某型飞机氧气系统动态故障树分析

张大信 郭基联

摘要：分析某型飞机氧气系统工作原理，根据其工作特点和过程建立系统失效动态故障树（DFT），使用马尔可夫链转移公式对故障树进行定量计算，求出顶事件发生概率和底事件概率重要度，找出氧气系统薄弱环节，为机务维护工作提供帮助，也可指导工厂对氧气系统进行升级改造。

关键词：氧气系统；动态故障树；顶事件发生概率；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

某型飞机在飞行训练过程中，出现正常氧分压低故障，系统自动接通备用氧源，保证了飞行员正常生理需求。氧气系统作为飞机座舱内的一个子系统，是飞行员生命保障系统的关键组成部分，也是飞机进行高空安全飞行的重要保障。本文通过故障树法分析计算其故障发生概率，并查找氧气系统薄弱环节，为机务维护和工厂技术改进提供参考。

1 氧氣系统工作过程

某型飞机氧气系统包括主、备份和应急氧气三部分。

正常情况下，飞行员的用氧由主氧源提供。来自环控系统的增压空气首先经过电动活门，电动活门是控制总引气管路的开关，然后进入氧气浓缩器，氧气浓缩器利用分子筛变压吸附特性，通过吸附和冲洗再生循环过程，不断产生供飞行员呼吸的高品质富氧气体，飞机座舱高度在8km以下时，根据高度向飞行员供给符合生理需求的混合氧。

当主氧源丧失或者座舱高度超过8km时，通过“氧源转换器”切换到备用氧源为飞行员供氧。备用氧源由两个额定压力为21MPa、容积为4L的钢胆复合材料氧气瓶组成，可以保证在气密巡航高度飞行时供氧时间不低于60min。

当备用氧也丧失时，系统会警告飞行员操作“应急手柄”手动切换到应急氧供氧模式，然后立即下降到安全高度返航。应急氧源采用钢胆复合材料氧气瓶，容积为0.5L，额定压力为21MPa，可提供8～13min应急供氧。它同时也在弹射救生过程中为飞行员供氧。

2 氧气系统失效动态故障树

从氧气系统的工作过程可以看出，主、备份和应急氧源的工作呈现出顺序性，而传统的静态故障树（SFT）其底事件逻辑关系主要是通过“与门”和“或门”两种静态逻辑门来连接，不适用于氧气系统的分析。

动态故障树针对复杂系统工作时底事件的动态特性定义了可以描述系统发生顺序、时间关系的动态逻辑门，如顺序与门、冷备件门、温备件门等，动态故障树即是使用了动态逻辑门的故障树。根据本文分析需求，下面仅介绍顺序相关门（Sequence-Enforcing，SEQ）这一动态逻辑门，图形符号如图1所示。

顺序相关门表示其多个输入事件A1，A2，…，An必须是以逻辑门下面从左到右排列的顺序发生，输出事件才会发生，否则不发生。

以飞行员吸不到氧气为顶事件，使用顺序相关门为顶事件的逻辑门建立动态故障树，如图2所示。

3 氧气系统动态故障树定量分析

对动态故障树的定量分析只需对故障树的动态模块使用复杂的马尔可夫链转移公式来计算，其余静态模块依然使用传统的布尔公式。图2的氧气系统失效故障树可以看作是以T为顶事件、G1、G2、G3为底事件的动态故障树，其故障失效模式为G1G2G3。其中G1、G2和G3是静态子模块故障树，T是逻辑门为SEQ的动态故障树。

通过分析，氧气系统故障树可以转化为一条链长为3的马尔可夫转移链，如图3所示。

3.1 顶事件发生概率

假设氧气系统底事件的失效率分别为：

计算得出顶事件发生概率为2.6058×10-4，意为氧气系统正常工作1000h出现飞行员吸不到氧气的概率约为0.00026。从计算结果可知，采用了备份氧源和应急氧源的某型飞机氧气系统出现飞行员吸不到氧气的故障率较低，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个底事件发生概率引起的变化导致顶事件发生概率的程度。通过对每个底事件概率重要度的对比，可以找出可为系统带来最大改进的部件。本文用减支法来计算底事件概率重要度，减支法的思路为：令底事件的发生概率Ei=l和0，分别代入马尔可夫链概率公式，求出整个系统的故障概率PT（Ei=l）和PT（Ei=0），两数相减即为该底事件的概率重要度。

这种使用复杂的马尔可夫链转移公式求底事件概率重要度的方法其计算过程较复杂，为节省空间，本文使用Matlab软件对公式进行编程，代入数据后计算底事件概率重要度，如表1所示。

对表1进行排序，可以准确得出概率重要度最大的前三个底事件是E3（氧源转换器故障）、E4（应急手柄失效）和E5（应急储气瓶漏气），这就是需要机务重点维护和检查的部件。通过降低事件E3、E4和E5的故障概率即可在一定程度上降低顶事件的发生概率，从而减小系统的故障率。

尤其应重点提高概率重要度最大的E3故障的可靠性，此型飞机主氧源采用的是先进的分子筛变压吸附技术，其可靠性不如传统的用氧气瓶储存氧气的方法。飞行过程中，如果正常氧分压突然低于报警值时，系统将由氧源转换器自动转为备用氧。本文开头提到的飞行中出现的氧气系统故障问题正是这种情况。可见，氧源转换器是整个氧气系统的关键部件，降低其故障率可以有效避免飞行员发生“无法呼吸”的危险状况。

若将λE3的故障率由原来的5×10-5h-1提高到1×10-5h-1，代入公式计算，求得顶事件发生概率为5.264×10-5，顶事件发生概率缩小为原来的1/5，有效降低了整个系统的故障率。

3.3 动态故障树定量分析的特点

1）可以分析静态故障树不能处理的一些问题。对于具有动态性、冗余性、相关性的复杂问题，动态逻辑门能更加清楚地表示故障发生的顺序和原因，故障逻辑清晰准确。

4 总结

本文對某型飞机氧气系统工作情况进行了分析，以飞行员吸不到氧气为顶事件选用顺序相关门为逻辑门画出动态故障树，对故障树进行了定量分析；使用马尔科夫转移链概率计算公式，求解顶事件发生概率；选用减支法计算底事件概率重要度，准确找出系统薄弱环节，有针对性地提出改进方案。动态故障树可以准确分析复杂系统故障模式，其定量分析的计算结果精确，可作为机务维护保养和例行检查的参考数据，也可为飞机研制、生产和大修的厂所提供第一手分析数据。

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作者简介

张大信，硕士研究生，研究方向：航空装备作战运用与保障。