馬 強，朱旭程

（海軍航空工程學(xué)院 a.訓(xùn)練部；b.飛行器工程系，山東 煙臺 264001）

直升機以其獨有的懸停特性和超低空飛行能力越來越多地被裝載于非航空型艦船，用以遂行海上補給、搜救、反潛、導(dǎo)彈超視距目標指示等任務(wù)，并在這些任務(wù)中表現(xiàn)出其他裝備無可比擬的優(yōu)勢。但是，艦載直升機不同于陸基直升機，它必須適應(yīng)海上飛行和艦載作業(yè)的環(huán)境[1-2]。由于海上風(fēng)速大，致使艦艇周圍風(fēng)場變化大，再加上艦艇運動和海上惡劣環(huán)境的影響，直升機的起飛和著艦條件受到很嚴格的限制[3]，飛行時機和任務(wù)時間也受到很大的限制。旋翼在起動過程的前10 s 內(nèi)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心剛度不到正常值的4%[4]，大的氣動力和小的離心剛度可能引起過大的氣彈揮舞位移（所謂的槳帆現(xiàn)象[5-6]），在起動和停止過程中艦艇搖擺和甲板突風(fēng)加大了旋翼槳葉的揮舞位移，槳葉揚起再下垂時可能會撞擊機身尾梁[7]，威脅到飛機和人員的安全。甲板上方的紊流會導(dǎo)致機體的突然下沉和側(cè)滑，加大飛機操縱難度[8-9]，艦艇的運動和搖擺使得飛行員更難以在狹小的甲板空間上選擇著艦時機。在著艦速度過高時會導(dǎo)致飛機高速撞擊甲板，引起機身和起落架的結(jié)構(gòu)安全問題，甚至?xí)箻~根部折斷。起飛和著艦過程是艦載直升機使用中事故發(fā)生率最高的階段[10]，艦載直升機在狹小、運動的甲板上起飛著艦，又受到甲板上方復(fù)雜尾流的強烈干擾，其工作難度比在陸地上大得多，艦上使用直升機的危險性遠大于陸上，安全性問題顯得非常突出。對艦載直升機起飛著艦過程中事故的模式、影響及其危害性進行分析，具有十分重要的軍事意義。

為預(yù)防事故的發(fā)生，提高直升機艦上作業(yè)的安全性，本文應(yīng)用故障模式影響及危害性分析(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，F(xiàn)MECA)方法，系統(tǒng)地分析影響艦載直升機起飛著艦安全性的各種因素，建立直升機安全影響因素的魚刺模型，確定直升機在起飛著艦過程中遇到的典型事故模式，建立FMECA 分析準則并對各事故模式實施事故模式影響及危害度分析，建立艦載直升機起降FMECA工作表，以便指導(dǎo)直升機研制和使用部門采取合理的事故預(yù)防措施來降低直升機艦上起降的風(fēng)險，最大限度地減少人員裝備損失。

1 艦載直升機起飛著艦過程安全因素分析

艦載直升機的典型起飛著艦過程如圖1所示。直升機起飛過程從位置保持點開始，到定常平飛狀態(tài)結(jié)束。為避開艦上障礙，直升機升起至艦艇甲板上方一定高度后，保持初始航向并向左后側(cè)橫移出艦艇左舷，在懸停位置左轉(zhuǎn)一定角度后，加速并進入等速爬升和等加速前飛，保持等速爬升和等加速前飛，降低爬升速度和前飛加速度至零，最后進入定常平飛，起飛過程結(jié)束。相反，著艦過程從直升機定常平飛狀態(tài)開始，從遠處一點開始減速進入給定的降高速度和前飛減加速度，保持等速降高和給定前飛減加速度，最后逐漸將降高速度和平飛速度都降為零，從艦艇左舷進入位置保持點。直升機從艦艇左舷以一定角度接近艦艇，到左舷懸停點后左轉(zhuǎn)對正艦艇。

圖1 直升機起飛著艦過程示意圖

直升機在復(fù)雜的艦艇和海洋環(huán)境中起降,影響直升機安全的因素?zé)o疑不少。經(jīng)系統(tǒng)地研究可將直升機安全影響因素采用如圖2所示的魚刺模型進行歸類分析，包括與直升機性能有關(guān)的因素、與艦船有關(guān)的因素、與環(huán)境有關(guān)的因素以及與操作人員有關(guān)的因素。

圖2 直升機安全性因素魚刺模型

圖2中，與直升機性能有關(guān)的因素主要有：直升機操控性能、起落架和旋翼系統(tǒng)的動態(tài)特性。為了提高直升機操縱準確性，并且具有適當(dāng)?shù)撵`敏度和良好的機動性，要求直升機有高性能的自動飛行控制系統(tǒng)，較大的剩余功率和旋翼系統(tǒng)的升力裕度，以及良好的操縱特性[11]。由于艦船上層建筑物的影響，在飛行甲板上風(fēng)的分布是不均勻的、不平穩(wěn)的，可能同時存在渦流、擾動、無風(fēng)及定常流動區(qū)[12]，給直升機的操縱帶來更多的困難和潛在的危險。發(fā)動機功率是直升機飛行的能量根源，在復(fù)雜多變的海上環(huán)境中，保持一定的發(fā)動機剩余功率和旋翼升力裕度，對直升機的飛行安全是至關(guān)重要的。直升機重量和可用過載也是決定飛機能否安全起降的重要條件，如果直升機的重量超過最大載重，就會導(dǎo)致起飛降落時控制失效。直升機最大起飛或著陸重量要根據(jù)所處高度位置和溫度來決定。由于艦船運動使得直升機停放在甲板上有發(fā)生滑移、滾動和翻傾等可能性，會出現(xiàn)單輪觸艦，產(chǎn)生起落架反作用力不對稱，直升機受力不平衡，著艦點滑移和翻傾的危險。直升機著艦后要保持穩(wěn)定并且避免艦面共振[13]，要求起落架的剛度和阻尼能吸收高能量、適應(yīng)不對稱反作用力，有較大的輪距和有效的剎車系統(tǒng)[14]。起落架盡量采用前3點布局、降低直升機重心可以使直升機在甲板運動譜內(nèi)保持穩(wěn)定不傾翻，也不發(fā)生艦面共振。為適應(yīng)艦船的空間限制，旋翼系統(tǒng)必須能折疊并限制槳葉片數(shù)，應(yīng)盡量采用無鉸旋翼以減少艦面共振的發(fā)生[15]。

與艦船有關(guān)的因素包括艦體動力響應(yīng)特性、上層建筑物、煙囪排煙、甲板結(jié)構(gòu)與直升機系留形式。在海上風(fēng)浪的作用下，艦船的運動響應(yīng)是一種六自由度的隨機運動，包括橫搖、縱搖、升沉、艏搖、橫蕩和縱蕩，艦船橫搖、縱搖、垂直位移、垂直速度和加速度、橫向加速度直接影響直升機的使用。在著艦瞬間，要求直升機相對甲板的垂直、傾斜和偏航速度與起落架的能量吸收和不平衡反作用力的適應(yīng)能力協(xié)調(diào)一致；而著艦后又要求直升機在艦甲板運動譜內(nèi)保持穩(wěn)定，既不滑移和翻倒，又不發(fā)生滾動和艦面共振。使用經(jīng)驗表明，因艦船搖擺和浪涌周期不同，在每個浪涌上下間艦船有一個短暫的平靜期，且在第3～4次浪涌時，會出現(xiàn)一個長的平靜期，短則5 s，長則達37 s[16]。飛行員必須及時準確判斷艦船的暫時平穩(wěn)期，抓住時機，準確地操縱直升機降落在著艦場的圓圈內(nèi)。直升機在起飛過程中遇到長峰浪時，其安全使用限制取決于橫搖和縱搖，遇到短峰浪時則決定于橫搖；直升機在著艦過程中遇到長峰浪時，其安全使用限制取決于橫搖、縱搖和垂直速度，遇到短峰浪決定于橫搖。對于中小型艦艇，影響直升機起飛著艦?zāi)芰Φ闹饕\動是甲板的橫搖和垂直運動速度，在4級和5級海情下直升機使用指數(shù)僅取決于橫搖[17]。

直升機甲板不僅時刻作不規(guī)則運動，其附近還存在著強烈的空氣紊流[18]如圖3所示，這對于艦船總體尺度較小、上層建筑流線形差的非航空型艦船尤為嚴重。艦艇的平均設(shè)計制造時間一般超前直升機8 a 左右，艦機的氣動兼容問題一直是研究領(lǐng)域的一個難題[19]。直升機著艦時若姿態(tài)控制不好或進入角度不當(dāng)，或下滑高度有誤，旋翼都有可能與著艦場前方的機庫和高豎的天線相撞。

圖3 甲板區(qū)域的尾流場

艦船排煙易在直升機進場區(qū)和飛行甲板上空造成熱輻射和擾動卷流區(qū)，影響發(fā)動機功率和直升機操縱性。尾煙擴散軌跡與甲板風(fēng)速風(fēng)向有關(guān)，尾煙溫度與艦艇動力模式和艦艇使用功率有關(guān)，風(fēng)洞實驗表明，通過優(yōu)化煙囪的設(shè)計可改善艦艇尾煙的分布。圖4是煙囪優(yōu)化設(shè)計前后尾煙在風(fēng)洞實驗中的對比情況，但煙囪設(shè)計還要考慮艦艇的紅外輻射和雷達散射特性，直升機僅是艦上眾多系統(tǒng)中的一個，艦艇的設(shè)計還要綜合考慮其他系統(tǒng)方面的需要。

圖4 煙囪優(yōu)化設(shè)計前后尾煙分布

甲板為艦載直升機的停放、起飛、著艦、懸停及與飛行活動有關(guān)的操作提供必要的凈空和面積，甲板的尺寸、強度、水密性、泄水能力、磨擦系數(shù)、標志和安全支援設(shè)施對直升機起降安全均有一定影響。為了避開艦船上層建筑和機庫的背風(fēng)處紊流區(qū)的影響，保障直升機的起飛著艦等操作安全，直升機平臺必須保證旋翼與障礙物之間有足夠的距離，保證直升機著艦后在甲板平臺上安全地進行旋翼折疊等作業(yè)。直升機平臺尺寸與起落架的具體布局和機庫高度有密切關(guān)系。由于前面高大機庫的影響，直升機著艦時有時很難向前靠近，看起來其尺寸合適的平臺實際上不能滿足直升機起降需要，常發(fā)生尾槳在船舷外邊的情況[20]。加之艦船不規(guī)則運動，導(dǎo)致艦載直升機著艦瞬間各個起落架機輪承受的載荷常是不對稱的，常有單輪觸艦現(xiàn)象。在起降平臺上應(yīng)敷設(shè)防滑、抗沖擊、抗磨損、抗溫度變化和防火性能好的防滑漆，以保證甲板摩擦系數(shù)要求。小型艦船為能搭載使用直升機還必須采取特殊的系留牽引措施[21]，目前比較成熟的技術(shù)方案有兩種類型：一種是一套快速系留、牽引、助降三位一體的設(shè)備，如加拿大研制的RAST系統(tǒng)；另一種方案是把系留和牽引問題分別加以解決，如英法研制的“魚叉”快速系留裝置。

與環(huán)境有關(guān)的因素包括風(fēng)速風(fēng)向、海浪、大氣溫度密度。艦艇船體及其上部構(gòu)造使艦船上方及后方的氣流結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，渦結(jié)構(gòu)中包括船頭渦、邊沿渦、陡壁體渦。不同的風(fēng)向、風(fēng)速及艦運動對直升機安全起降有明顯的影響[22]。在風(fēng)向偏航角0°和30°、風(fēng)速15 m/s條件下對模型艦進行CFD計算之后，得出艦艇尾流場的渦等強度云圖如圖5所示。艦體周圍的渦流和復(fù)雜風(fēng)場對旋翼起停時槳葉飄擺、直升機懸停時的穩(wěn)定性有較大影響[23]。

圖5 渦等強度(大小為0.8)云圖

海浪對于大型艦艇的影響主要是甲板浸濕，海浪撞到船體濺起的水花和飛沫干擾艦上正常的作業(yè)。大氣溫度、密度關(guān)系到發(fā)動機的可用功率，從而影響直升機的最大載重、爬升率等重要參數(shù)。能見度和云高差等氣象條件影響飛行員視線，艦上尾煙、甲板水霧和海面水花會干擾飛行員對飛行距離、速度的判斷，也不好辨別風(fēng)場、海浪和艦艇運動的情況，導(dǎo)致飛行員判斷失誤率高而容易出現(xiàn)操縱超限、著艦過猛、過偏現(xiàn)象。

與人員有關(guān)的因素包括駕駛員技術(shù)水平、空勤人員的業(yè)務(wù)和心理素質(zhì)。直升機艦上起降操縱技術(shù)復(fù)雜，指揮人員要全面掌握海洋氣象情況和艦船特性，有豐富的駕駛經(jīng)驗，應(yīng)急情況出現(xiàn)后應(yīng)果斷正確指揮。據(jù)直升機海上作業(yè)重大事故記錄統(tǒng)計，有70%人員事故因素與飛行員操縱失誤有關(guān)，有30%與指揮人員處理不當(dāng)有關(guān)系。

2 事故模式影響及危害性分析

FMECA是故障模式分析(FMA)、故障影響分析(FEA)和故障后果分析(FCA)這3種方法的總稱，包括一組系列化活動。其基本原理是通過系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)分析，確定可能發(fā)生的故障模式、故障影響及嚴重程度，以便找出潛在的薄弱環(huán)節(jié)并提出改進措施。其主要步驟有系統(tǒng)定義、故障模式分析、故障原因分析、故障影響分析、可能的改進措施分析、結(jié)論分析等(見圖6)。FMECA方法也針對過程系統(tǒng)中的安全事故進行分析，把事故模式按其影響的嚴重程度、發(fā)生概率與危害程度予以分類。對艦載直升機起飛著艦過程實施FMECA 分析的主要內(nèi)容包括艦載直升機事故模式分析，事故影響及危害度分析。

受艦艇環(huán)境和艦機匹配影響，艦載直升機的事故模式與陸基直升機相比有特殊性，對直升機的控制余度、發(fā)動機功率余度、結(jié)構(gòu)強度有更高要求。旋翼在起動和停止過程中艦艇搖擺和甲板突風(fēng)加大了槳葉的揮舞和飄擺，槳葉可能打傷座艙、尾梁和艦面人員。艦艇尾流會導(dǎo)致機體的突然下沉和側(cè)滑，加大飛機操縱難度。在著艦速度過高時會導(dǎo)致飛機高速撞擊甲板，引起的機身和起落架的結(jié)構(gòu)安全問題，甚至?xí)箻~根部折斷，直升機使用包線受到更嚴格的限制。通過收集歷史事故資料識別的典型艦載直升機起降事故如表1第1列所示。

圖6 FMECA的一般過程

表1 艦載直升機FMECA 工作表

事故造成的影響輕則增加飛行員工作負荷、改變原來的飛行計劃或不能起飛著艦，重則直升機墜海或艦機撞毀、人員發(fā)生傷亡。槳葉碰到機身后旋翼突然停止轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的檢修費用一般為數(shù)十萬元，對全機造成的損傷可從單個槳葉直至整機的價值，因人員傷害或任務(wù)取消產(chǎn)生的間接損失更難以估計。直升機在艦艇附近懸停作業(yè)時難以保持穩(wěn)定，可能碰撞到艦上障礙物發(fā)生機毀人亡事故。直升機撞擊艦面將導(dǎo)致艦面和直升機結(jié)構(gòu)受損，甚至造成旋翼或起落架折斷，威脅飛行員和其他機組人員的安全；著艦點過偏將導(dǎo)致直升機無法快速系留、旋翼與艦上建筑物或天線碰撞；直升機應(yīng)急著水可能引起電器短路著火，飛機沉沒和機組人員淹溺；發(fā)動機故障或剩余功率低將導(dǎo)致直升機無法保持平衡，不能在懸停點保持，使直升機不能按照預(yù)定航跡著艦。

為綜合評定各事故模式的危害等級，應(yīng)首先明確對事故嚴酷度(S)和事故發(fā)生概率(O)等一些要素進行評級的基本準則。事故模式產(chǎn)生的后果可用嚴酷度等級進行定性描述，嚴酷度等級劃分應(yīng)考慮到事故造成的潛在后果，并根據(jù)最終可能出現(xiàn)的人員傷亡、直升機損壞或經(jīng)濟損失的程度來確定。推薦采用的艦載直升機事故嚴酷度等級劃分見表2。

表2 艦載直升機事故嚴酷度等級評分

事故安全水平不僅要考慮事故發(fā)生后的嚴重性，還要考慮事故發(fā)生的概率，采用的事故模式發(fā)生概率等級評分標準參見表3。風(fēng)險優(yōu)先數(shù)(RPN)綜合反映了事故發(fā)生可能性及其后果嚴重性，是嚴酷度、發(fā)生概率的乘積，即：RPN=S×O。FMECA方法通常采用風(fēng)險優(yōu)先數(shù)來建立事故風(fēng)險的接受原則，常采用表4所示的風(fēng)險接受原則。

表3 事故模式發(fā)生概率等級評分

表4 事故模式風(fēng)險接受原則

參照FMECA 實施過程，對各事故危害度和出現(xiàn)的可能性應(yīng)用規(guī)則進行打分，計算出風(fēng)險優(yōu)先數(shù)如表1所示。針對 RPN值進行排序，統(tǒng)計出“RPN>70”以及“S>8”的危及人身安全的缺陷，對于這兩種情況必須采取預(yù)防措施。當(dāng)發(fā)動機失效時可采取拋棄魚雷、聲納和其他不危機飛行安全的部件，進行適當(dāng)燃油消耗或應(yīng)急放油等措施，盡量減輕直升機重量。為降低應(yīng)急著水的危害，可以采用雙氣囊式起落架，提供水下逃生的應(yīng)急呼吸裝置，設(shè)置應(yīng)急出水口水下照明設(shè)備，開展逃生離機訓(xùn)練等。防止直升機撞擊艦面的有效措施是有關(guān)人員掌握艦機動態(tài)配合規(guī)律，交叉運用著艦方式，采用帶有油氣式減震器及橡膠充氣機輪的輪式起落架。采取以上措施可以減少艦載直升機起飛著艦事故的發(fā)生，采取措施后重新計算評估RPN值，直到采取的措施保證“RPN≤70”且“S≤8”，即使艦載直升機著艦的危害度在允許的范圍之內(nèi)。

3 結(jié)束語

受艦艇和海上惡劣環(huán)境的影響，艦載直升機的起飛著艦安全問題顯得非常突出。本文應(yīng)用FMECA方法對艦載直升機起飛著艦過程實施了事故原因、事故模式、事故影響及危害度分析，確定了起飛著艦過程直升機遇到的典型事故模式，建立了直升機安全性因素魚刺模型，評估了事故模式的危害。通過FMECA法對艦載直升機起飛著艦過程中的事故危害度計算分析，以便發(fā)現(xiàn)并針對那些危害性大的事故研究制定相應(yīng)的對策，有助于提高整個起飛著艦過程的安全水平。

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