基于MSG-3 的民用直升機系統和動力裝置分析技術研究

曲建東/中國直升機設計研究所

0 引言

當今世界各國航空公司普遍采用MSG-3 技術制定計劃維修要求。計劃維修要求是航空器投入商業運營的通行證，是用戶制定維修方案和運營計劃的重要依據。民用航空器計劃維修要求制定是否合理和科學，既是民用航空器研制和商業成功的保證，也是用戶運營安全和經濟效益的重要保證。

本文闡述和分析了基于最新版MSG-3 的民用直升機系統與動力裝置分析技術的流程、方法和準則等內容，并以AC313 直升機主槳葉MSG-3 分析為例，驗證了該技術方法的有效性和可行性，為國產民用直升機制定初始計劃維修要求提供參考，也為用戶進一步制定維修方案提供依據。

1 國內外情況

國外先進的航空器制造商如波音、貝爾、西科斯基、空客和萊昂納多等公司一直致力于航空器計劃維修要求制定技術的研究，紛紛采用MSG-3 方法制定其航空器維修大綱。貝爾429 直升機是第一款應用MSG-3 方法制定計劃維修要求的國外直升機型號。隨后，萊昂納多的AW139 和AW189 直升機、空客的H175 直升機也相繼采用了MSG-3 方法制定初始計劃維修要求并獲得了適航當局的批準。隨著MSG-3 的推廣，國外航空器制造商根據公司自身的需求開發了具有公司特色且滿足局方審查要求的計算機輔助分析軟件，提高了MSG-3分析工作的效率和分析文檔的質量，確保了分析數據的可追溯性、規范化和標準化，對維修數據管理和技術狀態控制發揮了重要作用。

國內企業在H175 國際合作項目中首次接觸了直升機MSG-3 技術。隨著國產民用直升機研制的快速發展，AC311 和AC313 兩型機研制中首次采用MSG-3 方法制定其初始計劃維修要求，經MSG-3 分析制定的主要維護建議獲得了中國民用航空局（CAAC）的批準，同時也開發了滿足國產直升機研制和AEG 評審要求的計算機輔助分析平臺。

2 系統和動力裝置分析技術研究

系統和動力裝置MSG-3 分析關注系統功能失效后的安全性、運行性和經濟性問題，采用邏輯決斷程序確定系統和動力裝置的計劃維修任務及其間隔。在系統和動力裝置分析方面，最新版MSG-3 標準（2018 版）相比2015 版進行的兩處修訂應引起分析人員的廣泛關注。

1）國際維修審查委員會政策委員會（IMRBPB）會議上，貝爾直升機提交的IP159對MSG-3標準“2-3-1流程圖”進行了修訂，區別如圖1、圖2 所示。

圖1 修訂前流程圖

圖2 修訂后流程圖

2）IMRBPB 會議上，空客直升機和國際直升機協會（HAI）提交的IP170在MSG-3 標準“2-1-2.、2-3-2、2-3-7、2-3-8”等章節中增加了采用新技術的計劃健康和使用監測（S-HUM，Scheduled Health and Usage Monitoring）任務及其說明，并在附錄A 中增加了S-HUM 等術語的定義，意味著S-HUM 任務列入了計劃維修任務類型中并允許被選擇，為及時探測功能失效和避免過度維修發揮作用。

2.1 第1 層分析

1）確定重要維修項目（MSI）：采用自上而下的方法，識別直升機系統、子系統，直到所有外場可更換單元（LRU）為止。針對每一個識別出來的項目進行4 個問題的提問，如果有一個問題回答為“是”，則該功能項目為MSI 項；如果4 個問題回答都是“否”，則該項目為非重要維修項（Non-MSI）。

圖3 FEC確定程序圖

這4 個問題是：

a.失效對履行正常職責的運行機組來說是不可探測或不太可能探測的嗎？

b.失效影響安全（地面或飛行中）嗎？包括安全/應急系統或者設備。

c.失效有重大的運行影響嗎？

d.失效有重大的經濟影響嗎？

2）評估每一個MSI 項的功能、功能失效、失效影響和失效原因：分析人員應以直升機功能危險分析（FHA）和故障模式影響及危害性分析（FMECA）等安全性文件作為輸入開展分析評估。

3）確定MSI 項目的失效影響類別（FEC）：對每一個MSI 項目的每一個功能失效產生的失效影響，通過邏輯決斷程序確定其FEC（見圖3），為第2層分析提供輸入。FEC 數字代碼的含義：“5”表示明顯的安全性影響、“6”表示明顯的運行性影響、“7”表示明顯的經濟性影響、“8”表示隱蔽功能的安全性影響、“9”表示隱蔽功能的非安全性影響。

2.2 補充分析

對于非旋翼和傳動系統的MSI，則直接進入第2 層分析；對于FEC 是5或8 類的旋翼和傳動系統且傳遞飛行或控制載荷的MSI，則進行補充分析。按照MSG-3 結構分析程序補充偶然損傷（AD）、環境惡化（ED）分析。實際上，直升機收放式起落架裝置和飛行操縱機構等既有系統和結構的特征，有系統功能，又傳遞載荷，因此期待下一個版本的MSG-3 標準能有新的解釋說明或解決措施。

2.3 第2 層分析

1）針對第1 層分析確定的每一個FEC 涉及的每一個失效原因所關聯的零部件，通過邏輯決斷程序選擇適用且有效的計劃維修任務，如表1 所示。

表1 的填寫說明如下。

a. FEC 代碼5：明顯的安全性影響，表中所有問題（除隱蔽的功能失效外）都必須被提問，如果通過該類型分析沒有產生有效的任務，則最終必須強制重新設計。

b. FEC 代碼6：明顯的運行性影響，要求回答第一個問題（潤滑或勤務），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應進入下一個問題。從下一個問題開始，如果回答“是”，則分析結束，所得到的任務即為所需選擇的計劃維修任務；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務。如果運行性影響是嚴重的，則可以要求重新設 計。

表1 系統和動力裝置計劃維修任務選擇表

c. FEC 代碼7：明顯的經濟性影響，要求回答第一個問題（潤滑或勤務），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應進入下一個問題。從下一個問題開始，如果回答“是”，則分析結束，所得到的任務即為所需選擇的計劃維修任務；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務。如果經濟性影響非常嚴重，則可以要求重新設計。

d. FEC 代碼8：隱蔽功能的安全性影響，表中所有問題都必須被提問，如果沒有有效的任務，除非基于設計原理在分析中能夠判斷沒有任務選擇是可接受的（如自測試的存在），否則強制重新設計。

表2 計劃維修任務確定準則表

e. FEC 代碼9：隱蔽功能的非安全性影響，要回答第一個問題（潤滑或勤務），無論問題“A”的答案是“是”還是“否”，都應進入下一個問題。從下一個問題開始，如果回答“是”，則分析結束，所得到的任務即為所需選擇的計劃維修任務；如果所有問題的答案為“否”，則沒有任務，如果運行性或經濟性的損失是非常嚴重的，則可以要求重新設計。

2）選擇計劃維修任務時，表2 給出了適用性和有效性的判定準則。

3）確定任務間隔

基于可用數據和良好的工程判斷為每一項維修任務確定最合適的間隔。在缺少關于失效率和失效特征的特定數據的情況下，維修任務的間隔很大程度上基于相似系統和部件的運營經驗來確定。所以說，確定最佳間隔所需的數據和信息通常在直升機投入運營后才能獲取。因此，很多情況下，分析人員會使用相同或相似項目的運營數據作為確定任務間隔的指導。實驗室數據和供應商提供的可用數據也是確定任務間隔的重要依據。

3 分析樣例

3.1 系統描述

AC313 直升機主槳葉通過槳葉銷與主槳轂相連，主槳轂與主減速器的主軸之間通過花鍵連接，主槳轂與自動傾斜器通過兩個扭力臂和六個變距拉桿連接。

主槳葉采用先進復合材料結構，為模壓共固化一次成型，主槳葉典型剖面采取多閉腔結構設計，提高了主槳葉的力學特性和損傷容限能力，主槳葉根部通過兩個快卸銷與槳轂接頭連接。

3.2 功能描述

AC313 直升機主槳葉功能：

1）產生直升機所需的升力，功能編號為F62-10-1。

2）提供主槳葉靜電和雷電防護，功能編號為F62-10-2。

3.3 失效、影響和原因分析

以AC313 直升機主槳葉FMEA 報告為輸入，開展主槳葉的功能失效、影響和原因分析，如表3 所示。

3.4 第1 層分析

針對功能F62-10-1 和F62-10-2，對其進行4 個問題的提問，按照MSG-3標準給出的邏輯決斷程序確定其FEC 代碼。其中，圖4 中得出了功能F62-10-1的FEC 代碼為5；圖5 中得出了功能F62-10-2 的FEC 代碼為8。

3.5 補充AD、ED 分析

主槳葉屬于旋翼系統部件，FEC 為5 類和8 類，且傳遞載荷，按照分析流程，需補充AD 和ED 分析。主槳葉完全暴露在外部環境，易受環境腐蝕，裝卸搬運或維修時產生的偶然損傷易導致主槳葉產生裂紋或開膠甚至斷裂，影響直升機的飛行穩定性及安全。

表3 AC313直升機主槳葉功能失效、影響和原因分析表

圖4 功能F62-10-1 FEC分析圖

圖5 功能F62-10-2 FEC分析圖

表4 AC313直升機主槳葉計劃維修任務匯總表

3.6 第2 層分析

在第1 層分析和補充分析后，開展第2 層分析，針對主槳葉FEC 涉及的每一個失效原因所關聯的零部件，按照表2 給出的判斷準則選擇適用且有效的計劃維修任務。

3.7 維修任務匯總

對主槳葉的補充分析和第2 層分析得出的全部計劃維修任務進行合并（見表4）。對于那些存在重疊的任務，以其更短檢查間隔的維修任務作為初始計劃維修要求為妥，這也是基于安全的考慮。當然，為降低維修成本，制造廠應依據投入運營后外場反饋的使用與維修數據不斷優化計劃維修方案。

4 結論

本文基于最新版MSG-3 標準的系統和動力裝置程序，結合AC311 和AC313 直升機研制中成功應用MSG-3的型號經驗，梳理并提煉了基于MSG-3的民用直升機系統與動力裝置分析技術的流程、方法和準則，并以AC313直升機主槳葉的MSG-3 分析為例，驗證了該技術方法的有效性和可行性。本論文的方法可以為國產民用直升機制定初始計劃維修要求提供參考，為用戶進一步制定維修方案提供依 據。