民用航空發(fā)動機持續(xù)適航風險評估研究

■ 蔡彬 / 中國航發(fā)商發(fā)

由于結(jié)構(gòu)及使用環(huán)境的特殊性，民用航空發(fā)動機投入運行后的持續(xù)適航風險評估過程與民用飛機有很大的不同。隨著國產(chǎn)民用航空發(fā)動機的項目立項以及研制取證活動的加速，相關(guān)證后持續(xù)適航工作急需啟動。

航空安全是一種狀態(tài)，即通過持續(xù)的危險識別和風險管理過程，將人員傷害或財產(chǎn)損失的風險降至并保持在可接受的水平或以下。根據(jù)《中國民用航空規(guī)章》（CCAR）21.5條，在運輸類航空產(chǎn)品運行階段若發(fā)生影響飛行安全的故障，航空運營方和生產(chǎn)廠家必須在規(guī)定時間內(nèi)報告監(jiān)管部門，同時盡快啟動故障原因調(diào)查，確定失效事件的危險等級，評估安全風險，制定糾正措施以及制訂控制計劃。隨著國產(chǎn)ARJ支線飛機的投入運行，我國對民用航空飛機及航空發(fā)動機的持續(xù)適航風險評估從研究走向?qū)嵺`，逐漸成熟。本文利用持續(xù)適航評估方法（CAAM），基于一型飛機增壓泵導線由于發(fā)動機振動摩擦，而導致導線裸露的實際案例，說明了民用航空發(fā)動機持續(xù)適航評估的全過程，揭示了CAAM中5級危險等級情況的實際運用，可為后續(xù)相應鄰域持續(xù)適航風險評估，以及建立技術(shù)流程體系等工作提供借鑒，這也是民用航空產(chǎn)品投入運行的前提條件。

民用航空發(fā)動機持續(xù)適航發(fā)展

持續(xù)適航評估方法委員會于1991年由美國航空航天工業(yè)協(xié)會（AIAA）組織成立，該委員會開發(fā)了用于識別、優(yōu)先排列和解決民用航空發(fā)動機持續(xù)適航過程中安全性相關(guān)問題的方法，即持續(xù)適航性評估方法。持續(xù)適航性評估方法從飛機的角度，分析并給出了歷史上由各型發(fā)動機和輔助動力裝置（APU）故障引起的飛機級事故的發(fā)生原因、頻率和危害程度。美國聯(lián)邦航空局（FAA）于1994年將CAAM作為其持續(xù)適航安全管理程序的重要組成部分，并于2003年頒布咨詢通告（AC），提出了航空飛行風險水平的可接受標準。

不同于民用航空飛機，民用航空發(fā)動機的持續(xù)適航風險評估具有一定的特殊性。但由于國內(nèi)尚未有成熟的投入運行的國產(chǎn)民用航空發(fā)動機，故相應的工作尚處于起步狀態(tài)，大多仍停留在國外案例研究階段，未能開展實踐。例如，高艷蕾等基于故障風險分析及評估方的故障風險分析及評估方法，介紹了國外一型渦扇發(fā)動機第8級壓氣機盤斷裂失效故障的風險分析與評估過程；顧海健等基于蒙特卡洛仿真并結(jié)合失效概率模型，介紹了國外一型民用航空飛機APU 轉(zhuǎn)子非包容失效的持續(xù)適航風險評估過程。

民用航空發(fā)動機持續(xù)適航評估方法

根據(jù)國際民航組織（ICAO）頒布的《適航手冊》（DOC 9760）的定義，持續(xù)適航過程指航空器在其使用壽命內(nèi)的任何階段都符合其型號合格審定的適航要求，并始終處于安全運行狀態(tài)。持續(xù)適航的目的包括：及時準確判定不安全狀態(tài)，確定這個不安全狀態(tài)可容忍時間，以及制定有效的改正、改進措施，并發(fā)布必要的強制措施，消除不安全狀態(tài)等。

運用民用航空發(fā)動機持續(xù)適航的評估方法，開展定義失效危險等級、評估風險、制定并評估糾正措施等，主要過程包括如下幾個步驟。

一是針對不安全狀態(tài)開展風險評估，計算預期的失效次數(shù)。先采用威布爾（Weibull）分析法等航空發(fā)動機故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法，獲取發(fā)動機相關(guān)部件故障分布函數(shù)，從而建立故障模型；然后采用蒙特卡羅（Monte Carlo）等數(shù)值仿真方法，預測此故障預期的特定時間范圍內(nèi)失效事件發(fā)生的次數(shù)。

二是定義故障風險的CAAM風險等級計算危險系數(shù)。通常情況下，利用該故障導致的失效事件的歷史數(shù)據(jù)，計算出對應CAAM風險等級的危險系數(shù)，即該故障導致發(fā)生某等級危險事件的頻率或可能性。遇到特殊情況，如缺少歷史數(shù)據(jù)，則可以通過計算條件概率等方法等獲取相應危險系數(shù)?；趯︼w機和人員（乘客及機組）帶來的后果的嚴重程度，CAAM定義了5級危險等級，后果最嚴重為5級，反之為1級，持續(xù)適航風險評估工作需重點關(guān)注并消除危險等級在3級及以上的事件，詳見表1。

三是計算風險因子。通過預期的失效次數(shù)和危險系數(shù)，即可計算出風險因子，即特定危險等級的失效事件發(fā)生的次數(shù)，由預期的失效次數(shù)與危險系數(shù)相乘便可得出。

四是對比分析風險因子與相應的CAAM風險準則表，評估目前故障所涉及的風險是否可接受或是否需要立即采取措施，詳見表2。例如，短期（60天內(nèi)）風險水平超出CAAM風險準則表內(nèi)對應的限制值，則須立即采取措施降低風險，從而控制該風險的發(fā)生。

表2 CAAM風險準則

以4級事件為例，按表2中CAAM風險準則對飛行風險區(qū)域進行劃分，獲得CAAM4級事件飛機飛行風險區(qū)域，如圖1所示。其中，當4級事件風險因子大于0.1，或每次飛行風險大于1×10-9時，該事件為高風險事件，必須采取強制性措施，降低風險至可接受水平。當在圖中頂端水平線之上的區(qū)域時（每次航班概率大于4×10-6），可以按5級事件建立近似值。雖然CAAM尚未對5級事件正式確定相應限制值，但參考3級及4級事件相應關(guān)系，默認5級事件限制值比相關(guān)的4級事件限制值小一個數(shù)量級；當4級事件風險因子小于1，或每次飛行風險介于4×10-6和1×10-9之間時，代表了出現(xiàn)了過量風險，需要進一步關(guān)注，CAAM建議可以采取制造廠家建議的糾正措施，以達到有效的風險管理；當4級事件每次飛行風險在1×10-9以下，或風險因子小于0.1時，風險發(fā)生可能性較小。

圖1 CAAM 4級事件飛機飛行風險區(qū)域

案例分析

對一架運輸飛機燃油泄漏問題的檢查顯示，泄漏是由于管道與管道內(nèi)的增壓泵導線之間，由于發(fā)動機振動引起的摩擦擦傷了絕緣材料，并產(chǎn)生電弧導致管道燒穿，穿透的管道位于燃料箱內(nèi)，因此可能引起燃料箱著火。針對上述風險事件進行具體分析及評估，相關(guān)工作如下。

建立故障分布函數(shù)

在本案例飛機類型上的增壓泵導線常見于所有的型號，整個世界范圍內(nèi)涉及大約3000架飛機。由于可能影響摩擦后果的不同發(fā)動機類型的振動特性尚不清楚，因此必須假定機隊中的所有飛機都可能受到影響。

基于研發(fā)數(shù)據(jù)建立導線的威布爾分布函數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析表明磨損的可能性隨著導線的使用年限不斷增加。通過此模型，開展蒙特卡羅故障仿真，計算故障發(fā)生概率，經(jīng)過計算校驗模型得出結(jié)論：到目前為止應發(fā)生了0.92次管道燒穿，與實際情況相吻合，證明該模型有效。

判定故障風險等級

歷史上曾有一架不同型號的飛機發(fā)生了一起無法解釋的災難性燃油箱起火，這也是唯一的實際燃油箱著火導致的5級事件。雖然該飛機著火時停在地面，但許多乘客被燒死，飛機遭毀壞，該意外的原因沒有被記錄，但是分析依舊得出結(jié)論認為，任何在燃油箱內(nèi)的著火源可能會導致5級事件。

計算故障發(fā)生概率

利用上述模型，結(jié)合機隊實際暴露情況，預測運行超過30000h的飛機極有可能處在裸露導線事件的風險中。盡管目前只有一架飛機被發(fā)現(xiàn)有燒穿的管道，但分析表明，可能還有76架飛機在有未檢測到的暴露導線的情況下運行，并在剩余機隊役齡中會出現(xiàn)更多，須立即采取行動。

由于沒有已知的因裸露導線引發(fā)著火事件的歷史經(jīng)歷，因此由研制單位估計危險率（裸露導線事件已經(jīng)發(fā)生的情況下著火事件的條件概率Pc），即危險系數(shù)。保守地估計，在預計的76架導線裸露的飛機中的1架即將發(fā)生著火事件。利用上述分析建立的模型，計算出每架飛機在裸露導線事件發(fā)生后預計的暴露飛行時間，模型預測的76架飛機裸線后累計飛行小時數(shù)為624217。因此危險系數(shù)Pc的估計值為1/624217，約等于1.6×10-6。

按CAAM要求，需計算短期（60天）內(nèi)的風險。預計此型飛機在一個60天內(nèi)平均有341h的飛行，利用威布爾分布模型估計，在接下來60天內(nèi)會發(fā)生6起額外的裸露導線事件。加上機隊中原本的76個潛在裸露導線事件，因此預期的失效次數(shù)為76+6=82，乘以已有裸露導線事件條件下的概率Pc，得出在未來60天內(nèi)機隊產(chǎn)生5級事件概率，即風險因子為0.045。

評估風險是否可接受

該風險在未來60天內(nèi)沒有超過短期可接受4級風險。但是，因為預測中的事件后果有很大的傷害，且基于上述分析，可能產(chǎn)生5級風險，所以仍舊認為應立即采取減緩措施。

措施制定與評估

根據(jù)上面產(chǎn)生的信息，并結(jié)合模型計算，建立能滿足風險指南的檢查和維修計劃，并通過適航指令（AD）發(fā)布：所有飛行小時大于65000的飛機在20天內(nèi)檢查和維修；飛行小時大于55000、小于65000的飛機在40天內(nèi)檢查；飛行小時大于45000、小于55000的飛機在60天內(nèi)檢查；飛行小時大于38000、小于45000的飛機在90天內(nèi)檢查；飛行小時大于25000、小于38000的飛機在180天內(nèi)檢查；飛行小時小于25000的飛機應該在其達到25000飛行小時做檢查。

上述措施都已通過模型校驗，得出在全面檢查的期間機隊有0.09起等級5的事件。因為這是一個保守估計（到目前沒有事件），這樣的風險結(jié)論對一個5級事件來說是可接受的。

同時，頒布的AD中用于消除磨損問題的糾正措施包含了用特氟龍護套保護原來的導線捆。因為沒有時間證實糾正措施會長期有效，機隊需要檢查以確保在未來維持安全性目標。因此基于實際運行情況，AD得到進一步修正，要求在新的或上一次更換了導線后，對管道和導線在30000飛行小時內(nèi)做檢查。

結(jié)束語

持續(xù)適航的核心在于在事故發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)相關(guān)航空產(chǎn)品的安全隱患，并采取有效措施，防止航空事故的發(fā)生。持續(xù)適航過程的主要任務并不是追求100%的安全，而是達到風險可以接受、風險較小或風險可控的狀態(tài)，即確保飛機每次都在可接受風險區(qū)域飛行。CAAM方法可以應用于民用航空發(fā)動機相關(guān)的持續(xù)適航風險評估，當CAAM未給出某事件的歷史發(fā)生記錄時，可采用條件概率等方式計算該事件的危險系數(shù)。雖然CAAM尚未對5級事件正式確定相應限制值，即便只滿足4級事件風險，但仍需綜合考慮實際風險的危害性，立即采取減緩措施。我國的民用航空發(fā)動機制造廠家，在產(chǎn)品投入市場運行前，須盡快基于CAAM建立起企業(yè)內(nèi)部的持續(xù)適航風險評估技術(shù)體系，保障民用航空發(fā)動機產(chǎn)品的安全性。