直升機人-機-環境系統可靠性設計準則的編制要求的研究

李春秀 陳圣斌

摘? 要：該文基于以往直升機型號可靠性設計的經驗教訓提出了直升機人-機-環境系統設計準則的編寫要求。其目的在型號設計中，能夠編制符合型號要求的直升機人—機—環境系統的可靠性設計準則，消除或減少包括直升機本身、以及人的失誤和環境影響造成的故障和事件，從而提高直升機飛行的可靠性和安全性。

關鍵詞：直升機;人-機-環境系統;設計準則

中圖分類號：V21? ? 文獻標志碼：A

0 概述

以往的直升機可靠性設計通常研究的是直升機本身的可靠性，為了簡化研究分析工作，往往都假定人的工作是可靠的，也就是忽略空勤、地勤人員在直升機使用維護過程中對直升機的影響，但研究中發現：

a） 直升機的飛行事故中，由于人為操作失誤引發的事故高達70%，其中有20%左右的事故是由于設計差錯/缺陷引起的人的失誤造成的。

b） 直升機的飛行事故中，也有高達20～30%是相關人員在維修中的差錯造成的。

c） 由于人的失誤引起直升機的故障時有發生，據以往型號故障統計，有約20%的故障是人的失誤造成的。

顯然，直升機飛行安全和可靠性的主宰因素—人對直升機使用維修保障的影響是不能疏忽的。

另外，外部環境對直升機飛行的影響，盡管設計中已廣受設計人員的關注，但是統計表明，由于環境，象雷電、地面障礙物、飛鳥等造成直升機飛行事故約5%，環境變化造成的直升機故障約20%～30%。因此，直升機必須作為“人—機—環境系統”進行分析研究，這樣才能完整、全面地揭示直升機可靠性安全性的相應特征。

作為系統工程，直升機人—機—環境系統除了進行可靠性分析和可靠性計算之外，通常應根據以往型號的設計經驗和教訓，建立直升機人—機—環境系統的可靠性設計準則，以便指導設計人員將可靠性要求轉化為可靠性設計特征并融入方案設計中，在設計評審時，應用設計準則來檢查驗證和確定可靠性設計的符合性。

在以往的型號設計中，也都制定了相應型號的可靠性設計準則，但是這些準則存在不全面性，不能很好地指導設計。從直升機人—機—環境系統的角度來看，這些準則存在的問題是：

a） 以往型號的可靠性設計準則所設定的條款內容和要求，它關心的僅是直升機本身的可靠性設計要求，對于“人的可靠性設計”和“環境的可靠性設計”，它往往是泛泛而談，沒有詳細具體的要求和規定。這些準則中往往是說“設計中要考慮人的因素以防人的差錯影響直升機的可靠性及安全性”等，這樣的要求，因為過于抽象空洞，往往會使設計人員在直升機設計中難以實施和操作，因此對于人與環境方面的約束準則也沒有具體的措施。

b） 以往可靠性設計準則所提出的要求，有許多條款是空洞泛散的要求，沒有提出量化的指標來規定，以至于在設計中也是看設計師個人理解。象“電纜與運動部件、液壓管路、燃油管路、操縱線系要保持足夠的距離，以防電纜與這些部件、管路發生碰撞和摩擦。”顯然，“足夠的距離”是一模糊的要求，設計中難以掌握，無法確定。

該文基于對上述問題的認識和體會，并根據以往型號可靠性設計的經驗教訓，提出了直升機人—機—環境系統可靠性設計準則的編寫目的及編寫要求，為下一步對保證性設計準則的編寫奠定了夯實的基礎。

1 可靠性設計準則的編寫目的

可靠性設計準則是根據以往直升機型號設計的經驗和教訓，加以總結提高形成的可靠性設計標準和指南文件以供設計人員使用，其目的是：

a） 以可靠性設計準則為依據，將型號的人—機—環境系統的可靠性要求轉化為圖樣設計措施，即把可靠性要求設計到直升機和其各個系統之中。

b） 以可靠性設計準則為指南，使型號的可靠性設計與直升機圖樣設計同步進行，即使直升機的圖樣設計與可靠性設計相互有機地結合，解決可靠性設計與圖樣設計“兩張皮”的問題。

c） 以可靠性設計準則為標準，在設計評審中，用以檢查、驗證和審定各系統及整機可靠性設計與準則的符合性。

總之，在型號設計中，遵循直升機人—機—環境系統的可靠性設計準則，消除或減少包括直升機本身、以及人的失誤和環境影響造成的故障和事件，從而提高直升機飛行的可靠性和安全性。

2 可靠性設計準則的編寫要求

為了實現可靠性設計準則的編寫目的，顯然，編寫一份完整、全面、易于實用操作的可靠性設計準則是非常重要的，為此，編制可靠性設計準則的要求如下：

2.1 準則應反映直升機的特點

a）? 旋翼和傳動裝置等動部件是有別于固定翼飛機的特有部件，它們的性能直接關系到飛機的飛行安全，是直升機可靠性的關鍵件。

b）? 直升機通常在低于6 000 m的飛行高度飛行，高性能的武裝直升機要求貼地飛行。因此其飛行環境非常嚴酷，它有可能遭受雷電和高強度輻射場損傷、復雜地形的不利影響以及高壓電纜的飛行阻礙。這種飛行環境嚴重地危及飛行安全。

c）? 直升機操縱系統控制復雜，不僅有駕駛桿、腳蹬，而且還有旋翼操縱的總距桿、變距桿，這種多方位操縱控制方式大大增加了空勤人員的工作負擔，很容易因為操作不當引起人為失誤，造成嚴重后果。

因此，在型號的可靠性設計準則中，應根據直升機上述的獨有特征，提出相應的設計要求。

對于主旋翼脫落提出了如下的設計要求：

a）? 雙載荷通道的主旋翼轂。

b）? 雙載荷通道主旋翼槳葉緊固銷。

c）? 復合材料的主旋翼轂。

又如，對于尾旋翼操縱的喪失，提出了如下設計措施：

a）? 尾伺服機構采用雙液壓源供壓。

b）? 尾伺服操縱運行，使用復合材料拉桿代替操縱線系。

c）? 使用雙鎖定自保持螺栓進行操縱運行連接。

2.2 準則應反映直升機的型號特點

眾所周知，不同的型號具有不同的功能和結構。所以，必須根據每個直升機型號的特點編寫可靠性設計準則，因此不可能有一篇通用的可靠性設計準則，設計師可以根據自己型號特點任務需求更改相應條款。

在以往的型號設計中，不論是什么樣的型號，或者說無論是教練機、武裝機、搜索救護機，還是運輸機等都采用相同或相似的可靠性設計準則，結果是：

a）? 有些條款要求不適用于某一具體型號的可靠性設計。

b）? 有些條款要求對某一具體型號的設計要求不具體，也不完整，甚至于根本沒有提出相應要求。

總之，必須根據型號特點編制相應設計準則，這樣才能有效地指導型號的可靠性設計。

2.3 準則應將可靠性要求轉化為可靠性設計措施

a）? 為滿足任務可靠性要求，許多直升機系統都采用余度設計。有些直升機具有2個主電源系統，任一主電源故障，另一主電源仍能滿足全機供電要求。

b）? 為了滿足基本可靠性要求，減少故障發生，許多電子、電氣部件采用降額設計。

c）? 新一代武裝直升機為減少手動輸入信息的差錯，采用語音輸入代替手動輸入。

2.4 準則應將可靠性分析計算中發現的薄弱環節轉化為可靠性設計要求

在FMEA工作中，對于所發現的滑油系統故障，在其設計準則中提出如下要求：

a）? 必須采取雙套獨立的滑油系統。

b）? 座艙中必須有滑油油面指示系統。

c）? 減速器應具有30分鐘的干運轉能力。

d） 應無外置和易損傷的滑油管路。

又如通過雷電/高強度輻射場保護系統分析，提出了如下的設計要求：

a）? 電源系統采用高頻濾波器。

b）? 采用隔離變壓器;c）? 采用光-電隔離器。

2.5 準則應歸納總結直升機可靠性設計的經驗教訓

準則編寫應收集以往型號直升機可靠性設計的經驗教訓，經分析、提煉、歸納和總結轉化為可靠性設計要求。

應該說，這是當前可靠性設計工作的薄弱環節，目前，多種型號的直升機都在外場使用，它們存在許多可靠性設計問題、或者經驗教訓。但往往缺少設計師真正的認真的沉淀、思考、分析、歸納和總結并將之轉化為可靠性設計準則，在以后的型號研制中能夠得到解決。象，艙門由于艙門與艙門框體的結構強度與剛度不相協調，造成直升機振動引發的兩者變形不相一致，使艙門意外打開。

對于上面的經驗和教訓，新研直升機的設計準則中增加了如下要求：在結構設計時，應使艙門與艙門框體的強度、剛度和變形相一致以防它們這些性能差異造成艙門意外打開。

2.6 準則編寫應消化提煉國外設計標準和指南的相關要求

準則編寫應認真消化、學習國外的相關標準（如MIL-STD-1472F等），通過對比分析，提煉裁剪，將相關內容轉化為可靠性設計準則。

在MIL-STD-1472F的“為維修人員的設計”所提出的防差錯設計的措施，可以轉化為直升機人-機接口的可靠性設計要求。即：

a）? 防止外形相同或相似但功能不同且不能互換零部件被互換的結構設計措施。

b）? 防止零部件錯誤安裝的結構措施。

c）? 使可互換的零部件易于識別和互換的設計措施。

d）? 使零部件易于正確安裝的設計措施。

2.7 準則應滿足“工程化、具體化、實用化”的要求

可靠性設計準則是為型號可靠性設計而編寫的標準和指導性文件。它不僅提出要做什么，而且提出應如何做，即對型號的可靠性設計提出具體的實施辦法。這樣，使設計人員在實際工作中易于掌握和操作，從而將可靠性設計要求轉化為可靠性設計的具體實施措施。

限于篇幅，對于準則應滿足“工程化、具體化、實用化”的要求，請參見參考文獻“直升機人-機-環境系統可靠性工程技術研究”第七篇專題報告：可靠性設計分析評估準則的編制與應用研究。

3 結論

通過上面的研究分析可以得出：

a）直升機可靠性設計準則的內容，不僅包括直升機本身的要求，而且應包括“人的因素”及“外部環境條件”對直升機安全性可靠性影響的相關設計要求。

b）直升機可靠性設計準則編寫，必須符合直升機的特點和直升機型號的特點，并滿足“工程化、具體化和實用化”的三原則編寫要求。

c）可靠性設計準則的貫徹實施，不僅要進行符合性的檢查、分析，找出未能滿足要求的設計缺陷/差錯，最為重要的要對條款內容進行分析，找出相應的設計措施，并將設計措施轉化為圖樣設計。

參考文獻

[1]陳圣斌，郝宗敏.直升機性能與RMS綜合一體化設計的研究[J].直升機技術，2006（4）：23-29.

[2]陳圣斌，周曉光，曾曼成.可靠性設計分析、評估準則的編制與應用研究[R].中航工業直升機所，2010.