基于安全性分析的民用飛機(jī)襟翼傾斜探測(cè)設(shè)計(jì)

謝 劍，徐向榮

(中國(guó)商用飛機(jī)有限責(zé)任公司上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)

現(xiàn)代民用飛機(jī)的設(shè)計(jì)特別重視安全性，飛機(jī)的安全運(yùn)營(yíng)成為飛機(jī)設(shè)計(jì)的首要考慮因素。各國(guó)適航監(jiān)管部門(mén)將飛機(jī)的安全作為飛機(jī)設(shè)計(jì)的最低要求，所有能夠運(yùn)營(yíng)的民用飛機(jī)均應(yīng)取得由適航部門(mén)頒發(fā)的各種適航資格證。民用飛機(jī)主制造商必須將安全性分析的理念貫穿飛機(jī)設(shè)計(jì)的全生命周期，F(xiàn)AR25.1309、CCAR25.1309等明確規(guī)定，飛機(jī)系統(tǒng)與有關(guān)部件的設(shè)計(jì)，發(fā)生任何妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全飛行與著陸失效狀態(tài)的概率必須為極不可能，發(fā)生任何降低飛機(jī)能力或機(jī)組處理不利運(yùn)行條件能力的其他失效狀態(tài)的概率為不可能[1-3]。

對(duì)于飛機(jī)各個(gè)復(fù)雜機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于安全性評(píng)估的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種通用并強(qiáng)制的方法，ARP4761提供了一套詳細(xì)的機(jī)載系統(tǒng)安全性評(píng)估流程[4-5]。如何按照ARP4761的規(guī)定，將安全性分析與評(píng)估貫穿至設(shè)計(jì)并改進(jìn)設(shè)計(jì)成為民用飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。本文以民用飛機(jī)襟翼系統(tǒng)傾斜構(gòu)架設(shè)計(jì)為例，探討了一套基于安全性分析的民用飛機(jī)襟翼系統(tǒng)傾斜方案設(shè)計(jì)方法。

1 民用飛機(jī)襟翼傾斜的條款要求和安全性影響

1.1 民用飛機(jī)襟翼傾斜的條款要求

相關(guān)適用性條款主要包括兩條：

第一條，F(xiàn)AA,EASA,CCAR 25.571(a)。主要針對(duì)襟翼結(jié)構(gòu)及舵面，要求飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)該：“An evaluation of the strength must show that catastrophic failure due to fatigue, corrosion, or accidental damage, will be avoided throughout the operational life of the aeroplane.”相關(guān)咨詢(xún)通告中申明，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用破損-安全的方法表明符合性。

第二條，F(xiàn)AA,EASA,CCAR25.1309(b)。主要針對(duì)飛機(jī)機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備，要求系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)該：“The aeroplane systems and associated components, must be designed so that(1)any catastrophic failure condition(i)is extremely improbable; and(ii)does not result from a single failure.”相關(guān)咨詢(xún)通告中申明，可在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用失效-安全的設(shè)計(jì)方法表明符合性，但同時(shí)需要證明任何單點(diǎn)故障都不能造成系統(tǒng)/設(shè)備的災(zāi)難性失效狀態(tài)。

1.2 民用飛機(jī)襟翼傾斜對(duì)飛機(jī)的安全性影響

以下兩種失效情況可能導(dǎo)致襟翼舵面傾斜。

1)襟翼驅(qū)動(dòng)站位卡阻。

襟翼驅(qū)動(dòng)站位卡阻可能出現(xiàn)在作動(dòng)器等部件上，也可能出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)等部件上。其中一個(gè)驅(qū)動(dòng)站位出現(xiàn)卡阻，另一個(gè)驅(qū)動(dòng)站位受到襟翼系統(tǒng)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致翼面發(fā)生傾斜。在此狀態(tài)下，翼面為一個(gè)柔性剛體，傳遞傳動(dòng)鏈系載荷，其變形量取決于前置作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力、氣動(dòng)力和后續(xù)傳動(dòng)鏈系所傳遞的載荷，受力分析較為復(fù)雜，翼面可能遭到破壞。

當(dāng)翼面放下時(shí)，扭矩限制器可能被觸發(fā)。翼面收起時(shí)，由于氣動(dòng)力減小了站位的驅(qū)動(dòng)力，扭矩限制器一般不觸發(fā)。該類(lèi)由于卡阻導(dǎo)致的翼面傾斜可能破壞翼面，必須通過(guò)一定的設(shè)計(jì)手段及時(shí)探測(cè)鎖定。襟翼驅(qū)動(dòng)站位卡阻導(dǎo)致傾斜的模型如圖1所示。

圖1 襟翼驅(qū)動(dòng)站位卡阻導(dǎo)致傾斜的模型

2)傳動(dòng)鏈系脫開(kāi)空轉(zhuǎn)。

襟翼系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)部件脫開(kāi)，或者驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)件與翼面脫開(kāi)，導(dǎo)致翼面懸浮，傳動(dòng)鏈系空轉(zhuǎn)。當(dāng)襟翼作動(dòng)器與襟翼翼面脫開(kāi)時(shí)，翼面受到襟翼作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力和氣動(dòng)力載荷的作用發(fā)生傾斜，翼面剛度決定了傾斜量的大小，此類(lèi)傾斜影響飛機(jī)起降階段的升力控制，部分場(chǎng)景下還影響飛機(jī)操縱性能和操穩(wěn)品質(zhì)。傳動(dòng)鏈系脫開(kāi)導(dǎo)致的傾斜模型如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)鏈系脫開(kāi)導(dǎo)致的傾斜模型

2 民用飛機(jī)襟翼傾斜探測(cè)方案確定流程

民用飛機(jī)襟翼傾斜方案的確定需要經(jīng)過(guò)一個(gè)極其復(fù)雜的評(píng)估過(guò)程，為方便論述，本文給出了一套以安全性分析為基礎(chǔ)的襟翼傾斜方案確定流程圖，如圖3所示。

圖3 襟翼傾斜探測(cè)方案確定流程

1)系統(tǒng)功能危害性評(píng)估。

基于系統(tǒng)功能定義與分析，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行功能危害性評(píng)估，襟翼傾斜影響了飛機(jī)的增升功能。一方面，傾斜量過(guò)大，可能造成飛機(jī)起飛著陸時(shí)的升力不夠，或者滾轉(zhuǎn)力矩過(guò)大不易操作飛機(jī)。另一方面，襟翼傾斜將會(huì)造成襟翼舵面發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，可能造成襟翼舵面結(jié)構(gòu)的損壞。通過(guò)對(duì)飛機(jī)和乘客、機(jī)組影響評(píng)估，給出襟翼傾斜未被探測(cè)或者鎖止的失效狀態(tài)(FC)等級(jí)。

功能危害性評(píng)估的輸出為襟翼傾斜未被探測(cè)或者鎖止失效等級(jí)，也就是失效的概率。它將作為后續(xù)系統(tǒng)初步安全性評(píng)估的輸入。

2)系統(tǒng)初步安全性評(píng)估。

系統(tǒng)初步安全性評(píng)估最重要的任務(wù)是評(píng)估系統(tǒng)確定的傾斜構(gòu)架能否滿(mǎn)足1)中確定的襟翼傾斜未被探測(cè)或者鎖止的概率。通過(guò)對(duì)該失效狀態(tài)進(jìn)行故障樹(shù)分析，分配系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件的失效概率指標(biāo)和接口系統(tǒng)的可用性完整性指標(biāo)。如果評(píng)估顯示襟翼傾斜構(gòu)架不能滿(mǎn)足既定安全性要求，必須在早期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，更改其設(shè)計(jì)邏輯甚至更改設(shè)計(jì)構(gòu)架，再次進(jìn)行初步安全性評(píng)估，如此往復(fù)迭代最終確定一個(gè)可以滿(mǎn)足系統(tǒng)安全性要求的襟翼傾斜構(gòu)架。

圖4給出了一個(gè)通過(guò)故障樹(shù)模型分析傾斜構(gòu)架是否滿(mǎn)足失效狀態(tài)要求的簡(jiǎn)化模型圖。

圖4 簡(jiǎn)化故障樹(shù)分析模型

3)襟翼傾斜方案權(quán)衡確定。

如果構(gòu)架滿(mǎn)足安全性要求，按照構(gòu)架要求，提出多項(xiàng)襟翼傾斜方案，并對(duì)若干襟翼傾斜方案進(jìn)行權(quán)衡，權(quán)衡時(shí)需要綜合考慮系統(tǒng)部件安裝空間、重量、單機(jī)成本等一系列因素。在經(jīng)過(guò)反復(fù)權(quán)衡后，最終確定襟翼傾斜方案，確定各部件的安裝方式、探測(cè)方法以及報(bào)警閾值。

3 民機(jī)襟翼傾斜探測(cè)方案權(quán)衡

襟翼傾斜探測(cè)的基本原理為：襟翼翼面出現(xiàn)傾斜后，傾斜傳感器能夠及時(shí)探測(cè)到相應(yīng)的傾斜并反饋給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)及時(shí)向飛行員發(fā)出失效警告并鎖止襟翼系統(tǒng)。根據(jù)襟翼傳感器布置的位置不同，目前在役民用飛機(jī)襟翼傾斜探測(cè)方案一般可以分成以下兩種情況。

第一種情況：襟翼傾斜傳感器安裝在兩塊襟翼之間，此類(lèi)傳感器多采用長(zhǎng)度變化探測(cè)傳感器，相應(yīng)的布置如圖5所示。

圖5 內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測(cè)方案

第二種情況：襟翼傾斜傳感器安裝在兩塊翼面的每個(gè)站位上，每個(gè)站位分別由一個(gè)傾斜傳感器探測(cè)其運(yùn)動(dòng)角度，并通過(guò)對(duì)幾個(gè)站位的傳感器角度進(jìn)行比較來(lái)判斷是否發(fā)生傾斜，此類(lèi)傳感器多采用角度變化探測(cè)傳感器，相應(yīng)的布置如圖6所示。

圖6 各個(gè)站位傾斜傳感器探測(cè)方案

經(jīng)過(guò)對(duì)上述兩種構(gòu)架方案的初步安全性分析(參見(jiàn)第2節(jié)2)中的故障樹(shù)分析方法)，探測(cè)方案均能滿(mǎn)足頂層“襟翼傾斜未被探測(cè)或鎖止”的失效狀態(tài)等級(jí)要求。

1)內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測(cè)方案。

內(nèi)外襟翼翼間傾斜傳感器探測(cè)方案的原理為：在內(nèi)外襟翼翼面之間各選擇一個(gè)安裝點(diǎn)，采用一個(gè)長(zhǎng)度探測(cè)傳感器探測(cè)兩個(gè)安裝點(diǎn)在正常狀態(tài)和作動(dòng)器脫開(kāi)狀態(tài)下長(zhǎng)度的變化，間接判斷襟翼是否發(fā)生傾斜。

采用該方案的難點(diǎn)在于如何避開(kāi)內(nèi)外襟翼之間運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的剪刀差，精確設(shè)定傾斜閾值。由于幾個(gè)站位的襟翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)參數(shù)不一致，導(dǎo)致不同站位運(yùn)動(dòng)范圍不一致，從而使內(nèi)外襟翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不同步，進(jìn)而產(chǎn)生剪刀差，剪刀差的存在使得長(zhǎng)度探測(cè)傳感器在襟翼正常收放過(guò)程中就存在長(zhǎng)度的變化。

為了有效避免剪刀差對(duì)閾值設(shè)置的影響，計(jì)算機(jī)將襟翼運(yùn)動(dòng)全行程的傳感器長(zhǎng)度儲(chǔ)存并補(bǔ)償正負(fù)閾值，傳感器的正負(fù)閾值在全行程中改變。

該方案有一系列優(yōu)點(diǎn)：使用單個(gè)傳感器探測(cè)，可以極大地降低傾斜探測(cè)部件的全機(jī)重量；方案相對(duì)簡(jiǎn)單，提高了可靠性、派遣率和維修性；機(jī)翼后緣布置空間有限，有助于安裝協(xié)調(diào)等。但使用該方案也需攻克一系列技術(shù)難點(diǎn)：確定傳感器長(zhǎng)度時(shí)必須盡可能多地覆蓋飛機(jī)各個(gè)構(gòu)型，理論上傳感器的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度需通過(guò)采集襟翼運(yùn)動(dòng)全過(guò)程中的位置計(jì)算得來(lái)，但由于設(shè)計(jì)初期飛機(jī)的計(jì)算數(shù)據(jù)有限或者計(jì)算仿真無(wú)法獲取所有位置值，傳感器的運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度較難確定；由于計(jì)算仿真采取的保守載荷相比實(shí)際飛行載荷偏大，初期設(shè)定的傳感器長(zhǎng)度變化值將比實(shí)際變化值大；傳感器變化的閾值區(qū)間范圍較小，基于設(shè)計(jì)初期理論分析很難確定正確的閾值來(lái)阻止誤報(bào)警的發(fā)生，傳感器閾值的選擇將是一個(gè)很大的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，襟翼翼面的剛度將很大程度上影響傳感器的長(zhǎng)度選擇，隨著設(shè)計(jì)持續(xù)推進(jìn)，如果襟翼翼面剛度發(fā)生較大變化，將會(huì)導(dǎo)致這種方案無(wú)法有效探測(cè)襟翼傾斜。

2)襟翼各個(gè)站位傾斜傳感器探測(cè)方案。

該方案為在襟翼各個(gè)站位安裝角度探測(cè)傳感器，通過(guò)探測(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)判斷襟翼是否產(chǎn)生傾斜。正常工況下，內(nèi)外襟翼的兩個(gè)作動(dòng)器角度一致；當(dāng)發(fā)生作動(dòng)器脫開(kāi)時(shí)，內(nèi)外襟翼的兩個(gè)作動(dòng)器角度不一致，傳感器角度差別超過(guò)一定閾值，計(jì)算機(jī)便報(bào)警襟翼傾斜并鎖止襟翼作動(dòng)系統(tǒng)。

該方案克服了襟翼翼間傳感器探測(cè)方案的很多技術(shù)難點(diǎn)：方案無(wú)需考慮內(nèi)外襟翼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)剪刀差產(chǎn)生的影響；各個(gè)站位的作動(dòng)器脫開(kāi)都能很容易被探測(cè)到；極大地減小了傾斜探測(cè)閾值設(shè)置的風(fēng)險(xiǎn)。該方案的缺點(diǎn)為：使用了大量傳感器，相比較于襟翼翼間傳感器探測(cè)方案，每架飛機(jī)多出很多傳感器，增加了飛機(jī)重量；每個(gè)站位都需布置傳感器，由于后緣站位處有限的布置空間，具有潛在的安裝協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)。

上述兩種襟翼傾斜探測(cè)方案各有優(yōu)劣，確定使用哪種方案需要綜合飛機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行權(quán)衡，并配合后續(xù)大量的地面試驗(yàn)室試驗(yàn)甚至試飛試驗(yàn)來(lái)確定各種重要設(shè)計(jì)參數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

民用飛機(jī)襟翼傾斜探測(cè)的需求來(lái)源于適航條款CCAR 1309(b),襟翼傾斜被探測(cè)或鎖止極大地影響飛機(jī)的飛行安全。基于安全性分析的襟翼傾斜評(píng)估是一種有效的表明CCAR 1309(b)符合性的方法，在確定襟翼傾斜構(gòu)架符合頂層安全性要求后，進(jìn)一步結(jié)合飛機(jī)的安裝空間、重量、成本和探測(cè)閾值進(jìn)行方案權(quán)衡，是民機(jī)襟翼傾斜探測(cè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，本文的論述對(duì)于后續(xù)國(guó)內(nèi)民機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的參考意義。