民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)可靠性分配研究

本文針對(duì)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，建立型清晰直觀，提出的可靠性分配方法有效實(shí)用，對(duì)國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定借鑒和參考意義。點(diǎn)評(píng)人：何舒培，中國(guó)上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)飛行試驗(yàn)方法、操作手冊(cè)編制。

?

民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)可靠性分配研究

汪 浩

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

汪浩（1992-）男，碩士，中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)飛行試驗(yàn)方法、試飛改裝。

本文針對(duì)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，建立型清晰直觀，提出的可靠性分配方法有效實(shí)用，對(duì)國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定借鑒和參考意義。
點(diǎn)評(píng)人：何舒培，中國(guó)上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院助理工程師，研究方向?yàn)槊裼蔑w機(jī)飛行試驗(yàn)方法、操作手冊(cè)編制。

link

評(píng)估值145萬(wàn)

appraisement

行業(yè)曲線

industry

point

空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)是在飛行試驗(yàn)過(guò)程中保障機(jī)組成員安全的重要措施，它的可靠性對(duì)試驗(yàn)飛機(jī)非常重要。本文首先介紹一種民用飛機(jī)的空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，之后對(duì)其進(jìn)行可靠性建模與可靠性分配，最后針對(duì)特殊的“非指令性觸發(fā)”事件進(jìn)行可靠性分配，得到了可靠性指標(biāo)的分配結(jié)果。

飛行試驗(yàn)是對(duì)飛機(jī)在真實(shí)飛行條件下進(jìn)行科學(xué)研究和產(chǎn)品試驗(yàn)的過(guò)程。飛行試驗(yàn)內(nèi)容復(fù)雜，具有一定的危險(xiǎn)性，特別是試飛一些高風(fēng)險(xiǎn)科目（例如包線擴(kuò)展、顫振和失速等），有大的可能性會(huì)發(fā)生事故。因此，中國(guó)民用航空局（CAAC）在民航規(guī)章中針對(duì)飛行試驗(yàn)做出了以下規(guī)定：CCAR-21-R3《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》第35條“（四）除滑翔機(jī)或載人氣球外，申請(qǐng)人應(yīng)當(dāng)證明每次飛行試驗(yàn)時(shí)，均采取了足夠措施，以便于試飛組成員能應(yīng)急離機(jī)和使用降落傘?！?/p>

為了滿足這項(xiàng)條款要求，國(guó)內(nèi)外的通用做法是在試驗(yàn)飛機(jī)上設(shè)計(jì)一套空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，供機(jī)組成員在發(fā)生飛機(jī)不可挽救的情況下迅速離開飛機(jī)、跳傘逃生。這套系統(tǒng)能否可靠地運(yùn)行關(guān)系到危急時(shí)刻機(jī)組成員的生命能否成功得以挽救。因此，應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性對(duì)試驗(yàn)飛機(jī)非常重要。本文將從可靠性角度出發(fā)，對(duì)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配方法進(jìn)行研究。

系統(tǒng)介紹

本文參考研究應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的相關(guān)資料，研究一種國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)的空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)組成如圖1所示。

應(yīng)急通道子系統(tǒng)為機(jī)組成員提供迅速逃離飛機(jī)的無(wú)障礙離機(jī)通道，供機(jī)組成員跳傘離機(jī)。它包括離機(jī)通道、艙門機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)施。

聲光指示子系統(tǒng)為機(jī)組成員提供離機(jī)時(shí)語(yǔ)音和燈光上的指示，分為語(yǔ)音告警和燈光指示兩部分。語(yǔ)音告警系統(tǒng)包括懸臂式話筒、氧氣面罩話筒、手持話筒、功放單元和客艙揚(yáng)聲器，用于及時(shí)有效地指示機(jī)組成員進(jìn)行應(yīng)急離機(jī)。燈光指示系統(tǒng)包括跳傘指示燈和跳傘燈控制面板組件，用于指引客艙機(jī)組成員進(jìn)行跳傘。

圖1 應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)組成

控制子系統(tǒng)用于控制艙門的開啟，包括艙門自動(dòng)開啟組件和艙門手動(dòng)開啟裝置。艙門自動(dòng)開啟組件包括安裝在駕駛艙中的控制面板和一套控制電路，機(jī)長(zhǎng)通過(guò)操作控制面板上的控制開關(guān)發(fā)出控制指令，艙門機(jī)構(gòu)接收到指令后開啟艙門并將結(jié)果反饋到控制面板上。艙門手動(dòng)開啟作為備份，提供在自動(dòng)開啟失效情況下打開艙門的方式。

電源子系統(tǒng)用于向應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)提供和分配電能，包括蓄電池和配電箱。

可靠性建模

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃缘母怕识攘恳喾Q可靠度。可靠性建模是指為預(yù)計(jì)或估算產(chǎn)品的可靠性而建立框圖和數(shù)模模型，是進(jìn)行可靠性研究的基礎(chǔ)。對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品的功能模式，用方框?qū)⒏鹘M成部分的故障或它們的組合如何導(dǎo)致產(chǎn)品故障的邏輯圖稱為可靠性框圖。

對(duì)于第2節(jié)介紹的應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)四個(gè)部分共同實(shí)現(xiàn)幫助機(jī)組成員安全迅速離機(jī)的功能，缺一不可，并且各部分之間的故障相互獨(dú)立。因此，可以建立串聯(lián)式的可靠性模型，可靠性框圖如圖2所示。

根據(jù)串聯(lián)模型可靠度的計(jì)算方法，應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠度為：式中，

對(duì)于應(yīng)急通道子系統(tǒng)，通常只考慮艙門機(jī)構(gòu)的可靠性，所以系統(tǒng)的可靠度便是艙門機(jī)構(gòu)的可靠度。

對(duì)于聲光指示子系統(tǒng)，語(yǔ)音告警和燈光指示為并聯(lián)關(guān)系，所以聲光指示系統(tǒng)的可靠度為：式中，表示語(yǔ)音告警的可靠度，表示燈光指示的可靠度。

對(duì)于控制子系統(tǒng)，艙門手動(dòng)開啟是自動(dòng)開啟的備份，所以兩者均需達(dá)到控制子系統(tǒng)的可靠度，即：

對(duì)于電源子系統(tǒng)，蓄電池與配電箱為串聯(lián)關(guān)系，所以電源子系統(tǒng)的可靠度為：

可靠性分配

可靠性分配是將規(guī)定的產(chǎn)品可靠性整體指標(biāo)，按照一定的方法和程序分配到產(chǎn)品的各個(gè)層次，以此確定各個(gè)層次的可靠性指標(biāo)。對(duì)于應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，可靠性分配就是將系統(tǒng)的可靠性整體指標(biāo)逐級(jí)分配給四個(gè)子系統(tǒng)，乃至子系統(tǒng)包含的機(jī)載設(shè)備。

由于應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：（1）由四個(gè)子系統(tǒng)串聯(lián)組成；（2）各個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)雜程度、技術(shù)水平、重要程度和環(huán)境條件相近。本文選用等分配法來(lái)進(jìn)行可靠性分配。

參考《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第20冊(cè)-可靠性、維修性設(shè)計(jì)》中可靠性分配的計(jì)算方法，應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配流程可以概括為如圖3所示的三個(gè)步驟：

根據(jù)應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)頂層可靠度指標(biāo)，采用等分配法得到各子系統(tǒng)的可靠度；

由各子系統(tǒng)的可靠度以及給定的飛行小時(shí)數(shù)計(jì)算得出各子系統(tǒng)的故障率；

由各子系統(tǒng)的故障率計(jì)算出各子系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間MTBF。

參考國(guó)軍標(biāo)-飛機(jī)應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)通用規(guī)范（GJB 4049-2000），本文將應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)完成幫助機(jī)組成員安全、迅速出艙的可靠度頂層指標(biāo)Rs*定為：不低于0.98。

由公式1可得四個(gè)子系統(tǒng)的可靠度為：

因此，由應(yīng)急通道子系統(tǒng)的可靠度可知艙門機(jī)構(gòu)的可靠度為0.995。

由公式2計(jì)算出語(yǔ)音告警和燈光指示的可靠度為：

由公式2.3可得艙門自動(dòng)開啟和手動(dòng)開啟的可靠度為0.995。

由公式4算出蓄電池和配電箱的可靠度為：

圖2 應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性框圖

圖3 應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配流程

假設(shè)所有系統(tǒng)包含的各單元不工作時(shí)的故障率可以忽略不計(jì)，并且壽命都服從指數(shù)分布，則故障率為：

取時(shí)間t為2000飛行小時(shí)，則可以得到如下表1所示的應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配結(jié)果。

表1 應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的可靠性分配結(jié)果

圖4 空中艙門意外開啟故障樹

“非指令性觸發(fā)”的可靠性分配

“非指令性觸發(fā)”是指應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)在沒(méi)有收到機(jī)組指令的情況下，在空中意外觸發(fā)艙門的開啟。它會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)進(jìn)入快速釋壓狀態(tài)，對(duì)飛機(jī)以及機(jī)組成員帶來(lái)極大的危險(xiǎn)性。這項(xiàng)危險(xiǎn)會(huì)迫使機(jī)組成員處于危險(xiǎn)狀態(tài)并使用應(yīng)急程序，工作負(fù)荷極大增加，完成任務(wù)的能力大大降低，極端情況下會(huì)造成機(jī)組嚴(yán)重受傷或者死亡。因此，這類事件被定義為危險(xiǎn)級(jí)事件。正是由于“非指令性觸發(fā)”事件的危險(xiǎn)性和特殊性，應(yīng)當(dāng)采用特殊的方法對(duì)其進(jìn)行可靠性分配。

本文采用故障樹分析法對(duì)“非指令性觸發(fā)”事件進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)引起事件發(fā)生的各種因素進(jìn)行邏輯因果分析，確定導(dǎo)致事件發(fā)生的可能性原因，再通過(guò)定性分析與定量計(jì)算來(lái)得出可靠性指標(biāo)的分配結(jié)果。

對(duì)于危險(xiǎn)級(jí)事件，設(shè)計(jì)者應(yīng)當(dāng)設(shè)法將發(fā)生的概率降低到10-9以下。因此，艙門“非指令性觸發(fā)”的可靠性指標(biāo)可以概括為：艙門在25000ft以上意外打開的概率小于1×10-9。

選擇“空中艙門意外開啟”作為故障樹的頂事件。初始條件為艙門處于關(guān)閉且鎖住狀態(tài)，控制子系統(tǒng)與艙門作動(dòng)器處于待命狀態(tài)。則根據(jù)第2節(jié)對(duì)應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)原理的描述，建立如圖4所示的故障樹。

圖中各事件號(hào)碼所代表的故障事件如表2所示。

表2 故障事件的含義

運(yùn)用下行法進(jìn)行分析，得到最小割集（MCS）如下：｛4｝，｛5｝，｛6｝，｛7｝。分析這些最小割集可以發(fā)現(xiàn)，四個(gè)事件在最小割集中出現(xiàn)的次數(shù)均為一次?？梢远ㄐ缘恼J(rèn)為這四個(gè)事件有著同等的重要性。

由于頂事件發(fā)生的概率必須小于1×10-9，所以“非指令性觸發(fā)”的可靠性分配結(jié)果為：

艙門自動(dòng)開啟組件控制面板故障的概率低于2.5×10-10；

艙門自動(dòng)開啟組件控制電路故障的概率低于2.5×10-10；

艙門鎖結(jié)構(gòu)故障的概率低于2.5×10-10；

艙門開啟作動(dòng)器故障的概率低于2.5×10-10。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種民用飛機(jī)的空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了可靠性建模和可靠性分配，得到了可靠性指標(biāo)的分配結(jié)果，為可靠性設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)空中應(yīng)急離機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.034