民機發動機轉子爆破系統安全性設計與分析方法

梁磊

(上海飛機設計研究院,上海 200120)

民機發動機轉子爆破系統安全性設計與分析方法

梁磊

(上海飛機設計研究院,上海 200120)

本文結合民機研制的一般過程介紹了發動機轉子爆破系統安全性設計與分析流程,并重點闡述了發動機轉子爆破危害識別方法,以幫助提高民機發動機轉子爆破安全性設計水平和適航取證能力。

民機 轉子爆破 安全性 剩余風險

民機轉子爆破是由于渦輪發動機損壞產生高速、高能量的碎片，這些碎片能夠穿透鄰近結構、燃油箱、機身、系統設備以及飛機上其他的發動機等，對飛行安全造成極大風險。發動機轉子爆破安全性設計與分析應在整個飛機的設計階段進行開展，以確保飛機的設計充分考慮了轉子爆破防護。

1 轉子爆破分析流程

飛機的設計一般要經過概念設計，初步設計，詳細設計，制造安裝以及試飛運營幾個階段。以下從各個階段介紹民機在設計過程中所要開展的轉子爆破分析工作。圖1為民機發動機轉子爆破安全性設計與分析在各個設計階段的流程。

1.1 概念設計階段

在概念設計階段，主要是確定分析目標并進行初步設計考慮。由于在概念設計階段需要初步確定飛機的布局，對于防轉子爆破設計考慮，主要考慮發動機轉子相對于關鍵系統和區域的位置，包括與其他發動機的位置，燃油箱的位置，增壓艙機翼主要結構的位置等。

1.2 初步設計階段

初步設計階段，需要全面設計與布置各種機載設備，各種系統以及主要承力結構等。這一階段也需要更詳細的防轉子爆破設計考慮。這些設計考慮應形成可操作的設計需求以傳遞到各系統的設計過程中。此外，隨著飛機級和系統級功能危險性分析(FHA)及故障樹分析(FTA)的完善，處于轉子爆破影響區域的系統功能獨立性可能受到轉子爆破的破壞。因此FHA和FTA功能獨立性要求也會對轉子爆破產生設計需求。這些需求應形成統一的要求文件傳遞到系統設計。當獲得發動機轉子碎片的基本參數，就可以根據AC20-128的要求建立發動機轉子爆破碎片模型。根據碎片模型和設計需求，各系統在設計時就可采取合理的預防措施來盡量降低發動機轉子爆破產生的危害。

1.3 詳細設計階段

詳細設計階段，隨著各系統設計深入，需對系統設計需求進行完善。同時防轉子爆破設計措施也需要不斷進行迭代反復以確定最終的最佳方案。雖然系統設計時已采取措施盡量降低轉子爆破的危害，但是完全消除轉子爆破造成為危害是不現實的。因此在此階段需要對轉子爆破風險進行評估，即識別還可能存在的危害，并計算剩余風險的大小以確定風險大小是否滿足要求。

1.4 制造安裝階段

詳細設計階段確定各系統設備的最終設計方案后，系統設備將轉入制造安裝階段。在此階段，需結合區域安全分析對系統制造安裝防轉子爆破進行驗證，檢查系統是否按照設計措施進行制造安裝，系統設備的隔離距離是否滿足設計需求等。

圖1 民機發動機轉子爆破安全性設計與分析流程

2 發動機轉子爆破危害識別

發動機轉子爆破危害識別應采取自下而上的方法，即先確定可能被轉子碎片擊中的設備，然后分析該設備損害對系統產生的影響，最后確定這樣的系統影響對整個飛機的安全飛行造成的危害[1]。由于轉子爆破影響區域一般范圍較大，影響設備繁多，直接從設備識別轉子爆破危害是難以完成的。因此轉子爆破危害識別可以分為系統級和飛機級兩個級別進行。

2.1 系統級發動機轉子爆破危害識別

系統級轉子爆破危害識別首先應確定系統中可能被轉子碎片擊中的設備及其擊中的角度范圍。各系統使用發動機轉子爆破碎片掃掠路徑模型對布置于轉子爆破影響區域內的設備進行逐個檢查，確定設備被碎片撞擊的進入角和退出角[2]。當確定系統各設備的平動風險角后，根據系統SFHA(功能危險性分析)和SFTA(系統故障樹分析)等分析該設備損壞后對系統的影響。

2.2 飛機級發動機轉子爆破危害識別

當系統級發動機轉子爆破危害識別完成后，綜合各系統發動機轉子爆破可能造成的失效狀態從而分析這些系統級失效狀態最終對飛機造成的影響。對于某些系統狀態來說，其轉子爆破風險角范圍可能存在重合。這表明轉子爆破可能同時導致這些系統失效狀態發生，應根據飛機級FHA和FTA分析這些組合失效對飛機的影響。例如：在單獨系統級失效狀態分析時，喪失兩套液壓源是II類失效(即危險級失效)，單側發動機喪失推力是III類失效(即較大失效狀態)。由于二者發動機轉子爆破風險角有重合，其同時發生時會導致整機單發失效且喪失方向舵偏航控制，該飛機級失效狀態為I類(即災難級)。

對于發動機轉子爆破安全性分析得出的災難性失效狀態應按照轉子爆破咨詢通告20-128A所建議的方法計算剩余風險。如果計算的風險水平超出可接受的風險值，則應對相應系統進行設計修改或者增加保護措施，直到風險水平符合要求。

3 結語

本文結合民機研制的一般過程介紹了發動機轉子爆破系統安全性設計與分析在民機概念設計、初步設計、詳細設計、制造安裝以及試飛運營等各個階段的主要工作內容，說明了發動機轉子爆破設計需求到系統設計的傳遞過程。并重點闡述了發動機轉子爆破危害識別方法，對提高民機發動機轉子爆破安全性設計水平和適航符合能力有借鑒意義。

[1]王勤超.減小飛機發動機轉子爆破危害的設計方法初探[J].科技信息,2013:390-392.

[2]修忠信等.民用飛機系統安全性設計[M].上海:交通大學出版社,2013.