民機(jī)艙門安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯分析

馬 巖

(中航沈飛民用飛機(jī)有限責(zé)任公司, 沈陽(yáng) 110179)

0 引言

民用飛機(jī)艙門機(jī)構(gòu)可以分為以下三類：

1)操縱機(jī)構(gòu)[1]

完成艙門的開(kāi)啟提升、關(guān)閉下降等操縱功能。如提升機(jī)構(gòu)、打開(kāi)機(jī)構(gòu)等。

2)安全機(jī)構(gòu)

從以往飛機(jī)服役情況來(lái)看，為了避免艙門在飛行過(guò)程中意外打開(kāi)造成的事故，有必要提供多種保護(hù)措施來(lái)防止機(jī)構(gòu)失效、故障和人為失誤。CCAR25.783[2]條款要求安全功能需要由四部分組成：a)閂功能；b)鎖功能；c)增壓預(yù)防功能；d)指示功能。

3)應(yīng)急機(jī)構(gòu)

在艙門應(yīng)急打開(kāi)時(shí)起作用的各類機(jī)構(gòu)。如應(yīng)急滑梯釋放機(jī)構(gòu)等。

1 安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

為了提高飛機(jī)整體的安全性，在最新版適航條例中，局方對(duì)艙門的閂、鎖、增壓預(yù)防等安全機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

為了便于理解，避免產(chǎn)生誤解，本文中對(duì)適航條例所述的“鎖閂”，統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為“閂”，對(duì)于“鎖定措施”，統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為“鎖”[3]。針對(duì)艙門的安全機(jī)構(gòu)，最新適航條例中有如下要求：

1)CCAR25.783(c)必須有措施防止任何承壓的門在未完全關(guān)閉、閉鎖和鎖定的情況下將飛機(jī)增壓到不安全的水平。CCAR25.783(c)(1)必須設(shè)計(jì)成在發(fā)生任何單個(gè)失效之后，或者在發(fā)生未表明是極不可能的失效組合之后仍然具有功能。

上述增壓預(yù)防措施需要監(jiān)控艙門的上閂、上鎖狀態(tài)以及艙門完全關(guān)閉位置，避免飛機(jī)在艙門未完全關(guān)閉狀態(tài)下增壓，造成艙門空中打開(kāi)的災(zāi)難性后果[4]。機(jī)械式增壓預(yù)防措施[5-7]通常選用增壓預(yù)防門機(jī)構(gòu)，在艙門沒(méi)有關(guān)閉，上閂和上鎖狀態(tài)下，增壓預(yù)防門應(yīng)處于打開(kāi)狀態(tài)，此狀態(tài)下飛機(jī)無(wú)法增壓至不安全水平。

2)CCAR 25.783(d)(4)每一次打開(kāi)時(shí)首先作內(nèi)向運(yùn)動(dòng)并且未鎖閂可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的門必須具有鎖定措施，能夠防止鎖閂脫離。鎖定措施必須確保充分閂上，能夠防止即使發(fā)生鎖閂機(jī)構(gòu)的單一失效門也不會(huì)打開(kāi)。CCAR 25.783(d)(5)如果鎖閂和鎖閂機(jī)構(gòu)沒(méi)有位于鎖閂位置，則鎖不得位于鎖定位置。

依據(jù)上述說(shuō)明，需設(shè)計(jì)鎖機(jī)構(gòu)作為鎖定措施，鎖定閂機(jī)構(gòu)的位置。未解鎖時(shí)艙門無(wú)法解閂，在未完全上閂時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)不能上鎖。鎖機(jī)構(gòu)是用于監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)的位置。

3)CCAR 25.783(d)(1)必須有措施鎖閂每一扇門。

飛機(jī)在整個(gè)飛行包線內(nèi)飛行和非增壓飛行時(shí)，閂機(jī)構(gòu)在上閂位，可以阻止艙門因?yàn)檎駝?dòng)、結(jié)構(gòu)變形、正負(fù)壓力載荷、正負(fù)重力載荷、氣動(dòng)載荷等原因打開(kāi)。閂機(jī)構(gòu)可以阻止艙門有打開(kāi)的趨勢(shì)，在解除閂機(jī)構(gòu)對(duì)艙門的鎖定后，艙門才可以進(jìn)行下一步打開(kāi)運(yùn)動(dòng)。閂機(jī)構(gòu)是用于監(jiān)控艙門的關(guān)閉位置。

以上條款在FAR25.783[8]和CS25.783[9]中有同樣的規(guī)定。

2 安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯要求

基于最新適航要求，可以定義艙門安全機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)邏輯為：如果艙門沒(méi)有處于完全關(guān)閉位置，則艙門的閂機(jī)構(gòu)不能上閂；如果閂機(jī)構(gòu)沒(méi)到達(dá)完全上閂位，則鎖機(jī)構(gòu)不能上鎖；如果鎖機(jī)構(gòu)沒(méi)有處于完全上鎖位置，則增壓預(yù)防門機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉；從而實(shí)現(xiàn)閂機(jī)構(gòu)監(jiān)控艙門的完全關(guān)閉位置，鎖機(jī)構(gòu)監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)的位置，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)和完全關(guān)閉位置的監(jiān)控邏輯。

在設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)時(shí)序控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的監(jiān)控邏輯要求，具體說(shuō)明為：關(guān)門時(shí)，先將艙門操作至關(guān)閉位，再依次完成艙門的上閂、上鎖、關(guān)閉增壓預(yù)防門步驟。上述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順序控制[10]可以通過(guò)凸輪、過(guò)中心四桿等時(shí)序控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。艙門安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯及運(yùn)動(dòng)時(shí)序關(guān)系如圖1所示。

圖1 艙門安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯圖

3 安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯分析

對(duì)艙門安全機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)，雖可以在總體上實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)間的監(jiān)控關(guān)系，但按適航條款要求，還需進(jìn)一步對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，確保因機(jī)構(gòu)失效等原因?qū)е屡撻T未到達(dá)上閂、上鎖和完全關(guān)閉位時(shí)，安全機(jī)構(gòu)仍能保持功能，或者失效狀態(tài)可以被有效的發(fā)現(xiàn)。

某機(jī)型飛機(jī)貨艙門的安全機(jī)構(gòu)如圖2所示，手柄與鎖軸固定連接，鎖軸通過(guò)閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)閂軸運(yùn)動(dòng)，閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中包含凸輪機(jī)構(gòu)，用于控制閂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序。鎖軸同時(shí)通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)時(shí)序控制。在閂軸兩端各布置有一套閂機(jī)構(gòu)，在鎖軸與閂軸上分布有兩套鎖機(jī)構(gòu)。該艙門已經(jīng)成功取得FAR和EASA的適航證，其安全機(jī)構(gòu)滿足最新適航要求。下面將以此艙門為例，對(duì)安全機(jī)構(gòu)的監(jiān)控邏輯分析過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

圖2 某機(jī)型貨艙門安全機(jī)構(gòu)

本文僅以關(guān)門過(guò)程中艙門機(jī)構(gòu)各位置發(fā)生單一失效為例，分析安全機(jī)構(gòu)的正常功能是否可以實(shí)現(xiàn)或失效能否被及時(shí)發(fā)現(xiàn)。本例中，閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)都采用了雙通路設(shè)計(jì)，當(dāng)其中一個(gè)機(jī)構(gòu)件失效時(shí)，另一組機(jī)構(gòu)還可以保證功能要求。因此，本例將分析的重點(diǎn)放在了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)失效上，機(jī)構(gòu)可能的失效位置如圖2所示，分別分析如下：

鎖軸1處位置斷裂或者閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中元件失效，驅(qū)動(dòng)手柄關(guān)閉艙門，鎖軸無(wú)法帶動(dòng)閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，閂軸無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，閂軸鎖保持在打開(kāi)位置。因存在“閂沒(méi)有上閂時(shí)，鎖無(wú)法上鎖”的設(shè)計(jì)，如圖3所示，閂沒(méi)有到位時(shí)，閂軸鎖處于開(kāi)鎖位置，占據(jù)鎖軸鎖的上鎖運(yùn)動(dòng)路徑，鎖軸鎖將被卡滯，手柄無(wú)法進(jìn)一步關(guān)閉，增壓預(yù)防門也無(wú)法關(guān)閉。上述設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)構(gòu)監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)監(jiān)控艙門“上閂、上鎖、完全關(guān)閉”狀態(tài)的功能。

圖3 某機(jī)型貨艙門鎖機(jī)構(gòu)

鎖軸2、3、4、5或6處位置斷裂，等同于1處位置斷裂的情況。

鎖軸7處位置斷裂時(shí)，手柄可以獨(dú)自關(guān)閉，但增壓預(yù)防門、視覺(jué)指示機(jī)構(gòu)、傳感器都無(wú)法到位，因此可以實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)構(gòu)監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)監(jiān)控艙門“上閂、上鎖、完全關(guān)閉”狀態(tài)的功能。

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及手柄分布在傳動(dòng)軸的兩端，是一個(gè)很好的設(shè)計(jì)方案。增壓預(yù)防門由鎖軸驅(qū)動(dòng)，且在其與手柄間至少布置一套鎖機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)由于機(jī)構(gòu)失效等導(dǎo)致鎖沒(méi)有上鎖時(shí)，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)無(wú)法關(guān)閉的功能，從而實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)對(duì)鎖機(jī)構(gòu)的監(jiān)控。本例中，如果將增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)布置于手柄的右側(cè)，在出現(xiàn)7處斷裂時(shí)，閂機(jī)構(gòu)、鎖機(jī)構(gòu)不能正常上閂、上鎖，但增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)卻仍能正常關(guān)閉，這種設(shè)計(jì)將無(wú)法起到監(jiān)控艙門“上閂、上鎖、完全關(guān)閉”狀態(tài)的作用，就不是合理的設(shè)計(jì)。

下面繼續(xù)分析閂機(jī)構(gòu)的單一失效影響。閂軸8處斷裂，左側(cè)閂機(jī)構(gòu)將無(wú)法上閂，閂機(jī)構(gòu)采用了雙通路設(shè)計(jì)，右側(cè)閂將可以保證艙門的上閂狀態(tài)，鎖機(jī)構(gòu)也將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閂機(jī)構(gòu)的位置監(jiān)控。

閂軸9、10處斷裂，左側(cè)閂機(jī)構(gòu)將無(wú)法上閂，并在閂右側(cè)的安全彈簧的作用下，保持在解閂位，其情況與8相同。

閂軸11處斷裂，驅(qū)動(dòng)手柄關(guān)閉艙門，鎖軸帶動(dòng)閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，閂軸右半段無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，閂軸鎖保持在打開(kāi)狀態(tài)，因存在圖3所示的“閂沒(méi)有上閂時(shí)，鎖無(wú)法上鎖”的設(shè)計(jì)，鎖軸鎖將被卡滯，手柄無(wú)法進(jìn)一步關(guān)閉，增壓預(yù)防門無(wú)法關(guān)閉，從而可以實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)構(gòu)監(jiān)控閂機(jī)構(gòu)位置、增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)監(jiān)控艙門“上閂、上鎖、完全關(guān)閉”狀態(tài)的功能。

閂軸12處斷裂，情況與11相同。

閂軸13、14或15處斷裂，右側(cè)閂機(jī)構(gòu)將無(wú)法上閂，但閂機(jī)構(gòu)采用了雙通路設(shè)計(jì)，左側(cè)閂機(jī)構(gòu)將可以保證艙門的上閂狀態(tài)，鎖機(jī)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閂機(jī)構(gòu)的位置監(jiān)控。

基于上述分析，當(dāng)艙門兩個(gè)閂機(jī)構(gòu)都無(wú)法上閂時(shí)，鎖機(jī)構(gòu)和增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)均無(wú)法正常到位，可以起到監(jiān)控作用。當(dāng)鎖機(jī)構(gòu)沒(méi)有到達(dá)上鎖位時(shí)，增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)也無(wú)法正常到位，可以起到監(jiān)控鎖機(jī)構(gòu)的作用。因此該艙門的安全機(jī)構(gòu)滿足最新適航條例中提出的監(jiān)控功能要求。

在設(shè)計(jì)艙門安全機(jī)構(gòu)時(shí)，首先要基于功能要求選擇機(jī)構(gòu)形式，保證機(jī)構(gòu)滿足運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)載荷以及運(yùn)動(dòng)時(shí)序等要求，之后可以依據(jù)上述邏輯分析方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，確定各機(jī)構(gòu)間的布局關(guān)系以及安全彈簧、止動(dòng)機(jī)構(gòu)等的位置，判定是否需要添加雙通路設(shè)計(jì)等，直至滿足機(jī)構(gòu)的監(jiān)控邏輯要求。

4 結(jié)論

針對(duì)最新適航條例對(duì)艙門安全機(jī)構(gòu)提出的更高要求，本文提供了一種艙門安全機(jī)構(gòu)監(jiān)控邏輯分析方法，并得出以下結(jié)論：

(1)機(jī)構(gòu)布局時(shí)要充分考慮其安全監(jiān)控邏輯關(guān)系。

(2)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)時(shí)序只是監(jiān)控邏輯關(guān)系的表現(xiàn)形式，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不僅僅要滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)序要求。

(3)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)用于監(jiān)控艙門的“上閂、上鎖、完全關(guān)閉”狀態(tài)，設(shè)計(jì)其由鎖機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)為更直接、更有效的方案。

(4)閂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手柄機(jī)構(gòu)分布于傳動(dòng)軸的兩端，可以更有效實(shí)現(xiàn)鎖機(jī)構(gòu)對(duì)閂機(jī)構(gòu)的監(jiān)控。

(5)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)和手柄機(jī)構(gòu)之間，布置至少一套鎖機(jī)構(gòu)，更有利于實(shí)現(xiàn)增壓預(yù)防機(jī)構(gòu)對(duì)鎖機(jī)構(gòu)的監(jiān)控。

本文提供的分析方法可以應(yīng)用于各類艙門安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為其他艙門的安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。