航空裝備高原寒區保障資源配置研究

劉 釗，焦 毅（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

航空裝備高原寒區保障資源配置研究

劉 釗，焦 毅
（中國飛行試驗研究院，西安 710089）

針對試飛階段航空裝備在高原寒區使用環境條件下發生的故障，對發生故障機理、失效模式進行分析，通過對故障機理、故障模式的分析，總結分析高原寒區極限使用情況下易引起故障的原因；并分析典型高原寒區環境因素對航空裝備各分系統、設備影響程度，提出高原寒區適應性改進建議和措施，為裝備的保障資源配置提供指導性意見，有效地提高裝備在特殊使用環境下使用效能。

航空裝備；高原寒區環境；損壞模式分析；保障資源配置

引言

航空裝備在高原寒區極限使用環境條件下飛行，經常出現電子設備單元失效故障[1]、液壓系統故障等諸多問題，航空裝備戰斗力的發揮受環境的影響越來越大。通過多場戰爭無不證明環境對裝備的影響，如日俄、越南戰爭等，通過分析發現：風砂、低溫、高濕、高熱和高寒等環境，航空裝備受到嚴重腐蝕，伴隨砂石堵塞、長霉等，從而導致機械設備故障、彈藥失效等嚴重故障。航空裝備在研制、試驗階段若不重視極限使用環境，嚴重時均可直接影響戰爭的成敗。在特殊惡虐的使用環境下，故障失效數將大幅度提高。航空裝備可靠性與使用環境息息相關，因此研究航空裝備在高原寒區的故障機理，綜合分析航空裝備高原寒區保障資源的配置情況，根據維修體制和環境等因素科學的預測保障資源配置種類和需求量和數量，提高航空裝備在特殊環境下的出動架次率，對使用效能的發揮顯得十分重要。

1 高原寒區環境影響因素分析

高原寒區航空裝備不僅作戰任務艱巨，而且受到特殊環境影響，航空裝備的使用效能將受到巨大的影響。高原寒區特殊的地理環境，空氣稀薄，溫度較低，單位體積中氧氣含量大大低于平原低海拔地區，氣溫低，多風沙，多雷暴，低溫期長，晝夜溫差大，紫外線照射強度高，這些種種的極限使用環境大大削減了航空裝備的發揮，戰爭狀態下嚴重影響軍用飛機的出勤率。研究資料表明[1]：高原環境下，大氣密度低并且稀薄，并且日照時間長、太陽輻射強度遠遠高于平原使用環境。高原寒區環境對航空裝備的影響如表1。

表1 高原寒區環境對航空裝備的影響

2 高原寒區航空裝備主要故障模式

2.1 低氣壓、低溫對機械系統影響

高原寒區環境條件下，氣壓低，空氣密度小，含氧量少，航空發動機啟動困難，過熱及輸出功率下降，嚴重影響發動機的動力性、經濟性和可靠性；易導致輪胎氣壓增高等故障模式，同時燃油的蒸發性、燃燒性和低溫流動性降低,使航空發動機的功率消耗較大，工作效率降低。

低溫條件下的使用環境可降低電機產生的溫度，但對電機的啟動影響巨大。在低溫環境下，航空裝備液壓系統中的液壓油、潤滑脂受低溫影響，粘度增大，在冷機啟動時潤滑油膜不能夠起到作用，引起靜態阻力增加，導致磨損加劇；相關設備中的泵殼體回油堵塞，壓力升高，嚴重時導致機械系統損壞。

高寒環境下相應材質的產品會發生冷脆，如液壓材質的軟管、橡膠材質的密封件及金屬材料的產品在此種環境下易發生冷脆性斷裂，同時低溫環境加劇了機械件的磨損，使裝備的安全性能降低，給裝備的日常使用帶來困難，影響航空裝備使用效能的發揮。

2.2 低氣壓、低溫對電氣設備的影響

高原環境下，空氣氣壓低、空氣密度小，電子產品的空氣絕緣耐壓性能變弱[2]，一般情況下，海拔在0～5 000 m范圍內[2]，氣壓數值降低12 %（海拔每增高1 km），電暈電壓以及外絕緣強度的性能可降低8 %～13 %。環境氣壓值與空氣抗電強度的關系見表2。

高寒環境條件下電子元器件在高低溫環境的劇烈變化影響下[3]，元器件內部電流密度提高造成電熱效應。溫度升高可使器件的電參數發生飄移，使雙極性器件的反向漏電流和電流增益上升，高低溫可使化學變化加速，縮短元器件的壽命或使器件燒毀，使電遷移、引起開路或短路失效等。高原寒區環境導致的多發故障模式如下圖1所示。

表2 環境氣壓值與空氣抗電強度的關系

圖1 高原寒區極限環下故障模式

表3 高原寒區環境損壞模式及影響分析

3 航空裝備高原寒區DMEA分析

航空裝備在極端的氣候環境下使用，由于海拔高、風沙大、氣壓低、空氣稀薄等綜合原因會導致飛機損壞，根據損壞模式及影響分析（Damage Mode and Effects Analysis，DMEA)可以對裝備的損傷情況進行適當的分析和研究[3]，DEMA指的是分析確定航空裝備系統或其部件由于損傷造成的損壞形式和過程的技術。進行DEMA的目的是提供與特定環境機理所引起損傷的有關數據，通過分析發現設計缺陷，確定改進措施，提高裝備的環境適應性。某型飛機在高原寒區試飛過程中出現的故障模式及嚴酷度分析如表3所示。

通過對損壞模式及影響分析發現，液壓系統、動力系統在高原寒區環境下的損壞重要度等級較高，因此在航空裝備的設計階段應充分考慮關鍵系統的環適應能力及相應的維修和保障措施，減少故障的發生，縮短航空裝備的平均修復時間。

4 保障資源配置分析

4.1 高原寒區環境下保障資源分析

針對高原寒區極限環境下發生的故障，進行充分分析，同時利用維修性預計方法根據高原寒區期間發生的故障模式特點，對高原寒區使用環境下故障率較高的系統和產品進行維修性改進分析，同時確定出保障資源配置規劃[4]。根據相關設計準則和要求、轉化為產品高原寒區設計指導準則。本文考慮的高原寒區航空裝備分析原則如下：

1）航空產品在滿足功能要求和使用要求前提下，應該采用簡易結構和外形。方便高原寒區外場維修人員的日常維護工作，降低維修人員技術能力的要求；

2）在高原寒區特定環境下的維護工作中，所涉及的零部件應具有良好的可達性，易發生故障的零部件和損耗件應能夠容易找到，方便外場維護人員的拆卸和更換；

3）高原寒區備件的供應難度較大，應盡可能按照標準化、互換性、通用化、模塊化的設計原則，選用標準件，提高航空裝備的互換性，簡化特定環境下的外場維修作業，實現快速的更換修理；

4）高原環境下人員勞動強度大，維護人員要求較高，要從產品結構上采取措施消除發生差錯的可能性；

5）在特定的高原寒區環境下，故障的檢測應方便可靠。優先采用自動化檢測裝置，提高故障的分析、診斷和隔離時間，以提高出動架次率。

4.2 高原寒區保障性分析及建議

高原寒區保障性分析主要從保障設備、人力人員、維修規劃、保障設施、供應保障、包裝、裝卸、貯存和運輸保障等方面[4]，分析高原寒區試飛過程中主要發生的問題并提出相應的改進建議主要如表4所示。

4.3 高原寒區保障資源配置

4.3.1 備件保障資源配置

裝備在高原寒區環境下，故障率的變化勢必會較平原使用地區增加，影響高原地區飛機備件的供應計劃，因此需充分考慮故障率變化，為備件需求提供依據。可以采用平均拆卸間隔時間MTBR 參數（mean time between removal）進行備件需求量的確定[5]，通過統計一段時間內高原寒區環境下各設備MTBR參數，根據備件計算模型對備件需求量做出規劃。航空裝備器件的壽命分布假設服從指數分布。

表4 高原寒區裝備保障性分析和建議

并且航空裝備的使用可靠度只與備件的供應保障能力相關。因此航空裝備的備件需求量S包括計劃下的拆換備件量S1和是非計劃拆換的備件量S2。 S2是滿足下式的最小整數，

式中：n為機群的數量；u為安裝設備的件數；th為年平均工作運行小時數（h）；TAT為備件平均維修周轉時間（d）； p指運行比； L1為壽命期限-有壽件（h）（當L1未知時，用維修期、設備維修間隔期限的均值來代替）；MTBR為設備平均拆換間隔時間（h）。結果取整即S = [S1+S2]。

4.3.2 保障設施配置

高原地區太陽輻射條件對維修人員健康影響較大，長時間暴露在太陽輻射下，維修人員防護衣物會加速劣化，強烈的紫外線對人的皮膚、免疫系統等會造成嚴重過的傷害，嚴重時會造成日光性皮炎或曬傷。

可采用縮短定期維護周期，應優化維修人員配置，縮短常暴露在太陽輻射下以及寒冷環境下的外場保障人員工時；充分考慮太陽輻射強度的季節性變化，適當減少維護次數，延長維護周期。通過上述分析，配備紫外線防護、抗凍保護裝備和高原加壓氧氣車，完善醫療保障配套設備，并加強高原寒區機場基礎設施的建設，搭建太陽輻射和抗寒遮蔽保障設施等相關保障資源。

5 總結

本文對高原寒區作戰裝備維修性和保障性進行了分析和總結，較為深刻地反映了在高原高寒這一特殊作戰環境下對航空裝備的影響，對未來高原高寒地區作戰裝備保障能力建設提供參考，對航空裝備高原寒區的影響及使用及維護保養中的經驗、方法進行總結，提高高原寒區航空裝備的作戰保障能力。同時可根據故障率等特征參數預測航空裝備在高原寒區特殊環境下的需求量，對設計部門調整供應計劃和部隊接裝意義重大，保證航空裝備在高原寒區執行任務期間不應保障資源配置而導致任務不能完成。

[1] 許翔,周廣猛,鄭智,等.高原環境對保障裝備的影響及適應性研究[J].環境工程, 2010 (5)100-103.

[2] 李德龍.高原型氣候對電器設備的影響[J]. 青海大學學報（自然科學版）, 2004 (04).

[3] 姜同敏.可靠性與壽命試驗[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.

[4] 俞一鳴,趙廣彤. 高原環境對防空武器裝備的影響及改進措施 [J].現代防御技術. 2011(4):172-175.

[5] 康銳.可靠性維修性保障性工程基礎[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.

Research on Configuration of Support Resources of Aviation Equipment in Frigid Plateau Region

LIU Zhao, JIAO Yi (Chinese Flight Test Establishment, Xi’an 710089)

Based on the failure of aviation equipment on flight phase in the environmental condition of frigid plateau region, this paper firstly analyzes the relative failure mechanism and failure mode. Secondly, it summarizes the reasons why aviation equipment in frigid plateau region will be easily caused failure, and analyzes the influence of environmental factors of frigid plateau region on the aeronautic systems and equipments. Finally, the improvement suggestions and measures for adaptation for frigid plateau region are put forward to provide guidance for support resources configuration of equipment, in order to improve its application performance in special service environment.

aviation equipment; frigid plateau region; failure mode analysis; support resources configuration

V37

A

1004-7204（2017）01-0044-05

劉釗(1990-) 男、工程師，碩士，中國飛行試驗研究院可靠性研究中心，從事維修性保障性評估工作。

焦毅(1986-) 男、工程師，本科，中國飛行試驗研究院可靠性研究中心，從事維修性保障性評估工作。