軍用飛機EWIS 適航性改進體系設計*

肖楚琬，韓 維，王希彬，鄧 力，孫 陽

（1.海軍航空大學接改裝訓練大隊，山東 煙臺 264001；2.海軍航空大學飛行器工程系，山東 煙臺 264001）

0 引言

目前，我國軍用飛機逐漸以三代機為主，機上系統交聯關系日趨復雜，安裝空間緊張，不同類型電纜間干擾加大。特別是隨著能量線傳（Power-by-Wire，PBW）技術應用日益廣泛，電能正逐步取代氣能和液壓能，成為飛機控制的重要通道。因此，電纜、連接器等連接部件的傳輸可靠性和安全性變得尤為重要，直接影響任務執行和飛行安全。

2007 年，美國聯邦航空安全局（Federal Aviaion Administration，FAA）針對多起因線路問題引起的機毀人亡事故［1］，在開展大量飛機線路老化、安全試驗等工作成果的基礎上，在適航規章中增加了H 分部，即電氣線路互聯系統（Electrical Wiring Interconnection System，EWIS）章節［2］，將原屬于各功能系統的電纜、連接器、繼電器、開關等電氣連接、控制和保護部件，作為一個綜合系統進行整體設計。2011年，我國民航在CCAR-25 部修訂版中，引入了相關要求和標準［3］，在C919 等機型中貫徹落實。

目前，我軍現役飛機并未按照EWIS 理念進行設計。由于各類EWIS 部件數量多、類型雜，與各功能系統、結構關系緊密，其故障呈離散分布，具有不可預測的特點。如果按照傳統方式，點對點地解決問題，無法有效提升飛機安全水平。因此，如何從系統角度，綜合運用工程技術方法，科學設計EWIS 適航性改進體系，促進我軍飛機整體安全水平提升，就變得尤為重要。

本文針對我軍飛機EWIS 缺乏系統設計、風險控制措施不足等問題，按照系統工程思想，結合多個機型實踐經驗，設計軍用飛機EWIS 適航性改進體系框架，整理出主要存在的問題，為我軍飛機綜合質量提升和新機研制提供借鑒。

圖1 EWIS 風險評估過程

1 美軍EWIS 改進流程

1984 年，美軍成立了聯合線路工作組（Joint Services Wiring Action Group，JSWAG），專門負責對各兵種線路問題進行收集和解答，提供技術服務。文獻［4-5］指出，美軍安全中心對所有涉及EWIS 案例調研顯示，53%的事故與導線、連接器、配電盤或斷路器等關鍵部件有關，在許多案例中存在線路失火或關鍵線路失效等問題，直接導致了飛機裝備的損毀、人員受傷、飛機受損、機組啟動應急程序及任務失敗。

因此，美軍在文獻［6］中，對EWIS 概念進行了明確界定。2013 年，美國國防部發布了文獻［7］，在綜合FAA 發布的文獻［8］等相關技術成果基礎上，提出了軍機EWIS 風險評估過程（Process Flow for Risk Assessment，PFRA），并在F/A-18、P-3E 等機型上開展實踐。該程序適用于初始適航和持續適航階段，使用方可以根據任務需要進行裁剪，提高了飛機整體安全性水平［9］。其基本流程如圖1 所示。

從圖1 可以看出，PFRA 實質是按照系統工程思想，圍繞“適航性”這個中心，綜合運用安全性分析和評估、大數據分析、壽命預測等技術和方法，從物理和功能兩個層面對飛機進行系統分析，確定危險項目，評估風險等級，有針對性地提出風險管控措施，最終落實改進。

但是，由于我軍飛機裝備工作體系與美軍采辦有較大區別，設計基礎、維護理念、管理機制各有特點，且軍用飛機研制時沒有進行適航設計。因此，此過程和相關方法不能直接應用于我軍飛機，需要根據實際進行改進和創新。

2 總體目標和基本原則

2.1 總體目標

軍用飛機EWIS 適航性改進體系設計的總體目標是在壽命周期內，綜合利用工程化的方法、技術和專業知識，通過策劃與實施一系列管理、檢查、分析與評價方面的工作，綜合權衡性能、進度和費用，識別、消除或降低飛機EWIS 風險，使其控制在可接受水平。

2.2 基本原則

軍機EWIS 適航性改進體系構建的基本原則是“一性三化”。具體內容如下：

1）安全性?？刂骑w機風險，確保飛機安全水平。

2）標準化。統一機型生命周期內各接口標準，完善EWIS 標準體系。

3）系統化。統籌物理與功能、信號與結構、設計與制造等要素，將EWIS 作為一個綜合系統研究。

4）工程化。運用工程方法，確保工作流程嚴謹、科學、標準、可實施。

3 主要框架

軍用飛機EWIS 的適航性由設計賦予，制造實現，維護和修理保持。由于在役飛機適航性已經固化，為了保持和提升安全性水平，需要重新論證和確立適航性技術要求，建立涵蓋全壽命周期、全系統的管理體系，以“風險控制”為核心，通過正向設計分析和反向實機檢查等工作，建立機型EWIS 風險清單，綜合考慮安全、成本、時間等因素，制定和實施風險管控措施，改進工藝、維護等標準化文檔，最終通過檢驗評估實現風險閉環。將主要體系框架分為10 個工作項目，如圖2 所示。

3.1 確定EWIS 適航性要求

適航要求是進行軍機EWIS 適航性改進的頂層輸入，主要包括系統設計指標，以及安全性、維護性等要求。但是，由于我國軍機的EWIS 初始適航性設計標準不夠完備，很難通過持續適航階段改進，達到初始適航要求的最高標準。

圖2 軍機EWIS 適航性改進體系框圖

因此，需要在EWIS 視角下，重新論證適航性設計標準體系，從定性和定量兩方面，建立科學完備的軍用飛機EWIS 適航性技術標準集，作為開展軍用飛機EWIS 適航性工作的頂層輸入。針對各機型實際工作特點，可以根據可接受風險水平，綜合考慮軍事需求、使用要求、任務剖面、技術基礎等要素，對具體指標進行裁剪，確?？蓪崿F性。典型的適航性要求如下頁表1 所示。

3.2 體系管理

適航性改進體系的核心是風險管理。作為飛機持續適航階段實施的工程活動，適航性改進盡管涉及生命周期各環節，但是無法嚴格按照“從頂到底分析，從底到頂驗證”的適航設計雙V 形管理流程實施［10］。因此，按照需求管理［11］思想，將風險作為主要需求，通過結構化描述模型，對風險控制任務按照功能系統和責任單位進行分解，明確工作計劃。同時，為了確保任務順利推進，需要建立頂層資源管理組織進行整體統籌和過程管理，建立標準文檔體系，統一各個環節之間的接口標準。由資源管理組織根據不同風險級別設置管理權限和程序，實現各項風險的處理和歸零。各管理要素之間基本關系如圖3 所示。

表1 典型EWIS 適航性要求

圖3 體系管理關系圖

3.3 設計分析

飛機適航性是設計出來的。從設計角度梳理系統特性，正向分析排查可能存在的隱患，可以完善適航性分析信息，為后續工藝分析、壽命預測、實機檢查等工作提供輸入。以重新確定的適航性要求和標準為輸入，全面梳理完善飛機EWIS 基本信息，建立全機EWIS 清單，為后續分析提供目標。通過開展系統安全性、特殊風險、區域安全性等分析工作，結合故障數據分析結果，初步判斷機上可能存在的隱患點，確定重點檢查和風險控制對象。

在具體實施過程中，各機型需要將原始設計標準條款和新確定的適航性標準進行對比分析，形成標準對比報告，確定條款內容，制訂本機型的EWIS適航性改進體系標準。按照EWIS 要求，重點梳理飛機區域特性和EWIS 部件特性、路徑、安裝位置等內容，建立機型EWIS 數據庫。選擇涉及安全的重點系統，比如飛控、燃油、火控、供電等系統進行融入EWIS 的安全性分析。綜合飛機持續適航階段故障數據分析結果，重點識別高風險隱患點，作為檢查和風險控制對象。其基本流程如圖4 所示。

圖4 設計分析流程圖

3.4 工藝分析

飛機的生產制造是一項復雜的系統工程，是適航性實現的具體活動。為了保證適航性改進體系的最終落實，需要制造、安裝、修理、質量等各個環節緊密配合工作。其中，工藝作為飛機生產和修理活動的頂層依據，是實現適航性的基礎。

針對EWIS 適航性改進的特點，針對現役軍機EWIS 工藝不細、不全、不科學等問題，以新確定的適航性標準為依據，全面分析電纜制造、安裝、修理等工藝存在問題，重點考慮電纜敷設路徑、安裝方式、防護等內容，形成分析報告，初步判斷工藝實施過程中可能存在的風險隱患，納入風險管理。

3.5 降級評估

目前，飛機在服役一段時間后，隨著環境、維護等因素的影響，部分EWIS 部件出現與預定壽命不一致現象，影響飛行安全和任務執行。針對這一問題，需要根據設計分析結果，篩選確定環境嚴酷的重點區域和故障率較高的重點部件，從機上拆下，通過試驗室試驗、壽命分析等方式進行降級分析和評估，建立降級矩陣［12］，生成評價報告，作為部件更換或維持使用的依據，納入風險管理。

3.6 實機檢查

在適航性審定過程中，實機檢查是確定符合性的關鍵環節。在EWIS 適航性改進體系中，通過實機檢查，驗證設計和工藝分析結果，全面梳理機上隱患，建立最大風險集，為開展危險分析和風險評價提供輸入。

由于不同飛機的EWIS 隱患點不盡相同，為了保證風險集最大化，一般應選擇2 架～3 架大修、外場等條件下的典型樣機進行檢查。檢查前，需要制訂詳細的實施方案，利用設計分析形成的區域檢查清單，逐項對照檢查。檢查實施時，通過照片、文字描述等方式，記錄所有不符合項，將隱患定位到部件級，最終形成機上風險隱患清單，為后續分析和改進方案工作提供基礎。

3.7 危險分析和風險評價

3.7.1 危險分析

危險是導致事故的狀態。在機型形成的風險控制清單基礎上，分析每個危險發生的原因、發生可能性及后果，并確定其危險嚴重性和危險可能性。定性的危險嚴重性等級劃分及定義可參考表2。對具體機型，應給出人員死亡、嚴重或輕度傷害、職業病，裝備損毀或報廢、嚴重或輕度損壞以及環境影響等明確的定義。

表2 危險嚴酷度等級劃分

定性的危險可能性等級劃分可參考文獻［13］。不同機型危險可能性計算方法有所不同。由于我軍飛機普遍缺乏EWIS 適航性基礎數據，部分定量指標無法直接采集，可以利用專家打分等方法確定。

3.7.2 風險評價

根據危險嚴重性和可能性兩方面因素，綜合評價風險水平。評價可采用定性或定量的方法，使用定性風險指數評價法作為參考，確定風險指數的參考示例見表3。

3.8 改進方案

軍機EWIS 適航性改進最終需要具體方案落實。根據風險分析和評價結果，綜合分析成本、周期、技術風險等要素，確定風險接受項目。對于需要改進實施的項目，區分層次進行分析。對于嚴重危害飛行安全項目，進行全面設計分析，提出設計更改意見，按照專項落實。對于剩余項目，按照標準工藝，選擇在制造、大修或外場維護等時機，有重點、有針對性地制訂改進計劃和實施方案。方案實施后，利用維護分析程序（Maintaince Steering Group-3，MSG-3）、增強性區域安全分析［14］等程序，確定維修時間間隔、維護等級等內容，完成維護資料更新，消除危險，降低或管控風險。

表3 危險的風險指數參考示例

圖5 實施方案流程圖

3.9 驗證和評價適航性水平

驗證和評價飛機EWIS 適航性水平，是風險閉環的最終一環。改進方案實施后，通過分析、試驗、演示、上機檢查等方式，驗證對要求的滿足情況。綜合各項工作結果，評價飛機的安全性水平，確認工作是否按計劃完成、殘余風險是否可接受。如果達到目標，按計劃固化機型成果，否則進一步改進。

由于在役飛機各項指標改進空間小，且EWIS涉及功能系統多，完全按照適航審定要求進行全面驗證成本高、效率低。在實施時，制訂技術要求符合性檢查表，按照不同危險等級確定加權分值，以此判斷適航性改進符合程度。典型技術要求檢查內容如下頁表4 所示。

3.10 風險跟蹤

在飛機EWIS 適航性改進過程中，建立危險清單，通過體系管理，對每個危險進行跟蹤記錄。

表4 典型EWIS 檢驗表

4 尚需解決的問題

EWIS 作為高度綜合化的系統，承擔全機電子電氣設備線路互聯任務，與飛機各系統、結構、環境深度關聯，任何變化都可能與其他要素產生交互影響。為了保證改進體系科學有效，尚需要解決以下關鍵問題。

4.1 綜合布線設計

EWIS 的安裝遍布全機，與結構接口達幾萬處，與管路、設備等有密切相關性。傳統的“先結構、后連接”設計理念，會導致布線與結構之間不匹配，直接影響飛機質量。不同類型電纜材料、承載信號類型、保護等要素不同，它們之間具有相互作用關系，亟需建立共用同一通道的設計準則。部分穿艙電纜通過全機所有區域，不同區域之間電磁、電弧、發熱、污染等要素對布線要求各不相同，需要進行高適應性的局部個性化設計。同時，綜合布線工具的開發和標準化應用也將成為新問題?？偠灾?，綜合布線設計理念將帶來現有軍用飛機設計模式、標準、流程的新變革。

4.2 EWIS 腐蝕防護

目前，結構腐蝕防護技術比較成熟［15］。但是，EWIS 部件等涉電部附件腐蝕研究成果還不多。EWIS 部件腐蝕的一個特點就是“微腐蝕”。由于環境、人為等因素引起的材料特性微小變化就會引起相關信號傳遞出現異常，進而導致間歇性故障、壽命、電弧打火等故障。但是，目前在腐蝕機理、故障模式、性能退化規律、腐蝕與電信號關聯性等技術還未完全突破，相關成果在我軍飛機上體現不多，導致開展飛機腐蝕防護設計、產品剩余壽命評估等工作比較困難。

4.3 融入EWIS 的安全性分析和評估

傳統安全性分析默認EWIS 部件連接可靠，并未考慮其失效風險［16］。事實上，當EWIS 作為一個獨立系統考慮時，需要分辨可能造成危險的部件，計算失效概率，從物理和功能兩個層面考慮失效風險。但是，EWIS 重點部件篩選、安全性分析模型、區域安全風險評估、動態安全分析方法等尚不完整，導致整機系統安全性指標結論不能完全涵蓋EWIS，對于飛機適航性改進驗證造成困難。

4.4 EWIS 部件壽命評估預測

飛機結構壽命評估研究比較成熟［17］。但是，飛機設計時，默認電纜等EWIS 連接組件與機體同壽，斷路器、繼電器等EWIS 開關類器件根據工作次數或者日歷時間控壽。在實際工作過程中，EWIS 器件性能明顯隨時間下降，卻沒有控壽依據。需要在不同環境條件下，選擇機上典型部件進行加速壽命試驗，研究可能剩余壽命時間。利用維護數據、故障數據等進行綜合分析，研究建立不同類別EWIS 部件壽命曲線，以此作為制定適航性改進更換目錄的依據，并為器件質量改進提供支撐。

5 結論

1）構建的軍用飛機EWIS 適航性改進體系框架，將EWIS 作為一個獨立系統，系統性設計了涵蓋生命周期各環節的工作內容和實施方法，實現了風險閉環，可以有效解決EWIS 風險“多、小、散”和難以發現等問題，為新機設計提供參考借鑒。

2）建立的以風險控制為核心的標準工作流程，劃分了4 個任務剖面，構建了10 個工作模塊，可操作性強，經過4 型機實踐檢驗，可以適用于不同機型。

3）提出的設計分析、工藝分析、實機檢查等主要實施方法，能夠發現并解決飛機現有EWIS 二級以上主要風險，提高飛機安全性水平。

4）提出的主要技術問題，總結了當前研究和實踐的主要困難，對未來開展新型軍用飛機EWIS 設計和制造工作具有較大的參考意義。