某型飛機氧氣系統動態故障樹分析

張大信 郭基聯

摘要：分析某型飛機氧氣系統工作原理，根據其工作特點和過程建立系統失效動態故障樹（DFT），使用馬爾可夫鏈轉移公式對故障樹進行定量計算，求出頂事件發生概率和底事件概率重要度，找出氧氣系統薄弱環節，為機務維護工作提供幫助，也可指導工廠對氧氣系統進行升級改造。

關鍵詞：氧氣系統；動態故障樹；頂事件發生概率；底事件概率重要度

Keywords： oxygen system；dynamic fault tree；top-event occurrence rate；bottom-event probability significance

0 引言

某型飛機在飛行訓練過程中，出現正常氧分壓低故障，系統自動接通備用氧源，保證了飛行員正常生理需求。氧氣系統作為飛機座艙內的一個子系統，是飛行員生命保障系統的關鍵組成部分，也是飛機進行高空安全飛行的重要保障。本文通過故障樹法分析計算其故障發生概率，并查找氧氣系統薄弱環節，為機務維護和工廠技術改進提供參考。

1 氧氣系統工作過程

某型飛機氧氣系統包括主、備份和應急氧氣三部分。

正常情況下，飛行員的用氧由主氧源提供。來自環控系統的增壓空氣首先經過電動活門，電動活門是控制總引氣管路的開關，然后進入氧氣濃縮器，氧氣濃縮器利用分子篩變壓吸附特性，通過吸附和沖洗再生循環過程，不斷產生供飛行員呼吸的高品質富氧氣體，飛機座艙高度在8km以下時，根據高度向飛行員供給符合生理需求的混合氧。

當主氧源喪失或者座艙高度超過8km時，通過“氧源轉換器”切換到備用氧源為飛行員供氧。備用氧源由兩個額定壓力為21MPa、容積為4L的鋼膽復合材料氧氣瓶組成，可以保證在氣密巡航高度飛行時供氧時間不低于60min。

當備用氧也喪失時，系統會警告飛行員操作“應急手柄”手動切換到應急氧供氧模式，然后立即下降到安全高度返航。應急氧源采用鋼膽復合材料氧氣瓶，容積為0.5L，額定壓力為21MPa，可提供8～13min應急供氧。它同時也在彈射救生過程中為飛行員供氧。

2 氧氣系統失效動態故障樹

從氧氣系統的工作過程可以看出，主、備份和應急氧源的工作呈現出順序性，而傳統的靜態故障樹（SFT）其底事件邏輯關系主要是通過“與門”和“或門”兩種靜態邏輯門來連接，不適用于氧氣系統的分析。

動態故障樹針對復雜系統工作時底事件的動態特性定義了可以描述系統發生順序、時間關系的動態邏輯門，如順序與門、冷備件門、溫備件門等，動態故障樹即是使用了動態邏輯門的故障樹。根據本文分析需求，下面僅介紹順序相關門（Sequence-Enforcing，SEQ）這一動態邏輯門，圖形符號如圖1所示。

順序相關門表示其多個輸入事件A1，A2，…，An必須是以邏輯門下面從左到右排列的順序發生，輸出事件才會發生，否則不發生。

以飛行員吸不到氧氣為頂事件，使用順序相關門為頂事件的邏輯門建立動態故障樹，如圖2所示。

3 氧氣系統動態故障樹定量分析

對動態故障樹的定量分析只需對故障樹的動態模塊使用復雜的馬爾可夫鏈轉移公式來計算，其余靜態模塊依然使用傳統的布爾公式。圖2的氧氣系統失效故障樹可以看作是以T為頂事件、G1、G2、G3為底事件的動態故障樹，其故障失效模式為G1G2G3。其中G1、G2和G3是靜態子模塊故障樹，T是邏輯門為SEQ的動態故障樹。

通過分析，氧氣系統故障樹可以轉化為一條鏈長為3的馬爾可夫轉移鏈，如圖3所示。

3.1 頂事件發生概率

假設氧氣系統底事件的失效率分別為：

計算得出頂事件發生概率為2.6058×10-4，意為氧氣系統正常工作1000h出現飛行員吸不到氧氣的概率約為0.00026。從計算結果可知，采用了備份氧源和應急氧源的某型飛機氧氣系統出現飛行員吸不到氧氣的故障率較低，符合使用需求。

3.2 底事件概率重要度

底事件概率重要度表示第i個底事件發生概率引起的變化導致頂事件發生概率的程度。通過對每個底事件概率重要度的對比，可以找出可為系統帶來最大改進的部件。本文用減支法來計算底事件概率重要度，減支法的思路為：令底事件的發生概率Ei=l和0，分別代入馬爾可夫鏈概率公式，求出整個系統的故障概率PT（Ei=l）和PT（Ei=0），兩數相減即為該底事件的概率重要度。

這種使用復雜的馬爾可夫鏈轉移公式求底事件概率重要度的方法其計算過程較復雜，為節省空間，本文使用Matlab軟件對公式進行編程，代入數據后計算底事件概率重要度，如表1所示。

對表1進行排序，可以準確得出概率重要度最大的前三個底事件是E3（氧源轉換器故障）、E4（應急手柄失效）和E5（應急儲氣瓶漏氣），這就是需要機務重點維護和檢查的部件。通過降低事件E3、E4和E5的故障概率即可在一定程度上降低頂事件的發生概率，從而減小系統的故障率。

尤其應重點提高概率重要度最大的E3故障的可靠性，此型飛機主氧源采用的是先進的分子篩變壓吸附技術，其可靠性不如傳統的用氧氣瓶儲存氧氣的方法。飛行過程中，如果正常氧分壓突然低于報警值時，系統將由氧源轉換器自動轉為備用氧。本文開頭提到的飛行中出現的氧氣系統故障問題正是這種情況。可見，氧源轉換器是整個氧氣系統的關鍵部件，降低其故障率可以有效避免飛行員發生“無法呼吸”的危險狀況。

若將λE3的故障率由原來的5×10-5h-1提高到1×10-5h-1，代入公式計算，求得頂事件發生概率為5.264×10-5，頂事件發生概率縮小為原來的1/5，有效降低了整個系統的故障率。

3.3 動態故障樹定量分析的特點

1）可以分析靜態故障樹不能處理的一些問題。對于具有動態性、冗余性、相關性的復雜問題，動態邏輯門能更加清楚地表示故障發生的順序和原因，故障邏輯清晰準確。

4 總結

本文對某型飛機氧氣系統工作情況進行了分析，以飛行員吸不到氧氣為頂事件選用順序相關門為邏輯門畫出動態故障樹，對故障樹進行了定量分析；使用馬爾科夫轉移鏈概率計算公式，求解頂事件發生概率；選用減支法計算底事件概率重要度，準確找出系統薄弱環節，有針對性地提出改進方案。動態故障樹可以準確分析復雜系統故障模式，其定量分析的計算結果精確，可作為機務維護保養和例行檢查的參考數據，也可為飛機研制、生產和大修的廠所提供第一手分析數據。

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作者簡介

張大信，碩士研究生，研究方向：航空裝備作戰運用與保障。