飛機風擋裂紋/破裂類事件統計及Bow-tie模型分析

劉俊杰, 張晴

(中國民航大學安全科學與工程學院, 天津 300300)

飛機風擋可以為飛行員提供清晰的視野,隔離飛機內外,保障機內環境。飛行中一旦發生風擋破裂損壞,可能會導致座艙失壓、艙內設備失效、飛行員受傷、失能甚至飛機失控等風險。典型的案例有2018年5月14日川航8633航班英雄機長劉傳健經歷的“5·14”風擋破裂事件,1990年6月10日英航5390航班風擋脫落機長被吸出駕駛艙外凍僵但幸運生還的事件。高空中一旦發生風擋裂紋飛行員可能面臨低溫、缺氧、巨大氣動壓力,進而導致失能,飛機失控甚至墜機的可能性將大大增加。

基于此,國內外學者對飛機風擋結構及涉及故障情況進行了研究分析。李峰[1]對駕駛艙風擋進行介紹,并對 2 號風擋更換和調節進行分析,對調節的方法進行梳理,通過系統原理來確認故障并對基礎知識進行分析;李杉[2]根據中國民用航空局相關數據,闡述了 2020 年國內民航運輸機隊運行和故障情況,重點分析了波音 B737、空客 A320及A330 飛機風擋加溫層裂紋等幾類典型的故障及其解決措施;張鑫[3]為解決某型飛機風擋玻璃脫膠故障,從原材料的質量、飛機設計、制造環節等方面進行故障原因排查,利用有限元分析數據確定了飛機故障原因;高翔等[4]通過飛機風擋的生產調查以及對相關故障的分析,搜索出了導致風擋側窗有機玻璃出現腐蝕裂紋的主要因素,并對設計進行了相關優化;白建坤[5-6]分別以波音737NG 和空客A320 飛機為研究對象,對其風擋玻璃破裂、劃痕等損傷進行了相關分析,為飛機的維護和安全放行提供依據;陳佳慧等[7]采用ANSYS/LS-DYNA分析軟件進行了飛機風擋鳥撞過程的仿真模擬,改進了民用客機風擋鳥撞適航驗證的方法;劉信超等[8]基于瞬態動力學軟件 PAM-CRASH 建立碰撞數值仿真模型,對運輸類飛機風擋鳥撞位置的影響進行了參數化研究;郭亞周等[9]通過飛機風擋撞擊的對比性實驗來對比微型無人機和鳥體撞擊對飛機風擋玻璃的損壞程度;陳賀賀等[10]運用光滑粒子流體動力學方法模擬了鳥撞飛機風擋的過程,鳥體以三種不同的速度撞擊風擋,得出了鳥體撞擊風擋的應變、應力曲線等特征量;白杰等[11]針對適航條款中的相關要求,通過與美國的咨詢通告(advisory circular, AC)等對比,從三個不同的角度對有關駕駛艙視界的適航符合性驗證評估指標進行了總結,得出適當的駕駛艙視界適航符合性驗證評估結果并給出相應的改進意見。

Doubrava等[12]探討了厚度不同的風擋,在特定鳥擊狀態下碰撞后的動態響應,并認為風擋的臨界擊穿速率和風擋厚度成正比; Dar等[13]進行了鳥體的體態形狀、重量、撞擊角度、速度等不同特征對有機玻璃(polymethyl methacrylate, PMMA )材質風擋影響的研究;Wang 等[14]對 PMMA 材質的風擋進行了環境溫度、撞擊位置以及撞擊速度的影響研究;Mohagheghian 等[15]對離子性中間膜 (sentryglas?plus, SGP)、聚乙烯醇縮丁醛(polyvinyl butyral, PVB)、熱塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane, TPU) 層合風擋進行了構型、溫度以及厚度等參數的分析研究;Lu等[16]在PAM-CRASH軟件環境下探究了運輸機擋風玻璃與五種輕型無人飛行器在不同飛行條件下的空中碰撞安全性,發現無人機的構型、重量等都對飛機擋風玻璃的沖擊損傷有顯著影響。

在其他民航事件類型的研究方面,趙禮強等[17]采用Reason模型對45起民航空難事故及征候進行分析,結果表明機組人為差錯是重大空難發生的核心因素;潘丹等[18]采用N-K 模型對飛機運行安全風險耦合進行研究,將飛機運行安全風險系統劃分為機組、機務等6 個風險子系統,以及三種風險耦合類型,認為地面保障和天氣因素影響的次數較多,表明二者對飛機運行安全有較大的影響;Liu等[19]提出了結合關聯規則挖掘方法和系統動力學模型的混合方法來挖掘歷史數據、預測和預警飛行員的不安全行為,最終挖掘出48個影響飛行員不安全行為的危險因素,以及142個關鍵關聯規則。

飛機風擋的現有研究大部分是針對其結構、材料等微觀方面或是對鳥擊風擋事件進行仿真模擬,缺少對風擋類事件的宏觀統計及成因分析。針對其他民航事件類型的現有研究,重點針對風擋相關事件及原因分析較少。為對民航客機的風擋破裂或損壞類事件進行了解和統計分析,現對美國航空安全報告系統(Aviation Safety Reporting System, ASRS)及中國航安網中風擋類事件進行統計,基于該數據利用Bow-tie模型對風擋破裂事件進行原因、結果分析并提出相應的預防措施、應急措施。

1 信息來源

為對風擋相關事件有較為全面的了解,主要收集截止到2022年6月以下兩類數據:美國 ASRS數據庫、中國航安網數據庫。

ASRS 收集飛行員、管制員和其他人自愿提交的航空安全事件/情況報告,是世界上最大的由航空一線人員(包括飛行員、管制員、機務、空乘、簽派)提供的自愿保密安全信息庫。1975年,美國聯邦航空管理局(Federal Aviation Administration, FAA)建立并開始運行自愿報告項目ASRP(aviation safety reporting program)。次年,FAA把該項目移交給中立的第三方美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)來運行,并隨之更名為ASRS[20]。

近年來,隨著中國民航事業的發展,航空安全信息的數量也有大幅度增長[21]。其中,中國民用航空安全信息系統(以下簡稱“航安網”)中公布了局方收集的強制報告類事件信息,它是民航辦公自動化中的一個重要業務子系統。主要記錄中國民航運行相關的事故、征候、一般事件等信息,收集的內容包括事件發生的時間、地點、原因、事件類型、簡要描述等。

1.1 ASRS數據統計分析

因為裂紋或破裂難以檢索,遂以“windshield”為關鍵詞檢索了ASRS數據庫,獲取涉及風擋相關自愿報告621份,其中,有關內容未標注的用空白表示。

1.1.1 主要運行規章統計

上述報告中主要與FAR 121部、135部、91部運行相關,共599份,其中,涉及目視氣象條件(visual meteorological conditions, VMC)的共277起,占比46.24%;此項空白未標注內容的150份,占比25.04%;涉及儀表氣象條件(instrument meteorological conditions, IMC)的共125起,占比20.87%;涉及混合條件(mixed)的共34起,占比5.68%;涉及邊界(marginal)的共13起,占比2.17%。涉及運行規章和運行條件如圖1所示。

圖1 ASRS運行規章與運行條件分布Fig.1 Distribution of operation regulations and flight rules in ASRS

從飛行活動類型來看,ASRS中的數據以客運(passenger)飛行為主,共362份,占比為58.29%;個人(personal)飛行79份,占比12.72%;此項空白未標注內容的78份,占比12.56%,培訓(training)飛行相關43份,占比6.92%;貨運(cargo / freight / delivery)飛行25份,占比4.03%;調機/飛機調配(ferry / re-positioning)相關25份,占比4.03%;其他飛行類型共9份,占比1.45%。涉及的主要運行規則包括Part121、Part91、Part135,具體分布如圖2所示。

圖2 ASRS運行規章與飛行類型分布Fig.2 Column chart of flight mission of main operation rules in ASRS

1.1.2 涉及飛機部件及報告者位置統計

涉及報告人所在位置以位于飛機上、駕駛艙(flight deck)為主。報告人所在位置在飛機上的共585份,占比94.20%,其中報告人所在位置為駕駛艙的共581份,占比99.32%。

問題的主要發現者為飛行機組。在標注發現者的214份報告中,發現者(detector)為飛行人員的共194份,占比90.65%;其他發現者還包括自動駕駛、地面人員、維修人員、簽派、空管、客艙工作人員。涉及的問題中,110份報告為“故障”(malfunctioning);94份與“失效”(failed)相關,占比分別為51.40%、43.93%。

涉及飛機部件:未標注飛機部件的242份,占比38.96%。標注涉及飛機部件的報告中,涉及駕駛艙風擋、風擋及相關系統的報告214份,占比34.46%,其中171份報告涉及駕駛艙風擋,24份報告涉及風擋防冰/雨系統,13份報告涉及風擋雨刷系統,4份涉及窗(飛機部件),2份涉及座艙蓋。

涉及飛機部件中與防冰相關的報告還涉及冰/雨防護系統、皮托/靜壓防冰系統、翼剖面防冰、螺旋槳防冰等,合計22份報告,占比3.54%。

1.1.3 飛行階段

ASRS報告飛行階段以巡航階段為主,共221起,占比35.59%;其次為爬升階段,共103起,占比16.59%;58起涉及下降階段,占比9.34%;52起涉及滑行階段,占比8.37%;41起涉及停靠階段,占比6.60%;38起涉及著陸階段,占比6.12%;其余飛行階段如圖3所示。因此,機組及相關部門要加強對巡航階段風擋安全的關注。

圖3 ASRS飛行階段占比分布Fig.3 Flight phase proportion distribution in ASRS

剔除風擋無損傷、損傷未超標事件后,涉及風擋損傷相關事件330起,其中,飛行階段以巡航階段為主(128起),占比38.79%;其次為爬升至巡航階段和初始爬升階段(62起),占比為18.79%。

按事發階段為空中或地面來劃分,空中運行階段包括巡航階段、爬升至巡航階段、下降階段、起始進近階段(儀表飛行規則)、初始爬升、起飛階段、巡航高度變化階段、最后進近階段(儀表飛行規則)、起落航線五邊階段(目視飛行規則)、等待階段、機動飛行、起落航線四邊階段(目視飛行規則)等244起,占比73.94%(占總數的39.29%)。

地面運行階段包括停放、發動機未運轉階段、滑行、中斷起飛階段、推出/牽引、著陸滑跑階段、發動機關車階段、發動機起動階段、滑行至跑道階段等共計48起,占比14.55%(占總數的7.73%)。

發現時機主要為飛行中,共510份;其次為滑行中,共45份,占比分別為82.12%、7.25%,但是也涉及飛機在登機門、飛行前以及例行檢查、著陸滑行、拖出/推出等過程中。

1.1.4 損傷情況

報告描述中涉及風擋損傷情況包括裂開(shatter)、裂縫(crack)、結冰(ice)、煙霧(smoke)、劃傷(scratch)等。報告數分別為71、68、46、29、6起,合計占比35.43%。此外,報告提到伴有聲音的66起,占比約10.63%。如圖4所示為(含摘要)詞云圖(風擋損傷相關)。

圖4 ASRS報告描述及摘要詞云Fig.4 Report description and summary word cloud in ASRS

1.2 航安網數據分析

收集航安網1 004份風擋相關事件,對事件類型、風擋損傷狀況、風擋損傷的具體情形、風擋損傷后的處置情況進行統計分析。

1.2.1 航安網事件類型統計

查詢航安網數據庫中標題含有風擋的數據,共收集信息1 004條,其中運輸航空共972起,通用航空共32起。從主要事件類型來看,運輸航空中鳥擊事件最多,共679起,占運輸航空的69.86%;其次為零部件缺失/損壞/磨損事件,共160起,占運輸航空的16.46%。通用航空中零部件缺失/損壞/磨損事件最多,共20起,占通用航空的62.50%;其次為系統失效/故障/卡阻事件,共3起,占通用航空的9.38%。如圖5所示。

圖5 航安網風擋事件不同事件類型數Fig.5 Number of different event types of windshields in aviation safety information system of CAAC

1.2.2 風擋損傷狀況及具體情形分析

航安網中1 004份風擋相關事件涉及風擋損傷情況如下:無損傷事件392起、損傷未超標事件282起,合計占比67.13%;標明損傷、損傷超標等事件272起,占比27.09%;涉及風擋及相關部件故障的57起,占比5.68%。不同事件類型導致的風擋損傷情況如下。

(1)鳥擊事件:55.36%的鳥擊事件無損傷(有鳥擊痕跡、血跡羽毛、撞擊感等);37.59%的鳥擊事件損傷未超標,即92.95%收集的鳥擊事件未導致損傷或損傷超標;損傷和損傷超標事件48起,占比7.05%。這說明風擋是鳥擊高發部位,但損傷較輕,其導致風擋損傷或損傷超標的事件不足十分之一。

(2)零部件缺失/損壞/磨損:95.56%的零部件缺失/損壞/磨損事件涉及損傷、裂紋、破裂、損傷超標等情形,只有3.89%的事件標明損傷未超標;20.56%的事件標注損傷超標、裂紋、破裂等較為嚴重的情形。這說明零部件缺失/損壞/磨損是風擋損傷的高發事件類型,且約1/5的此類事件會導致風擋損傷超標或破裂。

(3)系統失效/故障/卡阻:47.76%的系統失效/故障/卡阻事件涉及風擋損傷、裂紋或開裂;47.76%涉及風擋相關故障;只有4.48%的系統失效/故障/卡阻事件風擋無損傷;這說明系統失效/故障/卡阻事件與風擋損傷、風擋相關故障相關度較高。從整體上看,導致風擋損傷、損傷超標的高發事件類型為零部件缺失/損傷/磨損、鳥擊;導致風擋故障的高發事件類型為系統失效/故障/卡阻。如圖6所示。

圖6 航安網風擋損傷狀況事件類型Fig.6 Event types of windshield damage in Aviation Safety Information System of CAAC

涉及風擋損傷的具體情形的共360起,其中,涉及裂紋、破裂、劃痕、凹坑、開裂情況的共277起,占比76 .94%;涉及加溫故障的共35起,占比9.72%;涉及封膠破損、脫落、封嚴受損的9起,合計占比2.50%。如圖7所示。其他風擋相關問題還包括風擋污染、結冰、無法關閉、外物撞擊等就不一一贅述。

圖7 航安網風擋損壞具體情形與損傷情況Fig.7 Specific situation and damage of windshield in aviation safety information system of CAAC

1.2.3 風擋損傷后的處置情況

發生風擋損傷后的處置情況會與所處飛行階段以及對損傷程度的判斷、外界天氣條件等情形有關。

巡航階段主要處置包括:繼續飛行、備降、返航、下降高度,占比分別為41.46%、24.39%、18.70%、9.76%;爬升至巡航階段的處置主要包括:返航、備降、繼續飛行,占比分別為69.56%、19.56%、8.70%;初始爬升階段以返航為主,占比75%。地面停放、發動機未運轉階段發現風擋損傷情況大多為航后、航前檢查時,此類情況處置以更換風擋為主(占比90.62%),個別情形有涉及故障保留放行、停場修理、取消后續航班等。具體統計數據如圖8所示。

圖8 航安網不同飛行階段風擋損傷處置情況Fig.8 Windshield damage disposal during different flight stages in aviation safety information system of CAAC

2 事件調查報告分析

收集整理風擋相關事故調查報告,共涉及以下4份事件調查報告。

(1)事件1。

事件經過:2011年4月1日,美國西南航空一架B737-3H4 (WL)飛機執行亞利桑那州鳳凰城-天港國際機場飛往加利福尼亞州薩克拉門托國際機場,在巡航階段該航班的風擋突然破裂,導致飛行艙內失壓。飛機緊急備降亞利桑那州尤馬國際機場,一名空乘人員受傷[22]。

事件原因:該事件是由于風擋玻璃的一個鋁制結構件出現了疲勞裂紋,最終導致破裂。

(2)事件2。

事件經過:2011年9月17日,加拿大航空公司一架A320-200型客機執行從加拿大多倫多飛往美國洛杉磯的航班,該飛機在距離芝加哥奧黑爾機場西北90海里、飛行高度層FL340時,副駕駛側的風擋玻璃破裂。機組人員將飛機的飛行高度層下降為FL230,改航芝加哥奧黑爾機場,25分鐘后在14R跑道安全著陸[23]。

事件原因:水氣滲透到風擋玻璃加熱層,引起加熱器系統產生電弧,進而導致風擋玻璃破裂。

(3)事件3。

事件經過:2018年5月14日,中國一架A319-133飛機執行重慶至拉薩航班,飛機駕駛艙右風擋在巡航階段爆裂脫落,飛機失壓,飛機備降成都。兩人受傷,飛機損傷[24]。

事件原因:飛機右風擋封嚴(氣象封嚴或封嚴硅膠)破損,導致外部水汽滲入并存留于風擋底部邊緣。電源導線因長期浸泡持續電弧放電,進而使雙層結構玻璃破裂,風擋不能承受駕駛艙內外壓差從而爆裂脫落。

(4)事件4。

事件經過:2021年5月4日,中國一架B737-800飛機執行庫爾勒至鄭州航班。巡航過程中機組發現左側1號風擋邊緣有小電火花,并持續蔓延擴大。隨后風擋發出爆裂聲并出現裂紋,機組按檢查單的步驟確認外層風擋破裂,內層風擋未見裂痕,最后機組認為剩余航程時間過長,不宜繼續飛往目的地鄭州,決定備降蘭州,后續在蘭州正常落地[25]。

事件原因:加溫控制系統失效,誘因可能包含加溫控制元件失效和/或風擋防潮封嚴風蝕、老化和脫膠等造成的潮氣入侵也可能導致加溫控制異常,進而導致風擋外層玻璃破裂。

值得指出的是,第一起事件是由于飛機風擋零部件失效/故障/卡阻等問題引起;后面3起事件都與風擋維護不當導致水汽/潮氣進入風擋有關。這表明水汽/潮氣對于風擋加溫層、電弧等重要部件具有重要影響。因此機務、機組人員在進行航后、航前檢查時要加強對風擋的審查、注意日常維護,若有故障應及時進行維修或更換。

3 Bow-tie模型分析風擋破裂類事件

Bow-tie模型是一種風險管理和分析的方法,它可以分析出頂級事件的原因及其潛在后果,并針對不同原因提出預防措施,根據潛在后果提出應對方法[26]。它的實施步驟如下:選擇具體的風險事件作為頂級事件;左側為事件發生的原因,右側為事件可能導致的后果,預防和減緩控制措施就寫在兩側的連線上[27]。Bow-tie模型圖包括事件發生的全部過程,并且能夠清晰地顯示出各部分之間的聯系。

基于飛機風擋破裂所帶來的嚴重后果,選取風擋裂紋/破裂類事件為模型的頂級事件。

對飛機風擋破裂事件的原因歸結到“鳥擊、零部件缺失/故障、系統失效/故障、冰擊”四個方面,這樣對事件進行更加全面、清晰的分析。根據風擋破裂事故調查報告分析可知,風擋破裂常常會產生非常嚴重的后果,造成風擋結冰、故障、損壞、損壞超標的后果。

根據事故原因制定以下預防控制措施:

(1)鳥擊:加強機組、空管等人員的技能培訓,增加鳥擊事件專項訓練以提高應對能力;加強飛行前準備,做好航前檢查,采取有效的驅鳥措施,及時清理排水溝、水槽,及時清理昆蟲[28]。

(2)零部件缺失/故障:機務、機組人員要加強對飛機的航前檢查,對老舊零部件要及時更換,尤其對各種零部件的檢查,航空公司安監部要加強監督。

(3)系統失效/故障:廠家要對發動機等動力設備嚴加把控,保證出廠安全,機務、機組做好航前檢查,對系統、故障相關事件要做好分析,引以為鑒,防范類似事件的發生。

(4)冰擊:氣象部門要做好天氣預報,空管部門也要及時報告天氣變化,機組要提高自身針對冰雹等不利天氣的應對能力,地勤人員做好除冰措施。

根據事故產生的潛在后果制定一些減緩控制措施:

(1)地勤人員要及時做好除冰措施,機務及機組人員要做好航前檢查。

(2)機組要迅速做出反應并與空管部門取得聯系,機長要快速做出決斷,副駕駛要積極配合機長并指出錯誤,盡量在最近的機場備降。

(3)機組應迅速做出反應,檢查是否系好安全帶,及時與空管取得聯系,盡快著陸,啟動相關應急程序。

(4)航空公司要對損壞部件及時進行修復或更換。

根據上述分析繪制風擋類事件Bow-tie模型圖,如圖9所示。

圖9 風擋類事件Bow-tie模型分析圖Fig.9 Bow-tie model analysis diagram of windshield events

4 結論與建議

通過對ASRS及航安網中關于風擋類事件的運行條件、事件類型、報告者位置等事件特征進行統計分析,得出結論。

(1)ASRS數據分析表明:運行條件涉及VMC的比例最高,這證明對風擋破裂影響最大的運行條件為目視氣象條件(是指用能見度、離云的距離和云高表示,等于或者高于規定最低標準的氣象條件)(CCAR-121-R7)[29]。飛行活動類型以客運飛行為主;報告者所在位置以位于飛機上、駕駛艙為主;事發階段以巡航階段為主;風擋損壞情況主要是裂開。

(2)航安網數據分析表明:運輸航空中風擋類事件原因以鳥擊為主,通用航空以零部件缺失/損壞/磨損為主;且鳥擊事件大部分為無損傷,后果較輕;而超九成的零部件缺失/損壞/磨損事件涉及損傷、裂紋、破裂、損傷超標等情形,后果較重;事發階段主要在巡航階段且處置情況以繼續飛行為主。

針對上述分析,結合Bow-tie模型,提出如下建議。

(1)機務、機組等相關人員應做好航前、航后檢查,且要加大對風擋加溫、雨刷、封膠等的檢查并及時進行維修維護。

(2)重點關注事件類型:零部件缺失/損壞/磨損、系統失效/故障/卡阻、鳥擊等,針對上述事件,加強零部件的審查和鳥擊防范力度,提高飛行員對此類突發事件的應對能力。

(3)氣象、空管部門應及時密切地關注天氣變化并及時通知機組,尤其是雷暴、冰雹等天氣。