民用飞机空中应急离机系统可靠性分配研究

本文针对民用飞机空中应急离机系统，建立型清晰直观，提出的可靠性分配方法有效实用，对国内民用飞机空中应急离机系统的设计具有一定借鉴和参考意义。点评人：何舒培，中国上海飞机设计研究院助理工程师，研究方向为民用飞机飞行试验方法、操作手册编制。



民用飞机空中应急离机系统可靠性分配研究

汪 浩

中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院

汪浩（1992-）男，硕士，中国商飞上海飞机设计研究院助理工程师，研究方向为民用飞机飞行试验方法、试飞改装。

本文针对民用飞机空中应急离机系统，建立型清晰直观，提出的可靠性分配方法有效实用，对国内民用飞机空中应急离机系统的设计具有一定借鉴和参考意义。
点评人：何舒培，中国上海飞机设计研究院助理工程师，研究方向为民用飞机飞行试验方法、操作手册编制。

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空中应急离机系统是在飞行试验过程中保障机组成员安全的重要措施，它的可靠性对试验飞机非常重要。本文首先介绍一种民用飞机的空中应急离机系统，之后对其进行可靠性建模与可靠性分配，最后针对特殊的“非指令性触发”事件进行可靠性分配，得到了可靠性指标的分配结果。

飞行试验是对飞机在真实飞行条件下进行科学研究和产品试验的过程。飞行试验内容复杂，具有一定的危险性，特别是试飞一些高风险科目（例如包线扩展、颤振和失速等），有大的可能性会发生事故。因此，中国民用航空局（CAAC）在民航规章中针对飞行试验做出了以下规定：CCAR-21-R3《民用航空产品和零部件合格审定规定》第35条“（四）除滑翔机或载人气球外，申请人应当证明每次飞行试验时，均采取了足够措施，以便于试飞组成员能应急离机和使用降落伞。”

为了满足这项条款要求，国内外的通用做法是在试验飞机上设计一套空中应急离机系统，供机组成员在发生飞机不可挽救的情况下迅速离开飞机、跳伞逃生。这套系统能否可靠地运行关系到危急时刻机组成员的生命能否成功得以挽救。因此，应急离机系统的可靠性对试验飞机非常重要。本文将从可靠性角度出发，对民用飞机空中应急离机系统的可靠性分配方法进行研究。

系统介绍

本文参考研究应急离机系统的相关资料，研究一种国内民用飞机的空中应急离机系统，系统组成如图1所示。

应急通道子系统为机组成员提供迅速逃离飞机的无障碍离机通道，供机组成员跳伞离机。它包括离机通道、舱门机构和辅助设施。

声光指示子系统为机组成员提供离机时语音和灯光上的指示，分为语音告警和灯光指示两部分。语音告警系统包括悬臂式话筒、氧气面罩话筒、手持话筒、功放单元和客舱扬声器，用于及时有效地指示机组成员进行应急离机。灯光指示系统包括跳伞指示灯和跳伞灯控制面板组件，用于指引客舱机组成员进行跳伞。

图1 应急离机系统组成

控制子系统用于控制舱门的开启，包括舱门自动开启组件和舱门手动开启装置。舱门自动开启组件包括安装在驾驶舱中的控制面板和一套控制电路，机长通过操作控制面板上的控制开关发出控制指令，舱门机构接收到指令后开启舱门并将结果反馈到控制面板上。舱门手动开启作为备份，提供在自动开启失效情况下打开舱门的方式。

电源子系统用于向应急离机系统提供和分配电能，包括蓄电池和配电箱。

可靠性建模

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性的概率度量亦称可靠度。可靠性建模是指为预计或估算产品的可靠性而建立框图和数模模型，是进行可靠性研究的基础。对于复杂产品的功能模式，用方框将各组成部分的故障或它们的组合如何导致产品故障的逻辑图称为可靠性框图。

对于第2节介绍的应急离机系统，由于系统四个部分共同实现帮助机组成员安全迅速离机的功能，缺一不可，并且各部分之间的故障相互独立。因此，可以建立串联式的可靠性模型，可靠性框图如图2所示。

根据串联模型可靠度的计算方法，应急离机系统的可靠度为：式中，

对于应急通道子系统，通常只考虑舱门机构的可靠性，所以系统的可靠度便是舱门机构的可靠度。

对于声光指示子系统，语音告警和灯光指示为并联关系，所以声光指示系统的可靠度为：式中，表示语音告警的可靠度，表示灯光指示的可靠度。

对于控制子系统，舱门手动开启是自动开启的备份，所以两者均需达到控制子系统的可靠度，即：

对于电源子系统，蓄电池与配电箱为串联关系，所以电源子系统的可靠度为：

可靠性分配

可靠性分配是将规定的产品可靠性整体指标，按照一定的方法和程序分配到产品的各个层次，以此确定各个层次的可靠性指标。对于应急离机系统，可靠性分配就是将系统的可靠性整体指标逐级分配给四个子系统，乃至子系统包含的机载设备。

由于应急离机系统具有以下特点：（1）由四个子系统串联组成；（2）各个子系统的复杂程度、技术水平、重要程度和环境条件相近。本文选用等分配法来进行可靠性分配。

参考《飞机设计手册第20册-可靠性、维修性设计》中可靠性分配的计算方法，应急离机系统的可靠性分配流程可以概括为如图3所示的三个步骤：

根据应急离机系统顶层可靠度指标，采用等分配法得到各子系统的可靠度；

由各子系统的可靠度以及给定的飞行小时数计算得出各子系统的故障率；

由各子系统的故障率计算出各子系统的平均故障间隔时间MTBF。

参考国军标-飞机应急离机系统通用规范（GJB 4049-2000），本文将应急离机系统完成帮助机组成员安全、迅速出舱的可靠度顶层指标Rs*定为：不低于0.98。

由公式1可得四个子系统的可靠度为：

因此，由应急通道子系统的可靠度可知舱门机构的可靠度为0.995。

由公式2计算出语音告警和灯光指示的可靠度为：

由公式2.3可得舱门自动开启和手动开启的可靠度为0.995。

由公式4算出蓄电池和配电箱的可靠度为：

图2 应急离机系统的可靠性框图

图3 应急离机系统的可靠性分配流程

假设所有系统包含的各单元不工作时的故障率可以忽略不计，并且寿命都服从指数分布，则故障率为：

取时间t为2000飞行小时，则可以得到如下表1所示的应急离机系统的可靠性分配结果。

表1 应急离机系统的可靠性分配结果

图4 空中舱门意外开启故障树

“非指令性触发”的可靠性分配

“非指令性触发”是指应急离机系统在没有收到机组指令的情况下，在空中意外触发舱门的开启。它会导致飞机进入快速释压状态，对飞机以及机组成员带来极大的危险性。这项危险会迫使机组成员处于危险状态并使用应急程序，工作负荷极大增加，完成任务的能力大大降低，极端情况下会造成机组严重受伤或者死亡。因此，这类事件被定义为危险级事件。正是由于“非指令性触发”事件的危险性和特殊性，应当采用特殊的方法对其进行可靠性分配。

本文采用故障树分析法对“非指令性触发”事件进行分析，通过对引起事件发生的各种因素进行逻辑因果分析，确定导致事件发生的可能性原因，再通过定性分析与定量计算来得出可靠性指标的分配结果。

对于危险级事件，设计者应当设法将发生的概率降低到10-9以下。因此，舱门“非指令性触发”的可靠性指标可以概括为：舱门在25000ft以上意外打开的概率小于1×10-9。

选择“空中舱门意外开启”作为故障树的顶事件。初始条件为舱门处于关闭且锁住状态，控制子系统与舱门作动器处于待命状态。则根据第2节对应急离机系统原理的描述，建立如图4所示的故障树。

图中各事件号码所代表的故障事件如表2所示。

表2 故障事件的含义

运用下行法进行分析，得到最小割集（MCS）如下：｛4｝，｛5｝，｛6｝，｛7｝。分析这些最小割集可以发现，四个事件在最小割集中出现的次数均为一次。可以定性的认为这四个事件有着同等的重要性。

由于顶事件发生的概率必须小于1×10-9，所以“非指令性触发”的可靠性分配结果为：

舱门自动开启组件控制面板故障的概率低于2.5×10-10；

舱门自动开启组件控制电路故障的概率低于2.5×10-10；

舱门锁结构故障的概率低于2.5×10-10；

舱门开启作动器故障的概率低于2.5×10-10。

结语

本文介绍了一种民用飞机的空中应急离机系统，并对其进行了可靠性建模和可靠性分配，得到了可靠性指标的分配结果，为可靠性设计提供了依据，也为国内民用飞机空中应急离机系统的设计提供一定的借鉴和参考。

10.3969/j.issn.101- 8972.2016.12.034