極端氣候下民機機構的典型失效模式

張 惠，吳敬濤，田培強，鄧文亮

（中國飛機強度研究所，陜西 西安 710029）

1 研究背景

高溫、高寒、濕熱、結冰等極端氣候條件極易造成民機艙門變形卡滯、起落架卡滯或收放不同步、活動翼面結冰等典型機構的環(huán)境適應性問題。艙門、起落架、襟縫翼等典型機構中活動部件會由于極端氣候條件的影響產生一定的變形量，若變形量過大，可能導致艙門的開關功能、起落架及襟縫翼收放功能受到影響，引起部件不能運動到位，嚴重時造成卡滯，對民機飛行性能或安全性產生較大影響。

適航規(guī)章要求民機在研制和適航取證階段采用分析和試驗的方法表明艙門、起落架、活動翼面等典型結構或機構在極端氣候條件下功能和性能的符合性。國外民機制造商通常在試飛前期使用全狀態(tài)飛機在模擬的極端氣候條件下進行整機氣候試驗，提前暴露民機結構與機構潛在的環(huán)境適應性問題，并進行設計改進或制定解決策略，以保障民機極端氣候適航取證順利進行。國內民機極端氣候研究起步較晚，與國外差距較大，尤其缺乏對極端氣候下的民機機構典型故障失效模式的分析與研究[1-3]。

為了研究民機機構在極端溫度環(huán)境下的失效機理與典型故障模式，有必要開展極端氣候下的民機機構典型故障失效模式分析研究[4-7]。

2 民機典型機構概述

2.1 起落架系統(tǒng)

起落架系統(tǒng)是整個飛機系統(tǒng)中一個重要的部分，主要用于保證飛機的起飛、降落、滑行和停放。起落架系統(tǒng)對于飛機的總體布局、氣動性能、結構布置，特別是飛機的安全性，有著重大且直接的影響。由于現(xiàn)代運輸機空地循環(huán)周期縮短，壽命期內地面運動距離增長，系統(tǒng)工作處于復雜環(huán)境，因此使用故障較多，使起落架設計涉及的工程學科領域日益廣泛，且難度日益加大，必須保證起落架系統(tǒng)的安全性達到適航的要求[8]。

起落架是供飛機起飛、著陸時在地面上滑跑、滑行和移動、停放用的，是飛機的主要部件之一，其工作性能以及可靠性直接影響飛機的使用和安全。起落架質量約占全機質量的3.7%～5%，占飛機結構質量的10%～15%。起落架常見的形式如下。

簡單支柱式起落架：主要受力構件是減震支柱，它上連機體結構，下連機輪，本身作為梁柱受力。

撐桿支柱式起落架：簡單支柱式由于上端2個支點很靠近，減震支柱接近于一懸臂梁柱，撐桿支柱式則常在支柱中部附近加一撐桿，它是目前常用的一種形式。

搖臂支柱式起落架：搖臂支柱式起落架有2種形式。一是將減震器與受力支柱分開；另一種是將減震器和支柱合二為一，這種形式宜在前輪使用，以便于前輪轉彎。

外伸式起落架：其安裝在機身側面，放下時向側下方伸出。多用于中單翼或上單翼的戰(zhàn)斗機。

多輪式起落架：多輪式起落架有用撐桿支柱式，也有用搖臂支柱式。大型運輸機和重型轟炸機的質量很大，為了減小機輪對地面的壓力，提高飛機的漂浮性，同時為避免機輪過大難于收藏等原因，一般都采用多輪式起落架。

2.2 艙門結構

典型的艙門機構布置如圖1所示。為實現(xiàn)適航條款規(guī)定的功能如開啟、關閉及增壓預防等，設計了鎖閂機構、提升機構、手柄機構和鉸鏈臂機構等典型艙門機構。為保證艙門在開啟過程中與機身保持平行，設計了由2根連桿組成的平行機構；止動機構使艙門在增壓載荷的作用下固定在艙門門框上；導向輪和門框上的導向輪槽配合以保證艙門提升過程順利進行；鎖閂機構用以鎖定艙門，防止其在飛行過程中意外開啟；內手柄機構則提供艙門開啟所需的操縱力，一般由機組成員完成操縱；增壓預防門用以防止艙門在未完全關閉上閂鎖定的情況下增壓到一個不安全的水平。除了以上典型機構外，根據艙門要求的不同，還可布置其他典型機構，如開啟姿態(tài)保持機構、外手柄機構、助力機構、飛行鎖機構等。

圖1 典型艙門機構示意圖

2.3 活動翼面結構

現(xiàn)代民用飛機上機翼的前、后緣，有時沿整個展長，布置了大量活動面。除后緣的部分展長布置了橫向操縱用的副翼和擾流片之外，其余部分則用來布置各類增升裝置，用以延遲機翼在大迎角飛行時失速的發(fā)生，改善起飛、著陸特性，提高各種飛行狀態(tài)下飛機的機動性。而增升裝置要實現(xiàn)這些功能，其收放運動機構起到了至關重要的作用。襟、縫翼運動機構，從狹義上講，專指與操縱飛機增升裝置達到預定位置的運動機構；從廣義上講，是指整個增升裝置這個運動部件的整體，該整體既包括操縱機構，又包括可動的結構部件的結構（即襟、縫翼結構本身，當然，這些結構是可動部件）。而且這里的襟翼代表后緣增升裝置，縫翼代表前緣增升裝置。

位于機翼后緣的襟翼，通過傳動裝置繞其轉軸作向后直線或圓弧曲線運動，以擴大機翼的面積和彎度，達到增加升力和控制阻力的目的。飛機襟翼機構形式復雜、種類繁多，要想明確劃分不太容易。目前飛行在航線的民用飛機中，襟翼運動機構大致可分為下沉式鉸鏈機構、滑軌滑輪機構以及四連桿機構。

前緣縫翼是安裝在基本機翼前緣的一段或者幾段狹長小翼，主要是靠增大飛機臨界迎角來獲得升力增加的一種增升裝置。前緣縫翼的作用主要有2個：一是延緩機翼上的氣流分離，提高了飛機的臨界迎角，使得飛機在更大的迎角下才會發(fā)生失速；二是增大機翼的升力系數。其中增大臨界迎角的作用是主要的。這種裝置在大迎角下，特別是接近或超過基本機翼的臨界迎角時才使用，因為只有在這種情況下，機翼上才會產生氣流分離[9]。

3 民機典型機構故障/失效模式分析

3.1 極端氣候下民機起落架故障/失效模式分析

民機起落架機構的典型事故類型包括不能收起、不能放下、起飛或著陸爆胎、坍塌、液壓失效、剎車失效、機輪脫落、鎖失效以及轉彎失效等10類事故。根據故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結合民機起落架機構工作原理以及理論分析，可以得到起落架機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能收起、不能放下以及剎車失效。

3.1.1 起落架機構“不能收起或不能放下”故障模式分析

該故障模式是指前起落架或左主起落架或右主起落架之中，有1個或2個或全部沒有放下或者放下未鎖定。對于起落架不能收起或者放下故障模式，其故障可能來源于系統(tǒng)，也有可能來自于收放機構。起落架在收放過程中機構本身出現(xiàn)卡阻或者失效，而和起落架收放機構有關的結構件比如連接處的螺栓、軸銷、軸承、耳片等失效也會導致起落架無法放下。在極端氣候條件下高溫、高寒條件可能會導致起落架收放機構變形或是上、下位鎖機構出現(xiàn)變形卡滯，此外結冰條件也可能會導致起落架收放機構因冰凍出現(xiàn)卡阻，高寒條件下也可能會導致液壓油結冰使液壓系統(tǒng)不能正常工作，導致起落架機構不能正常打開或關閉。

3.1.2 起落架機構“剎車失效”故障模式分析

該故障模式是指起落架在滑行、滑跑以及起飛過程中，喪失全部或部分機輪剎車功能，非對稱喪失機輪剎車功能或機輪剎車意外使用。對于起落架剎車失效故障模式，其故障可能來源于系統(tǒng)，也有可能來自于剎車機構。在極端氣候條件下濕熱、高寒以及結冰條件下可能會導致起落架剎車機構在受污染的跑道上失去正常減速以及剎車能力，尤其在高寒地區(qū)溫度較低可能會導致輪胎橡膠變硬變脆甚至發(fā)生斷裂，使飛機在受污染跑道上極易發(fā)生溜滑，導致起落架機構剎車失效。

3.2 極端氣候下的民機艙門典型故障/失效模式分析

民機艙門機構的典型事故類型包括偶然打開、偶然關閉、不能打開或關閉、指示系統(tǒng)誤示、密封失效、人為操作失誤等6類事故。根據故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結合艙門機構工作原理以及理論分析，可以得到艙門機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能打開或關閉[10]。

通過對“不能打開或不能關閉”故障模式進行分析可知，此故障模式引起的事故通常為Ⅲ類事故，這是因為艙門的正常打開或正常關閉過程都是在地面停放階段完成的，相比于飛行中的艙門，其危險性較小。

極端氣候條件引起艙門機構“不能打開或不能關閉”故障模式的潛在原因主要是由于高溫、高寒以及結冰導致艙門機構變形發(fā)生損壞或是出現(xiàn)卡阻，導致艙門機構不能打開或不能關閉。艙門機構損壞會中斷艙門開啟和關閉的傳力路徑，使操縱力無法傳遞到鎖閂機構和提升機構等機構，導致無法開啟或關閉。助力系統(tǒng)的損壞也會引起此故障模式，如艙門助力作動器、艙門啟動馬達及艙門助力控制系統(tǒng)，在極端氣候條件下溫度太低可能會導致電子電氣設備無法正常啟動或性能下降，這些問題都有可能會影響艙門正常打開或關閉，使其在極端氣候條件下發(fā)生故障。

3.3 極端氣候下的民機襟、縫翼機構典型故障/失效模式分析

民機襟、縫翼機構的典型事故類型包括運動卡阻、操縱失效、強度失效、磨損失效、精度失效等5類事故。由上一節(jié)所統(tǒng)計的由極端氣候導致的飛行事故，根據其故障表現(xiàn)模式以及失效原因，結合民機襟、縫翼機構工作原理以及理論分析，可以得到民機襟、縫翼機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為定位失效和卡阻失效。

3.3.1 襟、縫翼機構“定位失效”故障模式分析

極端氣候條件引起民機襟、縫翼機構“定位失效”故障模式的潛在原因主要是由于襟、縫翼機構結冰會破壞機翼外形，除冰不徹底會使機翼表面變得粗糙，促使流經機翼表面的氣流變成紊流，導致氣流提前分離，臨界迎角降低。襟、縫翼結冰會導致飛機阻力增大，升力減小，引起飛行速度減小、低頭力矩增加。著陸時減小襟翼角度或收起襟翼，這是減小低頭力矩的重要措施，同時也減小了襟翼下洗氣流對尾翼迎角的影響，減小著陸時的襟翼角度，必然要增大著陸速度，所以駕駛員需要考慮到著陸距離的增加。但在實際飛行操作過程中，飛行員有可能沒有注意到結冰現(xiàn)象的發(fā)生，這就可能會導致飛行員在起飛或降落階段設置襟、縫翼偏角有誤，或未及時操作修正，導致襟、縫翼定位失效。

3.3.2 襟、縫翼機構“卡阻失效”故障模式分析

極端氣候條件引起襟、縫翼機構“卡阻失效”故障模式的潛在原因主要是由于高溫、高寒導致襟、縫翼機構變形過大發(fā)生卡阻或是出現(xiàn)機械卡阻，以及結冰導致襟、縫翼機構不能正常轉動或收放。在高溫或高寒地帶，由于氣候條件等原因，襟、縫翼機構有可能出現(xiàn)變形過大等問題，導致機構卡阻失效；此外，襟、縫翼機構還有可能在結冰條件下由于冰凍出現(xiàn)機械卡阻問題，最終導致襟、縫翼機構的卡阻失效。

4 結論

高溫、高寒、濕熱、結冰等極端氣候條件下極易造成民機艙門變形卡滯、起落架卡滯或收放不同步、活動翼面結冰等環(huán)境適應性問題。如起落架機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能收起、不能放下以及剎車失效；艙門機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為不能打開或關閉；而民機襟、縫翼機構在極端氣候條件下的潛在失效模式為定位失效和卡阻失效。對極端氣候條件下的民機機構典型故障/失效模式進行研究，分析了極端氣候條件下的民機典型機構的潛在失效模式，為極端氣候條件下的民機機構適應性分析研究工作提供了理論基礎。