG-3 的推廣，國外航空器制造商根據(jù)公司自身的需求開發(fā)了具有公司特色且滿足局方審查要求的計(jì)算機(jī)輔助分析軟件，提高了MSG-3分析工作的效率和分析文檔的質(zhì)量，確保了分析數(shù)據(jù)的可追溯性、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，對維修數(shù)據(jù)管理和技術(shù)狀態(tài)控制發(fā)揮了重要作用。

國內(nèi)企業(yè)在H175 國際合作項(xiàng)目中首次接觸了直升機(jī)MSG-3 技術(shù)。隨著國產(chǎn)民用直升機(jī)研制的快速發(fā)展，AC311 和AC313 兩型機(jī)研制中首次采用MSG-3 方法制定其初始計(jì)劃維修要求，經(jīng)MSG-3 分析制定的主要維護(hù)建議獲得了中國民用航空局（CAAC）的批準(zhǔn)，同時(shí)也開發(fā)了滿足國產(chǎn)直升機(jī)研制和AEG 評審要求的計(jì)算機(jī)輔助分析平臺(tái)。

2 系統(tǒng)和動(dòng)力裝置分析技術(shù)研究

系統(tǒng)和動(dòng)力裝置MSG-3 分析關(guān)注系統(tǒng)功能失效后的安全性、運(yùn)行性和經(jīng)濟(jì)性問題，采用邏輯決斷程序確定系統(tǒng)和動(dòng)力裝置的計(jì)劃維修任務(wù)及其間隔。在系統(tǒng)和動(dòng)力裝置分析方面，最新版MSG-3 標(biāo)準(zhǔn)（2018 版）相比2015 版進(jìn)行的兩處修訂應(yīng)引起分析人員的廣泛關(guān)注。

1）國際維修審查委員會(huì)政策委員會(huì)（IMRBPB）會(huì)議上，貝爾直升機(jī)提交的IP159對MSG-3標(biāo)準(zhǔn)“2-3-1流程圖”進(jìn)行了修訂，區(qū)別如圖1、圖2 所示。

圖1 修訂前流程圖

圖2 修訂后流程圖

2）IMRBPB 會(huì)議上，空客直升機(jī)和國際直升機(jī)協(xié)會(huì)（HAI）提交的IP170在MSG-3 標(biāo)準(zhǔn)“2-1-2.、2-3-2、2-3-7、2-3-8”等章節(jié)中增加了采用新技術(shù)的計(jì)劃健康和使用監(jiān)測（S-HUM，Scheduled Health and Usage Monitoring）任務(wù)及其說明，并在附錄A 中增加了S-HUM 等術(shù)語的定義，意味著S-HUM 任務(wù)列入了計(jì)劃維修任務(wù)類型中并允許被選擇，為及時(shí)探測功能失效和避免過度維修發(fā)揮作用。

2.1 第1 層分析

1）確定重要維修項(xiàng)目（MSI）：采用自上而下的方法，識(shí)別直升機(jī)系統(tǒng)、子系統(tǒng)，直到所有外場可更換單元（LRU）為止。針對每一個(gè)識(shí)別出來的項(xiàng)目進(jìn)行4 個(gè)問題的提問，如果有一個(gè)問題回答為“是”，則該功能項(xiàng)目為MSI 項(xiàng)；如果4 個(gè)問題回答都是“否”，則該項(xiàng)目為非重要維修項(xiàng)（Non-MSI）。

圖3 FEC確定程序圖

這4 個(gè)問題是：

a.失效對履行正常職責(zé)的運(yùn)行機(jī)組來說是不可探測或不太可能探測的嗎？

b.失效影響安全（地面或飛行中）嗎？包括安全/應(yīng)急系統(tǒng)或者設(shè)備。

c.失效有重大的運(yùn)行影響嗎？

d.失效有重大的經(jīng)濟(jì)影響嗎？

2）評估每一個(gè)MSI 項(xiàng)的功能、功能失效、失效影響和失效原因：分析人員應(yīng)以直升機(jī)功能危險(xiǎn)分析（FHA）和故障模式影響及危害性分析（FMECA）等安全性文件作為輸入開展分析評估。

3）確定MSI 項(xiàng)目的失效影響類別（FEC）：對每一個(gè)MSI 項(xiàng)目的每一個(gè)功能失效產(chǎn)生的失效影響，通過邏輯決斷程序確定其FEC（見圖3），為第2層分析提供輸入。FEC 數(shù)字代碼的含義：“5”表示明顯的安全性影響、“6”表示明顯的運(yùn)行性影響、“7”表示明顯的經(jīng)濟(jì)性影響、“8”表示隱蔽功能的安全性影響、“9”表示隱蔽功能的非安全性影響。

2.2 補(bǔ)充分析

對于非旋翼和傳動(dòng)系統(tǒng)的MSI，則直接進(jìn)入第2 層分析；對于FEC 是5或8 類的旋翼和傳動(dòng)系統(tǒng)且傳遞飛行或控制載荷的MSI，則進(jìn)行補(bǔ)充分析。按照MSG-3 結(jié)構(gòu)分析程序補(bǔ)充偶然損傷（AD）、環(huán)境惡化（ED）分析。實(shí)際上，直升機(jī)收放式起落架裝置和飛行操縱機(jī)構(gòu)等既有系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的特征，有系統(tǒng)功能，又傳遞載荷，因此期待下一個(gè)版本的MSG-3 標(biāo)準(zhǔn)能有新的解釋說明或解決措施。

2.3 第2 層分析

1）針對第1 層分析確定的每一個(gè)FEC 涉及的每一個(gè)失效原因所關(guān)聯(lián)的零部件，通過邏輯決斷程序選擇適用且有效的計(jì)劃維修任務(wù)，如表1 所示。

表1 的填寫說明如下。

a. FEC 代碼5：明顯的安全性影響，表中所有問題（除隱蔽的功能失效外）都必須被提問，如果通過該類型分析沒有產(chǎn)生有效的任務(wù)，則最終必須強(qiáng)制重新設(shè)計(jì)。

b. FEC 代碼6：明顯的運(yùn)行性影響，要求回答第一個(gè)問題（潤滑或勤務(wù)），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應(yīng)進(jìn)入下一個(gè)問題。從下一個(gè)問題開始，如果回答“是”，則分析結(jié)束，所得到的任務(wù)即為所需選擇的計(jì)劃維修任務(wù)；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務(wù)。如果運(yùn)行性影響是嚴(yán)重的，則可以要求重新設(shè) 計(jì)。

表1 系統(tǒng)和動(dòng)力裝置計(jì)劃維修任務(wù)選擇表

c. FEC 代碼7：明顯的經(jīng)濟(jì)性影響，要求回答第一個(gè)問題（潤滑或勤務(wù)），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應(yīng)進(jìn)入下一個(gè)問題。從下一個(gè)問題開始，如果回答“是”，則分析結(jié)束，所得到的任務(wù)即為所需選擇的計(jì)劃維修任務(wù)；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務(wù)。如果經(jīng)濟(jì)性影響非常嚴(yán)重，則可以要求重新設(shè)計(jì)。

d. FEC 代碼8：隱蔽功能的安全性影響，表中所有問題都必須被提問，如果沒有有效的任務(wù)，除非基于設(shè)計(jì)原理在分析中能夠判斷沒有任務(wù)選擇是可接受的（如自測試的存在），否則強(qiáng)制重新設(shè)計(jì)。

表2 計(jì)劃維修任務(wù)確定準(zhǔn)則表

e. FEC 代碼9：隱蔽功能的非安全性影響，要回答第一個(gè)問題（潤滑或勤務(wù)），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應(yīng)進(jìn)入下一個(gè)問題。從下一個(gè)問題開始，如果回答“是”，則分析結(jié)束，所得到的任務(wù)即為所需選擇的計(jì)劃維修任務(wù)；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務(wù)，如果運(yùn)行性或經(jīng)濟(jì)性的損失是非常嚴(yán)重的，則可以要求重新設(shè)計(jì)。

2）選擇計(jì)劃維修任務(wù)時(shí)，表2 給出了適用性和有效性的判定準(zhǔn)則。

3）確定任務(wù)間隔

基于可用數(shù)據(jù)和良好的工程判斷為每一項(xiàng)維修任務(wù)確定最合適的間隔。在缺少關(guān)于失效率和失效特征的特定數(shù)據(jù)的情況下，維修任務(wù)的間隔很大程度上基于相似系統(tǒng)和部件的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)來確定。所以說，確定最佳間隔所需的數(shù)據(jù)和信息通常在直升機(jī)投入運(yùn)營后才能獲取。因此，很多情況下，分析人員會(huì)使用相同或相似項(xiàng)目的運(yùn)營數(shù)據(jù)作為確定任務(wù)間隔的指導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和供應(yīng)商提供的可用數(shù)據(jù)也是確定任務(wù)間隔的重要依據(jù)。

3 分析樣例

3.1 系統(tǒng)描述

AC313 直升機(jī)主槳葉通過槳葉銷與主槳轂相連，主槳轂與主減速器的主軸之間通過花鍵連接，主槳轂與自動(dòng)傾斜器通過兩個(gè)扭力臂和六個(gè)變距拉桿連接。

主槳葉采用先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，為模壓共固化一次成型，主槳葉典型剖面采取多閉腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了主槳葉的力學(xué)特性和損傷容限能力，主槳葉根部通過兩個(gè)快卸銷與槳轂接頭連接。

3.2 功能描述

AC313 直升機(jī)主槳葉功能：

1）產(chǎn)生直升機(jī)所需的升力，功能編號(hào)為F62-10-1。

2）提供主槳葉靜電和雷電防護(hù)，功能編號(hào)為F62-10-2。

3.3 失效、影響和原因分析

以AC313 直升機(jī)主槳葉FMEA 報(bào)告為輸入，開展主槳葉的功能失效、影響和原因分析，如表3 所示。

3.4 第1 層分析

針對功能F62-10-1 和F62-10-2，對其進(jìn)行4 個(gè)問題的提問，按照MSG-3標(biāo)準(zhǔn)給出的邏輯決斷程序確定其FEC 代碼。其中，圖4 中得出了功能F62-10-1的FEC 代碼為5；圖5 中得出了功能F62-10-2 的FEC 代碼為8。

3.5 補(bǔ)充AD、ED 分析

主槳葉屬于旋翼系統(tǒng)部件，F(xiàn)EC 為5 類和8 類，且傳遞載荷，按照分析流程，需補(bǔ)充AD 和ED 分析。主槳葉完全暴露在外部環(huán)境，易受環(huán)境腐蝕，裝卸搬運(yùn)或維修時(shí)產(chǎn)生的偶然損傷易導(dǎo)致主槳葉產(chǎn)生裂紋或開膠甚至斷裂，影響直升機(jī)的飛行穩(wěn)定性及安全。

表3 AC313直升機(jī)主槳葉功能失效、影響和原因分析表

圖4 功能F62-10-1 FEC分析圖

圖5 功能F62-10-2 FEC分析圖

表4 AC313直升機(jī)主槳葉計(jì)劃維修任務(wù)匯總表

3.6 第2 層分析

在第1 層分析和補(bǔ)充分析后，開展第2 層分析，針對主槳葉FEC 涉及的每一個(gè)失效原因所關(guān)聯(lián)的零部件，按照表2 給出的判斷準(zhǔn)則選擇適用且有效的計(jì)劃維修任務(wù)。

3.7 維修任務(wù)匯總

對主槳葉的補(bǔ)充分析和第2 層分析得出的全部計(jì)劃維修任務(wù)進(jìn)行合并（見表4）。對于那些存在重疊的任務(wù)，以其更短檢查間隔的維修任務(wù)作為初始計(jì)劃維修要求為妥，這也是基于安全的考慮。當(dāng)然，為降低維修成本，制造廠應(yīng)依據(jù)投入運(yùn)營后外場反饋的使用與維修數(shù)據(jù)不斷優(yōu)化計(jì)劃維修方案。

4 結(jié)論

本文基于最新版MSG-3 標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)和動(dòng)力裝置程序，結(jié)合AC311 和AC313 直升機(jī)研制中成功應(yīng)用MSG-3的型號(hào)經(jīng)驗(yàn)，梳理并提煉了基于MSG-3的民用直升機(jī)系統(tǒng)與動(dòng)力裝置分析技術(shù)的流程、方法和準(zhǔn)則，并以AC313直升機(jī)主槳葉的MSG-3 分析為例，驗(yàn)證了該技術(shù)方法的有效性和可行性。本論文的方法可以為國產(chǎn)民用直升機(jī)制定初始計(jì)劃維修要求提供參考，為用戶進(jìn)一步制定維修方案提供依 據(jù)。